tim hiểu ’THIẾT bị PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG

1
LỜI CẢM ƠN
Đồ án tốt nghiệp là tác phẩm của một sinh viên trước khi rời khỏi trường đại học.
Để hoàn thành đồ án, sinh viên cần phải áp dụng tất cả các kiến thức và hiểu biết mà mình
đã tích lũy được trong suốt những năm học ở trường. Chính vì vậy những kiến thức mà
em đã tiếp thu được trong 5 năm học tại Trường Đại học Mỏ - Địa Chất là nền tảng vững
chắc giúp em hoàn thành đồ án này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa
Dầu Khí nói chung và các thầy cô trong bộ môn Lọc – Hóa Dầu nói riêng vì đã tận tình
giảng dạy, giúp đỡ em trong suốt những năm vừa qua.
Em xin chân thành cảm ơn thầy Th.S Hồ Văn Sơn, thầy là người đã giúp em đến
với hướng nghiên cứu này, đồng thời cũng là người tận tình chỉ bảo, truyền đạt kiến thức,
kinh nghiệm và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành tốt đồ án.
Cuối cùng em xin chân thành cảm ơn bạn bè và người thân trong gia đình, những
người luôn là chỗ dựa vững chắc và luôn ủng hộ em trong mọi việc.
Sinh viên thực hiện
Trần Kiệm
2
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU SỬ DỤNG TRONG ĐỒ ÁN
Ký hiệu Ý nghĩa Đơn vị
Re
n
Chuẩn số Reynolds của dòng chảy chính
Re
o
Chuẩn số Reynolds của dòng chảy dao động
St Chuẩn số Strouhal
V Thể tích thiết bị m
3
ψ Tỷ số vận tốc
z Chiều dài ống m
d Đường kính ống m

d
o
Đường kính lỗ vách ngăn m
S Độ mở của vách ngăn m
V Thể tích thiết bị m
3
Q Công suất thiết bị m
3
/s
x
o
Biên độ dao động m
ζ
Hệ số tăng áp suất atm
τ Thời gian lưu s
μ Độ nhớt động lực học kg/(ms)
V
R
Thể tích thiết bị m
3
U
k
Độ chuyển hóa
RTD Phân bố thời gian lưu
CSTR Thiết bị khuấy liên tục
PFR Thiết bị đẩy lý tưởng
3
DANH MỤC HÌNH VẼ
Thứ
Tự

Số Hiệu
Bảng
Tên hình vẽ Trang
1 Hình 1 Khuấy trộn lý tưởng gián đoạn 6
2 Hình 1.1 Biến đổi nồng độ theo không gian 6
3 Hình 1.2 Biến đổi nồng độ theo không gian 7
3 Hình 1.3
Tương quan giữa thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý
tưởng và thiết bị đẩy lý tưởng
9
4 Hình 2.1 Sơ đồ chung của thiết bị phản ứng kiểu ống 11
5 Hình 2.2 Phân bố nồng độ trong 3 loại thiết bị phản ứng cơ bản 14
6 Hình 2.3
Phân bố vận tốc dòng trong các ống nhẵn
15
7 Hình 2.4
Sơ đồ thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng dòng tuần
hoàn,sử dụng cho các khối phản ứng có độ nhớt cao
16
8 Hình 2.5
Hàm phân bố tổng thời gian lưu cho thiết bị kiểu ống
chảy dòng, thiết bịkhuấy lý tưởng và đẩy lý tưởng.
20
9 Hình 3.1
Sơ đồ cấu tạo thiết bị phản ứng dao động dòng liên tục
dạng vách ngăn đơn giản
25
10 Hình 3.2 Cấu tạo thiết bị COBR trong thực tế 26
11 Hình 3.3 Cơ chế khuấy trộn của dòng chảy dao động 27
12 Hình 3.4 Biên độ và tần xuất pha lỏng-lỏng 34

13 Hình 3.5
Dòng chảy của sự khuyếch tán bọt trong dòng chảy dao
động
38
14 Hình 3.6 Hiệu quả truyền khối của COBR 40
4
MỞ ĐẦU
Mỗi dạng thiết bị phản ứng cho một phương thức tiến hành phản ứng rất khác nhau
vì cấu trúc dòng và phương thức trao đổi nhiệt, quan hệ về năng lượng nhiệt trong các loại
thiết bị phản ứng hóa học cũng rất khác nhau Cho nên phải dựa trên cơ sở của cả các
phương trình cân bằng chất, cân bằng năng lượng nhiệt và cân bằng xung lượng của hệ
thống mà tiến hành các phép tính toán. Ngoài động học của phản ứng hóa học, phải chú ý
thích đáng đến cấu trúc dòng, phương thức vận tải nhiệt, vận tải chất trong hệ và chế độ
nhiệt độ (hệ đẳng nhiệt, đoạn nhiệt….), chúng là những yếu tố đóng vai trò nhất định tạo
nên năng suất của thiết bị.
Để có thể đánh giá được loại thiết bị phản ứng nào là phù hợp hơn cho việc sản xuất
một sản phẩm nào đó, cần phải phân biệt được xem một chất phản ứng tham gia vào một
hay nhiều phản ứng độc lập và ở phản ứng nào tạo nên những sản phẩm phụ không mong
muốn.
Các nghiên cứu nhằm tạo ra dòng chảy lớp không ổn định, khi một dòng chảy dao
động tồn tại trong một ống được trang bị các vách ngăn có lỗ bố trí cách đều nhau đã
quan sát được được sự hình thành của các khối chất lỏng dao động ở phía hạ lưu của các
vách ngăn (phía sau của vách ngăn theo chiều của dòng chảy). Trên mỗi ống này, các
dòng chảy dao động có xu hướng chuyển động hướng tâm (hướng vào tâm ống); chu kỳ
hình thành, phát triển và biến mất của các khối chất lỏng này này gây ra trạng thái hỗn
loạn trong mỗi vùng không gian giữa hai vách ngăn bất kỳ. Điều này đánh dấu sự ra đời
của thiết bị phản ứng dao động dòng. Khái niệm đầu tiên về thiết bị dao động dòng được
phát biểu dựa trên đặc trưng của dòng chảy và cấu tạo thiết bị như sau: “ Thiết bị phản
ứng dao động dòng là một dạng của thiết bị phản ứng dòng liên tục, được cấu tạo từ một
ống trụ có chứa các vách ngăn có lỗ”.

