THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

MỤC LỤC

ĐỀ TÀI: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TRONG KỸ THUẬT MÔI

TRƯỜNG

MỞ ĐẦU

Thiết bị phản ứng là các thiết bị trọng tâm của đa số các quá trình biến đổi hóa

học.

Người ta định nghĩa thiết bị phản ứng là thiết bị mà trong đó xảy ra các phản ứng hóa

học, nghĩa là các thiết bị để chuyển hóa các chất tham gia phản ứng thành các sản phẩm

hóa học.

Trong quy mô công nghiệp, quy trình sản xuất hoặc xử lý hóa chất tạo ra các sản

phẩm mong muốn với yêu cầu về hiệu quả và chi phí tốt nhất luôn là bài toán khó đối với

đơn vị thực hiện. Do đó việc nghiên cứu tìm hiểu sâu sắc một số thiết bị phản ứng sẽ giúp

chúng ta có được tầm nhìn tốt để lựa chọn giải pháp tối ưu trước khi bắt tay vào quy trình

hoạt động. Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm thực hiện tìm hiểu đề tài về một số thiết bị phản

ứng trong kỹ thuật môi trường.Mặc dù các thiết bị và hệ thiết bị trong tài liệu đưa ra là

các mô hình lý tưởng và đơn giản nhưngchúng luôn luôn là điểm khởi đầu khi nghiên cứu

để mô tả các điều kiện trong một hệ thống lò phản ứng, điều này là nền tảng vững chắc

để từ đó nghiên cứu ứng dụng sâu hơn vào các điều kiện thực tế. Mỗi thiết bị phản ứng

được trình bày rõ theo cách phân loại, đặc điểm cơ bản và cách tính toán trong mỗi thiết

bị, kèm theo đó là các ví dụ minh họa giúp hiểu rõ hơn bản chất và một phần nào đó ứng

dụng của thiết bị. Những kiến thức cơ bản này sẽ giúp chúng ta thiết kế được hệ thống

thiết bị sao cho đạt hiệu quả nhất trong thực tế.

1

I. Phân loại thiết bị phản ứng [7]

I.1. Các cách phân loại thiết bị phản ứng

I.1.1. Theo pha của hệ

• Theo bản chất pha : thiết bị phản ứng pha khí, lỏng hoặc rắn ;

• Theo số pha :

- Thiết bị phản ứng một pha (đồng thể) : pha khí hoặc lỏng,

- Thiết bị phản ứng nhiều pha (dị thể) :

- Thiết bị phản ứng hai pha : khí-lỏng, lỏng-lỏng, khí-rắn, lỏng-rắn

- Thiết bị phản ứng ba pha : khí-lỏng-rắn.

• Theo trạng thái pha : thiết bị phản ứng pha liên tục hoặc pha phân tán

I.1.2. Điều kiện tiến hành quá trình

• Theo phương thức làm việc

- Thiết bị phản ứng gián đoạn

- Thiết bị phản ứng liên tục

- Thiết bị phản ứng bán liên tục

• Theo điều kiện nhiệt

- Thiết bị phản ứng đẳng nhiệt

- Thiết bị phản ứng đoạn nhiệt

I.2. Phân loại thiết bị phản ứng theo phương thức làm việc

Tùy thuộc vào phương thức làm việc, người ta chia thiết bị phản ứng thành 3 loại:

• Thiết bị phản ứng gián đoạn

2

 Định nghĩa:

Là 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.

 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

 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 tựđộng

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

• Thiết bị phản ứng liên tục

 Định nghĩa :

Là thiết bị mà trong đó các chất tham gia phản ứng được đưa liên tục vào thiết bị

và sản phẩm cũng được lấy ra liên tục. Sau thời gian khởi động thì nhiệt độ, áp suất, lưu

lượng và nồng độ các chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian, thiết bị làm

việc ở trạng thái ổn định.

 Ưu điểm :

- Có khả năng cơ giới hóa và tự động hóa cao

3

- Năng suất cao do không tốn thời gian nạp liệu và tháo sản phẩm

- Chất lượng sản phẩm ổn định do tính ổn định của quá trình

 Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư cao, trước hết là do đòi hỏi phải trang bị các thiết bị tự động điều

khiển để đảm bảo tính ổn định của quá trình

- Tính linh động thấp, ít có khả năng thực hiện các phản ứng khác nhau, tạo các sản

phẩm khác nhau .

 Phạm vi ứng dụng

Thiết bị phản ứng liên tục được sử dụng thích hợp cho các quá trình sản xuất với

năng suất lớn, chất lượng sản phẩm đảm bảo.

