ky thuat xuc tac tiet 9

Trường Đại học Công nghiệp

KỸ THUẬT XÚC TÁC
CATALYST TECHNOLOGY

TS. Nguyễn Mạnh Huấn

1


Vấn đề
thực tiễn

Điều chế

Lý thuyết

Xúc
tác

Chi phí?
Pilot?
Nhà máy?

Phương pháp
nghiên cứu tĩnh

Phản
Ứng

Phương pháp

nghiên cứu
dòng

Đánh giá
xúc tác

Phương pháp nghiên
cứu Vi lượng

Thu nhận số liệu
Động học, cơ chế phản ứng

2


I. Chọn phương pháp nghiên cứu
- Một vấn đề khá quan trọng là chọn phương pháp
nghiên cứu. Chọn phương pháp nghiên cứu có thể
phụ thuộc bởi phản ứng đưa ra nghiên cứu do:
1. Điều kiện tiến hành thực nghiệm
2. Số lượng chất ban đầu
3. Hoạt tính xúc tác đem dùng
4. Nhiệm vụ riêng mà việc nghiên cứu cần đạt được
3


I. Chọn phương pháp nghiên cứu
-

Trong đa số các trường hợp, những điều kiện giống nhau thì các

qui luật rút ra của động học đều giống nhau, không phụ thuộc
phương pháp tiến hành. Nhưng khi phân tích quy luật động học
cần lưu ý tới phương pháp đang dùng.

-

Ví dụ trong một quá trình nếu chúng ta cho dư thừa một cấu tử
thì tốc độ phản ứng khơng phụ thuộc vào sự thay đổi khơng lớn
lắm của cấu tử đó, mặc dù trong phương trình động học có thành
phần của cấu tử đó.

-

Nếu như phản ứng tiến hành ở áp suất (hay nồng độ) khơng đổi
của một cấu tử thì tốc độ phản ứng không phụ thuộc bởi áp suất
riêng phần (hay nồng độ) của cấu tử đó.

4


I. Chọn phương pháp nghiên cứu
Khi chọn phương pháp nghiên cứu cần đạt được những
điểm sau:
1. Độ chính xác của phương pháp càng cao càng tốt
2. Trong thời gian ổn định các thống số đều phải ổn định
3. Có khả năng lặp đi lặp lại điều kiện ở những thí nghiệm
sau.
4. Dễ dàng thay đổi điều kiện phản ứng khi muốn thay đổi từ
điểm này qua điểm khác.
5. Hoạt tính xác tác được giữ nguyên từ đầu cho đến hết thí

nghiệm, từ thí nghiệm này qua thí nghiệm khác.
6. Khơng có ảnh hưởng ngoại lai nào (ví dụ từ trường) ảnh
hưởng đến kết quả nghiên cứu.
5


I. Chọn phương pháp nghiên cứu
1.1. Theo nhiệm vụ đề ra:
- Muốn tìm 1 xúc tác mới, để tiết kiệm thời gian và tiết kiệm hố chất thì
nên dùng phương pháp vi lượng.
- Khi có xúc tác mới, muốn tìm phương trình động học thì nên dùng
phương pháp dịng tuần hồn.
-Một phản ứng đã có xúc tác mới, đã tìm phương trình động học, bây giờ
muốn áp dụng vào sản xuất, ta phải qua khâu thực nghiệm bằng phương
pháp dòng.
- Để nghiên cứu xúc tác có hoạt tính thấp thì nên dùng phương pháp tĩnh.

6


I. Chọn phương pháp nghiên cứu

1.2. Theo trạng thái chất phản ứng
- Với phản ứng chất phản ứng ở trạng thái lỏng - lỏng ta có thể
tiến hành bằng phương pháp tĩnh.
- Với chất phản ứng là lỏng và khí ta dùng phương pháp dịng,
dịng tuần hồn.
- Với chất phản ứng là khí và khí ta dùng phương pháp dịng,
dịng tuần hồn.
- Với phản ứng chỉ có chất phản ứng (ví dụ phản ứng cracking

Cumen) ta dùng phương pháp vi lượng.
7


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.