Trong đề tài này tác giả xin được làm rõ các vấn đề cơ bản về ‘’THIẾT BỊ PHẢN
ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG“
5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG
TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC
1.1. Nhiệm vụ của việc nghiên cứu thiết bị phản ứng trong công nghiệp hóa học
Trong một quy trình sản xuất hóa học, khâu then chốt và quan trọng nhất là chuyển
hóa nguyên liệu ban đầu thành sản phẩm – khâu tiến hành phản ứng hóa học – lĩnh vực
học thuật “ thiết bị phản ứng trong công nghệ hóa học ’’ do đó có nhiệm vụ thực tiễn hóa
quá trình chuyển hóa hóa học đó trong những điều kiện cụ thể để tạo ra những sản phẩm
với chất lượng nhất định, năng suất nhất định và giá thành hạ nhất có thể được.
Cũng có thể xem lĩnh vực học thuật “ Thiết bị phản ứng trong công nghệ hóa học”
có nhiệm vụ chuyển quy mô của một phản ứng chuyển hóa hóa học từ quy mô phòng thí
nghiệm vào quy mô công nghiệp một cách chắc chắn, tin cậy. Cũng có nghĩa là phải tạo
ra được: một thiết bị phản ứng phù hợp với phản ứng đã cho, với năng suất yêu cầu và
biện pháp kỹ thuật tiến hành quá trình một cách tối ưu trong công nghiệp. Như vậy, nhiệm
vụ của lĩnh vực học thuật nói trên có thể tóm tắt là:
 Chọn được phương thức tiến hành quá trình hóa học.
 Tính toán được các kích thước (quy mô) của thiết bị phản ứng hóa học.
 Chọn và quy định vật liệu chế tạo thiết bị.
 Chọn và điều khiển được thiết bị để có một bộ thông số công nghệ tối ưu cho quá trình.
Cơ sở khoa học để thực hiện các nhiệm vụ đó trước hết là các kiến thức về vận tốc
của phản ứng hóa học (microkinetic), thu được bằng các nghiên cứu thực nghiệm. Bước
này nhiều tài liệu trên thế giới gọi là: bước phân tích quá trình phản ứng hóa học (analysis
of the reactions) nhằm xác định các hằng số tốc độ của quá trình phản ứng, và thiết lập
được phương trình tốc độ của quá trình.
Khi quá trình hóa học không phải xảy ra trong một pha duy nhất mà ở nhiều pha
khác nhau, các quá trình truyền nhiệt và chuyển khối ảnh hưởng lớn đến tiến trình của
phản ứng hóa học và việc kết hợp động học của các quá trình vận tải với động học của
phản ứng hóa học có ý nghĩa rất lớn.