• Thiết bị phản ứng bán liên tục

 Định nghĩa

Là thiết bị mà trong đó có thành phần chất tham gia phản ứng đưa vào gián đoạn còn

các chất khác đưa vào liên tục. Sản phẩm có thể lấy ra gián đoạn hay liên tục.

 Phạm vi ứng dụng

Được thực hiện đối với những quá trình không có khả năng thực hiện theo phương

thức liên tục, còn nếu thực hiện theo phương thức gián đoạn lại cho năng suất thấp.

I.3. Các khái niệm cơ bản

I.3.1. Các khái niệm liên quan đến thiết bị phản ứng[5]

 Tốc độ nạp nguyên liệu FAo:

Là lượng nguyên liệu được nạp vào phản ứng trong một đơn vị thời gian, kí hiệu FAo

(mol/phút)

 Tốc độ dòng thể tích nạp liệu V0

•

:

Là thể tích được nạp vào thiết bị phản ứng trong một đơn vị thời gian (lít/phút)

 Nồng độ nguyên liệu ban đầu CAo

Là nồng độ của nguyên liệu ban đầu đưa vào thiết bị phản ứng (mol/lít)

 Mối quan hệ giữa FAo, , CAo

4

V0

•

FAo = x CAo

Ví dụ: FAo = 5 (mol/phút)

= 5 (lít/phút)

CAo = 1 (mol/l)

 Thời gian lưu biểu kiến : là thời gian cần thiết để đưa một thể tích nguyên liệu đầu

đúng bằng thể tích thiết bị phản ứng nạp vào trong thiết bị

V: Thể tích phản ứng

=

 Khái niệm độ chuyển hóa

Để thuận tiện cho việc theo dõi và nghiên cứu những tính toán trong các thiết bị

phản ứng người ta đưa ra các khái niệm như sau:

Độ chuyển hóa XA: là đại lượng thể hiện tỷ lệ chất A đã chuyển hóa thành sản phẩm

Với XA : là độ chuyển hóa của cấu tử A (XA = 0 ÷ 1)

NAO : số mol A ban đầu

NA : số mol A tại thời điểm xem xét

• Khi thể tích phản ứng không thay đổi V= const

XA= (2)

5

V0

•

V0

•

τ

τ

o

V

V

•

Ao A

A

Ao

N N X

N

−

=

Ao A

Ao A

Ao Ao

N N

V V C C

N C

V

−

−

=

CA = CAo(1-XA)

• Khi thể tích hỗn hợp phản ứng thay đổi

Sự phụ thuộc của thể tích hỗn hợp phản ứng vào độ chuyển hóa là một sự phụ thuộc

tuyến tính: V= V0(1+ XA) (3)

trong đó là hệ số thay đổi thể tích, là một hệ số cố định với một phản ứng xác định.

Hệ số thay đổi thể tích ( ε A ) của một phản ứng hóa học nhất định được định nghĩa

bằng hệ thức:

A

ε = 0

1 0

=

= =

−

A

A A

x

x x

V

V V

(4)

Từ (1)và (3) ta có: CA=

CA = CA0 A A

A

X

X

+ ε

−

1

1

(5)

Ví dụ1: A 2R +S

A

ε

=

Ví dụ 2: Trong hỗn hợp đầu chứa 50% A và 50%I

Vd3: Trong hỗn hợp ban đầu chứa 75%A và 25% I

 Cân bằng vật 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.

6

⇒

A

ε

A

ε

(1 )

(1 ) (1 )

A A Ao A

o A A o A A

N N N X

V V X V X ε ε

−

= =

+ +

(2 1) 1 2

1

+ −

=

(0,5 2 0,5 0,5) (0,5 0,5) 1

(0,5 0,5) A

x

ε

+ + − +

= =

+

(0,75 2 0,75 0,25) (0,75 0,25) 1,5

(0,75 0, 25) A

x

ε

+ + − +

= =

+

Tốc độ A

nạp vào

Hình 1: Cân bằng vật chất cho một phân tố thể tích ∆V

• Trong một phân tố thể tích ∆V và một phân tố thời gian ∆t, cân bằng vật chất dạng

tổng quát là :

Lượng chất A nạp vào = Lượng chất A lấy ra + Lượng chất A chuyển hóa + Lượng chất

A tích lũy

Nếu thể tích tại mọi điểm là như nhau thì có thể viết cân bằng vật chất cho toàn bộ thể

tích vật chất.

