Lựa chọn trạng thái làm việc cho hệ phân riêng và thiết bị phản ứng

CHƯƠNG 6. TÌM HIỂU VỀ TRẠNG THÁI CỦA QUÁ TRÌNH

Trong chương này, chúng ta sẽ học cách phân tích những nguyên nhân vì sao đối với
những dòng và những quá trình cơ bản quan trọng lại chọn nhiệt độ, áp suất và thành
phần xác định nào đó. Các thông số trạng thái của quá trình thường là lựa chọn thỏa hiệp
về mặt kinh tế giữa chất lượng của quá trình và đầu tư cơ bản cộng với chi phí vận hành
thiết bị. Sự lựa chọn cuối cùng cho trạng thái họat động của quá trình không được tiến
hành trước khi phân tích tính kinh tế của quá trình đó. Những phân tích trạng thái của
quá trình đáp ứng những yêu cầu đặc biệt cho phép chúng ta nghiên cứu và thay đổi trạng
thái đó trong trường hợp cần thiết.

6.1 Lựa chọn trạng thái làm việc cho hệ phân riêng và thiết bị phản ứng
Các dòng của quá trình thường hiếm khi ở trạng thái nói chung phù hợp cho phản ứng
hóa học và quá trình phân riêng. Nhiệt độ, áp suất và thành phần của dòng cần đưa về
trạng thái yêu cầu để cho phép quá trình họat động được hiệu quả. Điều này đã được
thảo luận trong chương 2, ở đó sơ đồ khối tổng quát đã được đưa ra (hình 2.4a). Hình
này cho thấy 2 khối chuẩn bị nguyên liệu, một liên quan tới thiết bị phản ứng, còn khối
thứ 2 liên quan tới phần phân riêng.
Dưới đây đưa ra 2 luận điểm chung giúp cho việc phân tích và hiểu việc lựa chọn trạng
thái làm việc cho quá trình công nghệ hóa học:
1. Sẽ dễ dàng hơn đạt được nhiệt độ và/hay áp suất của dòng so với việc thay đổi
thành phần của dòng. Thực tế, thường nồng độ của một cấu tử trong dòng (đối với
chất khí) là biến phụ thuộc và được kiểm sóat bởi nhiệt độ và áp suất của dòng.
2. Nói chung, áp suất trong khỏang 1÷10 bar và nhiệt độ trong khỏang 40 ÷ 260 oC
không tạo ra những khó khăn lớn cho việc tiến hành quá trình.
6.1.1 Lựa chọn áp suất làm việc
Có những ưu điểm về mặt kinh tế liên quan tới các thiết bị họat động ở áp suất cao
hơn áp suất khí quyển khi có mặt các chất khí. Đây là kết quả của sự tăng khối lượng riêng
của khí và giảm thể tích của khí khi áp suất tăng. Với những điều kiện khác như nhau, để
có cùng thời gian lưu của khí trong các thiết bị, kích thước của thiết bị có dòng khí chuyển
động qua cần không được lớn khi áp suất tăng.

Đa số các thiết bị hóa chất có thể chịu được áp suất tới 10 bar mà không cần chi phí
đầu tư bổ sung. Ở áp suất lớn hơn 10 bar, cần thiết bị có thành dày hơn, chi phí thiết bị
lớn hơn. Ngược lại, làm việc ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển (trạng thái chân không)
dẫn tới việc cần chọn thiết bị lớn hơn và có thể cần những yêu cầu kỹ thuật đặc biệt, và
chi phí cho thiết bị sẽ cao hơn.

6.1.2 Lựa chọn nhiệt độ làm việc
Có một số giới hạn về nhiệt độ đối với các quá trình hóa học. Ở nhiệt độ cao, các vật
liệu chế tạo thông thường (thép carbon) giảm đáng kể độ bền vật lý, và cần những vật
liệu đắt hơn thay thế (ví dụ 6.1)

Ví dụ 6.1
Độ bền tối đa đối với thép cacbon và thép không rỉ, ở nhiệt độ môi trựờng, 400 oC và
550 oC được đưa ra dưới đây:
Vật liệu chế tạo
Thép carbon (70)
Thép không rỉ (302)