6
Những điều đã trình bày sơ lược trên, cho thấy những yếu tố quan trọng nhất ảnh
hưởng đến quá trình phản ứng hóa học trong công nghiệp và cũng cho thấy rằng lĩnh vực
học thuật: “ Thiết bị phản ứng trong công nghệ hóa học” là một lĩnh vực phức tạp. Bao
hàm kiến thức của nhiều bộ phận khoa học khác nhau, chính vì vậy mà chỉ mới trong
những năm rất gần đây ( khoảng 30 năm trở lại ) lĩnh vực học thuật này mới được hình
thành, được hệ thống hóa như một bộ phận của lĩnh vực kỹ thuật công nghệ hóa học.
1.2. Phân loại các hệ phản ứng hóa học
Như đã trình bày ở trên, các phương pháp tính toán trong lĩnh vực, quá trình và thiết
bị phản ứng hóa học nhằm xác lập một hệ thống thiết bị công nghiệp để tiến hành quá
trình phản ứng hóa học. Để thực hiện nhiệm vụ đó, trước hết về phương diện vật lý, phải
chú ý đến cấu trúc pha, chế độ nhiệt của hệ thống.
• Theo cấu trúc pha:
1 Hệ phản ứng là đồng thể: Khi toàn bộ khối phản ứng nằm trong một pha duy nhất.
2 Hệ phản ứng là dị thể: khi các chất tham gia vào quá trình phản ứng tổng thể ở trong
nhiều pha khác nhau. Đây cũng là trường hợp điển hình cho hầu hết các phản ứng xúc tác.
Khi đó, ít nhất chất xúc tác nằm trong những pha khác với pha chứa các chất phản ứng.
• Về phương thức tiến hành phản ứng, người ta chia ra :
1 Quá trình phản ứngliên tục : sự chuyển hóa xảy ra trong một hệ mở với những thông số
công nghệ chủ yếu là không đổi (theo thời gian ).
2 Quá trình phản ứnggián đoạn. Trong đó các quá trình gián đoạn thường được tiến hành
trong các hệ ( thiết bị phản ứng ) kín
• Theo sự phân bố nhiệt độ trong suốt quá trình chuyển hóa người ta phân chia ra quá trình:
1. Đẳng nhiệt: khi đó nhờ vào sự trao đổi nhiệt giữa vùng phản ứng và môi trường
bên ngoài, mà nhiệt độ của khối phản ứng không thay đổi trong suốt quá trình.
2. Đoạn nhiệt: khi nhiệt độ của khối phản ứng tăng hay giảm một cách tương ứng
với sự tăng lên của độ chuyển hóa, ứng với quá trình phản ứng tỏa nhiệt hay thu nhiệt.
Hay nói cách khác, trong hệ đoạn nhiệt không có sự trao đổi nhiệt cưỡng bức giữa vùng
phản ứng với môi trường bên ngoài.
3. Đa nhiệt: khi nhiệt độ của thiết bị phản ứng được khống chế theo một chương

trình nào đó thông qua cấp nhiệt cho hệ hay rút nhiệt ra khỏi hệ theo yêu cầu. Nhiệt độ
của hệ đoạn nhiệt có thể khác nhau theo thời gian và không gian của vùng phản ứng….
7
• Trong tính toán, thiết kế thiết bị phản ứng hóa học người ta còn phải chú ý rằng hệ phản
ứng là đơn giản hay phức tạp.
1 Hệ phản ứng gọi là đơn giản khi trong hệ chỉ xảy ra một phản ứng hóa học và ở đây
thông qua sự thay đổi về nồng độ của một cấu tử duy nhất cũng đủ để miêu tả một cách
hoàn chỉnh quá trình phản ứng hóa học.
2 Hệ được gọi là hệ phức tạp khi trong hệ đồng thời xảy ra nhiều phản ứng hóa học và để
miêu tả độ chuyển hóa trong một hệ như vậy, cũng cần đến một số phương trình toán học.
• Một vấn đề nữa hết sức quan trọng trong việc phân loại các hệ phản ứng hóa học đó là
cấu trúc dòng trong thiết bị, nó thể hiện khả năng khuấy trộn các cấu tử tham gia phản
ứng. Tất cả những điều đã nêu ra ở trên đây đều bị chi phối, ràng buộc bởi cấu trúc dòng
trong thiết bị phản ứng.
1.3. Thiết bị làm việc liên tục
Đó là những thiết bị mà các chất phản ứng cùng với các phụ liệu: dung môi, khí,
chất mang,… được cung cấp liên tục vào không gian phản ứng và hỗn hợp phản ứng bao
gồm: sản phẩm, chất phản ứng còn dư chưa chuyển hóa, dung môi, … liên tục được tháo
ra khỏi thiết bị.
Khi các điều kiện đầu vào (lưu lượng chất phản ứng được cung cấp, nồng độ ban
đầu của chúng, nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng, ), nhiệt lượng được trao đổi,… không
thay đổi thì quá trình xảy ra trong thiết bị làm việc liên tục không phụ thuộc vào thời gian
và ta nói: thiết bị làm việc ở trạng thái ổn định .
Các thiết bị làm việc liên tục cho phép ứng dụng toàn diện các thiết bị điều khiển,
điều chỉnh tự động và cơ khí hóa. Nhìn chung, chúng có những ưu điểm sau:
- Do giữ được các điều kiện phản ứng không đổi, sẽ đảm bảo một chất lượng sản phẩm ổn
định.
- Tiết kiệm được thể tích thiết bị, do tiết kiệm được các thời gian “chết”, thời gian tháo và
nạp liệu.
- Tiết kiệm được lao động và đặc biệt đảm bảo tốt hơn vệ sinh và môi trường

Tuy nhiên, cũng phải nhìn thấy những nhược điểm của quá trình liên tục đó là:
8
- Hệ thống thiết bị không linh động, vì các thông số công nghệ chỉ có thể điều chỉnh được
trong một miền hẹp.
- Đầu tư lớn cho những thiết bị phụ: hệ thống thiết bị nạp liệu vận chuyển vật liệu, thiết bị
đo lường, điều khiển (với những hệ thống thiết bị hiện đại trong công nghiệp chế biến dầu
mỡ, đầu tư cho thiết bị đo lường, điều khiển lên đến 25%).
- Đòi hỏi độ ổn định rất cao về nguyên liệu, về thành phần hóa học và các đặc trưng vật lý
(chẳng hạn như kích thước phần tử, độ xốp…)
- Thường xuyên tiêu hao một năng lượng điện như nhau, do đó rất bất lợi cho việc cung
cấp điện cho hệ thống trong thời gian cao điểm của ngày.
1.4. 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.
(t)
C
A
Hình 1:Khuấy trộn lý tưởng gián đoạn
9
C
A
tt
2
t
1
C
A
o

