Thiết bị phản ứng
trong công nghiệp Hóa dầu
MỤC LỤC
1. Giới thiệu về thiết bị phản ứng .............................................................................. 1
1.1. Khái niệm chung ......................................................................................... 1
1.1.1. Giới thiệu .............................................................................................. 1
1.1.2. Thiết bị phản ứng .................................................................................. 2
1.2. Đặc điểm của thiết bị phản ứng ................................................................... 3
1.2.1. Thiết bị phản ứng rất đa dạng ................................................................ 3
1.2.2. Thiết bị phản ứng rất phức tạp............................................................... 4
1.3. Phân loại thiết bị phản ứng.......................................................................... 5
1.3.1. Phân loại theo chế độ làm việc .............................................................. 5
1.3.2. Phân loại thiết bị phản ứng theo chế độ dòng chảy ................................ 6
1.3.3. Phân loại thiết bị phản ứng theo chế độ nhiệt ........................................ 9
1.3.4. Phân loại thiết bị phản ứng theo trạng thái pha .................................... 12
2. Thời gian lưu trong thiết bị phản ứng .................................................................. 14
2.1. Thời gian lưu trong thiết bị phản ứng ........................................................ 14
2.1.1. Định nghĩa .......................................................................................... 14
2.1.2. Phân bố thời gian lưu trong các mô hình lý tưởng ............................... 16
3. Đặc trưng nhiệt trong thiết bị phản ứng ............................................................... 19
3.1. Đặc điểm .................................................................................................. 19
3.2. Phương trình cân bằng nhiệt và nhiệt phản ứng ......................................... 19
3.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến mức chuyển hóa ........................................... 21
3.4. Chế độ nhiệt tối ưu của phản ứng .............................................................. 22
3.5. Các biện pháp duy trì chế độ nhiệt tối ưu .................................................. 24
3.5.1. Trao đổi nhiệt qua thành ..................................................................... 24
3.5.2. Điều chỉnh nhiệt độ ban đầu ................................................................ 25
3.5.3. Dùng chất tải nhiệt .............................................................................. 25
3.5.4. Tuần hoàn hỗn hợp phản ứng .............................................................. 27
3.5.5. Đặc trưng tự nhiệt của thiết bị phản ứng.............................................. 27
4. Thiết bị phản ứng xúc tác khí – rắn ..................................................................... 30
4.1. Đặc điểm .................................................................................................. 30
4.2. Xúc tác dị thể ............................................................................................ 30
4.3. Phân bố bề mặt riêng theo kích thước mao quản. ...................................... 30
4.4. Các quá trình xảy ra trong phản ứng dị thể ................................................ 31
Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 35
1
1. Giới thiệu về thiết bị phản ứng
1.1. Khái niệm chung
1.1.1. Giới thiệu
Trong công nghiệp hóa học (đặc biệt là tổng hợp hữu cơ-hóa dầu), có rất nhiều quá
trình sản xuất có sử dụng thiết bị phản ứng và luôn được bố trí, lắp đặt theo một quy trình
tổng quát sau:
Công đoạn chuẩn bị nguyên liệu (1)
Làm sạch các tạp chất, tạo hỗn hợp phản ứng, gia nhiệt hỗn hợp nguyên liệu ban đầu
trước khi đưa vào thiết bị phản ứng để đảm bảo chất lượng của hỗn hợp nguyên liệu trước
khi đưa vào thiết bị phản ứng, đồng thời phải đáp ứng linh hoạt được với nhiều nguồn
nguyên liệu thô có nguồn gốc, chất lượng khác nhau.