Độ bền của vật liệu
Nhiệt độ thường
400 oC
500 oC
1190
970 (giảm 18 %) 170 (giảm 75 %)
1290
1290 (giảm 0 %) 430 (giảm 67 %)

Bảng trên cho thấy: thép cacbon mất 18% độ bền, còn thép không rỉ - 0% khi bị đốt

nóng tới 400 oC, . Khi tăng thêm 150 oC, lên tới 550 oC, thép cacbon mất thêm 67% độ
bền, còn thép không rỉ - 67%. Tại nhiệt độ 550 oC, thép cacbon có độ bền tối đa khỏang
15% so với giá trị của nó tại nhiệt độ môi trường, còn thép không rỉ có độ bền tối đa
khỏang 33% so với giá trị của nó tại nhiệt độ môi trường. Trong ví dụ này, rõ ràng thép
cacbon không phù hợp cho họat động của thiết bị ở nhiệt độ cao hơn 400 oC, còn sử dụng
thép không rỉ bị hạn chế. Đối với những nhiệt độ cao hơn, hợp kim đắt tiền hơn là cần
thiết để chế tạo thiết bị
Như vậy, quyết định thực hiện quá trình ở nhiệt độ lớn hơn 400 oC cần được cân nhắc.
Do đó, nếu ta quyết định tiến hành quá trình ở nhiệt độ cao hơn, chúng ta cần phải có
khả năng đánh giá những thiệt hại kinh tế do thiết bị bị phức tạp hóa. Ngòai nhiệt độ cao
ra, còn có giới hạn về nhiệt độ do khả năng có được những thiết bị phụ trợ thông thường
để làm nguội và đun nóng những dòng của quá trình.


Hơi nước: hơi nước cao áp (40-50 bar) nói chung dễ kiếm và có nhiệt độ trong khỏang
250-265 oC. Cao hơn nhiệt độ này cần tính thêm chi phí
Nước: Nước từ tháp làm nguội thường có nhiệt độ khỏang 30 oC (và khi quay trở lại
tháp thường có nhiệt độ khỏang 40 oC). Đối với những thiết bị phụ trợ họat động ở nhiệt
độ thấp hơn nhiệt độ này, chi phí sẽ tăng do làm quá trình làm lạnh. Khi nhiệt độ giảm,
chi phí tăng đáng kể (bảng 8.3)
Quyết định thực hiện quá trình ngòai vùng nhiệt độ 40 – 260 oC, mà điều kiện đó đòi
hỏi chất tải nhiệt đặc biệt, cần được cân nhắc.

6.2 Các nguyên nhân cần tiến hành quá trình ở trạng thái đặc biệt
Khi nghiên cứu các sơ đồ dòng của các quá trình khác nhau, chúng ta có thể gặp phải
trạng thái làm việc đặc biệt trong các thiết bị phản ứng và các thiết bị phân riêng, những
trạng thái này nằm ngòai khỏang nhiệt độ và áp suất đưa ra trong phần 6.1. Điều đó không
có nghĩa là các quá trình đó không tốt, mà là để quá trình họat động hiệu quả thì cần
những trạng thái đó.
Những trạng thái làm việc của các thiết bị công nghệ hóa học nằm ngòai vùng khuyến

cáo về nhiệt độ và áp suất được gọi là các trạng thái đặc biệt.
Khi chúng ta gặp những trạng thái này, chúng ta cần tìm sự lý giải thỏa đáng cho lựa
chọn đó. Nếu không có được sự giải thích đủ thuyết phục, thì trạng thái được sử dụng có
thể không cần thiết. Trong trường hợp này, trạng thái này có thể thay đổi cho bớt khắc
nghiệt để có thêm lợi thế về mặt kinh tế cho quá trình.
Một danh sách những đánh gía có thể cho việc sử dụng nhiệt độ và áp suất ngòai vùng
khuyến cáo được đưa ra trong các bảng 6.1 – 6.3. Những thông tin trong các bảng đó dựa
trên những nguyên lý cơ bản về nhiệt động học và thiết kế thiết bị phản ứng.