Hình 1.1 Biến đổi nồng độ theo thời gian
C
A
C
A
o
C
A1
o
C
A2
o
x
(t
1
)
(t
2
)
t = 0
Hình 1.2 Biến đổi nồng độ theo không gian
• 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
10
• 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

- 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
1.5. So sánh thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng, khuấy lý tưởng làm việc liên tục
Khi các thiết bị phản ứng làm việc liên tục ở trạng thái ổn định, nồng độ các chất,
nghĩa là thành phần khối phản ứng tại mỗi vị trí là không đổi theo thời gian. Thiết bị đẩy
lý tưởng, thành phần đó là không đổi theo không gian trong khi thiết bị khuấy lý tưởng
thành phần đó cũng là không đổi theo không gian tại mỗi vị trí dọc theo thiết bị và bằng
thành phân của hỗn hợp đi ra khỏi vùng phản ứng. Chính vì vậy, ở thiết bị phản ứng kiểu
đẩy lý tưởng (và thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn) hình thành một sản phẩm trong
những điều kiện khác nhau về nồng độ, ngược lại ở thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng
thành phần của hỗn hợp phản ứng ở mọi điểm của không gian, phản ứng là như nhau.
Chất lượng sản phẩm phản ứng phụ thuộc vào điều kiện nồng độ hình thành chúng,
cho nên với thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng làm việc liên tục, người ta có thể giả
định chất lượng sản phẩm đồng đều hơn.
Nếu như trong hệ chỉ xảy ra 1 phản ứng hóa học thì năng suất của thiết bị kiểu đẩy
lý tưởng bao giờ cũng lớn hơn của thiết bị kiểu khuấy. Cơ sở của điều này, là với một
điều kiện nhất định về nhiệt độ, nồng độ của chất phản ứng và do đó vận tốc phản ứng là
như nhau tại mọi điểm của không gian phản ứng, và lại chỉ bằng ở đầu ra của thiết bị. Vận
11
tốc trung bình của phản ứng trong thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng do đó rất nhỏ hơn và
để đạt cùng một năng suất sản xuất, thể tích của thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng.
Nếu như cần phải đạt một độ chuyển hóa rất cao, chẳng hạn ở phản ứng trùng ngưng hay
phản ứng đa tụ việc sử dụng các thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng làm việc liên tục là

hoàn toàn không thích hợp.
Thể tích cần thiết của thiết bị phản ứng để đảm bảo năng suất sản xuất nào đó
chẳng những phụ thuộc vào độ chuyển hóa hóa học, vào bậc phản ứng, trong đó sự sai
khác sẽ càng lớn khi độ chuyển hóa càng cao và bậc phản ứng càng lớn.
12
Hình 1.3: Tương quan giữa thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng và thiết bị đẩy lý
tưởng như là hàm số của U
k
đối với phản ứng đẳng nhiệt bậc nhất hoặc bậc 2
U
k
:là độ chuyển hóa
Hình 1.3 cho thấy tương quan giữa thể tích cần thiết của thiết bị phản ứng kiểu
khuấy lý tưởng và đẩy lý tưởng cho hệ phản ứng bậc nhất và bậc 2 đẳng nhiệt như là hàm
số của độ chuyển hóa U
k
.
Xuất phát từ quan điểm năng suất của thiết bị phản ứng, ở những hệ chỉ có 1 phản
ứng độc lập, thiết bị phản ứng kiểu đẩy bao giờ cũng thích hợp hơn thiết bị phản ứng kiểu
khuấy lý tưởng làm việc liên tục. Cũng có thể từ một căn cứ khác, thấy rằng khi quan hệ
nồng độ các chất là không đổi theo thời gian, có thể đạt được một sản phẩm tốt hơn,
(chẳng hạn đạt được phân bố phân tử lượng đều hơn trong phản ứng trùng hợp gốc hoặc
đạt được thành phần hóa học đồng nhất ở polymer đồng trùng hợp, …) người ta chọn thiết
bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng hoặc là dãy thiết bị khuấy lý tưởng vì đơn giản hơn và là
kinh tế hơn. Cũng phải thấy rằng việc đảm bảo tính đẳng nhiệt cho thiết bị kiểu khuấy lý
tưởng về kĩ thuật đơn giản hơn nhiều là đối với thiết bị kiểu đẩy lý tưởng.
Khi áp dụng một dãy thiết bị phản ứng kiểu khuấy lý tưởng người ta có thể đặt câu
hỏi: phải lựa chọn thể tích của mỗi thiết bị trong dãy như thế nào, sao cho mỗi thể tích
tổng thể của thiết bị có thể đạt được độ chuyển hóa nhất định.
Loại hình câu hỏi như vậy trong thực tế không mấy quan trọng bởi vì giảm thể tích