1 Phương pháp tĩnh
2. Phương pháp dịng
3. Phương pháp dịng tuần hồn hay là phương
pháp khơng có gradien.
4. Phương pháp vi lượng

8


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
2.1 Phương pháp tĩnh
2.1.1. Nguyên tắc
Nguyên tắc cơ bản của phương pháp tĩnh là:
•Tiến hành với lượng xúc tác cố định
•Chất phản ứng cho vào trong một thể tích cố định.
•Tiến hành phản ứng cho đến khi kết thúc, lấy sản
phẩm ra phân tích.
9

II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
2.1.2. Phương pháp phân tích sản phẩm:
Ta có mấy phương pháp:
1. Nếu phản ứng tăng thể tích (ví dụ A → B + C) hoặc phản ứng giảm
thể tích (A + B → C) thì ta có thể đo sự thay đổi áp suất của hệ và suy
ra hiệu suất phản ứng
2. Với một phản ứng có sản phẩm dễ ngưng tụ, ta phải tạo điều kiện
cho sản phẩm ngưng tụ và ta đo lượng ngưng tụ của sản phẩm ta có
thể biết được hiệu suất phản ứng
3. Nếu các hiện tượng đó khơng có thì ta thường lấy sản phẩm từng
thời kỳ phân tích, để đo hiệu suất phản ứng

10


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
2.1.3. Sơ đồ nguyên tắc của phương pháp tĩnh

A. Bình đựng các
chất phản ứng.
B. Thiết bị phản ứng
chứa xúc tác
C. Thiết bị phân tích
sản phẩm

Hình 1. Hệ thống sơ đồ nguyên tắc của

phương pháp tĩnh

11


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
2.1.4. Những điểm cơ bản rút ra từ phương pháp tĩnh
1. Phương pháp là phương pháp tích phân. Vì vậy để biện luận kết quả
địi hỏi cần so sánh chúng với phương trình động học ở dạng vi phân
hay là đồ thị vi phân của thí nghiệm đã cho.
2. Phương pháp tiến hành giai đoạn khơng liên tục
3. Trong mỗi một thí nghiệm có thể thu nhận được sự phụ thuộc mức độ
chuyển hoá ở những thời điểm khác nhau từ τ = 0 đến τ = ∞
4. Kiểm tra hoạt tính xúc tác trong cả q trình rất phức tạp, khó khăn.
5. Phương pháp cho phép tiến hành ở áp suất thấp, áp suất trung bình
và áp suất cao, ở pha lỏng hoặc pha hơi, nhưng tốt nhất vẫn là tiến
hành ở áp suất thấp (P = 1atm)
6. Dễ dàng điều chỉnh các dữ kiện nghiên cứu

12


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
2.1.4. Những điểm cơ bản rút ra từ phương pháp tĩnh
7. Phương pháp cho phép dễ dàng kiểm tra tốc độ (theo độ thay đổi áp
suất).

8. Xúc tác có thể sử dụng ở bất kỳ dạng nào và với lượng không hạn
chế. Thuận lợi nhất trong quá trình xúc tác được dùng dưới dạng màng
mỏng được tráng 1 lớp xung quanh bình phản ứng. Dùng xúc tác dưới
dạng này có thể loại trừ ảnh hưởng của quá trình khuếch tán trong.
Nhưng dùng dạng xúc tác này có nhược điểm là dễ dàng ngộ độc xúc
tác, vì vậy cần thiết phải làm sạch chất phản ứng.
9. Việc hoàn nguyên xúc tác ngay trong phản ứng sẽ khó khăn nếu như
khơng chú ý đến vấn đề thốt khí thải sau khi hồn ngun.

13


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
2.2. Phương pháp dòng
2.2.1. Nguyên tắc
•

Phương pháp dịng được dùng rộng rãi để nghiên cứu động học
thơng thường

•

Phương pháp tiến hành dưới áp suất khí quyển.

•

Ngun tắc của phương pháp dịng:
1. Xúc tác với lượng khá lớn (10 - 200g) nằm yên trong lò phản ứng

2. Các chất phản ứng là khí hoặc lỏng (được tạo thành hơi) đi qua lớp xúc
tác.
3. Có thể thay đổi thời gian tiếp xúc bằng cách thay đổi tốc độ dịng khí
hay lượng xúc tác.