Bảng 6.1 Những nguyên nhân có thể dẫn đến lựa chọn khỏang
nhiệt độ làm việc đặc biệt cho thiết bị phản ứng và thiết bị phân riêng
Trạng thái
của dòng

Nhiệt độ cao (>250 oC)

Nhiệt độ thấp (< 40 oC)

Khẳng định sự cần thiết của
trạng thái được lựa chọn
Thiết bị phản ứng:
Thuận lợi đối với các phản
ứng thu nhiệt
Tăng tốc độ phản ứng
Duy trì pha khí
Tăng tính chọn lọc
Thiết bị phân riêng:
Có được pha khí (hơi) cần thiết
cho cân bằng lỏng-hơi

Thiết bị phản ứng:
Tăng độ chuyển hóa cho các
phản ứng tỏa nhiệt
Thuận lợi cho những chất nhạy
cảm với nhiệt
Tăng tính chọn lọc
Duy trì pha lỏng
Thiết bị phân riêng:
Có được pha lỏng cần thiết
cho cân bằng lỏng-hơi hay
lỏng-lỏng
Có được pha rắn để kết tinh
Nguyên liệu nhạy cảm với
nhiệt

Thiệt hại mang lại do
trạng thái được lựa chọn
Phải sử dụng thiết bị gia
nhiệt lọai đặc biệt
ở nhiệt độ > 400 oC cần vật
liệu chế tạo thiết bị đặc biệt

Phải sử dụng những tác
nhân làm nguội đắt tiền
Đối với những nhiệt độ rất
thấp có thể cần những vật
liệu chế tạo đặc biệt

Bảng 6.2 Những nguyên nhân có thể dẫn đến lựa chọn khỏang
áp suất làm việc đặc biệt cho thiết bị phản ứng và thiết bị phân riêng

Trạng thái
của dòng
Áp suất cao
(> 10 bar)

Khẳng định sự cần thiết
Thiệt hại mang lại do
của trạng thái được lựa chọn
trạng thái được lựa chọn
Thiết bị phản ứng:
Tăng độ chuyển hóa
Cần thiết bị vỏ dày
Tăng tốc độ phản ứng cho phản Có thể cần máy nén đắt tiền
ứng xảy ra trong pha khí
Duy trì pha lỏng


Áp suất thấp
(< 1 bar)

Thiết bị phân riêng:
Có được pha lỏng cho cân bằng
lỏng-hơi hay lỏng-lỏng
Thiết bị phản ứng:
Cần thiết bị kích thước lớn
Tăng độ chuyển hóa
Cần thiết kế đặc biệt cho thiết
Duy trì pha khí
bị họat động ở áp suất chân
không

Sự lọt không khí vào bên trong
thiết bị khiến cho việc ngăn
chặn trở nên nguy hiểm và tốn
kém
Thiết bị phân riêng:
Có được pha khí (hơi) cho cân
bằng lỏng-hơi
Nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt

Bảng 6.3 Những nguyên nhân có thể dẫn tới tình trạng
thành phần nguyên liệu không tương ứng với tỷ lượng của phản ứng
Trạng thái
của dòng
Trong dòng
nguyên liệu
đi vào thiết
bị phản ứng
có chất trơ

Khẳng định sự cần thiết
của trạng thái được lựa chọn
Có vai trò như chất làm lõang để
kiểm sóat tốc độ phản ứng
và/hay để thành phần hỗn hợp
phản ứng nằm ngòai vùng cháy
nổ (các phản ứng tỏa nhiệt).
Hạn chế các phản ứng phụ không
mong muốn

Thiệt hại mang lại do

trạng thái được lựa chọn
Buộc thiết bị phản ứng và các thiết bị
liên quan phải có kích thước lớn hơn
vì chất trơ chiếm một phần không
gian trong thiết bị
Buộc các thiết bị phân riêng phải lọai
bỏ các chất trơ
Có thể là nguyên nhân tạo ra các
phản ứng phụ (lúc đó chất trơ không
còn là chất trơ)
Giảm độ chuyển hóa của phản ứng
hóa học


Dư thừa
lượng chất
phản ứng

Sự có mặt
của
sản
phẩm phản
ứng trong
nguyên liệu
đi vào thiết
bị phản ứng

Tăng độ chuyển hóa của cấu tử Cần thiết bị phân riêng để lọai bỏ
có tốc độ phản ứng chậm nhất
lượng dư thừa của chất phản ứng

