Nghiên cứu chế tạo mô hình vi lượng chuyển hóa hydrocacbon với lớp xúc tác cố định

Bộ CƠNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CỊNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỊ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐÈ TÀI KHOA HỌC
KÉT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG

Tễn đề tài: Nghiên cứu chế tạo mơ hình vi lượng chuyển hóa hydrocacbon với

lớp xúc tác cố định
Mã số đề tài: 171.4081

Chủ nhiệm đề tài: TS. Bạch Thị Mỹ Hiền
Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng nghệ Hóa học


LỜI CÁM ƠN
Để thực hiện và hoàn thành đề tài nghiên cứu khoa học này, nhóm nghiên cứu đã nhận
được sự hỗ trợ, giúp đỡ cũng như là quan tâm, động viên từ nhiều cơ quan, tổ chức và cá
nhân. Q trình nghiên cứu khoa học cũng được hồn thành dựa trên sự tham khảo, học tập
kinh nghiệm từ các kết quả nghiên cứu liên quan, các sách, báo chuyên ngành của nhiều tác
giả ở các trường Đại học, các tổ chức nghiên cứu trong và ngoài nước. Đặc biệt hơn nữa là sự
hợp tác của các đồng nghiệp đến từ Viện Cơng nghệ Hóa học, Trung tâm nghiên cứu và phát
triển chế biến dầu khí (PVPro) thuộc Viện dầu khí Việt Nam. Quan trọng nhất là sự giúp đỡ,
tạo điều kiện về cơng việc và tinh thần từ phía Ban lãnh đạo Khoa Cơng nghệ Hóa học, bạn
bè và các đồng nghiệp bộ mơn Cơng nghệ Hóa dầu và Máy-Thiết bị.
Tôi xin trân trọng cám ơn Ban giám hiệu, Trường Đại học Cơng nghiệp Tp Hồ Chí Minh
đã hỗ trợ kinh phí để nhóm nghiên cứu có cơ hội hồn thành đề tài nghiên cứu này.
Tuy có nhiều cố gắng, nhưng trong đề tài nghiên cứu khoa học này khơng tránh khỏi
những thiếu sót. Nhóm nghiên cứu kính mong hội đồng khoa học, các chuyên gia, những
người quan tâm đến đề tài, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè tiếp tục có những ý kiến đóng

góp, giúp đỡ để đề tài được hồn thiện hơn.
Chân thành cám ơn.
Hồ Chí Minh, tháng 1 năm 2021
Nhóm tác giả

1


PHẦN I. THƠNG TIN CHUNG
I.

Thơng tin tổng qt

1.1.
xúc
1.2.
1.3.

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo mơ hình vi lượng chuyển hóa hydrocacbon vói lóp
tác cố định
Mã số: 171.4081
Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

TT

1
2
3
4
5

6
7
8
9
10
11
12

Họ và tên
(học hàm, học vị)
TS. Bạch Thị Mỹ Hiền
TS. Đỗ Quý Diễm
Th.s Khưu Châu Quang
Th.s Nguyễn Hoàng Minh
Th.s Nguyễn Tiến Đạt
Th.s Nguyễn Thị Liễu
Th.s Trần Ngọc Thắng
Th.s Trần Thị Hồng
Th.s Phạm Hoàng Ái Lệ
Th.s Lê Văn Nhiều
Th.s. Trần Hoài Đức
Ks. Nguyễn Minh Tiến

Đon vị cơng tác

Vai trị thực hiện đề tài

Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa

Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa
Khoa Cơng nghệ Hóa

ND 1,2,4
2,3,4
1,2
1,2
1,2
2,3
1,2
2,3
2,3
1,2
1,2
1,2

1.4. Đon vị chủ trì: Khoa Cơng nghệ Hóa học
1.5. Thịi gian thực hiện:
1.5.1. Theo hợp đồng: từ tháng 4 năm 2017 đến tháng 4 năm 2018
1.5.2. Gia hạn (nếu có): đến tháng... năm.......
1.5.3. Thực hiện thực tế: từ tháng 6 năm 2017 đến tháng 1 năm 2021
1.6. Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có):
(Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân;

Ỷ kiến của Cơ quan quản lý)
1.7. Tổng kinh phí được phê duyệt của đề tài: Chín mưoi triệu đồng.
II. Kết quả nghiên cứu

Đặt vấn đề
Đen thời điểm hiện tại, dầu mỏ và khí vẫn chiếm một vị trí quan trọng trong sự phát
triển kinh tế, văn hóa và xã hội của mọi quốc gia trên thế giới. Để nâng cao hiệu quả sử dụng
nguồn dầu mỏ và khí, cơng nghệ chế biến dầu mỏ gồm các quá trình chuyển hóa vật lý và hóa
học (chưng cất, cracking, reforming, isomer hóa, alky hóa, hydrocacking, nhiệt phân) cân
phải được nghiên cứu và phát triển liên tục. Trong đó, các q trình chuyển hóa có xúc tác
chiếm một vị trí quan trọng. Thiết bị phản ứng với lớp xúc tác cố định đầu tiên do Houdry,
một kỹ sư người Pháp thiết kế được đưa vào công nghiệp chế biến dầu từ năm 1936 ứng dụng
cho q trình cracking. Cơng nghệ này hoạt động theo kiểu gián đoạn với lớp xúc tác cố định.
Nhược điểm của công nghệ này là hoạt động gián đoạn, vì vậy, rất phức tạp trong vận hành.
1.

2


Dây chuyền này nhanh chóng được cải tiến và chỉ 5 năm sau, năm 1941 đã xuất hiện quá trình
phản ứng với lớp xúc tác chuyển động. Quá trình phản ứng xúc tác và tái sinh xúc tác được
thực hiện ở các thiết bị riêng biệt. Xúc tác sau khi phản ứng chứa cốc được chuyển từ lò phản
ứng vào lò tái sinh, sau khi tái sinh được chuyển ngược về lò phản ứng (hoặc bằng tự chảy
hoặc bằng cưỡng bức) tạo thành một chu trình liên tục.
Năm 1942 quy trình phản ứng có lớp xúc tác chuyển động (FCC) đầu tiên được đưa vào
hoạt động có tên là up Flow. Năm 1944 người ta tăng đường kính của lị phản ứng và lò tái
sinh, tách sản phẩm hơi được thực hiện ngay trong lò phản ứng và tái sinh xúc tác ở dạng tầng
sơi, q trình thổi cho xúc tác chuyển động từ phía dưới và lấy ra ngồi ở đáy lị. Dây chuyền
hoạt động như vậy có tên là Down Flow. Công nghệ ngày càng được cải tiến và đa dạng đê
phù hợp cho từng loại nguyên liệu và sản phẩm mong muốn. Xúc tác được coi như một trong

