MÔN HỌC NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP 30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH) TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999. 2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi - Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2, Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp 3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les réacteurs chimiques, Technip, 1984. 4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, 1999. 5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980.
LINK DOCS.GOOGLE: https://drive.google.com/file/d/0B8NwdnrE0vjMdmtkczNzMG5ZT2s/view?usp=sharing LINK BOX: https://app.box.com/s/91c1p6o681i3tmvkf7nhiwmhn94dt2vx
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
MÔN HỌC
NGUYÊN LÝ HÓA CÔNG NGHIỆP
30 tiết (15 LT + 7,5 BT + 7,5 TH)
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. J.P. MOULIN, Génie des procédés, tập 1 & 2, Technip, 1999.
2. Đỗ Văn Đài - Nguyễn Trọng Khuôn - Trần Quang Thảo - Võ Thị Ngọc Tươi
- Trần Xoa, Cơ sở các quá trình và thiết bị công nghệ hóa học, Tập 1 & 2,
Nhà xuất bản Đại Học và Trung học chuyên nghiệp
3. P. TRAMBOUZE - H. VAN LANDEGHEM - J.P. WAUQUIER, Les
réacteurs chimiques, Technip, 1984.
4. Vũ Bá Minh, Kỹ thuật phản ứng, Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí
Minh, 1999.
5. R.E TREYBAL, Mass transfer operations, 1980.
Nguyên lý hóa công nghiệp 2
NỘI DUNG MÔN HỌC
Lý thuyết và bài tập
Chương I: Mở đầu
Chương II: Chưng luyện
Chương III: Trích ly
Chương IV: Thiết bị phản ứng – Bài tập áp dụng
Chương V: Thiết bị trao đổi nhiệt
Thực hành
Vận dụng phần mềm PROII để mô phỏng một số sơ đồ trong công
1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC ........................... 5 1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI......................... 6
1.2.1. Định nghĩa ..................................................................................................................... 6 1.2.2. Phân loại ....................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: CHƯNG LUYỆN................................................................................................... 7 2.1. ĐỊNH NGHĨA CHƯNG .................................................................................................. 7 2.2. PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP CHƯNG............................................................... 7 2.3. PHÂN LOẠI HỖN HỢP HAI CẤU TỬ .......................................................................... 8 2.4. CÂN BẰNG LỎNG HƠI CỦA HỖN HỢP 2 CẤU TỬ ................................................... 9
2.5. THÁP CHƯNG LUYỆN ............................................................................................... 12 2.5.1. Nguyên tắc hoạt động.................................................................................................. 12 2.5.2. Thiết bị ngưng tụ đỉnh tháp (Condenser) .................................................................... 13 2.5.3. Thiết bị đun sôi đáy tháp (Reboiler)............................................................................ 14 2.5.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 16 2.5.5. Xác định chỉ số hồi lưu rf và số đĩa lý thuyết tối thiểu Nmin......................................... 17 2.5.6. Xác định số đĩa thực tế NTT.......................................................................................... 19
THỰC HÀNH
VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG
NGHIỆP HÓA HỌC
I- GIớI THIệU TổNG QUAN ..................................................................................................... 21
1- MụC ĐÍCH, VAI TRÒ CủA THIếT Kế MÔ PHỏNG ........................................................................... 21 2- CÁC PHầN MềM MÔ PHỏNG TRONG CÔNG NGHệ HÓA HọC.......................................................... 22
II- PHầN MềM PRO/II ............................................................................................................... 22 1- LĨNH VựC Sử DụNG................................................................................................................... 22 2- QUÁ TRÌNH MÔ PHỏNG BằNG PHầN MềM PRO/II....................................................................... 23
III- LÝ THUYếT NHIệT ĐộNG HọC........................................................................................ 24 IV- CƠ Sở LựA CHọN MÔ HÌNH NHIệT ĐộNG.................................................................... 25 V- CÁC PHầN CƠ BảN CủA PROII......................................................................................... 28
1- GIAO DIệN CủA PROII- QUI ƯớC BAN ĐầU ............................................................................... 28 2- Cửa sổ PRO/II................................................................................................................... 29
VI- CÁC THAO TÁC THƯờNG DÙNG TRONG MÔ PHỏNG BằNG PRO/II ........................ 30 1- Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG MớI (OPENING A NEW SIMULATION) ................................ 30 2- Mở MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG ĐÃ CÓ (OPENING AN EXISTING SIMULATION) .................. 30 3- GHI MộT FILE MÔ PHỏNG ĐANG HIệN HÀNH (SAVING THE CURRENT SIMULATION).................. 30
a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành ............................................................................. 30 b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác ........................................................................... 31
4- XÓA MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (DELETING A SIMULATION)........................................... 31 5- SAO CHÉP MộT CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỏNG (COPY A SIMULATION).......................................... 31
Nguyên lý hóa công nghiệp 4
6- THAY ĐổI DạNG ĐƯờNG VIềN CÁC DÒNG (MODIFYING THE FLOWSHEET STREAM BORDER STYLE)........................................................................................................................................ 32 7- HIểN THị TÍNH CHấT CủA DÒNG TRÊN SƠ Đồ MÔ PHỏNG ............................................................ 32 8- Sử DụNG FLASH HOT-KEY TOOL............................................................................................ 33 9- XUấT MộT SƠ Đồ MÔ PHỏNG RA CửA Sổ LƯU TRữ TạM (EXPORTING THE PFD TO THE WINDOWS CLIPBOARD) ............................................................................................................................... 34 10- NHậP MộT FILE PRO/II CÓ SẳN (IMPORTING A PRO/II KEYWORD INPUT FILE)...................... 34 11- XÁC ĐịNH CÁC TÍNH CHấT Về CÂN BằNG LỏNG - HƠI CủA CÁC Hệ 2 CấU Tử (DISPLAY BVLE).. 34
VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG............................................................................................................ 36 BÀI TOÁN 1: MÔ PHỏNG SƠ Đồ CÔNG NGHệ CủA PHÂN XƯởNG TÁCH MÉTHANE ........................... 36 BÀI TOÁN 2: MÔ PHỏNG THIếT Bị TÁCH KHÍ - LỏNG ...................................................................... 38 BÀI TOÁN 3: TÍNH NHIệT Độ SÔI CủA MộT HỗN HợP HAI PHA ở MộT ÁP SUấT NHấT ĐịNH.................. 39 BÀI TOÁN 4: MÔ PHỏNG THÁP TÁCH PROPANE ............................................................................ 40 BÀI TOÁN 5: XÁC ĐịNH ĐĨA NạP LIệU TốI ƯU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG CÔNG Cụ OPTIMISER................................................................................................................................................... 42 BÀI TOÁN 6: XÁC ĐịNH Số ĐĨA LÝ THUYếT TốI THIểU VÀ CHỉ Số HồI LƯU TốI THIểU CHO THÁP TÁCH PROPANE BằNG PHƯƠNG PHÁP SHORTCUT ................................................................................... 44
CHƯƠNG 3: TRÍCH LY ........................................................................................................... 46 3.1. NGUYÊN TắC................................................................................................................... 46 3.2. SƠ Đồ .............................................................................................................................. 46 3.3. ỨNG DụNG ...................................................................................................................... 46
CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG....................................................................................... 47 4.1. ĐẠI CƯƠNG................................................................................................................. 47
4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG........................................................................... 47 a- Theo pha của hệ ................................................................................................................ 47 b- Điều kiện tiến hành quá trình............................................................................................ 47 c- Theo điều kiện thủy động................................................................................................... 47 4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC ...... 48 a- Thiết bị phản ứng gián đoạn :........................................................................................... 48 b- Thiết bị phản ứng liên tục : ............................................................................................... 49 c- Thiết bị phản ứng bán liên tục : ........................................................................................ 50 4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG .......................................................... 50
4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT ............................. 51 4.2.4. Cân bằng vật chất........................................................................................................ 51 4.2.5. Cân bằng nhiệt ............................................................................................................ 51
4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN.................... 52 Thiết bị phản ứng liên tục...................................................................................................... 52 a- Thiết bị phản ứng dạng ống : ............................................................................................ 52 b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng..................................................................... 55 c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) ............................................................................... 59
4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ..................................................................... 60 4.4.7. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN ............................................................. 60 4.4.8. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG............................................................................. 67
Nguyên lý hóa công nghiệp 5
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
1.1. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH TRONG CÔNG NGHỆ HÓA HỌC
Nhìn chung các quá trình trong công nghệ hóa học được phân thành 4 loại sau:
1. Các quá trình cơ học: gồm các quá trình: đập, nghiền, sàng, … các vật liệu
rắn.