Hạn chế những phản ứng phụ
Cần tạo dòng tuần hòan
Tăng chi phí về nguyên liệu (do mất
mát trong quá trình phân riêng
và/hay không có dòng tuần hòan)
Khó tách sản phẩm khỏi dòng Buộc thiết bị phản ứng và các thiết bị
nguyên liệu tuần hòan lại.
liên quan phải có kích thước lớn hơn
Sản phẩm tuần hòan lại kìm hãm Cần vòng tuần hòan lớn hơn
sự tạo ra các sản phẩm phụ từ Giảm độ chuyển hóa
các phản ứng phụ
Sản phẩm đóng vai trò như chất
pha lõang để kiểm sóat tốc độ
phản ứng và/hay để thành phần
hỗn hợp phản ứng nằm ngòai
vùng cháy nổ (các phản ứng tỏa
nhiệt).

Đối với những thiết bị phản ứng hóa học, chúng ta cần xem xét những luận điểm sau
trong lựa chọn chế độ làm việc cho các thiết bị đó:
1. Độ chuyển hóa cao: nếu một phản ứng thu nhiệt và đạt cân bằng, phản ứng này sẽ
có lợi thế khi tiến hành ở nhiệt độ cao, theo nguyên lý Le Chatelier. Đối với phản
ứng tỏa nhiệt thì ngược lại.
2. Tăng tốc độ phản ứng: Vận tốc phản ứng hóa học phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ
theo biểu thức của Arrhenius:
𝑘𝑝ư =

− 𝐸ℎọ𝑎𝑡 ℎó𝑎
𝑘0 𝑒 𝑅𝑇

(6.1)

Khi nhiệt độ tăng, thì hằng số vận tốc phản ứng, kphản ứng , cũng tăng đối với cả
phản ứng có và không có xúc tác. Do đó, nhiệt độ cao hơn 250 oC có thể cần có tốc
độ phản ứng đủ lớn để giữ cho thiết bị phản ứng có kích thước hợp lý.
3. Duy trì pha khí: Nhiều phản ứng hóa học có xúc tác đòi hỏi cả chất phản ứng và sản
phẩm phản ứng phải ở trạng thái khí. Đối với các nguyên liệu có nhiệt độ sôi cao
hay đối với các quá trình tiến hành ở áp suất cao, nhiệt độ cao hơn 400 oC trong
thiết bị phản ứng có thể là cần thiết để tất cả các chất đều ở trạng thái khí.
4. Cải thiện tính chọn lọc: Nếu xảy ra cạnh trạnh giữa các phản ứng (nối tiếp, song
song hay là sự kết hợp 2 hình thức trên), và các phản ứng khác nhau có các năng


lượng họat hóa khác nhau, thì sự tạo ra sản phẩm mong muốn có thế dễ dàng hơn
khi phản ứng tiến hành ở nhiệt độ cao.
Đối với các thiết bị phân riêng, cần cân nhắc vấn đề sau trong lựa chọn trạng thái cho
họat động của thiết bị:
Tạo pha hơi cho cân bằng lỏng-hơi: tình huống này xuất hiện rất thường xuyên khi
những nguyên liệu có nhiệt độ sôi cao cần chưng cất. Một ví dụ là chưng cất dầu thô ở áp
suất thường, trong đó đáy tháp thường có nhiệt độ làm việc trong khỏang 310 – 340 oC.
Các bảng 6.1 – 6.3 có thể đã không chỉ ra được tất cả các lý do dẫn tới lựa chọn trạng
thái họat động đặc biệt cho các thiết bị công nghệ hóa học. Các bảng đó có thể coi là
những chỉ dẫn hữu ích cho xuất phát điểm để phân tích trạng thái của quá trình.