thường không mấy tác động lên giá đầu tư và chi phí bảo dưỡng. Quan hệ giữa thể tích
cần thiết cho một dãy 3 thiết bị ghép nối tiếp để đạt được độ chuyển hóa U
k
và một thể
tích của thiết bị kiểu đẩy lý tưởng đã trình bày trên hình 1.3.
13
CHƯƠNG 2
THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐẨY LÝ TƯỞNG
2.1. Khái niệm chung
Thiết bị phản ứng đẩy lí tưởng,hay còn gọi là thiết bị phản ứng kiểu ống là loại
thiết bị hoạt động liên tục rất phổ biến trong công nghiệp, đặc biệt để tiến hành phản ứng
giữa các chất khí với nhau. Thiết bị phản ứng kiểu đẩy (hoặc kiểu ống) có không gian
phản ứng là ống trụ với chiều dài rất lớn so với đường kính. Các chất và vật liệu phụ trợ
luôn luôn đi vào thiết bị phản ứng từ một đầu ống, còn đầu kia liên tục tháo khối phản
ứng ra khỏi thiết bị. Trong thiết bị không có cơ cấu khuấy trộn cho dòng chảy trong ống
không hề bị xáo động, do đó chẳng những nồng độ các cấu tử mà cả nhiệt độ cùng các đặc
tính vật lý khác và cả vận tốc dòng chạy tại mỗi điểm đều khác nhau. Sự khác nhau đó tồn
tại theo cả hướng trục và cả theo hướng chính.
Trong phần này ta chỉ xét đến thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng nghĩa là khối phản
ứng vận chuyển trong ống theo kiểu piston (piston flow) trong khi phản ứng hóa học xảy
ra nghĩa là không có gradient vận tốc dòng theo hướng kính, không tồn tại sự khuấy trộn
theo chiều trục, ngược lại theo hướng kính thì xem như lý tưởng làm cho nồng độ các cấu
tử tại một mặt cắt là như nhau (không tồn tại gradient nồng độ theo hướng kính). Những
thiết bị đẩy lý tưởng như thế này cũng không tồn tại một cách tuyệt đối trong thực tế, phụ
14
thuộc vào quan hệ giữa kích thước của ống, bản chất và chế độ chảy của dòng, các thiết bị
kiểu đẩy trong thực tế ít nhiều có sai lệch so với thiết bị đẩy lý tưởng.
Hình 2.1 Sơ đồ chung của thiết bị phản ứng kiểu 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 dạng 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.
2.2. Cân bằng chất, cân bằng nhiệt cho TBPƯ đẩy lý tưởng
2.2.1. Cân bằng 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 ΔV và một phân tố thời gian Δt, cân bằng vật chất dạng tổng
quát là :
15
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
phântố thể tích
(a)
• Hai số hạng đầu tiên biểu diễn khối lượng tác chất vào và ra khỏi phân tố thể tích trong
khoảng thời gian Δt ;

• Số hạng thứ ba phụ thuộc vào vận tốc phản ứng trong phân tố thể tích ΔV và có dạng
r.ΔV.Δt với r - phương trình vận tốc phản ứng hóa học khi không có trở lực vật lý
(gradient nhiệt độ hoặc nồng độ)
• Số hạng thứ tư biểu diễn lượng tác chất còn lại trong phân tố thể tích ΔV sau khoảng
thời gian Δt phản ứng
2.2.2. 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 ΔV và một phân tố thời gian Δt, 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
tố thể tích
(b)
• Dạng của phương trình (a) và (b) 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. Quan trọng hơn là khả năng giải các phương trình còn phụ thuộc vào các giả
thiết về điều kiện khuấy trộn hay khuyếch tán trong thiết bị phản ứng. Điều này giải thích
ý nghĩa của việc phân loại thiết bị phản ứng thành 2 dạng chính : dạng khuấy trộn và dạng
ống.

