Tai xuông têp đinh kem gôc
17.6. CÁC LO I VÀẠ MÔ HÌNH VỀ CÁC THI T BẾ Ị PH NẢ NG:Ứ
H u h t các lo i thi t bầ ế ạ ế ị giữ và k t n iế ố đ u đãề đ c sượ ử d ng nhụ ư thi tế
bị ph nả ng hóa h c, tứ ọ ừ các vòi phun và b m ly tâmơ đ n h u h t các tháp chiế ầ ế
ti t hóa vàế các chùm ng. Ph n này dành cho cácố ầ đ c tính c b n c a các lo iặ ơ ả ủ ạ
thi t b ph n ng ch y u, và cũng cung c p m t th vi n các lo i thi t bế ị ả ứ ủ ế ấ ộ ư ệ ạ ế ị
ph n ng đã đ c s d ng.ả ứ ượ ử ụ
Đi m khác bi t rõ nh t là gi a các quá trình v n hành d ng gián đo n và liênể ệ ấ ữ ậ ạ ạ
t c và gi a các lo i pha mà chúng đ c ti p xúc.ụ ữ ạ ượ ế M t ki u phân lo i thíchộ ể ạ
h p cho các lo i thi t b ph n ng trên c s hai đ c đi m khác bi t đ cợ ạ ế ị ả ứ ơ ở ặ ể ệ ượ
cho hình 17.7.ở
Khi có h n h p không đ ng nh t , t cỗ ợ ồ ấ ố đ chuy n hóa th ng bộ ể ườ ị gi i h nớ ạ
b i t cở ố đ chuy n kh i qua bộ ể ố ề m t gi a hai pha, vìặ ữ thế có m t bộ ề m tặ
phân cách pha l n là đi u mong mu n. Do đó, các ch t ph n ng ho c xúc tácớ ề ố ấ ả ứ ặ
r n đ c phân tách hoàn toàn, và ch t l ng ti p xúc đ c đ y v i máy khu yắ ượ ấ ỏ ế ượ ẩ ớ ấ
c ho c trong tháp đĩa / đ m ho c trong các b m ly tâm. S v n chuy nơ ặ ệ ặ ơ ự ậ ể
nhanh chóng các ch t ph n ng đ n b m t trao đ i nhi t b i vi c khu yấ ả ứ ế ề ặ ổ ệ ở ệ ấ
ho c b m làm tăng c ng quá trình truy n nhi t và gi m tác h i c a chênhặ ơ ườ ề ệ ả ạ ủ
l ch nhi t đ .ệ ệ ộ
Quá trình gián đo nạ đ c sượ ử d ng chụ ủ y u khi th i gian ph nế ờ ả ng dàiứ
ho c l ng s n ph m yêu c u hàng ngày nh . Thi t bặ ượ ả ẩ ầ ỏ ế ị gián đo n t ng tạ ươ ự
th ngườ đ c dùng đ t o ra nhi u lo i s n ph m các th i đi m khác nhau.ượ ể ạ ề ạ ả ẩ ở ờ ể
M t khác, nó không th ph thông hóa nh đi m chuy n ti p kinh t t quáặ ể ổ ư ể ể ế ế ừ
trình gián đo n sang quá trình liên t c. M t ho c nhi u thi t b gián đo n cùngạ ụ ộ ặ ề ế ị ạ
v i các b tràn thích h p có th đ c s d ng đ mô ph ng quá trình liên t cớ ể ợ ể ượ ử ụ ể ỏ ụ
trên c s m t ngày ho c lâu h n.ơ ở ộ ặ ơ
THÙNG KHU YẤ
Các thùng khu y làấ lo i thi t bạ ế ị ph nả ng giánứ đo n phạ ổ bi n nh t. Lo iế ấ ạ
quan tr ng chọ ủ y uế đ c cho ượ ở hình 17.8 và 10.1, và các ki uể đi u khi nề ể
m cứ ở hình 3.6. Quá trình khu y đ tr n các h p ph n ban đ u, đ đ t đ cấ ể ộ ợ ầ ầ ể ạ ượ
đ ng nh t trong su t ph n ng, và đ tăng c ng quá trình truy n nhi t ồ ấ ố ả ứ ể ườ ề ệ ở
t ng bao ho c các b m t bên trong. Thi t b ph n ng hình 17.9(b) xườ ặ ề ặ ế ị ả ứ ở ử
