MỘT SỐ KHẢ NĂNG CÓ TÍNH NGUYÊN TẮC CỦA
9.2.2. Các-phản ứng khí phát nhiệt
Có nhiều giải pháp kỹ thuật hơn cho quá trình tiến hành những phản ứng khí xúc
tác dị thể.
Lò ống (hình 9.8a). Đối với những phản ứng diễn ra ở áp suất vừa phải (1 đến 25 at) và nhiệt của phản ứng cần phải lấy đi không quá lớn, người ta thường dùng loại thiết bị ống chùm. Thiết bị này bao gồm khoảng từ 50 đến 250 (trong trường hợp đặc biệt vài ngàn) những ống nhỏi đầy chất xúc tác được đặt song song (đường kính khoảng 1.5 đến 6 cm), bên ngoài được bao quanh bằng chất lỏng lạnh. Dựa vào các vùng nhiệt độ của các chất lỏng hoặc dạng nóng chảy ghi trong bảng 9.3 mà người ta chọn sử dụng chất trao đổi nhiệt cho phù hợp với quá trình. Môi chất làm lạnh được bơm lên buồng phản ứng với tốc độ lớn nhất có thể để tạo dòng xoáy đảm bảo nhiệt phân bố được đỏng đều.
Bên ngoài buồng phản ứng người ta còn lắp buồng trao đổi nhiệt, ở đó những chất lỏng,
truyền nhiệt của chúng cho nước hay không khí. Một số chất làm lạnh thoát ra ngoài nên người ta có thể sử dụng chúng như những lớp áo làm mát buồng phản ứng.
Lò ống được dùng trong các quá trình hydro hoá (benzen thành xiclohexan, phenol thành xiclohexanol) và các quá trình oxy hoá (etylen thành etylenoxit, naphtalen thành anhydric phtalic (AP)).
Ngoài ra lò ống còn dùng cho quá trình cộng hợp axit HCI với axetylen (tổng
hợp vinylclorua) và axit axetic với axetylen (tổng hợp vinylaxetat)
Lò ống do có một số lượng rất lớn các ống nhỏ riêng biệt nằm song song nên nó.
lớn và do vậy thiết bị phải hàn lại với nhau. Cũng cải š chỗ thay thế chất xúc tác thích hợp. Vì những lý do này giá thành nhà xưởng cho thiết bị lên rất cao. Chỉ phí này càng lớn khi tăng công suất lò. Vì thế khi sản xuất cần đạt công suất cao, người ta thích sử dụng thiết bị tầng hơn, thêm vào đó với quá trình trong thiết
có thể tiến hành tại những nhiệt độ xác định.
i ting người tà
169
Bảng 9.3. Các chất lòng dùng làm chất trao đổi nhiệt
ác dang nóng chảy Nhiet do, °C
+100... +250 Diphenyl/diphenyloxit
|
Thuỷ ngăn
Muối nóng chảy
Natri
Chì
Lo tng (hình 9.8b và c) bao gồm nhiều lớp xúc tác xếp chồng lên nhau theo trật tự. Phản ứng sẽ diễn ra trên mỗi lớp này. Nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng cũng được gia tăng, Sau phản ứng trên lớp xúc tác, hỗn hợp phản ứng được làm lạnh bằng chất trao đổi
nhiệt (tuy nhiên thông thường chúng không được lắp đặt vì sẽ rất khó cho quá trình thay.
đổi chất xúc tác) hay bằng sự hoạt động của hỗn hợp đầu ra lạnh (quá trình khí lạnh)
Khi phản ứng tiến tới bậc 0, người ta có thể chọn chiều cao các lớp trên tất cả các tầng.
như nhau. Trong trường hợp này những dòng của lượng xúc tác giống nhau chuyển đến
các vị trí như nhau giống nhau và sẽ dẫn đến nhiệt độ của các tảng có chung một giá trị.
