Thiết bị phản ứng trong công nghiệp Hóa dầu

Thiết bị phản ứng
trong công nghiệp Hóa dầu
MỤC LỤC


1. Giới thiệu về thiết bị phản ứng 1
1.1. Khái niệm chung 1
1.1.1. Giới thiệu 1
1.1.2. Thiết bị phản ứng 2
1.2. Đặc điểm của thiết bị phản ứng 3
1.2.1. Thiết bị phản ứng rất đa dạng 3
1.2.2. Thiết bị phản ứng rất phức tạp 4
1.3. Phân loại thiết bị phản ứng 5
1.3.1. Phân loại theo chế độ làm việc 5
1.3.2. Phân loại thiết bị phản ứng theo chế độ dòng chảy 6
1.3.3. Phân loại thiết bị phản ứng theo chế độ nhiệt 9
1.3.4. Phân loại thiết bị phản ứng theo trạng thái pha 12
2. Thời gian lưu trong thiết bị phản ứng 14
2.1. Thời gian lưu trong thiết bị phản ứng 14
2.1.1. Định nghĩa 14
2.1.2. Phân bố thời gian lưu trong các mô hình lý tưởng 16
3. Đặc trưng nhiệt trong thiết bị phản ứng 19
3.1. Đặc điểm 19
3.2. Phương trình cân bằng nhiệt và nhiệt phản ứng 19
3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức chuyển hóa 21
3.4. Chế độ nhiệt tối ưu của phản ứng 22
3.5. Các biện pháp duy trì chế độ nhiệt tối ưu 24
3.5.1. Trao đổi nhiệt qua thành 24

3.5.2. Điều chỉnh nhiệt độ ban đầu 25
3.5.3. Dùng chất tải nhiệt 25
3.5.4. Tuần hoàn hỗn hợp phản ứng 27
3.5.5. Đặc trưng tự nhiệt của thiết bị phản ứng 27
4. Thiết bị phản ứng xúc tác khí – rắn 30
4.1. Đặc điểm 30
4.2. Xúc tác dị thể 30
4.3. Phân bố bề mặt riêng theo kích thước mao quản. 30
4.4. Các quá trình xảy ra trong phản ứng dị thể 31
Tài liệu tham khảo 35
1

1. Giới thiệu về thiết bị phản ứng
1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Giới thiệu
Trong công nghiệp hóa học (đặc biệt là tổng hợp hữu cơ-hóa dầu), có rất nhiều quá
trình sản xuất có sử dụng thiết bị phản ứng và luôn được bố trí, lắp đặt theo một quy trình
tổng quát sau:






Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu (1)
Làm sạch các tạp chất, tạo hỗn hợp phản ứng, gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu ban đầu
trước khi đưa vào thiết bị phản ứng để đảm bảo chất lượng của hỗn hợp nguyên liệu trước
khi đưa vào thiết bị phản ứng, đồng thời phải đáp ứng linh hoạt được với nhiều nguồn
nguyên liệu thô có nguồn gốc, chất lượng khác nhau.
Ví dụ trong các thiết bị phản ứng có sử dụng xúc tác (đặc biệt là xúc tác kim loại) kết

hợp điều kiện phản ứng ở nhiệt độ cao, áp suất cao… khi có mặt các tạp chất (đặc biệt các
hợp chất chứa lưu huỳnh) sẽ làm ngộ độc xúc tác. Làm sạch nguyên liệu khỏi các hợp chất
chứa lưu huỳnh được thực hiện trong phân xưởng HDS (Hydro DeSunfua). Hỗn hợp phản
ứng thường bao gồm nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, do đó cần phải tiến hành trộn lẫn
trong các thiết bị cơ học, nên cần một phân xưởng để trộn và xử lý để đảm bảo tính ổn định
cho hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị phản ứng. Nhiệt độ để tiến hành phản ứng thường khác
xa với nhiệt độ nguyên liệu ban đầu, nên cần thiết phải có thiết bị gia nhiệt cho hỗn hợp
nguyên liệu đầu trước khi đưa vào thiết bị phản ứng, do đó cần rất nhiều thiết bị trao đổi
nhiệt, thậm chí là lò đốt để gia nhiệt.
Công đoạn tách và tinh chế sản phẩm (3)
Sản phẩm của phản ứng thường là một hỗn hợp rất phức tạp gồm nhiều chất khác nhau,
trong đó có sản phẩm chính, sản phẩm phụ và nguyên liệu chưa chuyển hóa hết do đó cần
thiết phải sử dụng các thiết bị tách và tinh chế sản phẩm để thu được sản phẩm đạt tiêu
Tuần hoàn nguyên liệu chưa chuyển hóa
Nguyên liệu
chính
Nguyên liệu
phụ
Sản ph
ẩ
m
phụ
Chuẩn bị
nguyên liệu
Thiết bị
phản ứng
Tách và
tinh chế sản
phẩm
( 1 ) ( 3 ) ( 2 )