những tâm điểm chính của q trình. Xúc tác có khả năng làm giảm năng lượng hoạt hóa,
tăng tốc độ phản ứng, làm giảm nhiệt độ cần thiết của phản ứng và tăng độ chọn lọc của quá
trình.
Trong lĩnh vực cơng nghệ hóa học nói chung, ngành cơng nghệ chế biến dầu khí nói
riêng, khi tiến hành nghiên cứu để phát triển cơng nghệ của một q trình sản xuất cẩn thiêt
trải qua các giai đoạn như: hình thành ý tưởng, nghiên cứu thử nghiệm quy mơ phịng thí
nghiệm, phát triển mơ hình dưới dạng pilot, thử nghiệm quy mơ cơng nghiệp và thương mại
hóa q trình. Có nghĩa là ta phải đi tìm các ý tưởng ban đầu phù họp với nguyên liệu và sản
phẩm mong muốn, rồi từ những ý tưởng ban đầu đó ta tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
trong quy mơ phịng thí nghiệm. Từ những kết quả đạt được trong phịng thí nghiệm, ta tiên
hành xây dựng phát triển công nghệ dưới dạng pilot. Khi đã thành công trong giai đoạn nghiên
cứu pilot, ta tiến hành tiếp việc thử nghiệm trong công nghiệp và cuối cùng là tiến hành thương
mại hóa quy trình cơng nghệ.
Giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm quy mơ phịng thí nghiệm được giới hạn trong việc
nghiên cứu ảnh hưởng các nguồn nguyên liệu, các loại xúc tác, chế độ công nghệ thích họp
đáp ứng yêu cầu về hiệu quả của quá trình sản xuất. Các kết quả nghiên cứu ở giai đoạn này
rât quan trọng, giúp cho các nhà nghiên cứu, nhà đâu tư đánh giá sơ bộ khả năng phát triên
cơng nghệ sản xuất. Trong đó, các mơ hình nghiên cứu thực nghiệm quy mơ phịng thí nghiệm
là cơng cụ chính yếu ở giai đoạn này.
Trên thế giới, Khoa Kỹ thuật Nông nghiệp và Công nghệ Sinh học thuộc trường Đại học
South Dakota State, Mỹ; Khoa Kỹ thuật Năng lượng và Các Quá Trình thuộc trường Đại học
Khoa học và Kỹ thuật Norwegian, Na Ưy, kết họp với Viện nghiên cứu Các Q Trình cơng
nghệ Hóa học (CPERI), trung tâm nghiên cứu Công nghệ Hellas (CERTH), Hy Lạp; Viện
Dầu khí Mexico; Viện Cơng nghệ Mơi trường thuộc trường đại học quốc gia Đài Loan,
Trường Đại học Bách Khoa Budapest, Rumani; Khoa Kỹ thuật Hóa học Năng lượng, Đại học
Khoa học và Cơng nghệ Đơng Trung Quốc ...đều có các mơ hình pilot quy mơ phịng thí
nghiệm hiện đại phục vụ cho công tác nghiên cứu xúc tác trong lĩnh vực cơng nghệ Hóa học,
đặc biệt là ngành cơng nghệ Hóa dầu khí.
Tại Việt Nam, tại các trường học có đào tạo sinh viên ngành cơng nghệ Hóa Dầu, hoặc
tại các viện có nghiên cứu về lĩnh vực cơng nghệ hóa dầu, thường các mơ hình hệ thống thiêt

bị cơng nghệ được nhập từ các hãng nước ngồi. Các mơ hình này có ưu điểm là hiện đại, tuy
nhiên lại có khuyết điểm giá thành rất cao, các chi tiết trong hệ thống khi bị hư hỏng sẽ cân
3


phải có các phụ tùng chính hãng, cần có độ trễ nhất định khi thay thế hoặc điều chỉnh. Sinh
viên học tập về các ngành công nghệ thường cần các hệ thống thiết bị hoặc ít nhất có thê là
các mơ hình cơng nghệ để có thể thực hành và hiểu rõ các thơng số của q trình, đồng thời
có thể hình dung ra được các cơng nghệ thực tế trong công nghiệp. Các trường đại học Bách
Khoa TP.HCM, đại học Bách Khoa Hà Nội, Bách Khoa Đà Nang có đào tạo về ngành dầu
khí đều đã được đầu tư và xây dựng các hệ thiết bị phản ứng của chuyên ngành khá hiện đại
và có thể giúp sinh viên hiểu sâu hơn về các q trình trong cơng nghệ Chế biến Dầu khí. Tại
Viện Dầu khí Việt nam, các hệ thống thiết bị có thể thực hiện được các thử nghiệm về hoạt
tính xúc tác gần như điều kiện của nhà máy lọc dầu. Do đó, có một hệ thống cơng nghệ hồn
thiện để giảng viên có thể nghiên cứu và giảng dạy cho sinh viên là cần thiết, đáp ứng các tiêu
chuẩn về đào tạo ngày càng cao hơn của trường.
2. Mục tiêu
Xây dựng hệ thống thiết bị vi lượng chuyển hóa hydrocacbon trên lớp xúc tác tầng cô
định nhằm phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu. Trong khuôn khổ của đề tài này, chúng
tôi đặt ra các mục tiêu cụ thể bao gồm:
- Thiết kế và gia công hệ thống thiết bị phản ứng vi lượng chuyển hóa hydrocacbon trên
xúc tác tầng cố định.
- Khảo sát ảnh hưởng của các thông số công nghệ đến q trình phản ứng chun hóa
hydrocarbon trên lớp xúc tác tầng cố định.
- Xây dựng bài thực hành chuyên ngành cơng nghệ Hóa dầu dựa trên mơ hình hệ thống
thiết bị.
3. Phưong pháp nghiên cứu
- Xây dựng mơ hình hệ thống thiết bị: Việc xây dựng mơ hình thiết bị dựa trên các cơng
trình nghiên cứu liên quan đến phát triển mơ hình của các trường đại học trên thế giới, và thực
tế tại Việt Nam. Tính tốn, lựa chọn các thông số của thiết bị dựa trên cân bằng vật chất và

cân bằng năng lượng.
- Đánh giá hoạt động mơ hình hệ thống thiết bị: Đánh giá ảnh hưởng của các thông sô
công nghệ đến hiệu suất của quá trình phản ứng và đánh giá ảnh hưởng của quá trình truyên
nhiệt, truyền khối đến vận tốc chung của phản ứng. ứng dụng mơ hình thiết bị trong nghiên
cứu một phản ứng pha khí cụ thể.
4. Tổng kết về kết quả nghiên cứu
Đe tài đã đạt được các kết quả nghiên cứu sau:
Đã nghiên cứu, chế tạo thành công mô hình thiết bị chuyển hóa vi lượng hydrocacbon
pha khí với lớp xúc tác cố định phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học. Mơ hình
ứng dụng tốt cho các cơng trình nghiên cứu đánh giá hoạt tính xúc tác vốn là một trong những
lĩnh vực nghiên cứu trọng yếu của ngành cơng nghiệp dầu khí nói riêng và ngành cơng nghiệp
hóa học nói chung.
Đã đưa mơ hình phản ứng trên vào phục vụ giảng dạy môn học đồ án cho 4 sinh viên
DHHD10, môn học thực hành chun ngành Cơng nghệ Hóa dầu cho 30 sinh viên lớp
DHHD11. Việc đưa mơ hình vào q trình giảng dạy đã góp phần nâng cao chất lượng đào
tạo trong ngành Cơng nghiệp lọc hóa dầu, giúp sinh viên có nhiều ưu thế về việc làm khi tôt
nghiệp.