16
2.3. Phân bố nồng độ trong thiết bị đẩy lý tưởng
Nồng độ của các chất phản ứng những thông số rất quan trọng trong quá trình phản
ứng hóa học. Ở quá trình đồng thể, các chất phản ứng hòa tan trong nhau.
Ở các quá trình gián đoạn, nồng độ bạn đầu của các chất phản ứng được ấn định và
trong suốt thời gian phản ứng sẽ thay đổi liên tục theo quy luật thời gian tương ứng với
phản ứng hóa học đã cho, tương ứng với độ chuyển hóa tăng lên.
Ở quá trình bán liên tục, như ta đã nói, sẽ có một cấu tử nào đó được đưa vào (hoặc
lấy ra khỏi) vùng phản ứng một cách liên tục và do đó sẽ có khả năng hình thành nên một
quan hệ tối ưu giữa nồng độ của cấu tử. Ở quá trình liên tục, người ta có thể ấn định nồng
độ của các cấu tử trong thiết bị chẳng những thông qua dòng vào, độ chuyển hóa mà còn
thông qua mức độ khuấy trộn trong thiết bị
Sau đây chúng ta sẽ xét phân bố nồng độ của các cấu tử trong trường hợp thiết bị
“lý tưởng”, đối với Quá trình liên tục, không khuấy trộn khối phản ứng – còn gọi là thiết
bị đẩy lý tưởng, thiết bị kiểu ống, làm việc lý tưởng .Quá trình phân bố thực hiện trong
những thiết bị kiểu ống với chiều dài rất lớn hơn đường kính. Hỗn hợp ban đầu liên tục đi
vào một đầu ống và khối phản ứng đi ra ở đầu kia. Trong thiết bị kiểu đẩy lý tưởng,
không có quá trình theo chiều trục cho nên tại mỗi thiết diện ngang của ống, thành phần
của khối phản ứng là không đổi. Người ta mô tả quá trình dòng chảy trong thiết bị kiểu
ống như là dòng chảy kiểu pitson
Thành phần của khối phản ứng (nghĩa là nồng độ của các cấu tử) thay đổi liên tục
dọc theo chiều dài thiết bị, tương ứng với độ chuyển hóa, giống hệt như thay đổi nồng độ
theo thời gian trong thiết bị khuấy lý tưởng làm việc gián đoạn. Do đó tiến trình của phản
ứng cũng hoàn toàn được ấn định thông qua vận tốc của phản ứng. Khi quá trình ổn định,
thành phần của khối phản ứng tại mỗi điểm bất kỳ không phụ thuộc vào thời gian.
17
Hình 2.2: Phân bố nồng độ trong 3 loại thiết bị phản ứng cơ bản:
1ab) – Khuấy lý tưởng gián đoạn
2a) – Liên tục, đẩy lý tưởng (kiểu ống)
2b) – Liên tục, khuấy lý tưởng

2.4. Phương thức cấp dòng cho thiết bị đẩy lý tưởng
Các thiết bị để tiến hành các phản ứng đồng thể trong công nghiệp thường không
khác mấy sơ với các dạng thiết bị cơ bản đã trình bày ở trên. Có chăng ở các thiết bị kiểu
ống, tồn tại những sai khác do hiện tượng khuấy trộn theo chiều trục sinh ra. Chẳng hạn ở
dòng chảy xoáy của các chất lỏng giọt, có thể xem là gân hơn cả sơ với cấu trúc dòng đẩy
lý tưởng. Hình vẽ dưới đây cho ta thấy phân bố vận tốc trong các ống có thành trơn .
18
a Dòng piston (đẩy lý tưởng)
b Dòng xoáy
c Dòng chảy màng
Với những phản ứng giữa những chất lỏng nhớt, thay vì thiết bị kiểu khuấy người
ta dùng thiết bị phản ứng kiểu ống có khuấy trộn ngược.Ởđây một phần khối phản ứng
được tách ra, tạo nên dòng khuấy trộn ngược.
Hình 2.4: Sơ đồ thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng dòng tuần hoàn,sử dụng chocác
khối phản ứng có độ nhớt cao.
Hình 2.3: Phân bố vận tốc dòng trong các ống nhẵn:
19
Phương thức cấp dòng này, thông qua một thời gian lưu đủ lớn, nồng độ của các
chất trong không gian phản ứng là khá đều đặn và với những phản ứng tỏa nhiệt mạnh, độ
nhớt của hỗn hợp cao, phân bố nhiệt cũng rất đều.
2.5. Phân bố thời gian lưu và ảnh hưởng của khuấy trộn trong các thiết bị phản ứng
làm việc liên tục
Trong phạm vi chương này, ta nghiên cứu phân bố thời gian lưu trong thiết bị liên
tục thực tế và trong các thiết bị lý tưởng sai khác như thế nào để từ đó xem xét sự sai khác
về độ chuyển hóa trong các loại thiết bị đó.
Ở đây chúng ta xem các loại thiết bị có dòng chảy qua liên tục giống như các thiết
bị phản ứng đã xét ở phần trên, nhưng ta giả thiết rằng, trong các thiết bị phản ứng ở phần
này không xảy ra phản ứng hóa học để loại trừ các hiệu ứng do phản ứng hóa học gây ra:
nhiệt độ, áp suất, thay đổi thể tích…
Ta vẫn gọi các thiết bị đó là thiết bị phản ứng để làm rõ phân bố thời gian lưu trong

