MỘT SỐ KHẢ NĂNG CÓ TÍNH NGUYÊN TẮC CỦA
9.1.1. Phản ứng khí đồng thể phát nhiệt
Những phản ứng khí đồng thể phát nhiệt có ý nghĩa không lớn đối với sản phẩm hoá học, tuy nhiên chúng rất quan trọng đối với các quá trình đốt cháy các hợp chất ở dạng khí cũng như những chất cháy nhẹ, đễ bay hơi trong quá trình sản sinh năng lượng trong các nồi hơi, động cơ pittông và tuabin khí. Chính vì vậy mà những phản ứng khí phát nhiệt không được xếp vào loại những phản ứng quan trọng đối với nền kinh tế quốc
dan.
Trong lĩnh vực sản xuất các hợp chất hoá học những phản ứng khí phát nhiệt sau thường được sử dụng: Phản ứng tạo khí clo (diéu chế từ hợp chất hyđroclorua khô), clo hoá các hydrocacbon (để tạo thành các hợp chất chứa clo), nitro hoá các hydrocacbon (để tạo thành các hợp chat nitro ankan).
Thiết bị phản ứng
Từ lâu người ta đã để xuất việc sử dụng các động cơ nhiệt (động cơ đốt trong, tuabin khí) để ứng dụng vào việc thực hiện các phản ứng khí phát nhiệt. Trong. thực tiễn
uyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng
154 Chương 9. Một số khả nàng có tình
với những thiết bị kiểu này, người ta bỏ qua năng lượng cơ học mà chỉ quan tâm đến
nhiệt phản ứng nhằm tạo ra hơi nước trong các thiết bị lớn (như thiết bị clo hoá metan).
Tuy nhiên dối với những thiết bị nhỏ thì việc tạo ra hơi nước không đủ thoả mãn và nhiệt
phản ứng sẽ được lấy đi một cách dơn giản nhờ hệ thống nước làm mát. Trong kỳ thuật tiến hành phản ứng khí phát nhiệt, luôn phải lưu tảm rằng hồn hợp nguyên liệu có thể phát nổ trong giới hạn rộng vẻ thành phần. Vì vậy phải cho phản ứng diễn ra ngay sau khi trộn lẫn khí nguyên liệu với nhau. Người ta phải đảm bảo sao cho phản ứng tiến hành ngay sau khi các khí nguyên liệu gặp nhau. Để thực hiện việc đó, người ta đã đẻ xuất thiết kế thiết bị phản ứng kiểu “đèn đốt” có cấu trúc tương tự như các loại đèn đốt sử dụng trong các xưởng thuỷ tỉnh. Cả hai khí thành phần được đưa vào hệ thống bằng
những vòi phun đồng trục. Trong vùng tron lan, nhiệt độ thích hợp luôn được giữ để đảm
bảo cho phản ứng diễn ra ngay tức thì. Trong suốt quá trình xảy ra phản ứng, entanpi của
phản ứng duy trì nhiệt độ cản thiết. Trong quá trình này người ta phải luôn quan tâm tao
ra một cơ chế khơi mào phản ứng (đánh lửa) an toàn để tránh tạo nên những hỗn hợp dễ nổ. Trong kỹ thuật, người ta sử dụng một loại thiết bị gọi là đèn đốt, với thiết bị này, nguyên liệu được đưa vào theo hệ số tỷ lượng, sau đó hỗn hợp được duy trì ở nhiệt độ
cháy rất cao. Tại nhiệt độ này, nếu sản phẩm mong muốn là những hợp chất hữu cơ (clometan, nitropropan), chúng sẽ không tồn tại trong trạng thái bẻn vững. Do đó người
ta có thể chia nhỏ quá trình phản ứng. Trong hệ đốt thứ nhất, những thành phần tham gia phản ứng được đưa vào không theo hệ số tỷ lượng và do vậy nhiệt độ toàn hệ không thể vượt quá giới hạn bẻn vững của các hợp chất hữu cơ. Sau đó toàn bộ sản phẩm và nguyên liệu chưa phản ứng hết lại được đưa tiếp sang đèn đốt thứ hai giống như hệ thứ nhất. Cứ như vậy hỗn hợp phản ứng sẽ dược điều chỉnh với các thành phần tham gia cho
tới khi cuối cùng tại đầu ra chúng vẫn tuân theo tỷ lệ hợp thức. Nếu một tỷ lệ hỗn hợp
được đưa vào theo một trật tự như vậy thì sẽ không xuất hiện ngọn lửa, do đó người ta phải dùng thêm một thiết bị phản ứng dạng ống được chia thành nhiều phần nhỏ riêng biệt kèm theo số lượng vời phun tăng lên để dẫn những cấu tử lựa chọn vào các phần này. Trong thiết bị phản ứng này, phản ứng sẽ diễn ra dọc theo suốt chiều dài của ống và bản thân chiều dài của ống cũng được dùng dé làm nguội hỗn hợp (hình 9.1b).