Sản ph
ẩ
m
chính
2

chuẩn cho phép, tuần hoàn lại nguyên liệu chưa phản ứng để tăng hiệu quả kinh tế của quá
trình.
Tuy nhiên, nếu độ chuyển hóa của phản ứng thấp thì việc tuần hoàn nguyên liệu sẽ tốn
năng lượng mà lại không thu thêm được hiệu quả kinh tế do đó phải tìm cách để nâng cao độ
chuyển hóa. Nhưng có một số không thể nâng độ chuyển hóa lên cao được vì khi đó là kèm
theo sự làm tăng phản ứng phụ, tạo ra nhiều sản phẩm không mong muốn, từ đó gây ra giảm
độ chọn lọc của sản phẩm chính. Do đó việc tuần hoàn nguyên liệu là rất cần thiết.
Công đoạn thiết bị phản ứng (2)
Thực hiện các phản ứng chuyển hóa nguyên liệu thành các sản phẩm dưới tác dụng của
nhiệt độ, áp suất và xúc tác thích hợp.
Thiết bị phản ứng làm việc dưới các điều kiện nhiệt độ, áp suất,… sẽ quyết định đến độ
chuyển hóa và độ chọn lọc của các phản ứng.
Khi năng suất thiết bị lớn (điển hình là các thiết bị phản ứng trong các nhà máy lọc hóa
dầu) thì chỉ cần thay đổi độ chuyển hóa một vài phần trăm cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu
quả kinh tế của quá trình sản xuất.

1.1.2. Thiết bị phản ứng
Thiết bị phản ứng là nơi xảy ra các phản ứng chủ yếu, tạo sản phẩm mong muốn.


Với: C
0
, C
1

lần lượt là nồng độ chất phản ứng đi vào và đi ra khỏi thiết bị phản ứng.
Các chế độ công nghệ, cấu trúc, kích thước,… thiết bị phản ứng sẽ quyết định đến độ chuyển
hóa và độ chọn lọc của phản ứng.

Mức độ chuyển hóa (x):
01
1
00
1
CC
C
xx
CC

   

10
0 1 0x do C C   

Độ chọn lọc:
Xét phản ứng:
TBPƯ
C
0
C
1
3

A + B → C
1

+ C
2
+ C
3
+ … + C
j
+ …+ C
n

Với: A, B- là các chất phản ứng.
C
j
- là các chất sản phẩm.
Độ chọn lọc đối với sản phẩm thứ i là:
1,
j
j
j
C
S j n
C
  


Trong công nghệ tổng hợp hữu cơ – hóa dầu nói riêng và công nghiệp hóa học nói
chung, x và S là hai đại lượng rất quan trọng, nó được quyết định bởi loại thiết bị phản ứng
và ảnh hưởng tới hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất.

1.2. Đặc điểm của thiết bị phản ứng
Phản ứng hóa học xảy ra luôn kèm theo hiệu ứng nhiệt (phản ứng tỏa nhiệt hay thu

nhiệt), đồng thời phải duy trì ở những điều kiện áp suất, nhiệt độ khác nhau.
Chính vì lý do đó mà thiết bị phản ứng trong công nghiệp hóa học thực hiện các phản
ứng hóa học là rất đa dạng và phức tạp.
1.2.1. Thiết bị phản ứng rất đa dạng
Phản ứng có xúc tác (xúc tác rắn, lỏng hay khí) hay phản ứng không sử dụng xúc tác.
Phản ứng có thể diễn ra trong pha rắn, pha lỏng hay pha khí. Hệ các chất trong phản ứng có
thể là đồng thể hoặc dị thể. Vì vậy kèm theo với các phản ứng rất đa dạng mà trong thực tế
có rất nhiều loại thiết bị phản ứng khác nhau.
Một số hệ phản ứng thường gặp trong công nghiệp tổng hợp hữu cơ hóa dầu:
 Khí, hơi, lỏng ↔ Rắn:
- Hệ phản ứng dị thể hoặc đồng thể.
- Pha rắn: thường là xúc tác rắn.
- Pha khí, hơi, lỏng: thường là chất phản ứng và sản phẩm.
Thiết bị phản ứng phải có cấu tạo rất đặc biệt, thích hợp với mỗi loại phản ứng để đảm
bảo điều kiện thuận lợi thực hiện phản ứng.
 Khí, lỏng ↔ Lỏng
- Pha khí, pha lỏng đều có thể là chất phản ứng hay xúc tác.
- Hai pha lỏng trong thiết bị phản ứng có thể tan lẫn hoặc không tan lẫn.
Như vậy thiết bị phản ứng phải có khuấy, trộn ngược chiều tạo nên hệ nhũ lỏng – lỏng,
đảm bảo tiếp xúc pha tốt.
4