6.3 Trạng thái họat động đặc biệt của các thiết bị khác
Các thiết bị và máy móc phụ trợ, như bơm, máy nén, thiết bị gia nhiệt, thiết bị trao đổi
nhiệt, các van) tạo ra nhiệt độ và áp suất đáp ứng nhu cầu của các dòng nguyên liệu đi
vào hệ thiết bị phản ứng-thiết bị phân riêng. Khi chọn trạng thái đầu cho dòng vào hệ thiết
bị phản ứng-thiết bị phân riêng, nên áp dụng những chỉ dẫn hay những kinh nghiệm dưới
đây (bảng 6.4)

Bảng 6.4 Những thay đổi trong trạng thái đặc biệt của những dòng công nghệ
chuyển động qua những thiết bị và máy móc của hệ thống công nghệ hóa học
Dạng của
Thay đổi
Những thiệt hại cho
thiết bị trạng thái đặc
Phân tích và biện pháp
những thiết bị họat
biệt của dòng
động theo phương thức
công nghệ
này
Pra / Pvào > 3
Biện pháp: sử dụng hệ nhiều bậc Cần thiết nghiên cứu lý
có làm nguội trung gian
thuyết cao; Cần thiết
vật liệu chế tạo đặc biệt
Máy nén

Dòng khí đi Biện pháp: Làm nguội khí trước Cần thiết nghiên cứu lý
vào hệ thống khi nén chúng
thuyết cao; Cần thiết vật
thiết bị có
liệu chế tạo đặc biệt
nhiệt độ cao


Thiết bị
trao đổi

nhiệt

∆T > 100 oC

Thiết bị
gia nhiệt

Tra <
Tdòng tận dụng

Van

Thiết
trộn
dòng

∆P lớn khi
dòng chuyển
động qua van

bị Trộn các dòng
có nhiệt độ
rất khác nhau
Trộn các dòng
có thành phần
rất khác nhau

Biện pháp: Tích hợp nhiệt trong
quá trình tốt hơn
Phân tích: tích hợp nhiệt không

thể hay không có lợi
Biện pháp: sử dụng dòng cao áp
để gia nhiệt cho dòng của quá
trình
Phân tích: Thiết bị gia nhiệt có
thể cần khi khởi động

Động lực nhiệt độ lớn,
có nghĩa là đang có
năng lượng nhiệt độ
cao bị lãng phí
Các thiết bị gia nhiệt
đắt tiền sẽ không cần
thiết nếu có thể tận
dụng các dòng có sẵn
trong hệ thống để gia
nhiệt
Biện pháp: Đối với các dòng khí, Phí tổn năng lượng do
vận hành tuốc-bin để thu hồi
chất lỏng bị tiết lưu
công bị hao tổn.
Phân tích: Van sử dụng cho các
mục đích kiểm sóat quá trình;
vận hành tuốc bin không có lợi;
chất lỏng bị tiết lưu
Biện pháp: Làm cho các dòng có Phí tổn năng lượng
nhiệt độ gần nhau hơn nhờ tích nhiệt độ cao
hợp nhiệt
Phải có thêm thiết bị
Phân tích: Làm nguội nhanh các phân riêng và tạo thêm

sản phẩm của phản ứng hóa chi phí
học;
Tạo động lực cho quá trình
chuyển khối

6.4 Phân tích những trạng thái quan trọng đối với quá trình công nghệ hóa học
Trong phần này, chúng ta bắt đầu phân tích và cân nhắc lựa chọn những trạng thái đặc
biệt xác định được qua PFD.

6.4.1 Đánh giá thiết bị R-101
Sẽ tiến hành đánh giá ba trạng thái đáng quan tâm của thiết bị phản ứng. Đó là các trạng
thái nhiệt độ cao, áp suất cao, dòng nguyên liệu có thành phần không tỷ lượng.
Phân tích thiết bị phản ứng gồm 2 phần sau:
1. Đánh giá trạng thái đặc biệt từ quan điểm của nhiệt động học. Trong đánh giá này
giả thiết rằng phản ứng đạt được cân bằng.


2. Đánh giá trạng thái đặc biệt từ quan điểm của động học. Đánh gía này tiến hành
cho những giới hạn tạo ra bởi động học phản ứng, bởi các hiện tượng chuyển khối
và chuyển nhiệt
Nếu một quá trình có trạng thái cân bằng (cân bằng nhiệt động) không hấp dẫn, phân
tích động học là không cần thiết. Đối với những quá trình, trong đó trạng thái cân bằng
cho những kết quả tốt, thì cần những nghiên cứu tiếp theo. Nguyên nhân là những trạng
thái đó thuận lợi cho độ chuyển hóa cao nhưng có thể không thuận lợi theo quan điểm
của động học phản ứng.
Những vấn đề được xem xét trong nghiên cứu nhiệt động học của phản ứng hóa học:
chúng ta xem xét việc sử dụng nhiệt độ cao, áp suất cao và thành phần không tỷ lượng
của dòng nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng một cách riêng biệt.
Vấn đề nhiệt độ cao: đối với phản ứng tỏa nhiệt, nhiệt độ tăng làm giảm độ chuyển
hóa cân bằng, là điều không mong muốn. Độ chuyển hóa thực tế được so sánh với độ

chuyển hóa cân bằng trong ví dụ 6.3.