Khi phản ứng diễn ra ở những bậc cao hơn, nếu người ta muốn trong mỗi tầng có số lần quay vòng như nhau và cùng với nó là sự gia tăng nhiệt độ như nhau của hỗn hợp phản ứng, người ta phải làm tăng độ cao của những lớp chất xúc tác cùng với mức độ
quay vòng. Những kiến thức về quy tắc tốc độ không chỉ là quá trình tính toán lượng xúc
tác cần thiết mà còn là những quy tắc dự đoán sự phân chia của những tầng khác nhau của buồng phản ứng. Lò tầng với những chất trao đổi nhiệt nằm ngoài thường được dùng
cho quá trình oxy hod SO, thành SO,. Lò tầng cùng với chuyển động của khí lạnh
thường được sử dụng cho quá trình tổng hợp arhoniac và metanol. Đối với các phản ứng
xảy ra ở áp suất cao, người ta rất khó bố trí những chất trao đổi nhiệt nằm ngoài hay
trong buồng phản ứng, ở đây thường khí lạnh được đem ra sử dụng.
Lò tầng sôi (hình 9.84). Trong quá trình oxy hoá (oxy hoá amoniac va propylen thành acrylnitril, oxy hoá naphtalen hay o-xylen thành axit naphtalic), người ta thường dùng lò tầng sôi với với những dây làm lạnh xoắn được gắn sẵn bên trong, trong đó nước được dun nóng hay làm nóng bằng hơi nước. Lò tầng sôi có ưu điểm là sự truyền nhiệt từ đáy thiết bị lên vùng lạnh rất tốt, do đó những phản ứng với entanpi của phản ứng đặc
biệt âm tỏ ra chiếm ưu thế. Tuy nhiên cũng có nhược điểm là khoảng thời gian phản ứng diễn ra lớn hơn rất nhiều so với lò ống hay lò tầng (xấp xỉ tương đương với ống dòng lý
170 Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tác của kỹ thuật tiến hành phản ứng.
tưởng). So với lò ống, những ưu thế của lò tầng sôi không được đặc biệt lưu tâm đối với các phản ứng oxy hoá vì nó không đáp ứng được một nhiệt độ không đổi như người ta mong đợi. Qua đó người phát triển kỹ thuật cho cả hai loại thiết bị phản ứng để đáp ứng những phản ứng khác nhau.
đ) e)
Hình 9.8, Nhimg kha nang mang tính nguyên tác của kỹ thuật tiến hành phản ứng.
khí xúc tác dị thể phát nhiệt:
a) lò ống (được bao quanh bởi các ống trao đổi nhiệt); b) lò ting (bộ phận trao đổi nhiệt nằm ngoài); c) lò tầng (dẫn khí lạnh vào thiết bi phan ting); d) ld tang sôi (có bộ phận làm lạnh gắn bên trong); e) lò thổi (có
bộ phận làm lạnh gắn ben trong).
171
Trong lò tầng sôi người ta dùng những xúc tác dạng hạt mịn, sao cho độ bền cơ
học (độ chịu va đập) của các loại hạt đó được coi là một yếu tố quan trọng. Những hạt
xúc tác này sẽ được cuốn vào hỗn hợp phản ứng dạng khí nhưng khong bi mang di xa.
Do đó tốc độ dòng khí phải nhỏ hơn một chút tốc độ lắng của hạt xúc tác.
Lò thổi (hình 9.8e) có những ưu và nhược điểm tương tự như của lò tầng sôi, người ta còn có thiết bị thổi. Trong thiết bị thỏi, những hạt xúc tác rắn mịn nằm lơ lửng trong một chất lỏng trơ và người ta dẫn hỏn hợp khí có khả năng phản ứng đi qua hỗn
hợp lỏng rắn này. Quá trình thổi để đảm bảo sự khuếch tán tốt qua đó có sự truyền nhiệt
tốt tới vùng làm lạnh gắn bên trong. Thiết bị thổi đã được áp dụng cho kỹ thuật tiến hành phản ứng khí xúc tác dị thể lần đầu tiên trong quá trinh téng hop Fischer-Tropsch (Téng hợp hyđrocacbon từ CO + 2H, với sự có mặt của xúc tác coban). Ngày nay người ta
dùng đa số thiết bị thổi trong trường hợp chất xúc tác phản ứng hoà tan trong chất lỏng, ví dụ tổng hợp oxo của propionaldehyl từ etylen, CO và hydro với sự có mặt của xúc tác CoH(CO),, chất có thể hoà tan trong chất lỏng (ví du n-propalnol). Cũng như thế đối với công nghệ Deacon (sự chuyển hoá của HCI với oxy không khí thành clo và nước), người ta cũng dùng thiết bị thổi khí (với muối FeCl, nóng chảy đóng vai trò xúc tác).