 Nhiệt độ và áp suất duy trì phản ứng:
- Phản ứng có thể ở nhiệt độ thấp hoặc cao, hoặc rất cao.
- Áp suất duy trì từ thấp đến cao (từ áp suất khí quyển đến khoảng 300 at).
- Áp suất và nhiệt độ trong thiết bị phản ứng ảnh hưởng lẫn nhau (ví dụ: áp suất của
hơi nước ở 180
o
C là khoảng 10 at).
- Các phản ứng tăng thể tích cần phải duy trì ở áp suất thấp có lợi cho phản ứng tăng

thể tích và ngược lại.
- Thông thường phản ứng pha khí tiến hành ở áp suất cao hơn bình thường, dẫn tới
giảm thể tích của pha khí nên tăng vận tốc phản ứng,…thể tích thiết bị phản ứng sẽ
giảm đi, đôi khi làm thay đổi hình dáng của thiết bị phản ứng cho thích hợp.

Hình 1.1: Một số loại mô hình thiết bị phan ứng theo áp suất.


1.2.2. Thiết bị phản ứng rất phức tạp
Do điều kiện để trì phản ứng là khác nhau, mỗi phản ứng có điều kiện phản ứng khác
nhau và phức tạp, nên mỗi thiết bị phản ứng lại có những đặc điểm riêng để thực hiện phản
ứng một cách thuận lợi nhất cho hiệu quả cao nhất.
Trong thiết bị phản ứng, các quá trình vật lý (khuếch tán, truyền nhiệt,…) và các quá
trình hóa học xảy ra đồng thời với nhau, chồng chéo lên nhau và ảnh hưởng lẫn nhau.
Trong đó:
 Quá trình vật lý thường là tuyến tính với nhiệt độ.
 Quá trình hóa học thường ở dạng hàm mũ (phức tạp hơn nhiều).
Vậy nên, bài toán thực tế thường khó khăn hơn, hoặc gây nên một số hiện tượng bất
bình thường trong thiết bị phản ứng mà có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình. Thiết
bị phản ứng rất phức tạp và khi tính toán, thiết kế thiết bị phản ứng phải chú ý rất kỹ đến hai
quá trình này.
Áp suất thấp
Áp suất tăng
Áp suất cao
5


1.3. Phân loại thiết bị phản ứng
1.3.1. Phân loại theo chế độ làm việc
i) Thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn

Hiện nay, quá trình gián đoạn vẫn đang được sử dụng trong sản xuất công nghiệp. Đặc
biệt là ở quy mô sản xuất nhỏ, sản xuất theo mùa vụ (phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu mùa
vụ), hay đặc thù cho từng loại sản xuất.
Ví dụ loại thiết bị phản ứng gián đoạn (sản xuất theo mẻ) thường chỉ được ứng dụng
cho các quá trình tiến hành trong pha lỏng. Còn đối với các quá trình tiến hành trong pha khí
thì thường không áp dụng phương pháp sản xuất này.
Đặc trưng lớn nhất của quá trình phản ứng gián đoạn đó là các thông số công nghệ luôn
thay đổi theo thời gian phản ứng và mỗi mẻ phản ứng.

ii) Thiết bị phản ứng làm việc liên tục
Loại thiết bị phản ứng này được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa
chất, đặc biệt là thích hợp với các phản ứng diễn ra trong pha khí.
Sau khi tiến hành phản ứng một thời gian nhất định, các thông số của quá trình ổn định,
đạt đến trạng thái dừng.
Trạng thái dừng của hệ thống được thể hiện bằng công thức sau:
 =  =  = 0
6


Hình 1.2: Biến thiên nồng độ sản phẩm theo thời gian
Do đó, các thông số của quá trình có thể dễ dàng không chế, sản phẩm của phản ứng ổn
định và rất đồng đều. Đây cũng là hướng sản xuất mà các quá trình trong thực tế mong muốn
được tiến hành theo để đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.
1.3.2. Phân loại thiết bị phản ứng theo chế độ dòng chảy
i) Mô hình thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng (khuấy liên tục)
Thiết bị dạng thùng (có d h) có cánh khuấy đủ mạnh để đạt được điều kiện lý tưởng,
khuấy trộn hoàn toàn. Do có khuấy trộn mạnh nên các thông số của quá trình trong thiết bị
phản ứng (C, T, P) luôn đồng đều và bằng đầu ra.