4


5. Đánh giá các kết quả đã đạt được và kết luận
Các kết quả đạt được bao gồm 1 mô hình thiết bị phản ứng dịng vi lượng cùng với quy
trình cơng nghệ, bản vẽ thiết kế và các thơng số vận hành, 1 cơng trình nghiên cứu khoa học
cơng bố trên tạp chí ISI, 1 bài thực hành cho 30 sinh viên DHHD11, 4 luận văn đại học của
sinh viên DHHD10. Điều này đã chứng minh được nỗ lực rất lớn của nhóm nghiên cứu trong
q trình thực hiện đề tài này.
6. Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)
Mơ hình vi lượng chuyển hóa hydrocacbon với lớp xúc tác cố định được chế tạo đảm
bảo đầy đủ các tính năng của các q trình cơng nghệ có sử dụng xúc tác. Việc sử dụng mơ

hình rất linh hoạt, có thể áp dụng cho tất cả các quá trình chuyển hóa hydrocacbon với khoảng
thay đổi nhiệt độ rộng (max lên đến 1000°C). Mơ hình thiết bị trang bị 4 dịng khí có thể linh
hoạt để đáp ứng nhu cầu sử dụng. Mơ hình chế tao được đã phục vụ cho mục đích của nghiên
cứu đánh giá hoạt tính của xúc tác cobalt trên chất mang AI2O3 cho phản ứng dry reforming
metan. Ngồi ra, việc áp dụng mơ hình này vào trong công tác đào tạo cũng mang lại nhiêu
tín hiệu tích cực.
The fixed-bed micro reactor system was designed and set up with a full range of features
of catalytic engineering processes. The use of the model is very flexible, applicable to all
hydrocarbon transitions with a wide applied temperature range (max up to 1000°C). The
system equipped with 4 gas lines can be flexibly to meet usage needs. The fabrication model
was served for the purpose of the study to evaluate the activity of cobalt catalyst on AI2O3
carrier for dry reforming methane. In addition, the application of this model in training also
brings many positive signals.
III. Sản phẩm đề tài, công bố và kết quả đào tạo

3.1. Kết quả nghiên cứu (sản phẩm dạng 1,2,3)
Yêu cầu khoa học hoặc/và chỉ tiêu
kinh tế - kỹ thuật
Tên sản phẩm
TT
Đạt đưọc
Đăng ký
1
- Hệ thiêt bị phản ứng vi - Đơn giản, dễ vận hành, - Các dòng nguyên liệu
được điều khiển bằng lưu
lượng xúc tác tầng cố định.
ổn định
- Bao gồm thiết bị phản lượng kế đảm bảo độ
- Bản vẽ thiết kế
ứng, thiết bị gia nhiệt, chính xác cao.

thiết bị làm lạnh, hệ thống - Thiết bị phản ứng, lị
khí mang, thiết bị ngưng gia nhiệt có các tủ điều
tụ, hệ thống thiết bị phụ khiển thơng số vận hành.
trợ.
- Quy mơ phịng thí
nghiệm
- Chi tiết, đúng theo các
tiêu chuẩn về thiết kế
công nghệ
5


2

- Quy trình cơng nghệ - Thuyết minh QTCN và
- Quy trình cơng nghệ
điều kiện vận hành và các
- Bộ số liệu về các thơng số mang tính khoa học
thơng số an tồn được
vận hành tối ưu mơ hình.
- Vận hành an toàn
nêu chi tiết trong báo cáo.

3

Bài báo: Nghiên cứu xúc tác Tạp chí cấp trường (Tạp Tạp chí quốc tế, ISI
chí khoa học và cơng nghệ (International Journal of
dựa trên mơ hình
đại học Cơng Nghiệp Chemical Engineering)
TPHCM)

3.2. Kết quả đào tạo
- Đồ án tốt nghiệp: 4 sinh viên (đã bảo vệ).
- Giảng dạy thực hành: 30 sinh viên
IV. Tình hình sử dụng kinh phí
T
T
A
1
2
3
4
5
6
7
8
B
1
2

Nội dung chi

Kinh phí
thực hiện
(VND)

Kinh phí
đưọc duyệt
(VND)

Chi phí trực tiếp
Th khốn chun mơn
Ngun, nhiên vật liệu, cây con..
Thiêt bị, dụng cụ
Cơng tác phí
Dịch vụ th ngoài
Hội nghị, hội thảo, thù lao nghiệm thu
In ấn, Văn phịng phẩm
Chi phí khác (lắp đặt hệ thống điện nước)
Chỉ phí gián tiếp

7.000.000
69.784.000
1.416.000
0
7.300.000
2.500.000
500.000
1.500.000

7.000.000
69.784.000
1.416.000
0
7.300.000
2.500.000
500.000
1.500.000

Quản lý phí

Chi phí điện, nước
Tổng số

0
0
90.000.000

0
0
90.000.000

Ghi
chú

V. Kiến nghị (về phát triển các kết quả nghiên cứu của đề tài)
Để thực hiện đề tài, tác giả đã phối hợp với các trường Đại học, Viện nghiên cứu trong
nước cũng như ngoài nước cùng thực hiện và đã đạt được kết quả ngồi mong đợi. Việc hợp
tác giúp nhóm nghiên cứu có thể tận dụng được nguồn tài nguyên máy móc thiết bị phân tích
hiện đại của các đơn vị khác và kết quả phân tích đạt được độ chính xác cao.
Mơ hình phản ứng có thể phục vụ cho nhiều phản ứng khác nhau được thực hiện ở pha
khí và lỏng dễ hóa hơi. Tuy nhiên do hạn chế về điều kiện phịng thí nghiệm nên thiết kế tính
tốn vận hành ở áp suất khí quyển. Nhóm nghiên cứu mong muốn hội đồng tạo điều kiện đê
nhóm có thể thiết kế thêm các thiết bị phụ trợ có thể tăng khả năng sử dụng thiêt bị trong điêu
kiện áp suất cao hơn áp suất khí quyển.
6


Sản phẩm sau đề tài là mơ hình thiết bị và đã được sử dụng phục vụ công tác giảng dạy
cũng như nghiên cứu khoa học. Do đó kiến nghị nhà trường hỗ trợ nhân rộng mơ hình nghiên
cứu khoa học kết hợp xây dựng mơ hình thì nghiệm phục vụ công tác giảng dạy thực hành.

VI. Phụ lục sản phẩm (liệt kê minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)
1. Hình ảnh về mơ hình.
2. Bản vẽ thiết kế.
3. Bài báo quốc tế.
4. Minh chứng về đào tạo.
Tp. HCM, ngày....... tháng....
Chủ nhiệm đề tài
Phòng QLKH&HTQT
(ĐƠN VỊ)
Trưởng (đưn vị)
(Họ tên, chữ ký)

năm......

PGS.TS. Nguyễn Vàn Cường

1


PHẦN II. BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN cứu KHOA HỌC
(báo cáo tống kết sau khi nghiêm thu, đã bao gồm nội dung góp ý của hội đồng nghiệm thu)
1. Tính tốn, thiết kế, gia cơng và hồn thiện hệ thống phản ứng pha khí vi lượng
sử dụng lớp xúc tác cố định (fixed bed reactor system).