Những thiết bị phản ứng dạng ống sử dụng nước áp suất cao hay muối hoà tan thường được dùng cho quá trình clo hoá metan. Khi tetraclorua cacbon là sản phẩm cuối, người ta có thể đưa vào cả clo lẫn metan với những lượng dư. Tuy nhiên trong mọi trường hợp, người ta mong muốn tất cả những sản phẩm của quá trình clo hoá đều được sinh ra theo một tỷ lệ thích hợp. Do đó người ta chọn metan là thành phần ban đầu dư sau đó thêm dân những lượng nhỏ clo khác nhau vào ống phản ứng để thu được thành phần sản phẩm như mong muốn. Đối với phản ứng clo hoá metan và những phản ứng khí
thu nhiệt khác , người ta thường sử dụng những thiết bị phản ứng trộn ngược có nguyên
Hóa kỹ thuật 155 liệu hồi lưu (hình 9.1c). Điều cần quan tâm ở đây là thành phản của hỗn hợp các chất bên trong thiết bị phản ứng sao cho chúng nằm ngoài giới hạn gây nổ.
Ct
—+ oo Th ủ
a) b)
Ch.
Hình 9.1. Những khả năng mang tính nguyễn tắc của quá trình tiến hành phần ứng đôi với các phản ứng khí đồng thể phát nhiệt:
4) đèn đốt; b) ống phản ứng chia đoạn; c) thiết bị phản ứng trộn ngược có nguyên liệu hồi lưu.
Nhiệt của phản ứng được lấy đi nhờ những ống xoắn làm lạnh lắp đặt sẵn trong thiết bị. Để để phòng giới hạn nổ, nhiệt độ cao nhất phải thấp hơn nhiệt độ giới hạn và
156 Chương 9. Một số kha nang có tính nguyên tác của kỹ thuật tiễn hành phản ứng
người ta cũng có thể di chuyển bộ phận làm lạnh xuống phía dưới thiết bị phản ứng.
Trong thiết bị phản ứng trộn ngược có nguyên liêu hồi lưu, tất nhiên người ta chỉ chuyển
hoá được một phản. Nguyên liệu còn dư sẽ được hồi lưu trở lại thiết bị phản ứng. Vẻ một hệ bao gồm nhiều phản ứng nối tiếp nhau như đối với phản ứng clo hoá metan, người ta
có thể hồi lưu các sản phẩm trung gian không mong muốn trở về thiết bị phản ứng. Do
đó đối với quá trình clo hóa metan bằng thiết bị phản ứng trộn ngược có nguyên liệu hồi lưu, người ta phải chấp nhận nhược điểm là hiệu suất cao nhất có thể của các sản phẩm trung gian (CH,Cl, CH,Cl, CHCI,) nhỏ hơn so với lò phản ứng dạng ống như đã miêu tả
ở trên.
Ngoài thiết bị phản ứng trộn ngược có nguyên liệu hồi lưu, đối với quá trình clo hoá hydrocacbon, người ta còn sử dụng thiết bị tắng sôi. Trong lò tắng sôi bao gồm
những chất rắn trơ dạng hạt mịn. Những hạt này sẽ được trộn ào hôn hợp các khí
nhưng không đi cùng chúng trong các bước tiếp theo. Đường kính hạt phải nằm trong một ngưỡng hẹp và phù hợp với tốc độ dòng khí. Những hạt này đóng vai trò mang nhiệt
và giữ cho nhiệt độ trong thiết bị phản ứng luôn ổn định. Hơn thế nữa nó còn nâng cao
hiệu suất trao đổi nhiệt giữa hỗn hợp phản ứng và hệ thống làm lạnh.
(Trong hệ tầng sôi, hệ số trao đổi nhiệt có thể lên tới # ~ 1000 kcal.m .K h `).