I.3.2. Phương trình động học của các phản ứng hóa học[8]

Các phương trình động học mô tả mối quan hệ định lượng giữa nồng độ của các

chất phản ứng và thời gian trong các phản ứng bậc khác nhau.

Xét phương trình động học phản ứng bậc 1bất thuận nghịch:

Phương trình phản ứng có dạng : A C

Phương trình động học có dạng : rA = - kCA

Trong đó: r : tốc độ phản ứng, đơn vị: mol/(thể tích x thời gian).

k: hằng số tốc độ phản ứng, đơn vị (thời gian)-1

CA: Nồng độ chất tham gia phản ứng.

Sau đây là phương trình động học của một số phản ứng:

Bảng 1: Phương trình động học một số phản ứng

Bậc phản

ứng

Loại PƯ Ví dụ rA Đơn vị

0 Bất thuận

nghịch

A B rA =-k k: mol/(L.h)

7

Tốc độ A

thoát ra

Bậc 1

Giả bậc1

Bất thuận

nghịch

Bất thuận

nghịch

A B

A+H2O B

rA = - kCA

rA = - kCA

k: 1/h

k: 1/h

2

2

Bất thuận

nghịch

Bất thuận

nghịch

2A B

A + B C

rA = -kCA

2

rA =- kCA.CB

k: L/(mol.h)

k: L/(mol.h)

Bất thuận

nghịch

II. Một số thiết bị phản ứng cơ bản.

Trong phần này chúng ta giải quyết các vấn đề cơ bản của tính toán thiết bị phản

ứng bằng cách nghiên cứu các mô hình thiết bị phản ứng lý tưởng. Chúng luôn luôn là

điểm khởi đầu khi cố gắng để mô tả các điều kiện trong một hệ thống lò phản ứng, đặc

biệt là liên quan đến pha trộn. Pha trộn có ý nghĩa quan trọng bởi vì nó ảnh hưởng đến

nồng độ trong hệ thống, do đó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hóa học. Ở đây, chúng tôi

sẽ chỉ xem xét ở mức độ trộn vĩ mô, không có chuyển động khuếch tán ở mức độ phân tử.

Dựa trên những khía cạnh đó có ba mô hình thiết bị phản ứng lý tưởng được xem xét.[8]

II.1. Thiết bị phản ứng liên tục

Đối với dạng thiết bị này, ta phân thành 2 loại cơ bản:

II.1.1. Thiết bị ống dòng PER (Plug flow reactor)

II.1.1.1. Đặc điểm thiết bị [1,2,3,4]

Trong thiết bị phản ứng kiểu này dòng chất phản ứng chảy theo một dòng chảy

đều dặn dọc theo ống phản ứng, do đó xem như không có sự khuếch tán dọc theo dòng

8

A

A

A

kC

r

K C

= −

+

chảy và không có sự khác nhau về tốc độ đối với bất kỳ điểm nào của dòng chảy. Điều

này có nghĩa là vật chất (các chất phản ứng) chảy qua thiết bị ống dòng này theo một

dòng nhất chảy đều đặn và liên tục. Thực ra, đối với thiết bị ống dòng có thể xảy ra sự

khuấy trộn dòng chảy, tuy nhiên nhất thiết phải không có sự khuấy trộn dọc theo chiều

chuyển động của dòng chảy. Điều kiện cần và đủ cho thiết bị phản ứng kiểu ống dòng là

thời gian lưu (residence time) trong thiết bị là như nhau đối với các phần tử của dòng

chảy.

Trong thiết bị ống dòng, dòng chất có sự giống nhau về nhiệt độ và nồng độ theo

chiều dọc. Nồng độ và nhiệt độ tại một điểm của ống là không đổi theo thời gian. Thiết bị

ống dòng lý tưởng còn được gọi là thiết bị phản ứng tĩnh và không đồng nhất vì nồng độ

chất ở các điểm khác nhau theo hướng trục ống là không bằng nhau.

Về phương diện kỹ thuật thùng khuấy lý tưởng có thể tạo nên được với tốc độ

chính xác mong muốn. Tuy nhiên đối với ống dòng thì chỉ có khả năng đạt gần đến trạng

thái lý tưởng. Qua đó, ống dòng lý tưởng được xem xét như là không có sự trộn lẫn giữa

các nguyên tố thể tích kế tiếp nhau nạp vào ống và tốc độ dòng trên toàn bộ mặt cắt của

ống là không đổi.

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.