1.1. Tổng quan
Cơ sở thiết kế của mơ hình dựa trên việc học tập kinh nghiệm thực tế và tài liệu tham
khảo. Trong hầu hết các phịng thí nghiệm ngành Cơng nghệ Hóa học, đặc biệt ngành Cơng
nghệ Hóa dầu đều có ít nhất một đến hai mơ hình nghiên cứu các q trình sản xuất các sản
phẩm hóa học. Giai đoạn nghiên cứu thử nghiệm quy mơ phịng thí nghiệm được giới hạn

trong việc nghiên cứu ảnh hưởng các nguồn nguyên liệu, các loại xúc tác, chế độ cơng nghệ
thích hợp đáp ứng yêu cầu về hiệu quả của quá trình sản xuất. Các kết quả nghiên cứu ở giai
đoạn này rất quan trọng, giúp cho các nhà nghiên cứu, nhà đầu tư đánh giá sơ bộ khả năng
phát triển công nghệ sản xuất. Trong đó, các mơ hình nghiên cứu thực nghiệm quy mơ phịng
thí nghiệm là cơng cụ chính yếu ở giai đoạn này. Các mơ hình phục vụ trong cơng tác nghiên
cứu và giảng dạy trong phịng thí nghiệm phải đáp ứng các tiêu chí sau:
• Đơn giản, dễ thiết kế, chế tạo và vận hành ổn định.
• Dễ dàng thay thế các thiết bị phụ trợ khi cần thay thế, bổ sung.
• An tồn khi vận hành
Dựa vào các tiêu chí trên, hiện nay có hai loại mơ hình thử nghiệm quy mơ phịng thí
nghiệm được phổ biến rộng rãi. Thứ nhất là mơ hình với hệ thống lị phản ứng xúc tác cơ định
(fix-bed reactor). Ưu điểm của mơ hình này dễ thao tác, vận hành trong điều kiện của phịng
thí nghiệm nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ các tính năng của các q trình cơng nghệ sử dụng xúc
tác. Thứ hai là mơ hình với hệ thống lò phản ứng dạng lò phản ứng xúc tác tầng sơi (fluizedreactor). Ưu điểm mơ hình là mơ phỏng gần như điều kiện làm việc thực tế ngồi cơng nghiệp.
Tuy nhiên mơ hình này chế tạo phức tạp, chi phí cao. Đặc biệt khó khăn khi thiết kế các quá
trình làm việc với áp suất cao.
Các trường đại học trên thế giới đã nghiên cứu và phát triển rất nhiều mơ hình pilot quy
mơ phịng thí nghiệm để phục vụ nghiên cứu và giảng dạy. Khoa Kỹ thuật Nông nghiệp và
Công nghệ Sinh học thuộc trường Đại học South Dakota State, Mỹ đã nghiên cứu quá trình
cracking xúc tác trên nguyên liệu dầu carinata (Brassica) tạo thành nhiên liệu sinh học. Quá
trình sử dụng xúc tác là hệ Zn/Na-ZSM-5. Mơ hình thực nghiệm gồm bơm, thiết bị phản ứng,
thiết bị làm lạnh và thiết bị thu sản phẩm. Năng suất là 190g nguyên liệu/mẻ. Nitơ được sử
dụng với vai trị khí mang ứng với áp suất 12 psi (8,27.104 Pa). Thiết bị phản ứng ống dài 508
mm, bán kính trong 24,5 mm chứa được 25g xúc tác (hình 1.1). Các sản phẩm thu được ở
dạng lỏng và khí được xác định bằng GC/MS. [1-3]

8


Hình 1.1. Mơ hình thực nghiệm nghiên cứu q trình cracking xúc tác trên nguyên liệu dâu

carinata (Brassica), Đại học South Dakota State, Mỹ

Khoa Kỹ thuật Năng lượng và Các Quá Trình thuộc trường Đại học Khoa học và Kỹ
thuật Norwegian, Na Uy, kết hợp với Viện nghiên cứu Các Q Trình cơng nghệ Hóa học
(CPERI), trung tâm nghiên cứu Công nghệ Hellas (CERTH), Hy Lạp đã nghiên cứu quá trình
nhiệt phân nhanh nguồn nguyên liệu sinh khối ẩm trong thiết bị phản ứng với lớp xúc tác cô
định với N2 đóng vai trị khí mang. Thiết bị phản ứng có khả năng chứa được 0,7g xúc tác,
chuyển hóa 1,5g nguyên liệu ở điều kiện nhiệt độ 500°C thu được sản phẩm lỏng và khí [4].
Mơ hình pilot được thể hiện trong hình 1.2.

9


An

Ỉ.Kmbol
2. Reactor Furnace
3 Bíoinattlicd
4.Catalyrt Bed
ỉ.cdd liquid Bath
6.liquid Product Recover
7,OM Collection Syrian

Hình 1.2. Mơ hình thực nghiệm nghiên cứu q trình nhiệt phân nhanh nguồn nguyên liệu
sinh khối ẩm thuộc trường Đại học Khoa học và Kỹ thuật Norwegian, Na Uy- Vỉện nghiên
cứu Các Q Trình cơng nghệ Hóa học (CPERI), Hy Lạp
Viện Công nghệ Môi trường thuộc trường đại học quốc gia Đài Loan kết hợp với viện
Nghiên cứu Năng lượng hạt nhân, Đài Loan đã tiến hành nghiên cứu q trình dry reforming
với nguồn ngun liệu CH4. Mơ hình pilot quy mơ phịng thí nghiệm gồm 4 phần như sau:
Hệ thống cung cấp khí, nguồn điện bán xung điện áp cao, một lò phản ứng plasma và một hệ

thống phân tích (hình 1.3). Các Lị phản ứng bao gồm một ống sứ có đường kính ngồi 20
mm và bên trong đường kính 15 mm, một thanh thép khơng gỉ xoắn ốc có đường kính ngồi
3 mm bên trong, ống gốm làm điện cực bên trong và lưới thép không gỉ với chiều dài 70 mm
quấn quanh ống sứ làm điện cực bên ngoài. Tổng lượng xả xấp xỉ 47,5 cm3. Khí nạp, CO2
(99,99%) và CH4 (99,99%) đưọc cung cấp từ các bình khí và được điều khiển bởi một bộ điều
khiển lưu lượng. Các CH4/CO2 và tổng lưu lượng khí được điều chỉnh trong khoảng 0,33 3,0 và 164 40 - 120 mL/phút, tương ứng. Nguồn điện bán xung AC (EN Technologies, 165
Genius 2) với đầu ra điện áp lên đến 18 kv và tần số 20 - 60 kHz được sử dụng [5].

10


Hình 1.3. Mơ hình thực nghiệm nghiên cứu q trình dry reforming methane và dioxide
cacbon thuộc Viện Công nghệ Môi trường thuộc trường đại học quốc gia Đài Loan- Viện
Nghiên cứu Năng lượng hạt nhân, Đài Loan

Khoa Kỹ thuật Hóa học Năng lượng, Đại học Khoa học và Công nghệ Đông Trung Quốc
đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng xúc tác HZSM-5 lên phản ứng cracking-nhiệt phân nguồn
nguyên liệu gỗ thơng trên mơ hình pilot với lị phản ứng hai tầng cố định (hình 1.4). Theo bản
vẽ mơ hình, hai thiết bị phản ứng hình ống bằng thép khơng gỉ được lắp đặt nối tiếp theo chiêu
dọc và được làm nóng độc lập bằng hai lị điện. Thiết bị phản ứng thứ nhất thực hiện quá trình
nhiệt phân 2,2 g ngun liệu biomass, sau đó nguồn khí nhiệt phân sẽ tiếp tục thực hiện quá
trình cracking xúc tác ở thiết bị phản ứng phía trên với chiều cao lớp xúc tác 70mm (6,4g)
xúc tác [6].