d ng m t b m tu n hoàn đ tr n các h p ph n bên trong b và đ truy nụ ộ ơ ầ ể ộ ợ ầ ể ể ề
nhi t trong m t thi t b trao đ i bên ngoài. B m tu n hoàn ho c h i l u nhìnệ ộ ế ị ổ ơ ầ ặ ồ ư
chung có th đ c s d ng đ thích nghi v i các lo i b ch a khác đ ph cể ượ ử ụ ể ớ ạ ể ứ ể ụ
v nh ki u thi t b ph n ng gián đo n; ví d , t t c các lo i b d ng đ mụ ư ể ế ị ả ứ ạ ụ ấ ả ạ ể ạ ệ
hình 17.10(a)-(e). M t thi t b ph n ng b m tu n hoàn dòng ch y màngở ộ ế ị ả ứ ơ ầ ả
đ c s d ng cho quá trình polyme hóa etylen; khi polyme đ c t o ra, dòngượ ử ụ ượ ạ
ch y b gi m đ n t c đ th p h n r t nhi u so v i t c đ tu n hoàn, vì thả ị ả ế ố ộ ấ ơ ấ ề ớ ố ộ ầ ế
ki u làm vi c c a thi t b này g n nh quá trình gián đo n.ể ệ ủ ế ị ầ ư ạ
M t sộ ố thi t bế ị ph nả ng công nghi p cóứ ệ thi t bế ị khu yấ đ c cho ượ ở hình
17.10: (b) phù h p cho các v t li u nhão, (c) cho các v t li u cóợ ậ ệ ậ ệ tính nh t,ớ
và v i t cớ ố đ tu n hoàn cao (d) phùộ ầ h p cho sợ ự ti p xúc g n c a các ch tế ầ ủ ấ
l ng không thỏ ể tr n l n nh các hydrocarbon v i dung môi n c. ộ ẫ ư ớ ướ
Nhi uề ng d ng c a thi t bứ ụ ủ ế ị ph nả ng cóứ bình khu y làấ quá trình liên ti p,ế
kể cả v i bớ ể đ n ho cơ ặ đa bể s p x p nhắ ế ư trong hình 17.9 © (d). Hi u bi tể ế
về khả năng sử d ng m t bụ ộ ể khu yấ đ t đ cạ ượ đ tr n l n hoàn toàn là c nộ ộ ẫ ầ
thi t đ có th đánh giá đ c hi u qu c a nó nh m t thi t b ph n ng.ế ể ể ượ ệ ả ủ ư ộ ế ị ả ứ
Tr ng h p gi i h n khác là c a dòng kh i, trong đó các ch t không ph nườ ợ ớ ạ ủ ố ấ ả
ng có cùng th i gian l u. Đ khác bi t t các tr ng h p gi i h n trong h nứ ờ ư ộ ệ ừ ườ ợ ớ ạ ỗ
h p hoàn toàn (trong CISTR) và tr n không h ng tâm (trong m t PFR) đ cợ ộ ướ ộ ượ
đánh giá v i s phân b th i gian l u (RTDs) trên c s phân tích qua phépớ ự ố ờ ư ơ ở
ki m tra ch th .ể ỉ ị
Hi n nay, phân bệ ố th i gian l u không cóờ ư đ c m i t ng quan t t v i cácượ ố ươ ố ớ
hệ số ho tạ đ ng hay thi t k , nh ng k thu t là giá tr d đoán v i các thi tộ ế ế ư ỹ ậ ị ự ớ ế
b có s n. Tr ng thái CISTR (thi t b ph n ng khu y lý t ng) đ c ch pị ẵ ạ ế ị ả ứ ấ ưở ượ ấ
nh n khi th i gian l u trung bình b ng 5-10 l n th i gian khu y tr n, kho ngậ ờ ư ằ ầ ờ ấ ộ ả
th i gian còn l i là c n thi t đ đ t đ c đ đ ng th cho m t h n h p v iờ ạ ầ ế ể ạ ượ ộ ồ ể ộ ỗ ợ ớ
m t vài đ u vào. Th ng th ng thì đ t đ c 50-200 vòng đ i v i m t cánhộ ầ ườ ườ ạ ượ ố ớ ộ
khu y th c đã đ c th t k . M c dù th i gian pha tr n tr thành m t đ iấ ự ượ ế ế ặ ờ ộ ở ộ ố
t ng c a r t nhi u nghiên c u trong tài li u (Westerterp et al., 1984, p. 2541),ượ ủ ấ ề ứ ệ
không k t qu t ng quát hóa nào có đ c đ a ra. Th i gian pha tr n phế ả ổ ượ ư ờ ộ ụ
thu c vào hình d ng b ngoài và t c đ và công su t c a máy khu y. M tộ ạ ề ố ộ ấ ủ ấ ộ
cánh khu y phía trên và tua-bin phía d i trên cùng m t tr c, các váchấ ở ở ướ ộ ụ
ngăn đ c c đ nh vào t ng c a b ch a, và có m t tuabin ph trên tr c choượ ố ị ườ ủ ể ứ ộ ụ ụ
s tu n hoàn hi u qu c a các thành ph n là m t c s cho s thi t k . Tuyự ầ ệ ả ủ ầ ộ ơ ở ự ế ế
v y, vi c thi t k h p lý cho thi t b pha tr n là có th , nh ng trong tr ngậ ệ ế ế ợ ế ị ộ ể ư ườ
h p có tính quy t đ nh các chuyên gia ph i đ c c v n thêm. Ch ng 10ợ ế ị ả ượ ố ấ ươ
cũng nói v v n đ này.ề ấ ề
Năng su tấ đ u vào trênầ đ n vơ ị thể tích và t cố độ đ u cánh qu t thìầ ạ th ngườ
đ c sượ ử d ng đo c ng đ khu y, tụ ườ ộ ấ ỉ lệ thích h p c a kích th c ngợ ủ ướ ố
và vách ngăn.
Biên đ thích h p cho m t sộ ợ ộ ố đi u ki n ph nề ệ ả ng đ c cho ứ ượ ở b ng sau:ả
Ho tạ đ ngộ kW/m3a T c đ đ u cánh (m/s)ố ộ ầ
Pha tr nộ 0.05-0.1
Ph nả ng đ ng thứ ồ ể 0.1-0.3 2.5-3.3
Ph nả ng v i sứ ớ ự truy n nhi tề ệ 0.3-1.0 3.5-5.0
Khí-l ng, l ng-l ngỏ ỏ ỏ 1-2 5-6
Bùn nhão 2-5
a1kW/m3 = 5.08 Hp/1000gal
Hệ số truy n nhi t trong bề ệ ể khu y ho tấ ạ đ ng đ c th o trong ph n 17.7.ộ ượ ả ầ
Đ i v i m t l ng n p vàố ớ ộ ượ ạ đ chuy n hóa cho tr c, th tích t ng c a m tộ ể ướ ể ổ ủ ộ
CSTR gi m theo s b c, nhanh chóng t i b c đ u tiên và sau đó là ch m h n.ả ố ậ ạ ậ ầ ậ ơ
Khi ph n ng là b c 1, ví d nh r = k.C, t l c a th tích toàn ph n thi t bả ứ ậ ụ ư ỷ ệ ủ ể ầ ế ị
ph n ng Vả ứ r c a n s b c trên l u l ng nguyên li u Vủ ố ậ ư ượ ệ o’ đ c tính b i côngượ ở
th c:ứ
T i cácạ đ chuy n hóa 95-99%, m t vài giáộ ể ộ trị từ ph ng trình này làươ
Khi chi phí c a cácủ đi u khi n bề ể ổ sung, các máy khu y, vàấ các b mơ
có thể tính toán cân b ng ti t ki m trong thằ ế ệ ể tích, 4 ho c 5 khoang trong m tặ ộ
b th bình th ng là m t giá tr t i u, nh ng m t s l n h n s b c có thộ ử ườ ộ ị ố ư ư ộ ố ớ ơ ố ậ ể
có giá tr kinh t v i m t thi t k ng đ n trong hình 17.9 (d), đăc bi t là khiị ế ớ ộ ế ế ố ơ ệ
s b c thì kém hi u su t h n tr ng h p m t b c lý t ng.ố ậ ệ ấ ơ ườ ợ ộ ậ ưở
Đ i v i m t vài m c đích nó đ c cho là đ y đ đ gi đ nh mà m t bố ớ ộ ụ ượ ầ ủ ể ả ị ộ ộ
c a 5 ho c h n các CSTR là m t ti m c n g n nh t v i m t thi t b ph nủ ặ ơ ộ ệ ậ ầ ấ ớ ộ ế ị ả
ng đ y. Thi t b ph n ng dòng ng thì nh h n và r h n dãy thi t bứ ẩ ế ị ả ứ ố ỏ ơ ẻ ơ ế ị
khu y, th m chí là v i v ng đ n. Cho h s ph n ng b c 1 t s th tíchấ ậ ớ ỏ ố ơ ệ ố ả ứ ậ ỷ ố ể
c a m t CSTR n b c và m t PFR đ c trình bày b iủ ộ ậ ộ ượ ở
Ví d , khi n = 5 vàụ đ chuy n hóa 99%, tộ ể ỷ số là 1.64. V i ph nớ ả ng b c 2ứ ậ
và các b c khác m t nghi m sậ ộ ệ ố cho tỷ số là c n thi t, 1 trong sầ ế ố đó đ cượ
bi u di n b i hình 17.12. V i ph nể ễ ở ớ ả ng b c 2 thì t s là 1.51 t i 99% đứ ậ ỷ ố ạ ộ
chuy n hóa v i 5 b c.ể ớ ậ
M t khác bi t rõộ ệ ràng gi a các bữ ộ CSTR và PFR là s u phân bự ố s n ph mả ẩ
v i ph nớ ả ng ph c t p. Trong tr ng h pứ ứ ạ ườ ợ đ n gi n, víơ ả dụ như AB C,
hi u su t s n ph m trung gian B thu đ c trong PRF cao h n trong m t CSTRệ ấ ả ẩ ượ ơ ộ
đ n. Nó thì không th khái quát hóa hoàn toàn các k t qu , vì th m i hơ ể ế ả ế ỗ ệ
th ng ph n ng đ i s riêng l ph i đ c tìm ra đ t o m t ch đ làm vi cố ả ứ ạ ố ẻ ả ượ ể ạ ộ ế ộ ệ
t t nh t.ố ấ
THI T BẾ Ị PH NẢ NG THEO DÒNG CH YỨ Ả NGỐ
Tr ng thái lýạ t ng c a thi t bưở ủ ế ị ph nả ng theo dòng ng có (TFR) là dòngứ ố
đ y lý t ng, trong đó t t c nh ng phân t không ph n ng có th i gian nẩ ưở ấ ả ữ ử ả ứ ờ ổ
đ nh cân b ng. B t kỳ khu y tr n tr l i nào x y ra đ u là ng u nhiên, là k tị ằ ấ ấ ộ ở ạ ả ề ẫ ế
qu c a s ch y r i t nhiên ho c đ c gây ra b i s c n tr c a các khúcả ủ ự ả ố ự ặ ượ ở ự ả ở ủ
quanh đ n dòng ch y b i các h t xúc tác nh ho c đ m tháp ho c các bế ả ở ạ ỏ ặ ệ ặ ộ
ph n ph bên trong các b . Tác đ ng c a s c n tr có th là 2 cái m t, tuyậ ụ ể ộ ủ ự ả ở ể ặ
nhiên, trong đó m t s b ph n kh y ng c có th x y ra, nh ng trong toànộ ố ộ ậ ấ ượ ể ả ư
b thì xem g n gi ng nh dòng đ y đ c m r ng vì trong ph m vi l n sộ ầ ố ư ẩ ượ ở ộ ạ ớ ự
ch y r i đ c h n ch .ả ố ượ ạ ế
M i yêu c u c a vi c khu y tr n ban đ u các ch t ph nọ ầ ủ ệ ấ ộ ầ ấ ả ng đ c th cứ ượ ự
hi n trong vòi khu y ho c thi t bệ ấ ặ ế ị khu y trong dòng. K t quấ ế ả c a ph nủ ả ngứ
hóa h c, gradien n ng đ vàọ ồ ộ nhi tệ độ đ c phát tri n trong các thi t b ph nượ ể ế ị ả
ng có dòng ch y ng tr c ti p theo h ng tr c.ứ ả ố ự ế ướ ụ
Các TFR có thể là các ng tròn cóố đ ng kính tườ ừ 1 đ n 15cm ho c h n ho cế ặ ơ ặ
có thể là các bể có đ ng kính đo theo đ n vườ ơ ị mét. Hình 17.13 là các lo iạ
khác nhau c a các hủ ệ b . Cácể ng đ n c a thi t b ph n ng có chi u dàiố ơ ủ ế ị ả ứ ề