14


Hình 2: Sơ đồ ngun tắc phương pháp dịng

2.2.2. Sơ đồ phương pháp
dịng (Hình 2)
Một sơ đồ nghiên cứu ở trong
phịng thí nghiệm để
nghiên cứu động học của
phản ứng thường có 6 bộ
phận:
(1) Bộ phân ổn áp trong sơ
đồ,
(2) Bộ phận làm sạch,
(3) Bộ phận đo tốc độ dòng,
(4) Nếu phản ứng khí lỏng,
cần có bộ phận bốc hơi và
trộn lẫn,
(5) Bộ phận lị phản ứng,
(6) Bộ phận phân tích sản
15
phẩm.

II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.

2.2.3. Phân tích sản phẩm
• Sản phẩm phản ứng có thể có 2 pha (lỏng, hơi hoặc khí).
Ta có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau: như các
phân tích hố học, nhưng tốt nhất là dùng phương pháp
sắc ký khí.
• Đối với sản phẩm là khí (hơi) ta cho dịng chảy trực tiếp
từ thiết bị phản ứng vào, nếu là chất lỏng ta cho ngưng tụ
và bơm vào sắc ký.
16


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
2.2.4. Ưu, khuyết điểm của phương pháp dòng
Ưu điểm:
1. Phương pháp dòng là phương pháp liên tục, nên năng suất thiết bị cao
hơn hẳn phương pháp tĩnh.
2. Mỗi một thí nghiệm sẽ cho ta một điểm trên đồ thị.
3. Có thể kiểm tra độ hoạt tính xúc tác dễ dàng
4. Phương pháp có thể tiến hành dưới áp suất thường
5. Đây là phương pháp sát với thực tế, vì vậy là phương pháp dùng để
kiểm tra số liệu trước khi đưa vào sản xuất.
17

II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
Khuyết điểm:
1. Độ nhạy của phương pháp thấp so với phương pháp
khác, vì vậy cần xúc tác có độ hoạt tính cao.
2. Dạng xúc tác có thể ở dạng viên hạt, kích cỡ khác nhau.
3. Phương pháp dịng có rất nhiều gradien
- Gradien nhiệt độ dọc theo lớp xúc tác và từ trong lòng ống
và bề mặt ngồi ống (hình 3).
18


19


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
- Gradien nồng độ chất phản ứng dọc theo lớp xúc tác (hình 4), đó là yếu
điểm lớn nhất của phương pháp dòng. Phương pháp dịng sẽ cho phương
trình tích phân số liệu thu được sẽ khơng chính xác.

Hình 4. Sự thay đổi nồng độ của chất phản ứng Ai
theo dọc chiều dài lớp xúc tác

20


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng

thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
2.2.5. Động học của phương pháp dịng:
- Để thiết lập được phương trình động học của phản ứng ta phải lấy 1
đoạn dl dọc theo lớp xúc tác và có sự thay đổi nồng độ của chất A là dC Ai
trong một thời gian dt. Ta có phương trình biểu diễn lượng chất đi qua
lớp xúc tác dl là:

21


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
- Nếu xảy ra phản ứng thì lượng Ai cịn lại trong thể tích
của đoạn dl là:

- Trong đó wdl.dt lượng chất Ai phản ứng

- Khi quá trình đã ổn định tức là lượng chất ra và vào
không thay đổi, không phụ thuộc vào thời điểm tức là:

22


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.

23

Thay vào ta có:

(*)

Vi phân (*)
(**)

24


II. Các phương pháp thường dùng trong phịng
thí nghiệm để nghiên cứu động học của phản
ứng.
Để có phương trình cụ thể ta phải tích phân phương trình (**)
Một dạng khác phương pháp dùng là phương pháp vi dịng, chỉ có khác là
lượng xúc tác dùng rất nhỏ và dòng chất phản ứng đi qua với lưu lượng nhỏ
thể hiện trên hình 5

Hình 5: Sơ đồ hệ phản ứng vi dịng

25