Ví dụ 6.3
Đối với PFD cho trong hình 1.5 hãy:
a. Tính độ chuyển hóa thực tế
b. Tính độ chuyển hóa cân bằng tại 600 oC
Giả thiết đối với khí lý tưởng: Kp = (Nbenzene Nmethane)/(Ntoluene Nhydrogene), trong đó N – số
mol của từng cấu tử ở trạng thái cân bằng
Thông tin về dòng nguyên liệu đi vào thiết bị phản ứng cho trong bảng 1.5 (dòng 6
trong hình 1.5):
Hydrogen 735,4 ; Methane 317,3 ; Benzene 7,6 ; Toluene 144,0 ; Tổng 1204,3 kmol/h
c. Độ chuyển hóa thực tế:
Lượng Toluene trong dòng ra (dòng 9) là 36 kmol/h
Độ chuyển hóa = (144-36) / (144) = 0,75 (75%)
d. Độ chuyển hóa cân bằng tại 600 oC:
Từ bảng 6.6, tại 600 oC thì Kp = 265
Gọi N –lượng benzene được tạo ra (kmol/giờ), khi đó có:
265 = [(N+7,6)(N+317,3)]/[(735,4-N)(144-N)] ;
từ đó: N = 143,6 (kmol benzene /giờ)


Độ chuyển hóa cân bằng = 143,6 / 144 = 0,997 (99,7%)
Độ chuyển hóa cân bằng rất cao cho dù ở nhiệt độ cao. Tuy rằng không có vấn đề thực
tế nào khi tiến hành phản ứng ở nhiệt độ cao, điều này không thể phán xét từ quan điểm
của nhiệt động học.
Vấn đề áp suất cao: Từ phương trình tỷ lượng, thấy rằng số mol chất phản ứng bằng
số mol của sản phẩm. Trong trường hợp này, áp suất không ảnh hưởng tới độ chuyển hóa
cân bằng. Từ quan điểm của nhiệt động học, không có lý do tiến hành phản ứng ở áp suất
cao
Dòng nguyên liệu với thành phần không tỷ lượng: Lưu lượng dòng nguyên liệu, tính

theo các cấu tử, đi vào thiết bị phản ứng (ví dụ 6.3) cho thấy rằng:
1. Toluene là chất phản ứng chậm nhất;
2. Hydrogen là chất phản ứng có lượng dư;
3. Methane, sản phẩm, có lượng lớn trong hỗn hợp
Sản phẩm của phản ứng (methane) trong dòng nguyên liệu: điều này sẽ làm giảm độ
chuyển hóa cân bằng. Tuy nhiên, ví dụ 6.3 cho thấy ở trạng thái đã cho đối với thiết bị
phản ứng, độ chuyển hóa cân bằng vẫn có giá trị cao, mặc dù có sản phẩm phụ của phản
ứng (methane) trong dòng nguyên liệu.
Chất phản ứng dư (hydrogen) trong dòng nguyên liệu: điều này làm tăng độ chuyển
hóa cân bằng. Ví dụ 6.4 cho thấy hiệu ứng của lượng dư hydrogen lên độ chuyển hóa

Ví dụ 6.4
Xem ví dụ 6.3: Giảm lượng hydrogen trong dòng nguyên liệu vào thiết bị phản ứng
xuống tới giá trị tỷ lượng (144 kmol/h) và tính độ chuyển hóa ở 600 oC (tương tự tính tóan
trong ví dụ 6.3b). Khi đó, tổng số mol hydrogen trong dòng nguyên liệu sẽ giảm từ 735,4
kmol/h xuống giá trị tỷ lượng (144 kmol/h), N = 128,8 kmol/h, độ chuyển hóa cân bằng là
89,5%i cho thấy, một lượng dư lớn của hydrogen ảnh hưởng đáng kể tới độ chuyển hóa
cân bằng.
Từ thông tin tính tóan trong những phần trên và trong chương 1, chúng ta biết:
1. phản ứng xảy ra trong pha khí;
2. Phản ứng được kiểm sóat về động học;
3. Không có những phản ứng phụ đáng chú ý