2. Các quá trình thuỷ lực: nghiên cứu về:
− Các định luật về thủy tĩnh, thủy động, chuyển động của chất lỏng, chất khí.
− Các thiết bị vận chuyển khí, lỏng (bơm, quạt, máy nén, …)
− Các phương pháp và thiết bị phân riêng các hệ khí, lỏng không đồng nhất (lắng,
lọc, ly tâm, …)
3. Các quá trình nhiệt: nghiên cứu về:
− Các định luật về truyền nhiệt (dẫn nhiệt, cấp nhiệt, bức xạ nhiệt, …)
− Các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt (đun nóng, làm nguội, ngưng tụ, cô đặc)
− Các quá trình làm lạnh.
4. Các quá trình chuyển khối: nghiên cứu về:
− Các định luật về sự di chuyển vật chất giữa các pha với nhau
− Các thiết bị chuyển khối (chưng luyện, hấp thụ, hấp phụ, sấy, trích ly, kết tinh,
…)
Nguyên lý hóa công nghiệp 6
1.2. NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN KHỐI
1.2.1. Định nghĩa
- Là quá trình di chuyển vật chất từ pha này sang pha khác khi hai pha tiếp xúc
trực tiếp với nhau;
- Đây là quá trình đóng vai trò quan trọng trong nền công nghiệp hóa học vô cơ,
hữu cơ, lọc hóa dầu, thực phẩm, …
1.2.2. Phân loại
Tuỳ theo đặc trưng của sự di chuyển vật chất và tính chất của 2 pha → phân loại:
- Chưng: là quá trình tách các hỗn hợp lỏng thành các cấu tử riêng biệt, trong đó
vật chất di chuyển từ pha lỏng vào pha hơi và ngược lại. Đây là quá trình rất phổ
Trong đó: Hiệu suất của máy nén là 75%; Hiệu suất của thiết bị giản nở: 80%
Yêu cầu chất lượng của sản phẩm đáy là tỉ lệ C1/C2 = 0.015
Hãy xác định:
1. Công suất thực của máy nén C1?
2. Thành phần, nhiệt độ và áp suất của các dòng sản phẩm khí và lỏng?
⇒ Phương pháp tiến hành: Chúng ta sẽ chia sơ đồ trên thành 2 vùng :
• Vùng 1 : mô phỏng 3 thiết bị đơn giản để làm quen với phần mềm PROII
• Vùng 2 : Chúng ta sẽ mô phỏng toàn bộ quá trình để tìm hiểu những điểm ưu việt
của phần mềm PROII
Nguyên lý hóa công nghiệp 37 Nguyên lý hóa công nghiệp 37
Nguyên lý hóa công nghiệp 38
Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng
Cho vào thiết bị tách khí lỏng một dòng nguyên liệu với các dữ liệu sau:
• Lưu lượng : 100 kmol/h; t = 300C ; P = 10 bar
• Thành phần hóa học: Méthane : 13 kmol/h
Ethane : 22 kmol/h
Propane : 38 kmol/h
Butane : 22 kmol/h
Pentane : 5 kmol/h
Điều kiện làm việc của thiết bị tách: 300C và 7 bar
Hãy xác định:
1. Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách?
2. Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách?
3. Năng suất nhiệt của thiết bị tách?
Nguyên lý hóa công nghiệp 39
Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất
nhất định
Nguyên liệu có thành phần như bài toán 2, lưu lượng = 5500 kg/h.
Hãy xác định:
1. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar?
2. Hằng số cân bằng pha của các cấu tử ?
3. Thành phần hỗn hợp hơi cân bằng với lỏng?
4. Năng suất nhiệt của thiết bị tách?
⇒ Giải quyết bài toán
Để giải quyết bài toán trên, ta tiến hành các bước:
• Giả thiết cho hỗn hợp nguyên liệu này đi vào một bình tách làm việc ở áp suất là 7
bar.
• Tiến hành mô phỏng như bài toán 2
• Vì muốn xác định nhiệt độ sôi của hỗn hợp ⇒ ở cửa sổ Flash Drum, ở mục Second
Specification ⇒ Chọn Bubble point ở mục Unit Specification
• Do phải xác định hằng số cân bằng pha của các cấu tử ⇒ ở cửa sổ Flash Drum, ở
mục Print Option ⇒ Chọn Include Component K - values
Nguyên lý hóa công nghiệp 40
Sơ đồ bài toán
Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane
Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau :
• Nguyên liệu :
- năng suất : 400 tấn/ngày
- P = 18 bar
- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng C3 và 74 % khối lượng C4
• Tháp :
- 22 đĩa lý thuyết; nạp liệu ở đĩa 13
- áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết
- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn ; áp suất bình tách : 16,2 bar
• Chỉ tiêu chất lượng sau :
- sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4
Nguyên lý hóa công nghiệp 41
- sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3
⇒ Hãy xác định :
- Chỉ số hồi lưu ?
- Năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi lại và thiết bị ngưng tụ (MkCal/ngày)
- Lưu lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy ?
Sơ đồ bài toán
Nguyên lý hóa công nghiệp 42
Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng
công cụ Optimiser
Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau :
• Nguyên liệu :
- năng suất : 400 tấn/ngày
- P = 18 bar
- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng
butane
• Tháp :
- 22 đĩa lý thuyết
- áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết
Nguyên lý hóa công nghiệp 43
- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn
- áp suất bình tách : 16,2 bar
• Chỉ tiêu chất lượng sau :
- sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4
- sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3
⇒ Hãy xác định đĩa nạp liệu tối ưu để năng suất của thiết bị đun sôi lại là bé nhất
Nguyên lý hóa công nghiệp 44
Bài toán 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối
thiểu cho tháp tách propane bằng phương pháp shortcut
Bài toán
Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau :
• Nguyên liệu :
- năng suất : 400 tấn/ngày
- P = 18 bar
- có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng
butane
• Tháp :
- áp suất đỉnh : 16,5 bar
- trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết
Nguyên lý hóa công nghiệp 45
- thiết bị ngưng tụ hoàn toàn
- áp suất bình tách : 16,2 bar
• Chỉ tiêu chất lượng sau :
- sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4
- sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3
⇒ Hãy xác định :
- Số đĩa lý thuyết tối thiểu?
- Chỉ số hồi lưu tối thiểu?
Nguyên lý hóa công nghiệp 46
CHƯƠNG 3: TRÍCH LY
3.1. Nguyên tắc - Trích ly là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng hay chất
rắn bằng một chất lỏng khác → Chỉ xét cho hỗn hợp lỏng - lỏng - Yêu cầu của dung môi: - Hòa tan chọn lọc cấu tử cần tách;
- Hệ số khuyếch tán D lớn → vận tốc chuyển khối lớn; - Nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi nhỏ (tiết kiệm khi hoàn nguyên dung môi); - Độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ); - Không ăn mòn thiết bị, không tác dụng hóa học với các cấu tử trong hỗn hợp; - Rẻ tiền, dễ kiếm;
3.2. Sơ đồ
Hỗn hợp lỏng A + B (A: cấu tử cần tách)
S: dung môi
Pha R (B + εA-S)
Pha E (A-S + εB)
3.3. Ứng dụng - Trong công nghiệp lọc hóa dầu: tách các sản phẩm có nhiệt độ sôi gần nhau; - Trong công nghiệp dược phẩm: tách pénicilline từ hỗn hợp lên men; - Trong công nghiệp luyện kim: tách kim loại trong dung dịch ; - Trong công nghiệp thực phẩm: tách dầu béo, tinh dầu từ nguyên liệu;
Nguyên lý hóa công nghiệp 47
CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
4.1. ĐẠI CƯƠNG
4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG a- Theo pha của hệ
• Theo bản chất pha : thiết bị phản ứng pha khí, lỏng hoặc rắn ;
• Theo số pha :
- thiết bị phản ứng một pha (đồng thể) : pha khí hoặc lỏng,
- thiết bị phản ứng nhiều pha (dị thể) :
- thiết bị phản ứng hai pha : khí-lỏng, lỏng-lỏng, khí-rắn, lỏng-rắn
- thiết bị phản ứng ba pha : khí-lỏng-rắn.
• Theo trạng thái pha : thiết bị phản ứng pha liên tục hoặc pha phân tán
b- Điều kiện tiến hành quá trình
• Theo phương thức làm việc:
- thiết bị phản ứng gián đoạn
- liên tục
- bán liên tục
• Theo điều kiện nhiệt
- thiết bị phản ứng đẳng nhiệt
- đoạn nhiệt
c- Theo điều kiện thủy động
• Theo chiều chuyển động của các pha :
- thiết bị phản ứng xuôi dòng, ngược dòng hoặc dòng chéo nhau
- thiết bị phản ứng dọc trục hoặc xuyên tâm
Nguyên lý hóa công nghiệp 48
• Theo chế độ chuyển động :
- thiết bị phản ứng dạng ống ;
- thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn
- thiết bị phản ứng nhiều ngăn.
• Theo trạng thái tầng xúc tác :
- thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố định ;
- thiết bị phản ứng tầng xúc tác di động ;
- thiết bị phản ứng tầng sôi ;
- thiết bị phản ứng tầng xúc tác kéo theo
4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM
VIỆC
Tuỳ thuộc vào phương thức làm việc, người ta chia thiết bị phản ứng thành 3 loại :
a- Thiết bị phản ứng gián đoạn :
• Định nghĩa : là thiết bị phản ứng làm việc theo từng mẻ, nghĩa là các thành phần tham
gia phản ứng và các chất phụ gia (dung môi, chất trơ) hoặc các chất xúc tác được đưa
tất cả vào thiết bị ngay từ thời điểm đầu. Sau thời gian nhất định, khi phản ứng đã đạt
được độ chuyển hóa yêu cầu, người ta cho dừng thiết bị và tháo sản phẩm ra.