11


Switch valve

Hình 1.4. Mơ hỉnh thực nghiệm nghiên cứu q trĩnh cracking xúc tác-nhìệt phân ngn

ngun liệu sinh khối thuộc Khoa Kỹ thuật Hóa học Năng lượng, Đại học Khoa học và
Công nghệ Đông Trung Quốc

Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường thuộc Thổ Nhĩ Kỳ, Đại học Bách Khoa Budapest
thuộc Rumani, Trường Mỏ Nantes, Pháp đã tiến hành nghiên cứu quá trình cracking nhiệt
nguồn nguyên liệu lốp xe thải trên thiết bị thử nghiệm với lò phản ứng cố định. Sơ đơ cơng
nghệ được trình bày ở hình 1.5. Hệ thống thiết bị bao gồm lò phản ứng tầng cố định, thiêt bị
gia nhiệt bằng điện, thiết bị thu nhận tín hiệu nhiệt, thiết bị ngưng tụ làm lạnh bằng nước,
thiết bị nhận khí, hệ thống phân tích GC/TCD [7].
Các quá trình như xử lý dầu thực vật bằng H2 với xúc tác NiW/SiCh AI2O3 trên mơ hình
thực nghiệm với thiết bị phản ứng tầng cố định tại nhiệt độ 420°C, áp suất hidro 80 bar đã
được nghiên cứu bởi Viện Dầu Khí Mexico [8]. Nhóm tác giả trong nghiên cứu [9] đã nghiên
cứu mô phỏng 2D ảnh hưởng độ phân tán các hạt xúc tác được tổng họp vỏ trứng trong thiêt
bị phản ứng tầng cố định lên độ chọn lọc etylen trong phản ứng dehydro-oxi hóa ethane.

12


1 Fixed bed reactor; 2 electrical heater: 3. acquisition device: 4 and 5: catalytic beds;
6: water cooling condenser: 7: glass vessel; 3 ice bucket; 9 GƠTCD

Hỉnh 1.5. Mơ hình thực nghiệm nghiên cứu quá trĩnh cracking xúc tác-nhiệt nguồn nguyên
liệu phế thải thuộc Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường thuộc Thổ Nhĩ Kỳ, Đại học Bách
Khoa Budapest thuộc Rumani, Trường Mỏ Nantes, Pháp

Qua các nghiên cứu trên, nhóm tác giả nhận thấy rằng hầu hết các mơ hình thực nghiệm
đều tiến hành với dòng vi lượng, các phản ứng có thể thực hiện ở pha khí, lỏng hoặc rắn. Với
các phản ứng có xúc tác, đa phần các mơ hình thiết bị thực hiện ở pha khí. Các mơ hình thực
nghiệm thường sử dụng cho các q trình phản ứng như: cracking xúc tác, cracking nhiệt, dry
reforming, nhiệt phân, xử lý bằng H2, steam reforming. Các nguồn nguyên liệu nghiên cứu

rất đa dạng bao gồm: hydrocacbon từ dầu mỏ và khí, nguồn biomass - phế phẩm nơng nghiệp,
gỗ, dầu thực vật, phế phẩm công nghiệp - lốp xe cũ. Đa số các thí nghiệm đều tiến hành ở
nhiệt độ cao. Hầu hét các thiết bị đều có 4 phần sau:
• Hệ thống cung cấp nguyên liệu: gồm hệ thống khí mang, khí nguyên liệu. Nếu nguyên
liệu ban đầu ở dạng lỏng, thường được hóa hơi sơ bộ bằng thiết bị gia nhiệt trước khi vào thiết
bị phản ứng. Hệ thống này được kiểm soát chặt chẽ bằng các dụng cụ điều khiển lưu lượng,
áp kế để đạt được tỉ lệ nguyên liệu đầu vào theo yêu cầu nghiên cứu.
• Hệ thống lị phản ứng: Bao gồm lị gia nhiệt gắn với thiết bị phản ứng. Đa số thiết bị
phản úng là ống thép thẳng được nhồi xúc tác hoặc khơng có xúc tác. Lị gia nhiệt thường là
ống trụ trịn có điện trở, có thể thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao (trên 1000°C).
• Hệ thống ngưng tụ - bể chứa sản phẩm: dùng để phân tách dịng sản phẩm sau phản
ứng. Hệ thống ngưng tụ có thể được làm lạnh bằng nước, hoặc nước đá với muối được tiếp
xúc trực tiếp với bể chứa sản phẩm hoặc trên đường đi của sản phẩm.
• Hệ thống phân tích: Các sản phẩm lỏng và khí được gắn vào thiết bị phân tích GC đê
phân tích thành phần của sản phẩm sau phản ứng.
Từ nhận định trên, nhóm nghiên cứu đưa ra đề xuất trong thiết kế hệ thống thiết bị như
sau:
- Trong thiết kế hệ thống phản ứng có đầy đủ bốn phần thiết bị trên: hệ thống khí mang,
lị phản ứng, thiết bị ngưng tụ, thiết bị phân tích. Khi chế tạo hệ thống thiết bị, thiết bị phân
tích là hệ thống riêng khơng nằm trong khn khổ đề tài. Sản phẩm sau phản ứng có thể được
phân tích online hoặc offline tùy vào điều kiện thực té của phịng thí nghiệm.

13


- Nhiệt độ của lò gia nhiệt phản ứng lên đến 1 ooo°c để có thể thực hiện các nghiên
cứu khác nhau với nhiều loại nguyên liệu khác, kể cả ngun liệu phi hydrocacbon.
- Thiết kế bốn dịng khí tại hệ thống cung cấp nguyên liệu để phù họp với các nghiên
cứu ứng dụng, trong đó thiết kế các thiết bị đo lưu lượng dòng, áp suất để tăng độ chính xác
cho mơ hình thực nghiệm.

1.2. Thiết kế quy trình cơng nghệ và tính tốn thiết bị

1 .2.1. Quy trình công nghệ
Hệ thống thiết kế bao gồm thiết bị phản ứng tầng cố định. Lị phản ứng có chiều dài: 17
inch và đường kính: 3/8 inch. Lượng xúc tác sử dụng cho 1 mẻ khảo sát khoảng 0,1 g được
đặt ở giữa lò phản ứng bằng sọi thạch anh. Các chất phản ứng ở thể khí và khí trơ N2 được
kiểm sốt chính xác bởi bộ điều khiển lưu lượng khối lượng Alicat và được trộn trước khi đi
vào lò phản ứng. Lưu lượng nhập liệu thiết kế theo vận tốc (GHSV) là 36 L gcat'1 h'1 ở phạm
vi nhiệt độ từ 923 K đến 1073 K. Việc lựa chọn GHSV cao, tải chất xúc tác nhỏ và kích thước
hạt nhỏ là để đảm bảo sự ảnh hưởng không đáng kể của cản trở do quá trình truyền nhiệt và
quá trình truyền khối bên trong lẫn bên ngồi. Trước khi đánh giá, quá trình khử H2 được thực
hiện trong 1 giờ ở 1073 K với hỗn họp khí 50% H2/N2 (60 mL min1) để hoạt hóa chất xúc
tác. Tất cả các sản phẩm ở thể khí và các chất phản ứng chưa phản ứng được phân tích bằng
sắc ký khí được trang bị cột mao quản và detector TCD. Sơ đồ chi tiết cho phản ứng reforming