Ví dụ trong các thiết bị phản ứng có sử dụng xúc tác (đặc biệt là xúc tác kim loại) kết
hợp điều kiện phản ứng ở nhiệt độ cao, áp suất cao… khi có mặt các tạp chất (đặc biệt các
hợp chất chứa lưu huỳnh) sẽ làm ngộ độc xúc tác. Làm sạch nguyên liệu khỏi các hợp chất
chứa lưu huỳnh được thực hiện trong phân xưởng HDS (Hydro DeSunfua). Hỗn hợp phản
ứng thường bao gồm nhiều nguồn nguyên liệu khác nhau, do đó cần phải tiến hành trộn lẫn
trong các thiết bị cơ học, nên cần một phân xưởng để trộn và xử lý để đảm bảo tính ổn định
cho hỗn hợp nguyên liệu vào thiết bị phản ứng. Nhiệt độ để tiến hành phản ứng thường khác
xa với nhiệt độ nguyên liệu ban đầu, nên cần thiết phải có thiết bị gia nhiệt cho hỗn hợp
nguyên liệu đầu trước khi đưa vào thiết bị phản ứng, do đó cần rất nhiều thiết bị trao đổi
nhiệt, thậm chí là lò đốt để gia nhiệt.
Công đoạn tách và tinh chế sản phẩm (3)
Sản phẩm của phản ứng thường là một hỗn hợp rất phức tạp gồm nhiều chất khác nhau,
trong đó có sản phẩm chính, sản phẩm phụ và nguyên liệu chưa chuyển hóa hết do đó cần
thiết phải sử dụng các thiết bị tách và tinh chế sản phẩm để thu được sản phẩm đạt tiêu
Tuần hoàn nguyên liệu chưa chuyển hóa
Nguyên liệu
chính
Nguyên liệu
phụ Sản ph
ẩ
m
phụ
Chuẩn bị
nguyên liệu
Thiết bị
phản ứng
Tách và
tinh chế sản
phẩm
( 1 ) ( 3 ) ( 2 )
Sản ph
ẩ
m
chính
2
chuẩn cho phép, tuần hoàn lại nguyên liệu chưa phản ứng để tăng hiệu quả kinh tế của quá
trình.
Tuy nhiên, nếu độ chuyển hóa của phản ứng thấp thì việc tuần hoàn nguyên liệu sẽ tốn
năng lượng mà lại không thu thêm được hiệu quả kinh tế do đó phải tìm cách để nâng cao độ
chuyển hóa. Nhưng có một số không thể nâng độ chuyển hóa lên cao được vì khi đó là kèm
theo sự làm tăng phản ứng phụ, tạo ra nhiều sản phẩm không mong muốn, từ đó gây ra giảm
độ chọn lọc của sản phẩm chính. Do đó việc tuần hoàn nguyên liệu là rất cần thiết.
Công đoạn thiết bị phản ứng (2)
Thực hiện các phản ứng chuyển hóa nguyên liệu thành các sản phẩm dưới tác dụng của
nhiệt độ, áp suất và xúc tác thích hợp.
Thiết bị phản ứng làm việc dưới các điều kiện nhiệt độ, áp suất,… sẽ quyết định đến độ
chuyển hóa và độ chọn lọc của các phản ứng.
Khi năng suất thiết bị lớn (điển hình là các thiết bị phản ứng trong các nhà máy lọc hóa
dầu) thì chỉ cần thay đổi độ chuyển hóa một vài phần trăm cũng sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu
quả kinh tế của quá trình sản xuất.
1.1.2. Thiết bị phản ứng
Thiết bị phản ứng là nơi xảy ra các phản ứng chủ yếu, tạo sản phẩm mong muốn.
Với: C0, C1 lần lượt là nồng độ chất phản ứng đi vào và đi ra khỏi thiết bị phản ứng.
Các chế độ công nghệ, cấu trúc, kích thước,… thiết bị phản ứng sẽ quyết định đến độ chuyển
hóa và độ chọn lọc của phản ứng.
Mức độ chuyển hóa (x):
01 1
00
1
CC C
xx
CC
10
0 1 0x do C C
Độ chọn lọc:
Xét phản ứng:
TBPƯ
C0 C1