• Ưu điểm :
- Tính linh động cao : có thể dùng thiết bị đó để thực hiện các phản ứng khác nhau
tạo ra các sản phẩm khác nhau
- Đạt độ chuyển hóa cao do có thể khống chế thời gian phản ứng theo yêu cầu
- Chi phí đầu tư thấp do ít phải trang bị các thiết bị điều khiển tự động
• Nhược điểm :
- Năng suất thấp do thời gian một chu kỳ làm việc dài : đòi hỏi thời gian nạp liệu,
đốt nóng, làm nguội, tháo sản phẩm và làm sạch thiết bị
Nguyên lý hóa công nghiệp 49
- Mức độ cơ giới hóa và tự động hóa thấp
- Khó điều chỉnh và khống chế quá trình do tính bất ổn định của phương thức làm
việc gián đoạn
- Mức độ gây độc hại hoặc nguy hiểm đối với người sản xuất cao hơn do mức độ
tự động hóa thấp, người công nhân phải tiếp xúc nhiều hơn với các hóa chất
• Phạm vi ứng dụng :
- Chỉ thích hợp với các phân xưởng năng suất nhỏ
- Phục vụ cho mục đích sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau trong cùng một
thiết bị
b- Thiết bị phản ứng liên tục :
• Định nghĩa : là thiết bị mà trong đó các chất tham gia phản ứng được đưa liên tục vào
thiết bị và sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Sau thời gian khởi động thì nhiệt độ, áp
suất, lưu lượng và nồng độ các chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian,
thiết bị làm việc ở trạng thái ổn định
• Ưu điểm :
- Có khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao
- năng suất cao do không tốn thời gian nạp liệu và tháo sản phẩm
- chất lượng sản phẩm ổn định do tính ổn định của quá trình
• Nhược điểm :
- Chi phí đầu tư cao, trước hết là do đòi hỏi phải trang bị các thiết bị tự động điều
khiển để đảm bảo tính ổn định của quá trình
- Tính linh động thấp, ít có khả năng thực hiện các phản ứng khác nhau, tạo các
sản phẩm khác nhau
• Phạm vi ứng dụng : thiết bị phản ứng liên tục được sử dụng thích hợp cho các quá
trình sản xuất với năng suất lớn, chất lượng sản phẩm đảm bảo
Nguyên lý hóa công nghiệp 50
c- Thiết bị phản ứng bán liên tục :
• Định nghĩa : là thiết bị mà trong đó có thành phần chất tham gia phản ứng đưa vào
gián đoạn còn các chất khác đưa vào liên tục. Sản phẩm có thể lấy ra gián đoạn hay
liên tục
• Phạm vi ứng dụng : được thực hiện đối với những quá trình không có khả năng thực
hiện theo phương thức liên tục, còn nếu thực hiện theo phương thức gián đoạn lại cho
năng suất thấp
⇒ Khi tính toán thiết kế thiết bị phản ứng phải dựa trên yêu cầu của sản xuất (năng
suất và chất lượng sản phẩm). Trên cơ sở các phương trình cân bằng vật chất và cân
bằng nhiệt - là những phương trình toán học mô tả quan hệ giữa các thông số động học,
nhiệt động và các điều kiện thực hiện quá trình với các thông số đặc trưng cho kích
thước hình học của thiết bị như thể tích, chiều dài thiết bị, thời gian lưu, ... từ đó có thể
tính toán các kích thước cơ bản của thiết bị.
4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
• Thiết kế một thiết bị phản ứng là xác định kích thước của thiết bị đó để đạt được hiệu
suất thu sản phẩm mong muốn, đồng thời xác định nhiệt độ, áp suất và thành phần của
hỗn hợp phản ứng ở điều kiện vận hành tại các phần khác nhau của thiết bị.
• Các số liệu cần thiết hay còn gọi là điều kiện thiết kế bao gồm :
- Các dữ liệu ban đầu của dòng nguyên liệu như : lưu lượng, nhiệt độ, áp suất,
thành phần các chất tham gia phản ứng, ...
- Chế độ vận hành của thiết bị : gián đoạn hoặc liên tục, đoạn nhiệt hoặc đẳng
nhiệt, ...
- Yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm.
• Thiết kế tối ưu dựa trên nguyên liệu, chi phí ban đầu, chi phí vận hành và giá trị
thương mại của sản phẩm cuối cùng
Nguyên lý hóa công nghiệp 51
4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT
4.2.4. Cân bằng vật chất
• Cân bằng vật chất cho một tác chất được viết dưới dạng tổng quát có thể áp dụng cho
bất kỳ một dạng thiết bị phản ứng nào.
• Trong một phân tố thể tích ∆V và một phân tố thời gian ∆t, cân bằng vật chất dạng
tổng quát là :
Lượng tác chất
nhập vào phân −
tố thể tích
Lượng tác chất
rời khỏi phân −
tố thể tích
Lượng tác chất
phản ứng trong =
phân tố thể tích
Lượng tác chất
còn lại trong (III-1)
phân tố thể tích
• Số hạng thứ ba phụ thuộc vào vận tốc phản ứng trong phân tố thể tích ∆V và có dạng
(-rA).∆V.∆t với (-rA) - phương trình vận tốc phản ứng hóa học
• phương trình (5-1) có thể tính theo khối lượng hoặc theo mol.
4.2.5. Cân bằng nhiệt
• Cân bằng nhiệt nhằm mục đích xác định nhiệt độ tại mỗi điểm trong thiết bị phản ứng
(hay tại mỗi thời điểm nếu thiết bị hoạt động gián đoạn) để xác định đúng vận tốc tại
điểm đó.
• Trong một phân tố thể tích ∆V và một phân tố thời gian ∆t, phương trình cân bằng
nhiệt tổng quát cho thiết bị phản ứng là :
Nhiệt do tác chất
mang vào phân −
tố thể tích
Nhiệt do tác chất
mang ra khỏi +
phân tố thể tích
Nhiệt trao đổi
với môi trường =
bên ngoài
Nhiệt tích tụ
lại trong phân (III-2)
tố thể tích
• Dạng của phương trình (III-1) và (III-2) phụ thuộc vào loại thiết bị phản ứng và
phương pháp vận hành. Trong nhiều trường hợp, một hoặc nhiều số hạng của phương
trình trên sẽ không có.
Nguyên lý hóa công nghiệp 52
4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN
Thiết bị phản ứng liên tục Đối với dạng thiết bị này, ta phân thành 2 loại cơ bản :
a- Thiết bị phản ứng dạng ống :
• Trong thiết bị phản ứng dạng ống, nguyên liệu được nhập vào một đầu của ống hình
trụ và dòng sản phẩm ra ở đầu kia ;
• Do thiết bị này thường hoạt động ở trạng thái ổn định, không có sự khuấy trộn theo
phương dọc trục nên tính chất của dòng chảy thay đổi từ điểm này đến điểm khác chỉ
do quá trình phản ứng. Vì vậy, người ta giả thiết rằng trong thiết bị dạng này, tính chất
của các phần tử trên cùng một tiết diện là như nhau và không thay đổi theo thời gian ;
• Chúng ta có sơ đồ đơn giản của thiết bị phản ứng dạng ống như hình vẽ bên dưới. Từ
đó có thể biểu diễn sự phụ thuộc của nồng độ tác chất được xét vào chiều dài của thiết
bị phản ứng là một đường cong liên tục và giảm dần từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị.
Sơ đồ đơn giản của thiết bị phản ứng dạng ống
Đầu vào Đầu ra Chiều dài thiết bị
Sản phẩm Tác chất
xAf
xAo
• Thiết bị phản ứng dạng này thường sử dụng 1 trong 3 loại tầng xúc tác sau : tầng xúc
tác cố định, di động và kéo theo.
Nguyên lý hóa công nghiệp 53
• Về phương diện động học, có thể mô tả thiết bị phản ứng dạng ống theo sơ đồ sau :
CAoFAoxAo= 0 vo
CAfFAfxAfvf
FAxA
FA+dFAxA+ dxA
V
dx
dV xA
• Phương trình (III-1) và (III-2) có thể được viết cho một đơn nguyên thể tích ∆V :
Lượng tác chất
nhập vào phân −
tố thể tích
Lượng tác chất
rời khỏi phân −
tố thể tích
Lượng tác chất
phản ứng trong =
phân tố thể tích
Lượng tác chất
còn lại trong (III-1)
phân tố thể tích
• Đối với phương trình (III-1) :
- Số hạng thứ nhất là FAo.(1 - xA ).∆t ;
- Nếu độ chuyển hóa khi ra khỏi phân tố thể tích là xA + ∆xA thì số hạng thứ hai
là : FAo.(1 - xA - ∆xA).∆t ;
- Số hạng thứ ba là (- rA ). ∆V. ∆t ;
- Số hạng thứ tư bằng 0 vì quá trình ở trạng thái ổn định.
Vậy phương trình (5-1) được viết là :
FAo.(1 - xA ).∆t − FAo.(1 - xA - ∆xA).∆t −(- rA ). ∆V. ∆t = 0
Hay : FAo. ∆xA − (- rA ). ∆V = 0
Nguyên lý hóa công nghiệp 54
Chia 2 vế cho ∆V và lấy giới hạn khi cho ∆V → 0, ta có :
( )0A
AA
Fr
dVdx −
=
Vì FAo là lưu lượng ban đầu của tác chất nên không đổi, lấy tích phân theo xA từ xA1 đến
xA2 ta có :
( ) ( )1-VI ∫ −=
2A
1A0
x
x A
A
A rdx
FV
Ví dụ 1 : Phản ứng phân hủy pha khí đồng thể ở 650 oC :
4PH3 (k) ⇒ P4 (k) + 6H2 (k)
Đây la phản ứng bậc một với phương trình vận tốc là : ( − rPH3 ) = (10 h-1 ) CPH3
Tìm thể tích bình phản ứng dạng ống hoạt động ở 650 oC và 4,6 at để đạt độ chuyển hóa
là 80% với lưu lượng dòng nguyên liệu phosphin tinh chất ban đầu là 2 kmol/h.
Giải :
Đặt A = PH3, R = P4, S = H2, lúc đó phản ứng được viết dưới dạng :
4A ⇒ R + 6S
Thể tích bình phản ứng dạng ống được xác định theo công thức :
( ) ∫∫ ⋅=
−=
=
=
80
0 A
AA
80x
0x A
AA Ck
dxFr
dxFV0
2A
1A
0
,,
Ở áp suất không đổi, ta có :
( )( ) A
AA
A0
AAAA x1
x1Cx1V
x1FVFC
0
0
α+−
⋅=α+
−==
Lấy tích phân, ta được :
( )∫∫ ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡α−
−α+=
−α+
=
α+−
=A
0
0A
0
0
0
0
x
0A
AA
AA
A
Ax
0 A
A
A
AA
AA x
x111
CkF
dxx1x1
CkF
x1x1Ck
dxFV ln
Nguyên lý hóa công nghiệp 55
Với các số liệu cho trước :
FAo = 2 kmol/h = 2000 mol/h
k = 10 h-1
xA = 0,8
R = 0,082 at.l/mol.K
( )
7504
47
0602736500820
64CAo
,
,,
,
=−
=α
=+
=
Vậy : ( )
lêt
,,,
ln,,
7388V
80750801
1750106010
2000V
=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡×−
−+
×=
b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng
• Có 3 cách vận hành : liên tục (ổn định) , gián đoạn và bán liên tục.
a- Liên tục b- Gián đoạn c- Bán liên tục
• Được đặc trưng bằng quá trình khuấy trộn là hoàn toàn, do đó hỗn hợp phản ứng đồng
nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các phần của thiết bị và giống dòng ra của
sản phẩm. Điều này có ý nghĩa là phân tố thể tích ∆V trong các phương trình cân bằng
có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết bị.
Nguyên lý hóa công nghiệp 56
• Người ta giả thiết rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng, nồng độ của tác chất giảm một
cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn thể tích của thiết bị và
nồng độ của dòng sản phẩm ra. Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng độ của tác chất
từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc như sau :
Nồng độ của tác chất
Đầu vào Đầu ra Thể tích thiết bị
CAo
CAfì
⇒ Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định :
• Xét trường hợp đơn giản chỉ có một dòng nhập liệu và một dòng sản phẩm và tính
chất của các dòng này không thay đổi theo thời gian, như vậy :
- Hai số hạng đầu trong phương trình cân bằng là không đổi : Lượng tác chất nhập
vào thể tích V của thiết bị phản ứng là FAo(1-xAo).∆t và lượng tác chất ra khỏi
thiết bị phản ứng là FAo (1-xAf).∆t ;
- Vì hỗn hợp phản ứng trong bình có nhiệt độ và thành phần đồng nhất, nên vận
tốc phản ứng là không đổi và được xác định với nhiệt độ và thành phần của dòng
sản phẩm và bằng (-rA ).V.∆t ;
- Vì thiết bị phản ứng hoạt động liên tục và ổn định nên không có sự tích tụ tác
chất trong thiết bị, vì vậy số hạng thứ tư bằng 0 ;
• Vậy phương trình vật chất viết cho thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định
trong khoảng thời gian ∆t là :
FAo(1-xAo).∆t − FAo (1-xAf).∆t − (-rA ).V.∆t = 0
Nguyên lý hóa công nghiệp 57
Hay : ( ) ( )2-IV fA
AoAf
AA rxx
CV
FV
00−−
=ν
=
trong đó : xAo và xAf - Độ chuyển hóa của tác chất trước khi vào thiết bị và sau khi ra
khỏi thiết bị ;
v - lưu lượng của dòng nguyên liệu (l/h)
Nếu dòng nguyên liệu chứa cấu tử A hoàn toàn chưa chuyển hóa, nghĩa là xAo = 0 thì :
( ) ( )3-IV fA
Af
A rx
FV
0−
=
Ví dụ 1 : Xét phản ứng pha lỏng, thuận nghịch : A + B R + S
với k1 = 7 lít/mol.ph và k1 = 3 lít/mol.ph được thực hiện trong bình phản ứng dạng khuấy
trộn hoạt động ổn định có thể tích 120 lít.
Hai dòng nguyên liệu : một dòng chứa 2,8mol A/l, một dòng chứa 1,6mol B/l được
đưa vào bình phản ứng với lưu lượng thể tích bằng nhau để đạt độ chuyển hóa của B giới
hạn là 75%. Xác định lưu lượng của mỗi dòng.
2,8 mol A/l
xB = 75%
1,6 mol B/l
Nguyên lý hóa công nghiệp 58
Giải :
Nồng độ của các cấu tử trong dòng nguyên liệu ban đầu là :
CAo = 1,4 mol/l
CBo = 0,8 mol/l
CRo = CSo = 0
Với độ chuyển hóa của B là xB = 75%, thành phần của hỗn hợp phản ứng trong bình hoặc
trong dòng sản phẩm ra là :
CA = CAo − CBo.xB = 1,4 − 0,8 × 0,75 = 0,8 mol/l
CB = CBo − CBo.xB = 0,8 − 0,8 × 0,75 = 0,2 mol/l
CR = CS = CBo.xB = 0,8 × 0,75 = 0,6 mol/l
Lưu ý : CA = CAo − CAo.xA = CAo − CBo.xB
Vậy : CAo.xA = CBo.xB
Phương trình vận tốc của phản ứng thuận nghịch này là :
- gồm nhiều ngăn, mỗi ngăn có lắp cánh khuấy để khuấy trộn liên tục và hỗn hợp
phản ứng sẽ chuyển động từ ngăn đầu đến ngăn cuối nhờ chảy tràn. Vì vậy có
thể xem đây là hệ nhiều bình phản ứng khuấy trộn liên tục mắc nối tiếp và nồng
độ của tác chất trong mỗi ngăn là như nhau và giảm dần từ ngăn đầu đến ngăn
cuối. Hay nói một cách khác độ chuyển hóa của tác chất trong mỗi ngăn là như
nhau nhưng tăng dần từ ngăn đầu đến ngăn cuối.
• Nếu số ngăn tăng đến vô cực thì thể tích vi của mỗi ngăn sẽ giảm đến tối thiểu sao cho
tổng thể tích là không đổi. Lúc đó, sự biến thiên nồng độ của tác chất giữa hai ngăn
liên tiếp nhau là rất bé và ta có thể vẽ một đường liên tục thay cho đường gấp khúc để
biểu diễn sự biến thiên nồng độ của tác chất từ ngăn đầu đến ngăn cuối. Do đó, dạng
thiết bị phản ứng này được xem là dạng trung gian giữa thiết bị phản ứng dạng ống và
dạng khuấy trộn liên tục.
CAo CAf
CAf
CAo
Ngăn 1 Ngăn 2 Ngăn 3 Ngăn 4
Nguyên lý hóa công nghiệp 60
4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ • Để thực hiện một phản ứng theo những điều kiện cho trước, chúng ta có thể dùng
nhiều loại thiết bị phản ứng khác nhau như : thiết bị phản ứng dạng ống, thiết bị phản
ứng khuấy trộn hoạt động liên tục hoặc gián đoạn hoặc hệ nhiều thiết bị phản ứng mắc
nối tiếp hoặc song song.
• Hai thông số thiết kế ảnh hưởng đến tính kinh tế của quá trình là thể tích của thiết bị
phản ứng và hiệu suất thu các sản phẩm. Với một thiết bị phản ứng có kết cấu và thể
tích thích hợp sẽ cho hiệu suất thu sản phẩm chính cực đại, đồng thời hạn chế lượng
sản phẩm phụ là cực tiểu.
• Trong chương này, ta sẽ so sánh các phương án thiết kế thiết bị phản ứng khác nhau
cho thiết bị đơn hoặc cho hệ nhiều thiết bị phản ứng.
4.4.6. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN
4.4.6.1 Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định và thiết bị phản ứng
dạng ống với phản ứng bậc một và bậc hai
• Dạng phương trình vận tốc tổng quát :
( ) nA
AA kC
dtdN
Vr =⋅=−
1
với n biến đổi bất kỳ từ 0 ÷ 3
• Với hai dạng thiết bị phản ứng này, độ chuyển hóa là hàm của lưu lượng nguyên liệu,
thành phần nguyên liệu, bậc phản ứng và hệ số biến đổi thể tích.
• Ta tính thời gian lưu ℑ đối với thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định :
( )( )( )n
A
nAA
nAoA
AAo
Ao
Aokh x
xxCkr
xCF
VCvV
−+
⋅=−
===ℑ − 111
1
..
.. α
• Đối với thiết bị phản ứng dạng ống :
( )( )
( )nA
An
Ax
nAo
x
A
AAo
Ao
Ao
xdxx
Ckrdx
CF
VCvV AA
−+
=−
===ℑ ∫∫ − 111
01
0
.
.ä
α
Nguyên lý hóa công nghiệp 61
Chia hai phương trình, vế theo vế ta được :
( )( )
( )( )
( )( )
( )1-V
.
.
.
..
ää
ä⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−α+
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡−α+
=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
=ℑℑ
∫−
−
Ax
0An
A
nA
khA
nA
A
Ao
nAo
khAo
nAo
1nAo
kh1n
Ao
dxx1x1
x1x1x
FVC
FVC
CC
Nếu khối lượng riêng không đổi, thể tích sẽ không đổi và α = 0, ta có :
( )( )
( )
( )ä
ä..
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−=
ℑℑ
∫−
−
Ax
0An
A
kh
nA
A
1nAo
kh1n
Ao
dxx11
x1x
CC
( )( )
( )
( )[ ]( )2-V
..
:1 n våïi, têch phánLáúyä
ä 1nA
kh
nA
A
1nAo
kh1n
Ao
x1n1
1x1
x
CC
−−
−
−−
−
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡
−=
ℑℑ
≠
( )( ) ( )ää ln.
. :1 nvåïi
A
khA
A
1nAo
kh1n
Ao
x1x1
x
CC
−−
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=ℑℑ
= −
−
Phương trình (V-1) và (V-2) được biểu diễn bằng đồ thị trên hình (4-1). Với cùng
nồng độ nguyên liệu ban đầu CAo và lưu lượng nguyên liệu FAo, tung độ của giản đồ sẽ
cho ta trực tiếp tỉ số thể tích của hai dạng thiết bị phản ứng trên.
Hình 4.1: So sánh hoạt động của TBPU khuấy trộn hoạt động ổn định và TBPU dạng ống cho phản ứng bậc n. Với cùng điều kiện nạp liệu, trục tung cho giá trị tỉ số Vkh/Vô
Nguyên lý hóa công nghiệp 62
4.4.6.2 Ảnh hưởng của sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong phản ứng bậc hai
Với phản ứng bậc hai loại : A + B ⇒ sản phẩm , phương trình vận tốc là :
( ) ( ) BABA CCkrr ..=−=−
Hình (4-1) cho phép ta so sánh thể tích của hai loại thiết bị khi nồng độ ban đầu
của hai tác chất bằng nhau. Tuy nhiên trong thực tế, nồng độ ban đầu của hai tác chất
thường không bằng nhau. Tỉ lệ tối ưu phụ thuộc vào các yếu tố như : chi phí phân tách
sản phẩm ra khỏi tác chất chưa phản ứng, chi phí hồi lưu tác chất, ...
Nguyên lý hóa công nghiệp 63
Với M = CBo / CAo > 1 và α = 0 , thời gian lưu của tác chất trong thiết bị phản ứng
dạng ống là :
( ) ( )
A
A
AoAo
AoM
A
A
AoAo
AoM
xx
kCFVC
xMxM
MkCFVC
−⋅=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=ℑ
−−
⋅−
=⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=ℑ
=
≠
11
111
1
1
.
ln.
.
Hình (4-2 ) cho ta so sánh sự hoạt động của thiết bị phản ứng dạng ống với các giá
trị khác nhau của CAo, FAo, M và xA với α = 0.
( )( ) 1MAo
1MAo
CC
=
≠
ττ
Với thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định :
Nguyên lý hóa công nghiệp 64
( )( )
( )21
1
1
1
ÁAo
A
Ao
AoM
AAAo
A
Ao
AoM
xkCx
FVC
xMxkCx
FVC
−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=ℑ
−−=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=ℑ
=
≠
.
..
Hình (4-3 ) cho ta so sánh sự hoạt động của thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt
động ổn định với các giá trị khác nhau của CAo, FAo, M và xA với α = 0. Với cùng điều
kiện FAo và CAo, tung độ của hai hình (4-2) và (4-3) cho ta tỉ số của hai loại thiết bị.
Ví dụ : Phản ứng pha lỏng : A + B ⇒ sản phẩm với phương trình vận tốc là :
(-rA ) = (500 l/mol.ph ) CA.CB
Nguyên lý hóa công nghiệp 65
được thực hiện trong thiết bị phản ứng dạng ống vận hành trong các điều kiện sau :
- thể tích thiết bị : V = 0,1 l ;
- lưu lượng thể tích của nguyên liệu : v = 0,05 l/ph ;
- nồng độ của tác chất trong nguyên liệu : CBo = CAo = 0,01 mol/l
Hãy :
a- Xác định độ chuyển hóa của tác chất ?
b- Với cùng vận tốc và độ chuyển hóa, tìm thể tích của thiết bị dạng khuấy trộn, hoạt
động ổn định ?
c- Với cùng vận tốc, tính độ chuyển hóa có thể đạt được trong thiết bị bị dạng khuấy trộn
có cùng thể tích với thiết bị dạng ống ?
Khi thay đổi dòng tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong nguyên liệu : CBo =
0,015 mol/l và CAo = 0,010 mol/l, hãy tính :
d- Với cùng lưu lượng nguyên liệu nạp vào, tìm độ chuyển hóa của A trong thiết bị dạng
ống ban đầu ?
e- Với cùng độ chuyển hóa ban đầu, tìm tỉ lệ tăng năng suất ứng với dòng nguyên liệu
mới ?
f- Tìm lưu lượng nguyên liệu cần thiết nạp vào cho thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn,
hoạt động ổn định có V = 100 l, độ chuyển hóa của tác chất giới hạn là 99% ?
Giải :
a- Xác định độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị phản ứng dạng ống :
Tính thời gian lưu :
( )( ) ( )ph
phll
vV 2
05010
===ℑ/,
,
Do đó : k.CAo.ℑ = 500 (l/mol.ph). 0,01 (mol/l). 2 (ph) = 10
Nguyên lý hóa công nghiệp 66
Từ hình (4-2), giao điểm của đường k.CAo.ℑ = 10 và đường M = 1 (nằm ngang) cho ta giá
trị của 1- xA = 0,09 hay xA = xB = 0,91 = 91%
b- Thể tích của thiết bị dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định ở cùng điều kiện :
Với cùng vận tốc và độ chuyển hóa, tung độ trên hình (4-1) cho ta tỉ số thể tích của hai
dạng bình phản ứng Vkh / Vô. Với xA = 0,91, ta tra được :
( )lVV
VV
äkh
kh
11101111
11
,,
ä
=×==⇒
=
c- Độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị khuấy trộn hoạt động ổn định có cùng thể
tích :
Với cùng thể tích bình thì k.CAo.ℑ = 10.
Giao điểm của đường k.CAo.ℑ = 10 và đường M = 1 (nằm ngang) trên hình (4-3) cho ta
giá trị của 1- xA = 0,28 hay xA = 0,72 = 72%
d- Độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị dạng ống có M ≠ 1 :
M = CBo / CAo = 0,015/0,010 = 1,5.
Với cùng lưu lượng nguyên liệu nạp vào, giá trị của k.CAo.ℑ sẽ không đổi và bằng 10
(FAo = CAo.V). Trên hình (4-2), từ giao điểm của hai đường k.CAo.ℑ = 10 và M = 1,5, ta
ngoại suy giá trị của 1- xA = 0,006 hay xA = 0,994 = 99,4%
e- Tỉ lệ tăng năng suất với dòng nguyên liệu mới :
Dòng nguyên liệu mới có M = 1,5 và xA = 0,91. Tung độ trên hình (4-3) cho ta tỉ số :
( )( ) 300
1
51
1
51 ,.. ,, =
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
=ℑ
ℑ
=
=
=
=
MAo
MAo
MAo
MAo
CvV
CvV
CC
Mà CAo và V là giống nhau trong cả hai trường hợp, do đó lưu lượng thể tích dòng nguyên
liệu mới sẽ bằng :
Nguyên lý hóa công nghiệp 67
( )phlvv MM /,,,
,, 170300050
3001
151 ==×= ==
Như vậy, năng suất đã tăng thêm 240%.
f- Năng suất của thiết bị khuấy trộn hoạt động ổn định có V = 100 lít và xA = 99% :
Với xA = 99% = 0,99 ⇒ 1 - xA = 0,01 và M = 1,5 ; trên biểu đồ (4-3) ta suy ra :
( ) ( ) ( ) phlllmolphmollVkCv
vVkCkC Ao
AoAo /,/,./ 632190
100010500190
190 =××
==⇒==ℑ
4.4.7. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
4.4.7.1 Thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và / hoặc mắc song song a- Mắc nối tiếp
Xét j thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và gọi x1, x2, ...,xj là độ chuyển hóa
của tác chất A khi rời khỏi thiết bị phản ứng 1, 2, ..., j.
Từ cân bằng vật chất dựa trên lưu lượng mol của A vào thiết bị phản ứng đầu tiên,
ta viết được cho thiết bị phản ứng thứ i :
( )∫−−
=iA
iA
x
x A
A
Ao
i
rdx
FV
1
Với j thiết bị mắc nối tiếp :
( ) ( ) ( )
( )∫
∫∫∫
∑
−=
−++
−+
−=
+++==
−=
=
Aj
aû
Aj
A
A
A
Ao
x
A
A
x
x A
Ax
x A
Ax
x A
A
Ao
jj
i Ao
i
Ao
rdx
rdx
rdx
rdx
FVVV
FV
FV
0
21
1
1
2
1
1
0
....
...
Như vậy, với j thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp có tổng thể tích là V sẽ cho độ
chuyển hóa đúng bằng độ chuyển hóa trong một thiết bị phản ứng dạng ống có thể tích V.
Nguyên lý hóa công nghiệp 68
b- Mắc song song
Đối với các thiết bị phản ứng dạng ống mắc song song, sự phân phối nguyên liệu
phải đảm bảo sao cho thành phần tại mỗi nhánh là giống nhau, nghĩa là tỉ số V/F hay thời
gian lưu ℑ ở mỗi nhánh là bằng nhau.
Như vậy, với j thiết bị phản ứng dạng ống có thể tích là Vi (i = 1 ÷ j ) mắc song
song sẽ cho độ chuyển hóa đúng bằng độ chuyển hóa trong mỗi thiết bị phản ứng và lưu
lượng của tác chất nạp vào hệ thiết bị phản ứng sẽ bằng tổng lưu lượng đầu vào của các
tác chất của j thiết bị phản ứng.
4.4.7.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp (thiết bị phản
ứng nhiều ngăn)
Xét j bình phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp. Giả sử α = 0
a- Đối với phản ứng bậc một
Phương trình cân bằng vật chất cho bình phản ứng thứ i viết cho cấu tử A là :
( )( )
iAi
Ai
Ai
AiAi
Ai
Ao
Ai
Ao
AiAo
i
A
AiAiAoi
Ao
iAoi
kC
C
kCCC
kCCC
CC
Chay
rxxC
vV
FVC
ℑ+=⇒
−=
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−−⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
=ℑ
−−
===ℑ
−
−
−
−
1
11
1
1
1
1
.
Với thời gian lưu là giống nhau cho tất cả j bình phản ứng khuấy trộn có thể tích Vi bằng
nhau. Do đó :
( ) ji
Aj
Aj
A
A
A
Ao
AjAj
Ao kC
CCC
CC
xCC
ℑ+=⋅⋅⋅=−
= − 1.....1
1 1
2
1
1
Viết cho cả hệ với j bình phản ứng khuấy trộn :
Nguyên lý hóa công nghiệp 69
⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢
⎣
⎡−⎟
⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=ℑ=ℑ 1.
/1
,
j
Aj
Aoikhj C
Ckjj
Đối với hệ thiết bị phản ứng dạng ống :
A
Ao
CC
klnä
1=ℑ
Từ các phương trình trên, ta có thể so sánh hiệu quả hoạt động của j bình phản ứng khuấy
trộn mắc nối tiếp với một thiết bị dạng ống hoặc một bình khuấy trộn riêng lẻ. Kết quả
được trình bày trên hình (4-7) cho phản ứng bậc một và khối lượng riêng của hệ biến đổi
không đáng kể (α = 0 )
b- Đối với phản ứng bậc hai
Với phản ứng bậc hai loại hai phân tử (M = 1), chứng minh tương tự như trên cho j bình
khuấy trộn mắc nối tiếp : ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ℑ++−+−+−
ℑ= iAo
iAj kC4121211
k21C
Nguyên lý hóa công nghiệp 70
Với thiết bị dạng ống : ℑ+= kCCC
AoA
Ao 1
Kết quả được biểu diễn trên hình (4-8)
Ví dụ : Một bình phản ứng dạng khuấy trộn có độ chuyển hóa là 90% tác chất A thành
sản phẩm theo phản ứng bậc hai. Ta dự định thay bình này bằng hai bình có tổng thể tích
bằng thể tích bình trước.
a- Với cùng độ chuyển hóa 90%, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ?
b- Nếu giữ nguyên năng suất như trường hợp một bình, độ chuyển hóa sẽ tăng bao
nhiêu ?
Nguyên lý hóa công nghiệp 71
c- Giả sử ta mắc nối tiếp bình thứ nhất với một bình thứ hai có cùng thể tích. Với cùng
độ chuyển hóa, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ?
d- Với cùng năng suất, độ chuyển hóa tăng bao nhiêu ?
Giải :
a- Với cùng độ chuyển hóa 90%, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ?
Thay bình phản ứng dạng khuấy trộn bằng hai bình có tổng thể tích bằng thể tích
của bình đầu và cùng đạt độ chuyển hóa bằng xA = 90% ⇒ 1 - xA = 0,10. Sử dụng hình
(4-8) cho phản ứng bậc hai, ta tra được :
310 1j1j =ℑℑ
=ℑℑ
= ==
ää
vaì :1 j Våïi
33,33
10
FV.C
FV.C
2jAo
Ao
1jAo
Ao
1j ==
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛
=ℑℑ
=
=
=
=
2j
:âoï Do
( )( ) 33,3FF
1jAo
2jAo =⇒=
= V vaìC cuìng Våïi Ao
Như vậy, với cùng độ chuyển hóa là 90%, nếu thay một bình bằng hai bình có tổng
thể tích bằng thể tích của bình đầu thì năng suất sẽ tăng thêm 2,33 lần hay 233%.
b- Nếu giữ nguyên năng suất như trường hợp một bình, độ chuyển hóa sẽ tăng bao
nhiêu ?
Với năng suất không đổi cho cùng thể tích bình nên k, ℑ không đổi ⇒ đường
k.CAo.ℑ chính là đường k.CAo.ℑ = 90 trong trường hợp một bình (j = 1) đạt độ chuyển hóa
là 90%. Đường k.CAo.ℑ sẽ cắt đường j = 2 tại điểm 1 - xA = 0,046 ⇒ xA = 95,4%.
⇒ Nếu thay 1 bình bằng 2 bình có tổng thể tích bằng thể tích của bình đầu mà vẫn
giữ nguyên năng suất như trường hợp 1 bình thì độ chuyển hóa sẽ tăng thêm 5,4%.
c- Giả sử ta mắc nối tiếp bình thứ nhất với một bình thứ hai có cùng thể tích. Với cùng
độ chuyển hóa, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ?
Nguyên lý hóa công nghiệp 72
Như trong câu a, ta đã xác định được :
( )( ) 66633322
333
1
212
2
1
,, : Våïi
,
=×=⇒=
=ℑ
ℑ
=
===
=
=
jAo
jAojj
j
j
FF
VV
Vậy, năng suất đã tăng thêm 5,66 lần hay 566%.
d- Với cùng năng suất, độ chuyển hóa tăng bao nhiêu ?
Với một bình đạt độ chuyển hóa 90%, từ hình (4-8 ) ta đã tra được : k.CAo.ℑ = 90.
Với hai bình phản ứng thì thời gian lưu sẽ tăng gấp đôi ⇒ k.CAo.ℑ = 180. Đường này sẽ
cắt đường j = 2 tại điểm 1 - xA = 0,026 ⇒ xA = 97,4%.