Hình 2: Sơ đồ đơn giản của thiết bị phản ứng dạng ống

Về phương diện động học, chúng ta có thể mô tả thiết bị phản ứng dạng ống theo sơ đồ

sau:

9

Hình 3: Sơ đồ thiết bị dạng ống theo phương diện động học

Ưu điểm:

- Xử lý được thể tích lớn

- Trong cùng một thời gian phản ứng, thiết bị ống dòng cho sản phẩm đầu ra tốt như thiết

bị khuấy trộn làm việc gián đoạn

Nhược điểm:

- Khó kiểm soát nhiệt độ và có thể hình thành các gadient nhiệt độ không mong muốn

- Giá thành bảo dưỡng cao hơn so với thiết bị khuấy liên tục

Với các ưu và nhược điểm trên, kỹ thuật ống dòng thường được ứng dụng vào một

số trường hợp sau:

- Hệ phản ứng lớn

- Phản ứng đòi hỏi xảy ra nhanh

- Phản ứng đồng thể hoặc dị thể

- Phản ứng xảy ra ở nhiệt độ cao

- Sản xuất liên tục

II.1.1.2. Tính toán trong thiết bị ống dòng

 Cân bằng vật chất[5,6]

Đối với một cấu tử A:

10

Lượng chất A đi vào = Lượng chất A đi ra + Lượng chất A đã phản ứng + Lượng chất A

tích lũy

Xét trong vi phân thể tích dV của thể tích thiết bị phản ứng:

Lượng chất A đi vào (mol/đơn vị thời gian): FA

Lượng chất A đi ra (mol/đơn vị thời gian): FA+ dFA

Lượng chất A được chuyển hóa (mol/đơn vị thời gian): (–rA)dV

– Do đó: FA = (FA+ dFA) + (–rA)dV → – dFA = (–rA)dV

– Mặt khác: dFA= d[FA0(1 – XA)] = – FA0 dXA

→ FA0 dXA = (–rA)dV

→ FA0

dV

=

( ) A

A

r

dX

−

– Tích phân 2 vế phương trình trên được thời gian lưu biểu kiến:

 Khi thể tích phản ứng không thay đổi V=const

 Phản ứng bậc không:A Sản phẩm , (-rA) =k

 Phản ứng bậc một bất thuận nghịch:A → Sản phẩm; (-rA) = k.CA

11

Af

Af

Af

0 0

0

0

( )

( )

( )

V X

A

Ao A

X

A

Ao A

o Ao

X

A

Ao

A

o

dV dX

F r

V V dX

F r V C

V dX C

r

V

τ

•

•

=

−

⇒ = =

−

⇒ = =

−

∫ ∫

∫

∫

Af

0

1

( )

X

A

Ao Ao A

A

o

V dX C C X

r k V

τ •

= = =

−

∫

 Phản ứng bậc hai bất thuận nghịch:2A → Sản phẩm; (-rA) = k.CA2

 Khi thể tích phản ứng thay đổi

Đối với các phản ứng có thể tích phản ứng thay đổi 0, thời gian lưu thực của thiết

bị thay đổi. Thời gian lưu thực của thiết bị phản ứng là thời gian mà các phần tử tham gia

phản ứng được lưu giữ trong thiết bị phản ứng dưới những điều kiện tiến hành phản ứng.

FA0 dXA = (–rA)dV

Ta có

Trong một vi phân thời gian lưu của thiết bị ống dòng sẽ có một sự thay đổi một vi phân

thể tích tương ứng:

12

Af Af

0 0 0

1 1 1 ln ln

(1 ) (1 )

X X

A A Ao

Ao Ao

A A A A A

dX dX C

C C

kC kC X k X k C

τ = = = =

− −

∫ ∫

Af Af Af

2 2 2

0 0 0

1

(1 ) (1 )

1

(1 )

X X X

A A A

Ao Ao

A Ao A Ao A

A

Ao A

dX dX dX C C

kC kC X C k X

X

C k X

τ

τ

= = =

− −

⇔ =

−

∫ ∫ ∫

A

ε

( )

Ao A

A

F dX dV

r

=

−

dV dt

V

•

=

Chứng minh:

Từ biểu thức :

Mặt khác:

Suy ra

Kết hợp các phương trình trên suy ra:

 Phản ứng bậc không: A Sản phẩm , (-rA) =k

13

Af

Af

Af

0 0

0 0

0

.

( ) ( )

.

(1 )

(1 )( )

.