Hình 1.3. Mô hình thiết bị khuấy lý tưởng

Do vận tốc phản ứng: r = k.f(C
1
); C
1
= C
0
.(1-x), nên khi yêu cầu độ chuyển hóa càng
cao thì nồng độ chất phản ứng trong thiết bị càng thấp, do đó tốc độ phản ứng càng thấp.
Trong thực tế, mô hình thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng được thiết kế theo dạng sau:
7


Hình 1.4: Mô hình thiết bị khuấy trong thực tế
Khi lưu lượng của dòng tuần hoàn lớn hơn rất nhiều so với lưu lượng của dòng vào thì
có thể coi như thiết bị làm việc ở chế độ khuấy lý tưởng. Trong thực tế không bao giờ có mô
hình thiết bị phản ứng làm việc theo chế độ khuấy lý tưởng mà chỉ có gần với mô hình
khuấy lý tưởng.

ii) Thiết bị phản ứng làm việc theo chế độ đẩy lý tưởng.

Hình 1.5: Mô hình và biến thiên nồng độ trong thiết bị khuấy
 Đặc điểm:
- Dòng vào chuyển động theo thứ tự trước sau như chuyển động của piston trong
xilanh động cơ. Tốc độ dòng đồng đều trong toàn bộ tiết diện ngang của thiết bị
phản ứng.
- Các thông số công nghệ thay đổi trong suốt chiều dài của thiết bị phản ứng.
- Khái niệm về thời gian lưu trung bình hay thời gian phản ứng trung bình:
8

Thứ nguyên của thời gian lưu trung bình có thể là giây, phút, hoặc là giờ.
Trong công thức trên:
V
r
- là thể tích của thiết bị phản ứng
Φ
v
- là lưu lượng dòng đi qua thiết bị phản ứng
Khi các phần tử chất lỏng di chuyển từ 0 đến l thì thời gian lưu là như nhau. Tuy nhiên,
đối với thiết bị phản ứng dạng khuấy lý tưởng thì thời gian lưu trung bình sẽ phụ thuộc vào
xác suất xuất hiện ở đầu ra của từng cấu tử.
Hay: τ
i
= 0 ÷ ∞

 So sánh hai mô hình khuấy và đẩy lý tưởng
- Ở mô hình khuấy lý tưởng, nồng độ chất phản ứng trong toàn bộ thiết bị phản ứng
là đồng đều nhau và bằng nồng độ chất phản ứng ở đầu ra (C
1
).
- Còn ở mô hình đẩy lý tưởng, nồng độ chất phản ứng trong thiết bị phản ứng luôn
lớn hơn nồng độ chất phản ứng ở đầu ra: C
i
> C
1
;
- Như vậy, tốc độ phản ứng trong hai loại mô hình là khác nhau:
r
đlt
> r

klt
Từ đó có thể thấy rằng, năng suất của thiết bị phản ứng phản ứng dạng đẩy lý tưởng
lơn hơn nhiều so với thiết bị khuấy lý tưởng.
Để đạt được độ chuyển hóa như nhau thì thể tích của thiết bị phản ứng loại khuấy lý
tưởng phải lớn hơn thể tích thiết bị phản ứng loại đẩy lý tưởng.
Tuy nhiên, trong thực tế, thiết bị dạng khuấy lý tưởng vẫn tiếp tục được sử dụng. Và để
khắc phục nhược điểm trên, người ta thường bố trí nhiều thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng
nối tiếp nhau.

9


Hình 1.6: Mô hình nhiều thiết bị khuấy lý tưởng đặt nối tiếp
Khi số thiết bị đủ lớn, thì hệ thống thiết bị khuấy lý tưởng nối tiếp có thể coi như một
thiết bị đẩy lý tưởng. Đường biểu diễn biến thiên nồng độ C
0
- C
n
tiến đến đường C
i
.
Trong thực tế công nghệ, người ta cũng không bố trí quá nhiều thiết bị khuấy nối tiếp
nhau, mà thông thường hệ thống phản ứng chỉ gồm từ 5 đến 10 thiết bị.
Ví dụ trong công nghiệp sản xuất thuốc nổ (chính là quá trình Nitro hóa Toluen tạo
thành TNT) là một phản ứng gồm hai pha lỏng – lỏng không tan lẫn, tỏa nhiệt mạnh do đó
phải cần thiết bị phản ứng có khả năng khuấy thật mạnh để đạt được sự động đều về nhiệt độ
và hỗn hợp Nitro hóa phải bổ sung vào từng thiết bị phản ứng.