Ví dụ 6.5
Năng lượng họat hóa đối với tốc độ phản ứng hydrodealkyl toluene là 148,1 kJ/mol.
So sánh tốc độ phản ứng tại 400 oC và 600 oC.

Kích thước của thiết bị phản ứng sẽ tăng gần hàng trăm lần nếu phản ứng xảy ra ở 400
C (nhiệt độ tới hạn để lựa chọn vật liệu chế tạo thiết bị, bảng 6.1) so với ở 600 oC. Như

vậy, nhiệt độ có ảnh hưởng đáng kể.
o

Vấn đề áp suất cao: Đối với các phản ứng xảy ra trong pha khí, nồng độ của các chất
phản ứng tỷ lệ với áp suất trong thiết bị phản ứng. Đối với trường hợp, khi tốc độ phản
ứng tỷ lệ trực tiếp với nồng độ, phản ứng ở 25 bar có nhiều khả năng tăng tốc độ phản
ứng 25 lần so với phản ứng ở 1 bar (giả thiết khí là lý tưởng). Mặc dù không biết có hay
không sự tỷ lệ trực tiếp giữa nồng độ và tốc độ phản ứng, có thể dự đoán hiệu ứng của
áp suất có vẻ là đáng kể, và kích thước của thiết bị phản ứng sẽ giảm đáng kể.
Dòng nguyên liệu với thành phần không tỷ lượng: dòng nguyên liệu chứa cả chất phản
ứng hydrogen với lượng dư lẫn sản phẩm phản ứng (methane)
Methane trong dòng nguyên liệu: Sự có mặt của methane trong dòng nguyên liệu sẽ
làm giảm nồng độ của các chất phản ứng, dẫn đến sự giảm vận tốc phản ứng và ảnh hưởng
không tốt. Methane có thể làm giảm sự hình thành các sản phẩm phụ, nhưng không có
thông tin để khẳng định điều này.
Lượng hydrogen dư thừa trong dòng nguyên liệu: Một lượng dư lớn của hydrogen
trong dòng nguyên liệu dẫn đến nồng độ cao của hydrogen trong tòan bộ thiết bị phản
ứng. Hiện tượng này sẽ làm tăng tốc độ phản ứng. Mặc dù không có thông tin về việc duy
trì mức cao của hydrogen trong thiết bị phản ứng, việc này có thể liên quan tới sự giảm
lượng các sản phẩm phụ được tạo ra.
Ngọai trừ sự có mặt của methane trong dòng nguyên liệu, chế độ công nghệ với nhiệt
độ cao, lượng dư của hydrogen, áp suất cao đều làm tăng tốc độ phản ứng và giảm kích
thước thiết bị phản ứng. Điều này khẳng định rằng, chất xúc tác không đóng vai trò
“nóng”. Trong những trạng thái công nghệ như này, điều chỉnh nhiệt độ và áp suất sẽ làm
giảm đáng kể kích thước của thiết bị phản ứng.
Có sự thiệt hại đáng kể về mặt kinh tế khi sử dụng lượng hydrogen dư trong dòng
nguyên liệu. Chi phí cho hydrogen nguyên liệu thô sẽ giảm đáng nếu lượng hydrogen dư


không được sử dụng. Thực tế rằng lượng dư lớn này được sử dụng không tính đến thiệt

hại kinh tế bao hàm sự khẳng định rằng hydrogen đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn
chặn các sản phẩm phụ hình thành.
Sự có mặt của methane trong dòng nguyên liệu vẫn chưa được giải quyết. Trong
trường hợp tốt nhất methane có hành vi như chất trơ và chiếm một thể tích trong thiết
bị phản ứng, làm cho tất cả các thiết bị phải có kích thước lớn hơn và đắt hơn.