(1 )( )

t X

A A

Ao Ao

A A

Ao Ao o

o A A

t X

o A

Ao

A A A

X

A

Ao

A A A

dX dX dt F dt F

V r V r

F C V

V V X

V dX dt C

V X r

dX t C

X r

ε

ε

ε

• •

•

• •

•

•

= ⇒ =

− −

=

= +

⇒ =

+ −

=

+ −

∫ ∫

∫ ∫

∫

(1 ) V V X o A A ε

• •

= +

1 (1 )

1 (1 )

Ao Ao A A A

A

A A A A

C C X X

C

C X X

ε

ε

+ −

= ⇒ =

− +

(1 ) F F X A Ao A = −

(1 ) C V C V X A Ao o A

• •

= −

(1 ) (1 )

(1 )

(1 )

Ao A

Ao o A

A A

o A A

C X V C V X

X

V V X

ε

ε

• •

• •

−

= −

+

⇔ = +

Af

0

1

( )

X

A

Ao Ao A

A

o

V dX C C X

r k V

τ •

= = =

−

∫

 Phản ứng bậc một bất thuận nghịch: A → Sản phẩm; (-rA) = k.CA

Thời gian lưu biểu kiến

Thời gian lưu thực:

Ví dụ: Một enzym hoạt động như chất xúc tác trong quá trình lên men chất A. Hãy tìm

thể tích của thiết bị phản ứng PFR này nếu như khi tiến hành phản ứng ở một nồng độ

enzym cho trước và với tốc độ nạp liệu là 25lit/ phút thì độ chuyển hóa của phản ứng là

95%:

A → R

Biết rằng nồng độ của chất A ban đầu là CAo= 2mol/l và phương trình phản ứng lên men chất A

ở nồng độ enzym trên như sau:

Đáp án:

Thể tích của thiết bị PFR

14

Af Af

0 0

. . ln(1 )

(1 )( ) (1 )

X X

A A Ao

Ao Ao A A

A A A A A A

dX dX C

t C C X

X r k X k

ε

ε ε ε

= = = +

+ − + ∫ ∫

Af Af Af

0 0 0 0

(1 ) (1 ) 1

(1 ) (1 )

(1 )ln(1 )

X X X

A A A A A A A

Ao Ao

A A A A

A A A A

dX X dX X dX C C

kC kC X k X

k X X

ε ε

τ

τ ε ε

+ +

= = =

− −

= − + − −

∫ ∫ ∫

Af Af

Af

0 0

0

. .

(1 )( ) (1 (1 )

(1 )

1 1 ln

(1 ) (1 )

X X

A A

Ao Ao

A A A A

A A Ao

A A

X

A

A A

dX dX t C C

X r X

X kC

X

dX

t

k X k X

ε

ε

ε

= =

+ −   −

+  ÷   +

= =

− −

∫ ∫

∫

0,1 ( )

1 0,5

A

A

A

C

r

C

− =

+

II.1.2. Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục IMR (Ideal mixed reactor)

II.1.2.1. Đặc điểm thiết bị [1,2,3]

Đặc trưng của thiết bị khuấy trộn lý tưởng liên tục là liên tục tiếp nguyên liệu cho

tất cả các cấu tử tham gia phản ứng và đồng thời sản phẩm cũng lấy ra liên tục. Hỗn hợp

phản ứng được khuấy trộn đều đến mức thành phần tại mọi điểm trong khối hỗn hợp

phản ứng là như nhau và khi hệ phản ứng đạt đến trạng thái ổn định thì thành phần đó

cũng không thay đổi theo thời gian. Thành phần của hỗn hợp phản ứng tại lối ra của thiết

bị cũng đúng bằng thành phần hỗn hợp phản ứng ở trong thiết bị phản ứng. Điều này có ý

nghĩa là yếu tố thể tích V trong các phương trình cân bằng có thể lấy là thể tích V

của thiết bị.

15

Af

0

0,95 0,95

0 0

0,95 0,95

0 0

0,95

0 0

( )

(1 0,5 )

0,1 0,1

(1 0,5 )

(1 )

[1 0,5 (1 )] [1 0,5 (1 )]

0,1 (1 ) 0,1(1 )

10 5

(1 )

X

A

Ao

A

o

A A A

Ao Ao

A A

o

A

A Ao A

Ao A A Ao A A

Ao

Ao A A

A

Ao A

A

V dX C

r V

V dX C dX C C C C V

C

C C X

C X dX C X dX C

C X X

dX C dX

X

τ

τ

τ

•

•

= =

−

+

⇒ = = =

+

= −

+ − + −

= =

− −

= +

−

∫

∫ ∫

∫ ∫

∫

0,95 1

10ln 5.2.0,95 39, 46

(1 0,95)

. (39,46).25 986,5( ) o

o

ph

V

V V l

V

τ τ

•

•

= + =

−

= ⇒ = = =

∫