tính toán các thiết bị phản ứng hóa học.
Gọi :là thể tích thiết bị [
V : là lưu lượng dòng qua thiết bị [
= V : thời gian lưu trung bình. [ s] (2.1)
Trong một thiết bị phản ứng đại lượng thời gian lưu trung bình chỉ có thể cho ta
thời gian lưu của một phần tử của dòng liên tục khi thiết bị đó làm việc theo chế độ đẩy lý
tưởng.Chỉ có trong trường hợp này thời gian lưu của mọi phần tử của dòng mới là như
nhau và bằng thời gian lưu trung bình đã nói ở trên.Trong các trưởng hợp khác, thời gian
lưu thực tế của các phần tử được đưa vào thiết bị tại một thời điểm, có thể rất khác nhau
và phổ phân bố là vùng rộng hoặc hẹp.
Định nghĩa 1:
20
Hàm phân bố tổng thời gian lưu S(t) của một dòng chảy liên tục là thể tích của
phần dòng chảy có thời gian lưu giữa 0 và t; nghĩa là xác suất cho một phân tố thể tích
của dòng được cấp vào thiết bị tại t = 0 và rời thiết bị sau một khoảng thời gian từ 0 – t.
Và do đó xác suất để cho phân tố thể tích rời hệ thống sau một khoảng thời gian > t sẽ là
1- S(t).
Vì không có một phân tố thể tích nào của dòng chảy có thể chảy qua thiết bị tại t =
0 nên phải có S(0) = 0
Mặt khác cũng không có một phân tố thể tích nào ở lại trong thiết bị với thời gian
dài vô hạn,nên S(1
Định nghĩa 2:
Từ định nghĩa trên cho thấy vi phân của hàm phân bố tổng thời gian lưu là dS(t)
chính là phần thể tích của dòng ra khỏi thiết bị trong khoảng thời gian giữa t và t+dt và
thời gian lưu trung bình sẽ là :
[s] (2.2)
Định nghĩa 3:
H(t) là phần của dòng liên tục có thời gian lưu trong khoảng thời gian t và t + dt;
và là xác suất cho mọi phân tố thể tích đi vào thiết bị tại thời điểm t = 0 và rời khỏi thiết
bị sau khoảng thời gian t và t + dt. Theo định nghĩa trên rõ ràng :

d[S(t)] = H(t)dt (2.3)
Nghĩa là H(t) – phổ phân bố thời gian băng vi phân hàm phân bố S(t) theo thời gian t.
Kết hợp phương trình (2.2) ta có thời gian lưu trung bình là :
= [s] (2.4)
21
Với thiết bị đẩy lý tưởng, không cần tính toán cũng có thể thấy được :
S(t) = 0 với t <; và S(t) = 1 với t (2.5)
= 1 t = H(t) = 0 t (2.6 )
Cả hai hàm phân bố tổng thời gian lưu S(t) và hàm mật độ phân bố H(t) đều có sức
mạnh thuyết phục như nhau, từ hàm này ta sẽ suy ra được hàm kia và ngược lại, vì đạo
hàm của hàm phân bố tổng S(t) chính là hàm mật độ phân bố H(t) (phương trình 2.3)
2.6. Các đặc trưng thời gian lưu trong các thiết bị phản ứng làm việc liên tục
2.6.1. Đặc trưng thời gian lưu trong thiết bị kiểu ống chảy dòng
Trong ống chảy dòng,có thể bỏ qua quá trình khuếch tán phân tử hay nói một cách
khác là thời gian lưu trong ống đủ nhỏ hơn khoảng thời gian có thể xảy ra hiệu ứng
khuếch tán đáng kể.Do đó trong ống, các phần tử chuyển động gần như độc lập với nhau,
không trộn lẫn vào nhau. Đây là một ví dụ điển hình về cơ chế trộn lẫn cách biệt
(segregation). Ta có phân bố vận tốc dòng mô tả như sau:
w(R) =(2.7 )
Trong đó : : lưu lượng dòng chảy[l/h]
R
o
: bán kính ống[m]
Trên cơ sở phân bố vận tốc dòng (2.7) có thể tính được hàm mật độ phân bố H(t)
và hàm phân bố tổng thời gian lưu S(t).
Rõ ràng ,vì vận tốc dòng w(R) phụ thuộc vào bán kính ống R , do đó thời gian lưu
cũng phải là hàm của R.Nếu như ống có chiều dài là L(πR
o
2
L = V

R
) thì thời gian lưu của
phần tử cách trục ống một quãng R sẽ là :
t(R)= = = (2.8)
22
Theo định nghĩa của hàm phân bố thời gian lưu S(t), thì dS(t) là phần thể tích của
dòng có thời gian lưu trong khoảng từ t đến t + dt.Trong trường hợp chúng ta đang xét ở
đây,thời gian lưu lại phụ thuộc vào vị trí trong ống, nghĩa là phụ thuộc vào R, cho nên
dS(R) là phần của dòng nằm trong tiết diện vành khan giữa R và R +dR đi ra khỏi thiết
bị, nghĩa là ta có:
dS(R)=(2.9)
Mối quan hệ giữa R và t đã cho phương trình (2.10) .Bây giờ để thay R bằng
t,trước hết ta phải vi phân phương trình (2-24) rồi sau đó giải theo RdR ta có:
RdR=dt(2.10)
Thay phương trình (2.8) vào (2.9) và chú ý rằng:
w= , V
R
=L , =ta có phổ thời gian lưu:
=H(t) = (2.11)
Tại trục ống có R=0, vận tốc dòng đạt cực đại và do đó thời gian lưu là cực tiểu
theo phương trình (2-10) ta có :
t
min
=t(0) =(2.12)
Như vậy phương trình (2) chỉ có miền xác định trong khoảng t .Tích
phân phương trình (2.11) trong khoảng ta có:
S(t) = =1-
-2
(2.13)
23