được minh họa trong hình bên dưới

Bộ điều khiển lưu lượng khối lượng (MFC) được sử dụng trong nghiên cứu này ban đầu
được hiệu chuẩn với các khí CƠ2, CH4 và N2. về cơ bản, việc hiệu chuẩn được thực hiện bằng
cách đo ít nhất 5 điểm và quá trình hiệu chuẩn cho các đồ thị tuyến tính của tín hiệu so với
tốc độ dòng chảy thực tế. Kết quả hiệu chuẩn được thể hiện chi tiết như sau:
14


Kết quả hiệu chuẩn cho MFC Model No: MFC104205: Khí CƠ2

Đường hiện chuẩn cho MFC điều khiển khí CO2

Kết quả hiệu chuẩn cho MFC Model No: MFC106433: Khí Ni

Đường hiệu chuẩn cho MFC điều khiển khỉ N2

15


Kết quả hiệu chuẩn cho MFC Model No: MFC106433: Khí CH4

Đường hiệu chuẩn cho MFC điều khiển khỉ CH4

1 .2.2. Tính tốn thiết bị [10-12]
Tính tốn lị gia nhiệt cho thiết bị phản ứng
a. Đặc điểm của lò điện.
Cơ sở lựa chọn loại lò gia nhiệt cho phản ứng: Trong phạm vi yêu cầu của đề tài, quá
trình phản úng xảy ra trong khoảng nhiệt độ từ 400°C đến 1 ooo°c với năng suất nhỏ quy mơ
phịng thí nghiệm và để thuận tiện trong việc lắp đặt cũng như sử dụng nên lò điện trở được
xem là lựa chọn phù hợp. Lò điện trở là thiết bị biến đổi điện năng thành nhiệt năng thông
qua hiệu ứng Joule của qua kim loại (dây điện trở). Nhiệt từ dây điện trở qua các phương thức
truyền nhiệt dẫn nhiệt, bức xạ, đối lưu, nhiệt lượng sẽ được truyền tới thiết bị phản ứng đặt
trong lị.
Lị điện trở có các ưu điểm:
+ Có khả năng tạo ra nhiệt độ cao, phân bố nhiệt đồng đều
+ Tốc độ gia nhiệt và hiệu suất nhiệt cao do thiết bị phản ứng có năng suất nhỏ và tập
tmng trong một thể tích nhỏ.
+ Dễ điều chỉnh và điều khiển nhiệt độ
+ Đảm bảo được điều kiện vệ sinh khơng có bụi và khói.
Trong lị điện trở, dây điện trở bằng kim loại là phần tử chính biến đổi điện năng thành
nhiệt năng qua hiệu ứng Joule. Dây đốt cần phải làm từ vật liệu thoả mãn các yêu cầu sau:
+ Chịu được nhiệt độ cao.
+ Độ bền cơ khi lớn.
+ Có điện trở suất lớn

+ Hệ số điện trở nhỏ

16


Hiện nay trên thị trường, các loại dây điện trở được sử dụng phổ biến:
+ Hợp kim: Cr-Ni, Cr-AI .... với nhiệt độ lò làm việc dưới 1200 °C.
+ Hợp chất: SiC, M0SÌ2,... với nhiệt độ làm việc 1200 °C -ỉ- 1600 °C;
+ Đơn chất: Mo, w,... với lị có nhiệt độ làm việc cao hơn 1600 °C;
Căn cứ vào các yêu cầu cũng như điều kiện của phản ứng và nhu cầu sử dụng sau này
trong trường hợp có nhiệt độ cao hơn cũng như cần nguồn nhiệt lớn, lị điện được thiết kế với
các thơng số như sau
- Lị có dạng hình trụ với thơng số kích thước như sau:
+ Chiều cao lị: 300 mm
+ Đường kính phần mơi trường bên trong lị: 50 mm
+ Tường lị gồm 4 lớp:
- 2 lớp gạch chịu lửa, 1 lớp (trong cùng) dày 25 mm, 1 lớp dày 20 mm
- 1 lớp bông gốm ceramic cách nhiệt
- 1 lớp inox 201 ngồi cùng
+ Lị sử dụng dây điện trở bằng SiC hoặc M0SÌ2 đặt giữa 2 lớp gạch chịu lửa.
+ Cơng suất nhiệt thiết kế tối đa cho lò là 4,5 kw để phù hợp với điều kiện của phịng
thí nghiệm.
Tính tốn cách nhiệt cho lị
Tường Lị được thiết kế gồm gồm 4 lớp:
- 2 lớp gạch chịu lửa, 1 lớp (trong cùng) dày 25 mm, 1 lớp dày 25 mm
- 1 lớp bơng gốm ceramic cách nhiệt có hệ số dẫn nhiệt là 0,195W/m.K
- 1 lớp thép ngoài cùng thép dày 0,5 mm để che phủ có hệ số dẫn nhiệt 46,5W/m.K
Giả sử khi hoạt động, nhiệt độ tại dây điện trở đạt 1500 °C, nhiệt độ lớp ngoài cùng tối
đa 40°C, dây điện trở đạt ở giữa 2 lớp gạch chịu lửa,
Ống thủy tinh thạch anh: Ộ15xlmm, hệ số dẫn nhiệt: l,4W/m.K

Bông gốm Ceramic, hệ số dẫn nhiệt: 0,195W/m.K
Ống Alumina dài 300mm, đường kính ộ30x5mm, hệ số dẫn nhiệt 25W/m.K
- Lớp thứ 3: Lớp thép dày 0,2mm; hệ số dẫn nhiệt 46,5W/m.K
- Nhiệt độ khơng khí trong phịng thí trung bình khoảng 40°C
Xét quá trình truyền nhiệt từ dây điện trở đến bề mặt ngồi của lị như hình:

17


Hệ số truyền nhiệt trong trường hợp này được xác định theo công thức:
1
ỉ- In ỳ- 4- -T- In ỳ- + 7- In ỳ“1

^2

“2

Ẩ3

a3

Yêu cầu là xác định chiều dày lóp bơng gốm ceramic để tổn thất nhiệt độ bề mặt ngồi
khơng q 40 °C, ta có:
27ĩH