1.3.3. Phân loại thiết bị phản ứng theo chế độ nhiệt
i) Thiết bị phản ứng làm việc theo chế độ đẳng nhiệt

Đặc điểm: thiết bị phản ứng đẳng nhiệt là thiết bị được tiến hành trong điều kiện sao
cho nhiệt độ không đổi trong suốt quá trình phản ứng.
Nhưng trong thực tế là chế độ tựa đẳng nhiệt (nhiệt độ của thiết bị ít thay đổi trong suốt
thời gian phản ứng), lý do vì trong thực tế rất khó kiểm soát và duy trì nhiệt độ không đổi
trong suốt thời gian phản ứng.
 =   = 0;
Do chế độ phản ứng đẳng nhiệt, nhiệt độ phản ứng không thay đổi, nên hằng số tốc độ
phản ứng không đổi.
10







Trong thực tế, các loại thiết bị phản ứng coi là thiết bị làm việc ở chế độ tựa đẳng
nhiệt, ví dụ như: thiết bị phản ứng loại thùng có cánh khuấy ở trạng thái dừng, và thiết bị
phản ứng loại ống chùm (có thể coi là đẩy lý tưởng).

ii) Thiết bị phản ứng làm việc theo chế độ đoạn nhiệt.
Đặc điểm: trong quá trình phản ứng, hỗn hợp phản ứng không trao đổi nhiệt với môi
trường bên ngoài. Do đó, nhiệt độ phản ứng thay đổi theo thời gian phản ứng xảy ra (hay nói
cách khác đó chính là độ chuyển hóa).


Hình 1.7: Mô hình thiết bị đoạn nhiệt và biểu đồ biểu diễn sự thay đổi
nhiệt độ theo vùng phản ứng.
Trong thực tế, người ta thường bố trí các thiết bị đoạn nhiệt xen kẽ với các thiết bị trao
đổi nhiệt (như mô hình trên). Như vậy, ta có thể khống chế được nhiệt độ trong vùng phản

ứng đoạn nhiệt bằng cách khống chế chiều dài của từng vùng và tốc độ của dòng chất phản
ứng.
iii) Thiết bị phản ứng làm việc theo chế độ tự nhiệt
Đặc điểm: trong quá trình phản ứng, nhiệt độ phản ứng trong thiết bị phản ứng được
duy trì bằng cách sử dụng nhiệt tỏa ra của chính phản ứng hóa học đang tiến hành trong đó.
11

Như vậy, loại thiết bị này chỉ áp dụng cho các phản ứng tỏa nhiệt, chỉ cần mồi nhiệt
cho hỗn hợp phản ứng khi bắt đầu tiến hành, sau đó phản ứng sẽ sẽ tự xảy ra nhờ vào chính
nhiệt độ do phản ứng đó tỏa ra mà không cần cấp nhiệt thêm nữa.
Để duy trì và khống chế nhiệt độ phản ứng, người ta chỉ cần khống chế tốc độ của phản
ứng bằng cách khống chế lưu lượng nguyên liệu đưa vào cho phù hợp.
Ví dụ: thiết bị phản ứng dạng ngọn lửa là loại thiết bị phản ứng tự nhiệt. Hoặc quá trình
sản xuất C
2
H
2
từ CH
4
cũng có thể tiến hành trong thiết bị phản ứng loại tự nhiệt.

2CH
4
+ 3/2O
2
C
2
H
2
+ 3H

2
O

iv) Thiết bị phản ứng làm việc theo chế độ nhiệt quy hoạch.
Đặc điểm: nhiệt độ của phản ứng được khống chế khác nhau theo từng vùng phản ứng
trong cùng một thiết bị phản ứng hoặc trong một hệ thống của quá trình sản xuất.









Hình 1.8: Mô hình thiết bị phản ứng làm việc theo chế độ nhiệt quy hoạch
Giá trị nhiệt độ T
a
, T
b
được không chế theo quy hoạch phụ thuộc vào phản ứng hóa học
diễn ra ở đó.
Ví dụ: điển hình nhất của loại thiết bị loại này là thiết bị phản ứng dạng ống; ngoài ra,
hệ thống thiết bị gồm các thiết phản ứng loại khuấy nối tiếp nhau cũng có thể thực hiện được
các phản ứng nhiệt độ quy hoạch.

1700- 1800
o
C
T

0
, T
1
: là nhiệt độ của hỗn hợp phản
ứng
T
2
, T
3
: là nhiệt độ của chất tải nhiệt

12

1.3.4. Phân loại thiết bị phản ứng theo trạng thái pha
i) Thiết bị phản ứng đồng thể
 Đặc điểm:
- Thiết bị phản ứng mà hỗn hợp phản ứng là các pha đồng thể.
- Trong quá trình làm việc cần phải để đạt được sự đồng đều về nhiệt độ trong toàn
bộ thiết bị phản ứng.
- Hệ đồng thể: lỏng – lỏng (tan lẫn), khí – khí
Ví dụ: phản ứng clo hóa metan là phản ứng tỏa nhiệt nối tiếp. Do đó, phải cho khí clo
vào từ từ để điều khiển sản phẩm của phản ứng. nếu nồng độ clo không đồng đều có thể dẫn
tới sản phẩm cuối CCl
4
.
Hình 1.10: Sơ đồ thiết bị phản ứng trong công nghệ phản ứng clo hóa metan.
(1) CH
4
+ Cl
2