h n 1000m đã đ c s d ng, trong các tr ng h p chúng đ c u n d ngơ ượ ử ụ ườ ợ ượ ố ạ
cong nh trên hình 17.14 (f) và 17.15 (c). Bán kính c a các b ph n là m t k tư ủ ộ ậ ộ ế
qu c a s cân đ i gi a giá c a v t li u, giá c a b m, và yêu c u v nhi t.ả ủ ự ố ữ ủ ậ ệ ủ ơ ầ ề ệ
Trong m t s tr ng h p có th là c n thi t đ tránh vùng dòng ch y quá đ ,ộ ố ườ ợ ể ầ ế ể ả ộ
mà có ch s Re m c 2300-4000 ho c h n, n u ph n ng là ph c t p vàỉ ố ở ứ ặ ơ ế ả ứ ứ ạ
m t đ dài c a th i gian n đ nh là có h i.ộ ộ ủ ờ ổ ị ạ
Khi m t sộ ố ng trong song song đ c c nố ượ ầ đ n, m t hế ộ ệ th ng l ng ngố ồ ố
đ c s d ng th c hi n s truy n nhi t: b sau đó có th đ c đ ý nhượ ử ụ ự ệ ự ề ệ ể ể ượ ể ư
m t thi t b trao đ i nhi t trong đó m t ph n ng x y ra ng u nhiên. Sộ ế ị ổ ệ ộ ả ứ ả ẫ ự
truy n nhi t đ n các ng đ n đ c hoàn thi n v i các l p b o ôn trong hìnhề ệ ế ố ơ ượ ệ ớ ớ ả
17.14 (f) và trong m t b gia nhi t đ t trong hình 17.15 (c). M t s trong thi tộ ộ ệ ố ộ ố ế
k c a b gia nhi t đ t trong thì thích h p cho ph n ng nhi t phân và cácế ủ ộ ệ ố ợ ả ứ ệ
ph n ng có nhi t đ cao khác đ c minh h a trên hình 17.16. Trong quá trìnhả ứ ệ ộ ượ ọ
s n xu t Phenol, mono Clobenzen, và các dung d ch ki m ăn da đ c ph nả ấ ị ề ượ ả
ng 320ứ ở oC và 200atm trong chùm ngố có đ ng kính 10 cm ho c h n trongườ ặ ơ
m t b gia nhi t.ộ ộ ệ
Nói chung, c u trúc các TFR đ c b t ngu n tấ ượ ắ ồ ừ sự c n thi t phùầ ế h p cácợ
quá trình truy n nhi t khi cóề ệ m t xúc tác d ng h t. Các bặ ạ ạ ố trí có thể đ cượ
minh h a trong hình 17.3 và trong ph n này.ọ ở ầ
M t sộ ố thi t bế ị ph nả ng cóứ dòng b t th ng đ c bi u di n trong hìnhấ ườ ượ ể ễ
17.14. Th i gian l u trong cácờ ư đ n vơ ị đ i v i ph nố ớ ả ng nhi t phânứ ệ ở
nhi tệ đ cao đ s n xu t acetylen vàộ ể ả ấ elylen và cho ph nả ng oxy hóa amoniacứ
đ c tính toán b ng ph n giây: acetic anhydrit đ c s n xu t b i s khu yượ ằ ầ ượ ả ấ ở ự ấ
tr n nhanh các ch t ph n ng trong m t b m ly tâm: NO đ c hình thành t iộ ấ ả ứ ộ ơ ượ ạ
nhi t đ r t cao trong m t lò đi n: và etylen đ c polyme hóa t i các áp su tệ ộ ấ ộ ệ ượ ạ ấ
cao ho c th p trong 2 ph n bi u di n.ặ ấ ầ ể ễ
Hình 17.10. Các lo i ch đ pha tr n trong thi t b ph n ng có khu yạ ế ộ ộ ế ị ả ứ ấ
th ng m i. (a) H i v t đ ng ch ng, 120 gal, 200 psig, 300ươ ạ ơ ỏ ự ộ ư 0F (courtesy
Blaw-Knox Co.). (b) khu y tr n n m ngang, 650 gal, 100 psig (courtesy Blaw-ấ ộ ằ
Knox Co.). (c) thi t b sunfonat hóa [Groggins. Courtesy McGraw-Hill, Newế ị