Ví dụ 6.6
Đã giả thiết rằng chúng ta xử lý dòng hydrogen/methane và dòng toluene/benzene
theo cùng một cách. Phần toluene không phản ứng hết được tách khỏi benzene sản phẩm
và cho tuần hòan lại. Giả thiết rằng có thể tách methane khỏi hydrogen. Khi đó methane
trở thành sản phẩm phụ và hydrogen được tuần hòan lại.
Sử dụng quá trình chưng cất để tách methane khỏi hydrogen, toluene khỏi benzene.
Khi đó các chất phải ở dạng lỏng. Đối với hệ methane/hydrogen, để hóa lỏng cần áp suất
cao cùng với nhiệt độ lạnh sâu.
Nếu hydrogen có thể tách khỏi methane và tuần hòan lại, thì dòng nguyên liệu đi vào
thiết bị phản ứng sẽ không chứa lượng đáng kể của methane, và lượng dư lớn của
hydrogen có thể giữ mà không làm tăng đáng kể chi phí cho hydrogen nguyên liệu. Lưu ý
rằng độ chuyển hóa tổng của hydrogen trong quá trình chỉ là 37%, trong khi đó đối với
toluene là 99%.
Có thể có sơ đồ công nghệ khác để tách methane mà không cần hóa lỏng các dòng (ví
dụ, phân riêng bằng màng).

6.4.2 Đánh giá thiết bị phân pha áp suất cao V-102
Thiết bị dạng thùng này tách toluene và benzene lỏng khỏi các chất khí hydrogen và
methane không ngưng tụ. Sản phẩm của phản ứng được làm nguội, tạo ra pha hơi và pha
lỏng ở trạng thái cân bằng với nhau. Cân bằng hơi-lỏng tồn tại ở nhiệt độ và áp suất của
dòng vào V-102. Nhiệt độ thấp hơn (38 oC) cho phép nhận được pha lỏng cho cân bằng
hơi-lỏng. Áp suất được duy trì để giữ cho sự hình thành của pha lỏng. Do quá trình phân
riêng không thể dễ bị ảnh hưởng ở áp suất cao, nên việc duy trì áp suất cao trong V-102
là hợp lý.

6.4.3 Đánh giá động lực nhiệt độ lớn trong thiết bị trao đổi nhiệt E-101
Nguyên nhân động lực nhiệt độ có giá trị lớn là do tác nhân đun nóng có nhiệt độ
khỏang 250 oC, còn dòng vào thiết bị trao đổi nhiệt có nhiệt độ chỉ là 30 oC. Động lực này
lớn hơn 100 oC. Đây là ví dụ về tích hợp nhiệt không tốt.

6.4.4 Đánh giá thiết bị trao đổi nhiệt E-102
Dòng 9 được làm nguội từ 654 oC xuống 40 oC bằng nước có nhiệt độ khỏang 35 oC.
Một lần nữa, giá trị này lớn hơn 100 oC, và dòng này bị thải bỏ mặc dù có nhiều nhiệt giá
trị. Và, một lần nữa, ở đây có thể tiết kiệm nhiều tiền bằng tích hợp nhiệt.

6.4.5 Van kiểm sóat áp suất trong dòng 8:
Nhiệm vụ của van này là giảm áp của dòng đi vào đường của khí nhiên liệu từ 23,9 bar
xuống 2,5 bar. Sự giảm áp này cho thấy mất mát tiềm năng về công. Theo bảng 6.4, chúng
ta có thể thu hồi công nhờ tua bin, mặc dù phương án này có thể không hấp dẫn về mặt
kinh tế.

6.4.6 Van kiểm sóat áp suất trong dòng đi ra từ V-102 và đi vào V-103:
Nhiệm vụ của van này là giảm áp của dòng lỏng đi ra từ V-102. Sự giảm áp này dẫn tới
ngưng tụ bổ sung và thu nhận methane và hydrogen không hòa tan từ hỗn hợp
toluene/benzene. Khí ngưng được tách trong V-103 và đưa tới đường khí nhiên liệu. Mục
đích của van này là kiểm sóat áp suất của dòng nguyên liệu đi vào tháp chưng T-101. Do
dòng qua van chủ yếu là chất lỏng, một lượng nhỏ công có ích có thể thu hồi từ dòng này.