 CH
3
Cl + HCl
(2) CH
3
Cl + Cl
2
 CH
2
Cl
2
+ HCl
(3) CH
2
Cl
2
+ Cl
2
 CHCl
3
+ HCl
(4) CHCl
3
+ Cl
2
 CCl
4
+ HCl

ii) Thiết bị phản ứng dị thể

 Đặc điểm:
- Hỗn hợp phản ứng là các pha dị thể
- Trong quá trình thực hiện phản ứng cần phải khuấy trộn mạnh để để tăng cường
tiếp xúc pha.
- Hệ dị thể có thể là những hệ phản ứng sau:
+ Khí – rắn
+ Lỏng – rắn
+ Khí – lỏng
+ Lỏng – lỏng (không tan lẫn vào nhau)
13

Với hệ khí (lỏng) – rắn: bề mặt tiếp xúc pha chính là bề mặt của pha rắn. Khuấy trộn
mạnh sẽ tăng cường khuếch tán chất khí hay lỏng qua lớp biên.

Hình 1.11. Mô hình phản ứng dị thể với xúc tác rắn
Hệ dị thể: khí – lỏng, hoặc lỏng – lỏng (không tan lẫn)
- Bề mặt tiếp xúc pha là bề mặt của các hạt lỏng, và bọt
khí. Khi đó, thiết bị phản ứng thích hợp sẽ là dạng khuấy
hay dạng sủi bọt để tăng tiếp xúc pha tốt hơn.
- Bề mặt tiếp xúc pha càng tăng khi kích thước hạt lỏng
hay bọt khí cáng nhỏ.
- Với hệ lỏng – lỏng không tan lẫn, có thể dùng có thiết bị
phản ứng có bố trí cách khuấy để khuấy trộn mạnh tăng
tiếp xúc pha giữa hai pha lỏng không tan lẫn.
Hình 1.12. Mô hình thiết bị phản ứng hai pha dị thể lỏng-
khí hoặc lỏng-lỏng
14

2. Thời gian lưu trong thiết bị phản ứng
2.1. Thời gian lưu trong thiết bị phản ứng

2.1.1. Định nghĩa
- Thời gian lưu trong thiết bị phản ứng chính là thời gian phản ứng.
→ Do vậy: Thời gian lưu ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chuyển hóa ( x và S).
- Xét phản ứng tổng quát:
A→ B →C
Trong đó, A là nguyên liệu, B là sản phẩm chính, C là sản phẩm phụ không mong
muốn.
Ta có sự phụ thuộc của độ chuyển hóa chất phản ứng và độ chọn lọc sản phẩm vào thời
gian phản ứng như sau:
Sự phụ thuộc thời gian lưu vào độ chuyển hóa:
Hình 2.1. Ảnh hưởng của thời gian lưu vào độ chuyển hóa
15

Sự phụ thuộc thời gian lưu vào độ chọn lọc:

Hình 2.2. Sự phụ thuộc của thời gian lưu vào độ chọn lọc
Độ chọn lọc đối với sản phẩm chính (B) như sau:







 

















 



 





 Nhận xét: tại hai thời điểm phản ứng khác nhau (τ1 và τ2) thì độ chuyển hóa đối với
chất phản ứng (A) và độ chọn lọc đối với sản phẩm chính (B) là khác nhau.
x
A1
< x
A2

S
B2

> S
B1

Hình 2.3. Lựa chọn thời gian lưu thích hợp
16

Tuy nhiên, khi τ > τ
2
, thì độ chọn lọc đối với sản phẩm chính lại giảm xuống. Do đó,
cần phải chọn được độ chuyển hóa thích hợp để thu được sản phẩm chính mong muốn là cao
nhất.
2.1.2. Phân bố thời gian lưu trong các mô hình lý tưởng
Trong quá trình chuyển động trong thể tích thiết bị phản ứng, mỗi một phần tử của
dòng đều lưu lại một thời gian τ nào đó phụ thuộc vào loại dòng chuyển động, do đó thời
gian lưu τ khác so với thời gian lưu trung bình (τ
TB
= Vr/Φv).
i) Hàm phân bố thời gian lưu
 Hàm Eτ:
- Định nghĩa: là phần của dòng có thời gian lưu trong thiết bị phản ứng từ τ đến τ +
dτ là Eτ.dτ.