Phân bố tổng thời gian lưu S(t) trong ống chảy dòng cũng được trình bày
trên hình 2.3 cùng với hàm S(t) của thiết bị đẩy lý tưởng và các thiết bị kiểu khuấy :
Hình 2.5 : Hàm phân bố tổng thời gian lưu cho thiết bị kiểu ống chảy dòng,
thiết bịkhuấy lý tưởng và đẩy lý tưởng.
Hình 2.5 cho thấy rằng với =0,6 , hàm S(t) của ống chảy dòng gần với hàm S(t) của thiết
bị khuấy hơn là với các thiết bị đẩy lý tưởng
2.6.2. Đặc trưng thời gian lưu trong thiết bị kiểu ống thực
Như đã biết,đường cong phân bố thời gian lưu của một thiết bị đẩy lý tưởng có
dạng hàm bậc thang.Trong khi đó phân bố thời gian lưu trong thiết bị kiểu ống thực thậm
chí còn không phải là phân bố như kiểu thiết bị ống chảy dòng mà là phân bố có hình chữ
S.Điều đó cho thấy rằng : tất cả các phần tử hoặc phân tố thể tích không có cùng một thời
gian lưu và do đó phải có một phân bố thời gian lưu nào đó.
24
Có một số phương pháp mô tả thời gian lưu trong thiết bị kiểu ống , chúng chủ yếu
cho phép mô tả toán học quá trình tổng thể, đó là mô hình phân tán và mô hình dãy hộp.
2.6.3. Hệ số khuấy trộn dọc trục trong thiết bị kiểu ống
Thông thường, trong các biểu thức tính toán người ta thường thay hệ số khuấy trộn
dọc trục trong thiết bị kiểu ống bằng các thông số khác nhau của dòng chảy nhờ sử dụng
chuẩn số Peclet Pe˙ₐₓ :
Pe˙ₐₓ = d (2.14)
Trong đó:
: là vận tốc dòng trung bình trên toàn bộ tiết diện ngang [rad/s]
: kích thước tương đương, đặc trưng cho cơ chất dòng chảy chẳng hạn
đường kính ống hay đường kính của phần tử của chất rắn tĩnh trong ống. [m]
Theo định nghĩa của chuẩn số Bodenstein ta có:
B
o
= Pe˙ₐₓ (2.15)
Với dòng chảy trong ống rỗng :
Pe˙ₐₓ= = Sc= (2.16)

Trong đó:
dR : là đường kính ống
Re=( là độ nhớt động học )
Sc= Chuẩn số Schmidt với D
i
là hệ số khuếch tán phân tử .
Biểu thức (2.16) chỉ đúng trong miền Pe˙ₐₓ 200 và điều kiện này thường thỏa mãn
với các dòng chảy của chất khí (Sc1, Pe˙ₐₓ5)
Và40 .
Với dòng chảy xoáy :
Pe˙ₐₓ=0,28 / (2.17)
Đúng với miền giá trị của Re trong khoảng 10 Re 10
4
với các ống thành trơn
f=1,2656 (2.18)
f: gọi là yếu tố ma sát mặt sau.
25
Với vùng chuyển tiếp 2300 Re 10
4
sử dụng công thức kinh nghiệm.
Pe˙ₐₓ= 7,6. 10
-8
.f
-3.60,141
(2.19)
Đã chứng tỏ phù hợp tốt với các số liệu thực nghiệm.
Với dòng chảy của khí trong ống có lớp vật liệu rắn tĩnh hình cầu.
Re
p
= d

p
d
p
: đường kính phân tử chất rắn [m]
Pe˙ₐₓ=d
p
thông thường 20 < Re
p
< 400 1,6 < Pe< 2,3 Bo 2.
Khi lưu thể là chất lỏng:
0,6< Peₐₓ˙ < 1,5 và 5< Re< 10
5
Khi không kể đến hiệu ứng thành ống và sự phân bố tốc độ dòng.Nếu kể đến hiệu
ứng thành ống thì:
1,5< Peₐₓ˙ < 1,8 và 1< Re
p
<500
CHƯƠNG 3
TÌM HIỂU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DAO ĐỘNG DÒNG LIÊN TỤC
DẠNG VÁCH NGĂN VÀ CƠ SỞ THIẾT KẾ
3.1. Giới thiệu về thiết bị phản ứng dao dộng
Trong công nghiệp hóa học người ta cố gắng sử dụng hiệu quả hơn của các tác nhân
phản ứng, các dung môi và năng lượng trong khi đó tối thiểu hóa được các sản phẩm phụ
và phát thải độc hại. Những nhu cầu này dẫn tới sự phát triển của các thiết bị phản ứng
liên tục được phát triển trong những năm gần đây, và COBR là một loại thiết bị như vậy.
Các nghiên cứu nhằm tạo ra dòng chảy lớp không ổn định, khi một dòng chảy dao động
tồn tại trong một ống được trang bị các vách ngăn có lỗ bố trí cách đều nhau đã quan sát
được được sự hình thành của các khối chất lỏng dao động ở phía hạ lưu của các vách
ngăn (phía sau của vách ngăn theo chiều của dòng chảy). Trên mỗi ống này, các dòng
chảy dao động có xu hướng chuyển động hướng tâm (hướng vào tâm ống); chu kỳ hình

thành, phát triển và biến mất của các khối chất lỏng này này gây ra trạng thái hỗn loạn