Q - 2nL.K.ht -

z

I

d/'” ~

^■1
“1 ' 2,2 d-2 43 a3
Trong đó:
Q - cơng suất nhiệt thiết kế, w (Q = 4,5 kw = 4500 W)
H - chiều cao của lò, m (H=0,3 m)
di - đường kính trong của lớp gạch chịu lửa 2 có độ dày là 0,025 m
-à (di = 0.05 + 0,05 = 0.1 m)
d2 - đường kính ngồi của lớp gạch chịu lửa 2, m; (d2 = 0,1 + 0,05 = 0,15 m)
d3 - đường kính lớp ngồi của lớp bơng gốm ceamic, m (d3 = d2 + 2.Ô)

d4 - đường kính ngồi cùng của lị nung, m; (d4 = d3 + 0,0005 m)
ÍT1 - Nhiệt độ tại dây điện trở, °C; (tri = 1500 °C)
ÍT4 - Nhiệt độ bề mặt ngồi cùng của lị, °C; (ÍT4 = 40 °C)
- Hệ số dẫn nhiệt của gạch chịu lửa, W/m.K; (X1 = 1,05 W/m.K)
>12 - Hệ số dẫn nhiệt của bông gốm ceramic, W/m.K; (À.2 =0,195 W/m.K)
X3 - Hệ số dẫn nhiệt của thép, W/m.K; (Ầ.3 = 46,5 W/m.K)
Thay các giá trị trên và giải phương trình ta được: bề dày lóp bông gốm ceramic ô =
0,0348 m.
Chọn chiều dày lớp bông gốm ceramic là 0,050 m = 50 mm.
Bộ điều khiển nhiệt độ của ỉò
Cảm biến nhiệt độ: chọn đầu dò cảm biến nhiệt độ loại K dài 100 mm

18


Bộ điều khiển: chọn bộ điều khiển nhiệt độ có chức năng điều khiển PID của hãng
Autonics có mã sản phẩm là TC4S có các thơng số như sau:

Kích thước

48x48

Phương pháp
LED 11 đoạn 4 số
hiển thị
Phương thức Điều khiển ON / OFF, p, PI,
PD, điều khiển PID
điều khiến

gyC

Thermocouple: K(CA), J(IC),
T(CC), R(PR), S(PR), L(IC)
RTD: DPtlOOQ, Cu50Q

Loại ngõ vào

Chu kỳ lấy mẫu 50ms
Ngõ ra
khiển

điều SSR drive(12VDC) [ON/OFF,
pha, chu kỉ]

Ngõ ra tùy chọn Cảnh báo 1/2
Nguồn cấp

100-240VAC- 50/60HZ

Cấu trúc bảo vệ

IP50(bảng điều khiển phía
trước)

Tiêu chuẩn

@(CE) @(CULƯS) @(KC)

Tính tốn thiết bị ngưng tụ
Nhiệt ngưng tụ: Eỉ = DvapxNHvap (5)

Trong đó:

ỉsH: năng lượng để bốc hơi dung mơi (nhiệt hóa hơi)

E1= 34,2 (g/phút). 316,6 (J/g)/60 = 180 (W)
Dvap= Vvap. p = 50(ml/phút). 0,684 (g/ml) =34,2 (g/phút)

Nhiệt lượng dịng nước giải nhiệt nhận được
£2=a,.p.c“.(rs-rJ(kJ)

Trong đó:

(7)

Qvi: lưu lượng nước vào thiết bị ngưng tụ
p: khối lượng riêng của nước

cp: nhiệt dung riêng của nước.
Ts - Te : chênh lệch nhiệt độ của nước ra và vào.

Cân bằng nhiệt lượng:

E1=E2 + Ett
Với Ett có thể lấy bằng 5% E1
Từ đó ta có: E2=E1/O,95
Hay:

19


D^XỀJỊ,V
0,95

a,

= Qrl.p.Cp.(rs-Tl!)

0,95.p.C„.(Ts-rE)

Phương trình này cho phép xác định lưu lượng nước cần thiết cho thiết bị ngưng tụ.
Chúng ta thường chọn chênh lệch nhiệt độ 10°C.
Anr8.fti!ziA = °’31 0,95.4186.10
Vậy nên cần chọn nước giải nhiệt khoảng 0,6 1/phút (hệ số an toàn là 2)
Bề mặt truyền nhiệt được xác định theo phưong trình truyền nhiệt:
ỞV1 =

F = ——

Với:

K.Atiog

+ K: hệ số truyền nhiệt.

+ Atiog: nhiệt độ trung bình logarit.
•
Xác định iogt
AG^(98-y38,-4')^l,8(°c).
In--7—--

98-41
•
Xác định hệ số truyền nhiệt K:
Hệ số truyền nhiệt K được tính theo cơng thức:
K = -- ------------ —

, (W/m2.K)

—+ Sr,+ —

aF

aN

Với:
+ ơn: hệ số cấp nhiệt của dòng nước (W/m2.K).

+ ocsp: hệ số cấp nhiệt của sản phẩm (W/m2.K).
+ Ert: nhiệt trở của thành ống và lớp cáu.
•
Xác định hệ số cấp nhiệt
Vận tốc dịng nhập liệu đi trong ống có đường kính 8mm:
4.Ớ..

CỬF =

7ĩ.d tr

____ , .
= 0,21 (m/s).

Chuẩn số Reynolds:

ReA =

Ú) d

= 2472 : chế độ chảy quá độ (chuyển tiếp).

V

Công thức xác định chuẩn số Nusselt có dạng:
Nu = 0,008Re0,9 Pr0,43 = 16,97
Hệ số cấp nhiệt của dòng nước giải nhiệt trong ống nhỏ:
= 1347 (w/m2 K)

OtN=

dư
Nhiệt tải phía dịng nhập liệu:
20


qp - Ơ.F.(tỵv2-ttbF) = 1347. (tW2-35)
Với tW2: nhiệt độ của vách tiếp xúc với dòng nước giải nhiệt (trong ống nhỏ).
•
Nhiệt tải qua thành ống và lóp cáu:

q, =

~Z“'2 , (W/m2).

Trong đó:
+ twi: nhiệt độ của vách tiếp xúc với hơi sản phẩm (ngoài ống nhỏ).

+

= -7- + r. + r,
1 Ặ
1 2

Bề dày thành ống: ôt= 2(mm).
Hệ số dẫn nhiệt: Xt = 0,8 (W/mK).
Nhiệt trở trung bình của lớp bẩn trong ống với nước sạch:
n = 1/5000 (m2.K/W).
Nhiệt trở lớp cáu phía sản phẩm: 1’2 = 1/5000 (m2.K7W).

Suy ra: Ert = (m2.K/W).
Vậy: qt = 345.(twi-tw2)
•
Xác định hệ số cấp nhiệt nước trong ống ngồi:
Đường kính ống ngồi: dn = 0,04 (m)
Hệ số cấp nhiệt được xác định theo công thức:
\ 0.25

(
-—y—7-

ì-d/d J

ílsN ~

316.1000

0.725A

'

0.25

(98 -00,04,

38,4/1
(98-/wl)025

Với: A: hệ số phụ thuộc vào tính chất lưu chất
Nhiệt tải phía hơi sản phẩm:

<ỊN = asp.(tsN-twỉ) = 7393.(98 - twI )0'75 (W/m2)
Bằng phương pháp tính lặp chúng ta xác định được
•
Chọn: twi = 95,loC:
Xem nhiệt tải mất mát là không đáng kể: qt = qw=16429 (W/m2).

Ta có: tw2 = tw!--Ậ- =47,48°c
1750

Từ:qr = 16809 (W/m2).
Kiểm tra sai số:
£ = l^gjJ=H6809 164291 =2 31o/o < 5o/o . thoả

q„

16809

Vậy: t„i = 95,l°c và tw2 = 47,48°c.
Khi đó: aN =1347 (W/m2.°C)
ttsp = 5665 (W/m2.°é)

Suy ra: K = —------- ’--------— = 262 (W/m2.°C)
1347 + 345 + 5665

Xác định bề mặt truyền nhiệt:
21


Be mặt truyền nhiệt trung bình:

F,h = ---T°;-- = 0,011 (m2).
* 262.61,8
v ’

Suy ra chiều dài ống truyền nhiệt:
ĩ _ °’011 _Azi4 La
L = —- 0,44 (m).
TT.0,008
Chọn: L = 0,6 (m)
1.3. Khảo sát ảnh hưỏTig của các thông số công nghệ đến hoạt động của hệ thống phản
úng vi lượng.

Để thuận tiện cho việc khảo sát thông số công nghệ q trình sản xuất cụ thể lên mơ
hình chế tạo, nhóm tác giả lựa chọn q trình dry reforming chuyển hóa metan (MDR) làm
đối tượng thử nghiệm. Bởi vì phản ứng dry reforming thỏa mãn các yêu cầu cho nghiên cứu
ảnh hưởng của các thông số công nghệ (thành phần nguyên liệu, nhiệt độ) đến hiệu suât của
quá trình phản ứng và đánh giá ảnh hưởng của quá trình truyền nhiệt, truyền khối đến vận tôc
chung của phản ứng. Trong nội dung này, tất cả các phản ứng MDR được thực hiện ngoài
vùng giới hạn truyền nhiệt, truyền khối nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của các giới hạn này.
Mức độ cản trở chuyển khối bên ngoài và bên trong lần lượt được đánh giá bằng tiêu chí
Mears [13,14] và tiêu chí Weisz-Prater [15, 16]. Các hiệu ứng cản trở truyền nhiệt bên ngồi
và bên trong được ước tính theo tiêu chí Mears [17] và tiêu chí Anderson [18,19], tương ứng.
GHSV cố định ở 36 L gcat'1 h'1 cho tất cả các lần chạy và nhiệt độ cao nhất là 1073 K được
chọn làm ví dụ cho tất cả các tính tốn.
1.3.1. Đánh giá ảnh hưỏug của các thơng số vận hành (nhiệt độ phản ứng, tốc độ nhập
liệu, tỉ lệ nguyên liệu ...) đến sự cản trỏ’ của quá trình truyền khối bên ngồi
Sự cản trở do q trình truyền khối ngồi có thể bỏ qua nếu đáp ứng tiêu chuẩn Mears
diễn tả ở phương trình sau: [13, 14].

,01ĩ

k„CM

Trong đó
■ (-rexp): Vận tốc phản ứng của CƠ2 ở 1073 K (6.50 X 10“5 mol gẽat 5-1
■

pb : Khối lượng riêng của khối xúc tác, pb = 1.20 g cm3 g~\

■

R-p : Bán kính hạt xúc tác, Rp = 8 X 10“5 m.

■
■
■

n: Bậc phản ứng, n = 1.0 được tra theo tài liệu [20].
CAb : Nồng độ CƠ2 CAb = 2.27 X 10~5 mol cm~3.
kc : Hệ số truyền khối được tính tốn dựa theo phương trình sau: [14, 21].

Ac=-^ệ- = 80.13cm r1
ScA
Trong đó: Sc : Hằng số Schmidt, được tính theo phương trình: [22].
với Pg độ nhớt của hỗn họp khí, tính theo phương trình [23].

22


Trong đó
0ij : hằng số được xác định theo phương trình sau và i, j lần lượt là CH4, CƠ2, và N2.

: Độ nhớt của khí thành phần, CH4, CO2 và N2 ở 1073 K, tính tốn bằng cơng thức: [24].

Giá trị Cl, C2, C3 và C4 được chọn trong bảng 2-312, trang 2-424 sách Perry's chemical
engineers' handbook. Kết quả được tóm tắt trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Liệt kê các thông số để xác định độ nhớt của các chất khỉ [24].
Khí
p (kg m-1 S’1)
C1
c3
M (g mol'1)
c2
c4
16.04
0.59
105.67
0
ch4
5.25 X 10-’
2.94 X lO'5
0.46
290.00
0
44.01
CƠ2
4.19 X 10'5
2.15 X 10’6
0.61
54.71
0

28.01
n2
6.56 X 10-7
4.35 X 10'5

Do đó, độ nhớt của hỗn hợp khí ở 1073 K là Pg = 2.54 X 10-5 kg m-1 s-1.
o Pg : Khối lượng riêng của hỗn hợp khí tính bằng phương trình khí lý tưởng (P =
101325 Pa, R = 8.314 J mol’1 K'1, T = 1073 K) và khối lượng phân tử trung bình 14^ =

iWft = 0.0288 kg moi'1.

pg =

^RT

= 0,33 kgm

o Dg : Hệ số phân tán của CH4 vào hỗn hợp CO2, N2, xác định theo phương trình:

Trong đó Dịj là hệ số phân tán (cm2 S'1), xác định theo phương trình sau [25] và i đại diện cho
CH4, j cho CO2 và N2.
lo-’xr”’

n. ^ij

I-

rĩ
ĨT
—+—

T"!

,/

. ,/ -12

'[(STMZT]

(£ Ỳ) : Thể tích phân tán phân tử xác định theo bảng 5-12 trang 5-52, sách Perry's chemical
engineers' handbook (Bảng 2.2).
23


Bảng 1.2. Tóm tắt thể tích phân tán của các khí [24]

Kill

(2 v) (cm3 mol’1)
24.4
ch4
26.9
CƠ2
17.9
N2
Do đó, DC//4-co2 = 1-55 cm2 s 1 và DCHị_N2 = 1.91 cm2 s 1
Do đó, Da = 1.80 X 10“4 m2 s-1 và Sc = 0.43
jD là hệ số truyền khối Colburn, tính tốn theo phương trình 24 [26].
1
£

0.765 Y < 0.365 \
Re082 J +1 Re0386 J

Trong đó
o C = of0.7.
o Re là hằng số Reynold, tính theo phương trình.

Trong đó

pg = 0.33 kg m~3
Pg = 2.54 X 10-5 kg m-1 s-1

V
60
X 1 m3 X 1 min X 1073 K
U — _ —______ tnin
__________________
A
4.90 X 10~5 m2 X 106 mL X 60 s X 298 K
= 7.35 X 10-2ms-1
dp đường kính hạt (1.60 X 10-4 m).
Re = 0.15, jD = 6.22 và kc = 80.13 cm s-1
Trong nghiên cứu này:
(

rexp}A

p” _ 3 42 X 1 (T4 < 0.15

kcCAb

Do đó ảnh hưởng do truyền khối ngoại là khơng đáng kể, có thể bỏ qua.
1.3.2. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số vận hành (nhiệt độ phản ứng, tốc độ nhập
liệu, tỉ lệ nguyên liệu ...) đến sự cản trở của quá trình truyền khối bên trong

Sự cản trở do quá trình truyền khối bên trong có thể bỏ qua nếu tiêu chuẩn Weisz-Prater
được đáp ứng [15,16].
(—rcxp ) PẹBp < 1
Trong đó
■ (-fexp) = 6.50 X 10-5 mo1 9cat s"1
■ Pc khối lượng riêng của xúc tác, chọn theo bảng 2.1 trang 2-7, sách Perry's
chemical engineers' handbook [24], Pc = 3.99 g cm"3.
24