- Từ định nghĩa, ta có 
TB
=






 Hàm F(τ):
- Định nghĩa:
Là phần của dòng ra có thời gian lưu trong thiết bị nhỏ hơn τ.
- Từ định nghĩa ta có:
Ở thời điểm τ, phần đó đã đi ra khỏi thiết bị, phần còn lại nằm trong thiết bị là: 1 – F(τ)
có thời gian lưu trong thiết bị > τ.
Như vậy:
- Khi τ = 0 → F(τ) = 0 (Chưa có phần nào ra khỏi thiết bị)
- Khi τ = ∞ → F(τ) = 1 Toàn phần của dòng đã ra khỏi thiết bị)

ii) Xác định giá trị hàm phân bố thời gian lưu trong các mô hình thiết bị lý tưởng
 Mô hình đấy lý tưởng:
Từ định nghĩa của mô hình này và ý nghĩa của hàm F(τ), ta có:
- Khi 0 < τ < τ
TB
thì F(τ) = 0.
Khi đó chưa có phần tử nào ra khỏi thiết bị.
- Khi τ > τ
TB
thì F(τ) = 1.
Hay tất cả các phần tử đã ra khỏi thiết bị hay thời gian lưu rất đồng đều và bằng τ.
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc hàm phân bố thời gian lưu vào F(τ)
17


Hình 2.4. Hàm phân bố thời gian lưu

 Mô hình khuấy lí tưởng:

Hình 2.5. Mô hình thiết bị khuấy lý tưởng
Đặc điểm:
- Xác suất ra khỏi thiết bị của một phần tử nào đó (không tính đến lịch sử tồn tại của
nó trong thiết bị phản ứng) là như nhau.
- Có những phần tử vừa vào là có khả năng đi ran gay lập tức.
- Cũng có những phần tử vào một thời gian nào đó mới ra.
- Cũng có những phần tử có thời gian lưu rất lớn (=∞)
Như vậy:
Thời gian lưu của các phần tử trong thiết bị loại khuấy lí tưởng là rất không đồng đều
(từ 0 - ∞)
Do đó để tính được hàm phân bố thời gian lưu, chúng ta phải tính theo khả năng xác
suất.
Từ lí thuyết xác suất: xác suất của những phần tử có thời gian lưu trong thiết bị là τ +
dτ bao gồm hai xác suất (phép nhân xác suất) của những phần tử có thời gian lưu là τ và của
những phần tử có thời gian lưu là dτ.
Từ đó ta có phương trình:
18

1 – F
(τ + dτ)
= [1 - F
τ
].[1 – F
(dt)
];
Trong đó: F
(τ + dτ)
= F

(τ)
+ F
(dτ)

F
(τ)
– Phần ra khỏi thiết bị có thời gian lưu là τ.
F
(dτ)
– Phần ra khỏi thiết bị có thời gian lưu là dτ.
Vậy lượng lưu thể ra khỏi thiết bị có thời gian dτ là: Φ
v
. dτ
Khả năng đi ra khỏi thiết bị của các phần tử phụ thuộc vào lượng đi ra của phần thể
tích đó (tỷ lệ thuận) Φ
v
. dτ và tỷ lệ nghịch với thể tích thiết bị phản ứng (V
r
).












=


; 





Để xác định được giá trị và phân bố
hàm F(τ) theo thời gian phản ứng, ta thay
các giá trị của thời gian lưu khác nhau:





 






Như vậy khi  thì đã có 0,632
phần đã ra khỏi thiết bị phản ứng.
Khi dùng n thiết bị thùng có khuấy
nối tiếp nhau thì đường biểu diễn F(τ) sẽ
tiến đến đường biểu diễn của thiết bị phản ứng loại ống (đẩy lí tưởng).

19

3. Đặc trưng nhiệt trong thiết bị phản ứng
3.1. Đặc điểm
 Phản ứng hóa học xảy ra luôn kèm theo quá trình thu hay tỏa nhiệt, đồng thời phản
ứng cần nhiệt độ thích hợp để có vận tốc và hiệu suất cao nhất.
 Do đó, trong điều kiện sản xuất công nghiệp, để quá trình phản ứng tiến hành ổn
định và hiệu quả cao cần chú ý đến việc trao đổi nhiệt giữa môi trường phản ứng
với môi trường bên ngoài.
 Nhiệt độ tối ưu của quá trình phụ thuộc vào vị trí cân bằng của phản ứng, vận tốc
phản ứng chính và phụ, tính chất của xúc tác (hoạt tính cao, thời gian làm việc lâu
dài,…)
 Trong công nghiệp, thường hay dùng các biện pháp sau để tiến hành quá trình trao
đổi nhiệt và duy trì nhiệt độ tối ưu.
Để điều chỉnh nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp phản ứng (hay dùng ở các quá trình đoạn
nhiệt)
 Đưa thêm chất trơ vào hỗn hợp phản ứng để giảm sự thay đổi nhiệt độ.
 Chia thiết bị phản ứng thành những phần đoạn nhiệt với bộ phận truyền nhiệt trung
gian.
 Trao đổi nhiệt qua thành hay bằng cách bốc hơi một cấu tử dễ bay hơi trong hỗn
hợp phản ứng.
 Cho hỗn hợp phản ứng chạy tuần hoàn trong vòng kín gồm có thiết bị phản ứng và
thiết bị trao đổi nhiệt.

3.2. Phương trình cân bằng nhiệt và nhiệt phản ứng
Phương trình cân bằng nhiệt của hỗn hợp phản ứng có thể tích Vr và khối lượng m có
thể viết:




Trong đó:
 U
m
: Nội năng tính cho một đơn vị khối lượng phản ứng.
 H : Entanpy, tính cho một đơn vị khối lượng phản ứng.
 Φm : Lưu lượng của hỗn hợp phản ứng.
 Q : Tốc độ đưa nhiệt vào (nhiệt lấy ra mang dấu trừ)
20

 W : Tốc độ truyền động cơ học (công tạo thành mang dấu trừ)
Quan hệ giữa H và U:
 



Từ đó:



 
Trong đó:
 P : Áp suất của hệ thống.
 ρ : mật độ của hỗn hợp phản ứng.
 ∆H : Sự thay đổi Entanpy do phản ứng trên một đơn vị khối lượng chất phản ứng
chuyển hóa.
 N : Mức độ chuyển hóa, tính bằng đơn vị mol chất phản ứng chuyển hóa trong
một đơn vị thời gian.
Tốc độ truyền động cơ học W được tính bằng công thức:





Trong đó:
 dVr là thể tích phản ứng tăng lên trong thời gian dτ.
Nhiệt truyền qua thành từ môi trường phản ứng đến chất tải nhiệt được tính theo công
thức:
Q = KF (T – T
C
)
Trong đó:
 K: Hệ số cấp nhiệt.
 F: Bề mặt truyền nhiệt.
 T: Nhiệt độ phản ứng.
 T
C
: Nhiệt độ chất tải nhiệt.
 Hệ số cấp nhiệt:
Lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian khi chênh lệch
nhiệt độ giữa môi trường phản ứng và chất tải nhiệt là 1 độ.
Đơn vị: [W/m
2
.độ]
Nhiệt phản ứng: q
r
= - ∆H
21

Có thể tra trong các sổ tay hóa lý.
Có thể được tính theo nhiệt sinh hay nhiệt cháy của chất phản ứng và sản phẩm tạo
thành:

q
r
= Ʃq
c
- Ʃq
p
Trong đó:
 Ʃqc: Tổng nhiệt sinh của sản phẩm tạo thành.
 Ʃqp : Tổng nhiệt sinh của chất phản ứng.

3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức chuyển hóa
Mức độ chuyển hóa trong thiết bị phản ứng làm việc liên tục phụ thuộc vào vận tốc
phản ứng và thời gian lưu lại trung bình của chất phản ứng trong thiết bị.
Xét phản ứng một chiều bậc 1, vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng
trong thiết bị.
Ở điều kiện khuấy lý tưởng, phương trình cân bằng vật chất có thể được viết dưới
dạng:
Φ
A
= Φ
V
.C
A
+ V
r
.k.C
A
;
Trong đó:
 Φ

A
, Φ
V
: là vận tốc chất phản ứng và lưu lượng dòng đi qua thiết bị.
 C
A
: Nồng độ chất phản ứng trong thiết bị.
 V : Thể tích thiết bị.
Từ đó:
C
A
=







=







Lượng chất phản ứng chuyển hóa trong một đơn vị thời gian:







;




























22












 



3.4. Chế độ nhiệt tối ưu của phản ứng
Mỗi một phản ứng đều có chế độ nhiệt tối ưu không chỉ phụ thuộc vào động học xảy ra
phản ứng mà còn phụ thuộc vào điều kiện kinh tế kỹ thuật của sản xuất.
Xét phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt:
A ↔ B + Q
Vận tốc phản ứng chung r:
r = k
th
[A] - k
ng
[B];

→ r = k
th
.C
A
– k
ng
.C
B
;
Trong đó:
 k
th
, k
ng
: hằng số vận tốc phản ứng thuận và nghịch.
 C
A
, C
B
: Nồng độ chất phản ứng A và sản phẩm B.









  




















;









;










 










 



Điều kiện tối ưu hóa của phản ứng đối với nhiệt độ đó là nhiệt độ mà tại đó vận tốc
phản ứng cao nhất, hay vận tốc phản ứng đạt cực đại:









