Nguyên lý hóa công nghiệp

g với giá trị cực tiểu của NLT(rf + 1) b … … … … rf B NLT NLT(rf + 1) Nguyên lý hóa công nghiệp 19 xP Đường làm việc đoạn luyện Đường làm việc đoạn chưng B = xP/(Rx+1) xW xF 2.5.6. Xác định số đĩa thực tế NTT Số đĩa thực tế: tb LT TT NN η= 3 WFP tb η+η+η=η Với : ηP, ηF, ηW - hiệu suất của đĩa đầu tiên ở đỉnh tháp, của đĩa nạp liệu và của đĩa cuối cùng ở đáy tháp. Hiệu suất đĩa là một hàm của độ bay hơi tương đối α và độ nhớt µ của chất lỏng: ( )µα=η ,f Nguyên lý hóa công nghiệp 20 Trong đó : α - độ bay hơi tương đối của hỗn hợp µ - độ nhớt của hỗn hợp lỏng, N.s/m2 Độ bay hơi tương đối của các hỗn hợp thực được xác định theo công thức: x x1 y1 y −⋅−=α y, x : nồng độ phần mol của cấu tử dễ bay hơi trong pha hơi và pha lỏng Sau khi tính được tích (α , µ) ⇒ Tra đồ thị “Correlation de O’Connel”⇒ xác định được ηP, ηF, ηW ⇒ xác định ηtb ⇒ NTT Nguyên lý hóa công nghiệp 21 THỰC HÀNH VẬN DỤNG PHẦN MỀM PROII ĐỂ MÔ PHỎNG MỘT SỐ SƠ ĐỒ TRONG CÔNG NGHIỆP HÓA HỌC I- Giới thiệu tổng quan 1- Mục đích, vai trò của thiết kế mô phỏng • Thiết kế mô phỏng là quá trình thiết kế với sự trợ giúp của máy tính với các phần mềm chuyên nghiệp • Mô phỏng là một công cụ cho phép người kỹ sư tiến hành công việc một cách hiệu quả hơn khi thiết kế một quá trình mới hoặc phân tích, nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng dến một quá trình đang hoạt động trong thực tế. • Tốc độ của công cụ mô phỏng cho phép khảo sát nhiều trường hợp hơn trong cùng thời gian với độ chính xác cao hơn nếu so với tính toán bằng tay. Hơn nữa, chúng ta có thể tự động hóa quá trình tính toán các sơ đồ công nghệ để tránh việc phải thực hiện các phép tính lặp không có cơ sở hoặc mò mẫm. • Thiết kế mô phỏng thường được sử dụng để : - Thiết kế (Designing) một quá trình mới - Thử lại, kiểm tra lại (Retrofitting) các quá trình đang tồn tại - Hiệu chỉnh (Troubleshooting) các quá trình đang vận hành - Tối ưu hóa (Optimizing) các quá trình vận hành • Để xây dựng một mô hình mô phỏng hiệu quả, chúng ta phải xác định đúng mục tiêu. Bước đầu tiên trong bất cứ một quá trình mô phỏng nào là lượng hóa các mục tiêu càng nhiều càng tốt. Các kết quả đạt được thường phụ thuộc vào các Nguyên lý hóa công nghiệp 22 yêu cầu đặt ra. Như vậy, trước khi mô phỏng một quá trình nên đặt ra các câu hỏi sau : - Mục đích sử dụng công cụ mô phỏng trong trường hợp này để làm gì ? - Quá trình mô phỏng sẽ thực hiện những việc gì ? - Sự phức tạp có cần thiết không ? - Cần thiết phải tìm ra các kết quả nào từ quá trình mô phỏng ? • Cần nhớ rằng các giá trị thu được từ kết quả mô phỏng phụ thuộc rất nhiều vào những lựa chọn ban đầu mà chúng ta đã nhập vào. 2- Các phần mềm mô phỏng trong công nghệ hóa học • Trong công nghệ hóa học, người ta sử dụng rất nhiều các phần mềm mô phỏng : - DESIGN II (WINSIM) : sử dụng trong công nghiệp hóa học nói chung - PRO/II (SIMSCI) : sử dụng trong công nghiệp hóa học, công nghiệp lọc - hóa dầu - PROSIM : sử dụng trong công nghiệp hóa học - HYSIM (HYSYS) : sử dụng trong công nghiệp chế biến khí • Trong các phần mềm kể trên, phần mềm PRO/II là phần mềm nổi tiếng nhất, được sử dụng rộng rãi nhất trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. II- Phần mềm PRO/II 1- Lĩnh vực sử dụng • Phần mềm PRO/II là phần mềm tính toán chuyên dụng trong các lĩnh vực công nghệ hóa học nói chung, đặc biệt trong lĩnh vực lọc dầu, hóa dầu, polymer, hóa dược, ... Đây là phần mềm tính toán rất chính xác các quá trình chưng cất. Là sản phẩm của SIMSCI, hình thành từ năm 1967 và được chính thức sử dụng vào Nguyên lý hóa công nghiệp 23 năm 1988 sau nhiều lần được cải tiến. Hiện nay, chúng ta đang sử dụng phiên bản PRO/II 7.0 • PRO/II vận hành theo các modul liên tiếp, mỗi thiết bị được tính riêng lẽ và lần lượt tính cho từng thiết bị. • PRO/II bao gồm các nguồn dữ liệu phong phú : thư viện các cấu tử hóa học, các phương pháp xác định các tính chất nhiệt động, các kỹ xảo vận hành các thiết bị hiện đại để cung cấp cho các kỹ sư công nghệ các kỹ năng để biểu diễn tất cả các tính toán cân bằng vật chất và năng lượng cần thiết khi mô phỏng các trạng thái dừng của các sơ đồ công nghệ. • Phần mềm PRO/II được sử dụng theo nhằm 2 mục đích chính: - Thiết kế một phân xưởng mới (Sizing) - Mô phỏng một phân xưởng đã được xây dựng trong thực tế để nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự vận hành của nó (Rating) như : thay đổi nguồn nguyên liệu, điều kiện vận hành hoặc tiêu chuẩn kỹ thuật của sản phẩm, ... 2- Quá trình mô phỏng bằng phần mềm PRO/II • Trước khi tiến hành mô phỏng, chúng ta phải diễn đạt các dữ liệu từ sơ đồ thực tế thành mô hình mô phỏng. Quá trình này bao gồm các bước sau : - Xác định hệ đơn vị đo : có 3 hệ đơn vị đo : hệ Anh, hệ Mét và hệ SI. Tuỳ trường hợp, chúng ta chọn hệ đơn vị đo cho thích hợp, thông thường chọn hệ Mét; - Xác định thành phần cấu tử có trong hệ : được chọn từ nguồn dữ liệu phong phú các cấu tử của PROII; - Lựa chọn các phương trình nhiệt động thích hợp : trên cơ sở thành phần hóa học của nguyên liệu và điều kiện vận hành của thiết bị ; Nguyên lý hóa công nghiệp 24 - Lựa chọn các dòng nguyên liệu và sản phẩm : xác định thành phần, trạng thái nhiệt của các dòng; - Xác định các dữ liệu về thiết bị và điều kiện vận hành cho các thiết bị. • Hơn nữa, trong nhiều trường hợp chúng ta phải thay đổi sơ đồ công nghệ thực tế sang mục đích mô phỏng. Mặc dù có sự tương ứng giữa sơ đồ công nghệ thực tế và sơ đồ mô phỏng nhưng vẫn có những sự khác biệt cần chú ý. • Vì công cụ mô phỏng chỉ mô tả trạng thái dừng nên trong sơ đồ mô phỏng không nên bố trí các thiết bị điều khiển, kiểm tra. • PRO/II mặc định Condenser được xem là 1 bậc thay đổi nồng độ (1 đĩa lý thuyết) và Reboiler cũng được xem là một bậc thay đổi nồng độ và dạng Kettle được mặc định sử dụng. III- Lý thuyết nhiệt động học Các tính chất nhiệt động là cơ sở dữ liệu quan trọng nhất cho việc tính toán quá trình phân tách toàn hệ thống. Có nhiều phương pháp tính toán các tính chất này, trong đó, quan trọng nhất là 2 phương pháp : - Phương pháp tương quan : API và Rackett - Phương pháp phương trình trạng thái : phương trình bậc ba tổng quát, công thức Alpha, các qui luật hỗn hợp, phương trình SRK, phương trình PR, phương trình SRKP, SRKM, SRKS, ... Phương pháp API và Rackett tính toán khá chính xác tỉ trọng của pha lỏng, còn các tính chất nhiệt động khác như : enthalpie, entropie lỏng và hơi, tỉ trọng pha hơi, ... thì được tính toán rất chính xác bằng các phương trình trạng thái như : SRK, SRKM, ... Nguyên lý hóa công nghiệp 25 IV- Cơ sở lựa chọn mô hình nhiệt động • Lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp cho một ứng dụng cụ thể đóng một vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả mô phỏng • Mỗi phương pháp nhiệt động cho phép tính các thông số sau : - Hằng số cân bằng pha K : thể hiện sự phân bố cấu tử giữa các pha ở điều kiện cân bằng - Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : xác định năng lượng cần thiết để chuyển một hệ từ trạng thái nhiệt động này sang trạng thái khác - Enthapie của các pha lỏng và pha hơi : nhằm phục vụ việc tính toán các máy nén, giản nở và năng lượng tự do tối thiểu ở các thiết bị phản ứng - Tỉ trọng của pha lỏng và pha hơi : để tính toán quá trình truyền nhiệt, trở lực và xác định kích thước tháp chưng cất • Để lựa chọn mô hình nhiệt động thích hợp, nên dựa vào các yếu tố sau : - Bản chất của các đặc trưng nhiệt động của hệ như : Hằng số cân bằng lỏng-hơi (VLE : Vapor Liquid Equilibrium) của các quá trình chưng cất, cô đặc hoặc bốc hơi, quá trình trích ly, ... - Thành phần của hỗn hợp - Phạm vi nhiệt độ và áp suất - Tính sẳn có của các thông số hoạt động của các thiết bị • Cụ thể, ta có thể dựa vào sơ đồ sau : Nguyên lý hóa công nghiệp 26 Nguyên lý hóa công nghiệp 27 Nguyên lý hóa công nghiệp 28 V- Các phần cơ bản của PROII 1- Giao diện của PROII- Qui ước ban đầu Khi khởi động PROII, đầu tiên sẽ xuất hiện một cửa sổ giao diện qui ước ban đầu: Các nút hoặc các biểu tượng trong một vài trường hợp được viền quanh bởi 1 trong 6 màu: đỏ, xanh lục, xanh dương, vàng, nâu và đen. Ý nghĩa của mỗi màu như sau : • Đỏ : dữ liệu yêu cầu cần phải nhập • Xanh lục : dữ liệu mặc định hoặc lựa chọn • Xanh dương : dữ liệu bạn vừa cung cấp thoả mãn yêu cầu • Vàng : báo rằng số liệu bạn vừa nhập ngoài khoảng cho phép • Nâu : dữ liệu không có giá trị • Đen : dữ liệu không yêu cầu nhập vào Nguyên lý hóa công nghiệp 29 2- Cửa sổ PRO/II Từ File menu ⇒ Chọn New : một cửa sổ View1 sẽ xuất hiện cho chúng ta một flowsheet mới như sau: Màn hình bao gồm : • Dòng trên cùng gọi là Application Title Bar (Thanh tiêu đề ứng dụng), ở đó có tên của ứng dụng là PRO/II with PROVISION, kèm theo là Document Title Bar (Thanh tiêu đề tài liệu) ở đó có tên của chương trình mô phỏng đang thực hiện (chẳng hạn là View 1 - là tên nguyên của tài liệu khi mới khởi động PRO/II) • Dòng thứ hai gọi là Menu Bar (Thanh trình đơn) gồm 10 mục từ File đến Help ; • Dòng thứ ba gọi là Standard Tool Bar (Thanh công cụ chuẩn) chứa biểu tượng của các lệnh thường dùng • Bên phải và phía dưới màn hình là thanh trượt dọc và thanh trượt ngang • Bên phải màn hình, bên ngoài thanh trượt dọc là thanh công cụ floating PFD (Pipe Flow Diagram). Nếu thanh công cụ PFD không hiển thị thì ta có thể gọi nó như sau : Nguyên lý hóa công nghiệp 30 - click vào biểu tượng Show or Hide PFD Palette trên Standard Tool Bar - hoặc từ View ⇒ Palettes ⇒ nhắp chọn (hoặc không) PFD • Ngoài ra còn có thanh công cụ Run. Để làm xuất hiện hoặc biến mất thanh công cụ này cũng từ View ⇒ Palettes ⇒ nhắp chọn (hoặc không) Run VI- Các thao tác thường dùng trong mô phỏng bằng PRO/II 1- Mở một chương trình mô phỏng mới (Opening a New Simulation) • Từ File Menu ⇒ New • Nếu bạn muốn PRO/II luôn luôn được mở với một chương trình mô phỏng mới ⇒ Options Menu ⇒ New File on Startup 2- Mở một chương trình mô phỏng đã có (Opening an Existing Simulation) Bạn có thể mở bất kỳ một chương trình mô phỏng nào đã được ghi trước đó để chỉnh sửa, xem hoặc in. Qui trình : • Từ File Menu ⇒ Open ⇒ hiển thị cửa sổ Open Simulation . • Đánh tên chương trình vào hoặc chọn tên file mô phỏng • OK hoặc Enter ⇒ hiển thị file Simulation cần thiết 3- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành (Saving the Current Simulation) a- Ghi một file mô phỏng đang hiện hành • Từ File Menu ⇒ Save ⇒ nếu bạn chưa ghi chương trình mô phỏng này lần nào thì sẽ hiển thị cửa sổ Save as ⇒ nhập tên ⇒ Chọn OK hoặc nhắp Enter. Còn sau lần ghi đầu tiên, muốn ghi lại file đang hiện hành ⇒ nhắp vào biểu tượng Save • Chương trình PRO/II sẽ tự động nén 3 file dữ liệu (*.pr1, .pr2, .pr3) và 1 file flowsheet biểu đồ các dòng (*.sfd) thành một file đơn *.prz. Vì vậy, bên cạnh việc giảm kích thước của các file lưu trữ còn đảm bảo rằng việc cài đặt file đã hoàn thành mỗi khi chúng ta ghi các chương trình mô phỏng Nguyên lý hóa công nghiệp 31 • Chức năng Autosave của PRO/II sẽ tự động tạo một file sao chép dự phòng (backup file). Nếu bạn đóng hoặc thoát ra chương trình mô phỏng mà không ghi thì file này sẽ bị xóa. Hãy chọn Options / simulation Defaults / Autosave từ menu bar ⇒ hiển thị cửa sổ Autosave Options ⇒ nhắp chọn Automatic Save File every ⇒ nhập chu kỳ save (phút) ⇒ OK b- Ghi một file mô phỏng với một tên khác Từ File Menu ⇒ chọn Save as ⇒ hiển thị cửa sổ Save as ⇒ Nhập tên mới cho chương trình mô phỏng ⇒ Chọn OK hoặc nhắp Enter 4- Xóa một chương trình mô phỏng (Deleting a Simulation) • Từ File Menu ⇒ chọn Delete ⇒ PRO/II sẽ hiển thị một danh sách các file mô phỏng đã có • Nhập hoặc chọn tên của flie muốn xóa (Bạn không thể xóa một chương trình mô phỏng đang hiện hành) • Chọn OK hoặc nhắp Enter ⇒ PRO/II sẽ xóa tất cả các file liên kết với chương trình mô phỏng này 5- Sao chép một chương trình mô phỏng (Copy a Simulation) • PRO/II có thể copy tất cả các file liên kết với chương trình mô phỏng (3 file dữ liệu và 1 flowsheet) vào một file mô phỏng mới hoặc đang hiện hành. Nếu bạn muốn copy vào một file mô phỏng đang hiện hành ⇒ PRO/II sẽ hỏi bạn có muốn viết đè lên file hiện hành này không ? • Từ File Menu ⇒ chọn Copy ⇒ PRO/II sẽ hiển thị cửa sổ Select File to Copy ⇒ Hãy chọn tên file cần copy (Bạn không thể copy một chương trình mô phỏng đang hiện hành) ⇒ Nhập tên file đích (target) ⇒ OK Nguyên lý hóa công nghiệp 32 6- Thay đổi dạng đường viền các dòng (Modifying the Flowsheet Stream Border Style) • Thông thường đường viền các dòng thường có dạng hình chữ nhật ⇒ Chúng ta có thể thay đổi thành đường viền dạng tròn. Qui trình như sau : - Right-click vào dòng được chọn ⇒ hiển thị cửa sổ lựa chọn - Chọn Display ⇒ xuất hiện cửa sổ Stream Style - Chọn Circle từ drop-down list box của Stream Label Border - click OK ⇒ đường viền dòng được chọn từ dạng hình chữ nhật chuyển thành đường viền dạng tròn • Với cách như trên, bạn có thể thay đổi dạng đường viền cho từng dòng riêng lẽ. Còn nếu muốn, bạn có thể click chuột trái và quét chọn một hình chữ nhật bao xung quanh các dòng muốn thay đổi dạng đường viền rồi tiến hành qui trình như trên. Hoặc bạn có thể mặc định dạng đường viền cho tất cả các dòng ngay từ đầu theo qui trình sau : - Từ Options Menu ⇒ Drawing Defauts ⇒ Stream Display ⇒ hiển thị cửa sổ Stream Style - Chọn Circle từ drop-down list box của Stream Label Border. Và lựa chọn này chỉ có giá trị khi chúng ta chọn Name ở mục Stream Label Type ⇒ OK 7- Hiển thị tính chất của dòng trên sơ đồ mô phỏng • Qui trình như sau : - Right-click vào dòng được chọn ⇒ hiển thị cửa sổ lựa chọn - Chọn Display ⇒ xuất hiện cửa sổ Stream Style - Chọn Properties từ drop-down list box ở mục Stream Label Type - Mặc định ở mục Property List là Property Label List ⇒ sẽ hiển thị tên, nhiệt độ, áp suất và lưu lượng dòng ⇒ OK Nguyên lý hóa công nghiệp 33 8- Sử dụng Flash Hot-Key Tool • PRO/II có một công cụ hữu ích cho phép hiển thị nhanh chóng các tính toán flash của bất kỳ dòng nào được chọn ⇒ Đó là công cụ Flash Hot-Key, cung cấp một phương tiện nhanh chóng, dễ dàng để xác định hàm lượng và thành phần của pha lỏng và pha hơi của bất kỳ dòng nào Nguyên lý hóa công nghiệp 34 9- Xuất một sơ đồ mô phỏng ra cửa sổ lưu trữ tạm (Exporting the PFD to the Windows Clipboard) Từ Clipboard, bạn có thể dán một cách đơn giản hình vẽ lên bất kỳ một chương trình soạn thảo nào như trong Microsoft Word. Qui trình như sau : • Từ Menu ⇒ File ⇒ Export • Chọn Flowsheet Drawing • Click OK ⇒ PRO/II sẽ hiển thị một hộp hội thoại để khẳng định rằng flowsheet đã được xuất ra cửa sổ lưu trữ tạm 10- Nhập một file PRO/II có sẳn (Importing a PRO/II Keyword Input File) Bạn có thể nhập một file keyword Input của PRO/II dạng *.inp có sẳn vào giao diện PRO/II đang hiện hành. PRO/II sẽ tự động chuyển đổi file này thành một sơ đồ tính toán và chúng ta có thể tiến hành mô phỏng như mô phỏng trên một sơ đồ PFD, từ đó chúng ta có thể chỉnh sửa theo ý mình • Từ Menu ⇒ File ⇒ Import • Nhập hoặc chọn tên của flie muốn nhập • Chọn OK hoặc nhắp Enter 11- Xác định các tính chất về cân bằng lỏng - hơi của các hệ 2 cấu tử (Display BVLE) Để xác định các tính chất về bằng lỏng - hơi của các hệ 2 cấu tử này ở áp suất thường (1 atm) hay ở một áp suất bất kỳ nào đó, ta sử dụng công cụ Display BVLE. Qui trình như sau : • Chọn hệ đơn vị • Chọn cấu tử • Chọn mô hình nhiệt động thích hợp Nguyên lý hóa công nghiệp 35 • Nhắp chọn biểu tượng Display BVLE ⇒ Chọn các cấu tử, chọn áp suất và nhắp chọn Calculate ⇒ Ta sẽ được 5 loại biểu đồ: • Biểu đồ X - Y • Biểu đồ T - X - Y • Biểu đồ hệ số Fugacity • Biểu đồ hằng số cân bằng K thay đổi theo thành phần mol • Biểu đồ hằng số cân bằng K thay đổi theo Nguyên lý hóa công nghiệp 36 VII- BÀI TẬP ÁP DỤNG Bài toán 1: Mô phỏng sơ đồ công nghệ của phân xưởng tách Méthane Tháp Demethanizer để tách methane ra khỏi hỗn hợp khí trong sơ đồ sử dụng turbo- expander. Lưu lượng dòng khí nguyên liệu : 8 m3/s Nhiệt độ : 120 oF Aïp suất : 602,7 psia (pound per square inch absolute) (1 psi = 0,06896 bar; 602,7 psia = 588,2 psig; 1pound = 453,6 g) Thành phần của hỗn hợp khí ban đầu như sau : Cấu tử % mol Cấu tử % mol N2 CH4 C2H6 C3H8 i-C4H10 7,91 73,05 7,68 5,69 0,99 n-C4H10 i-C5H12 n-C5H12 C6H14 C7H16 2,44 0,69 0,82 0,42 0,31 Trong đó: Hiệu suất của máy nén là 75%; Hiệu suất của thiết bị giản nở: 80% Yêu cầu chất lượng của sản phẩm đáy là tỉ lệ C1/C2 = 0.015 Hãy xác định: 1. Công suất thực của máy nén C1? 2. Thành phần, nhiệt độ và áp suất của các dòng sản phẩm khí và lỏng? ⇒ Phương pháp tiến hành: Chúng ta sẽ chia sơ đồ trên thành 2 vùng : • Vùng 1 : mô phỏng 3 thiết bị đơn giản để làm quen với phần mềm PROII • Vùng 2 : Chúng ta sẽ mô phỏng toàn bộ quá trình để tìm hiểu những điểm ưu việt của phần mềm PROII Nguyên lý hóa công nghiệp 37 Nguyên lý hóa công nghiệp 38 Bài toán 2: Mô phỏng thiết bị tách khí - lỏng Cho vào thiết bị tách khí lỏng một dòng nguyên liệu với các dữ liệu sau: • Lưu lượng : 100 kmol/h; t = 300C ; P = 10 bar • Thành phần hóa học: Méthane : 13 kmol/h Ethane : 22 kmol/h Propane : 38 kmol/h Butane : 22 kmol/h Pentane : 5 kmol/h Điều kiện làm việc của thiết bị tách: 300C và 7 bar Hãy xác định: 1. Phần mol bay hơi của nguyên liệu trong điều kiện của bình tách? 2. Thành phần của lỏng và hơi ra khỏi thiết bị tách? 3. Năng suất nhiệt của thiết bị tách? Nguyên lý hóa công nghiệp 39 Bài toán 3: Tính nhiệt độ sôi của một hỗn hợp hai pha ở một áp suất nhất định Nguyên liệu có thành phần như bài toán 2, lưu lượng = 5500 kg/h. Hãy xác định: 1. Nhiệt độ sôi của hỗn hợp nguyên liệu này ở áp suất 7 bar? 2. Hằng số cân bằng pha của các cấu tử ? 3. Thành phần hỗn hợp hơi cân bằng với lỏng? 4. Năng suất nhiệt của thiết bị tách? ⇒ Giải quyết bài toán Để giải quyết bài toán trên, ta tiến hành các bước: • Giả thiết cho hỗn hợp nguyên liệu này đi vào một bình tách làm việc ở áp suất là 7 bar. • Tiến hành mô phỏng như bài toán 2 • Vì muốn xác định nhiệt độ sôi của hỗn hợp ⇒ ở cửa sổ Flash Drum, ở mục Second Specification ⇒ Chọn Bubble point ở mục Unit Specification • Do phải xác định hằng số cân bằng pha của các cấu tử ⇒ ở cửa sổ Flash Drum, ở mục Print Option ⇒ Chọn Include Component K - values Nguyên lý hóa công nghiệp 40 Sơ đồ bài toán Bài toán 4: Mô phỏng tháp tách propane Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau : • Nguyên liệu : - năng suất : 400 tấn/ngày - P = 18 bar - có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng C3 và 74 % khối lượng C4 • Tháp : - 22 đĩa lý thuyết; nạp liệu ở đĩa 13 - áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết - thiết bị ngưng tụ hoàn toàn ; áp suất bình tách : 16,2 bar • Chỉ tiêu chất lượng sau : - sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4 Nguyên lý hóa công nghiệp 41 - sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3 ⇒ Hãy xác định : - Chỉ số hồi lưu ? - Năng suất nhiệt của thiết bị đun sôi lại và thiết bị ngưng tụ (MkCal/ngày) - Lưu lượng sản phẩm đỉnh và sản phẩm đáy ? Sơ đồ bài toán Nguyên lý hóa công nghiệp 42 Bài toán 5: Xác định đĩa nạp liệu tối ưu cho tháp tách propane bằng công cụ Optimiser Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau : • Nguyên liệu : - năng suất : 400 tấn/ngày - P = 18 bar - có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng butane • Tháp : - 22 đĩa lý thuyết - áp suất đỉnh : 16,5 bar; trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết Nguyên lý hóa công nghiệp 43 - thiết bị ngưng tụ hoàn toàn - áp suất bình tách : 16,2 bar • Chỉ tiêu chất lượng sau : - sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4 - sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3 ⇒ Hãy xác định đĩa nạp liệu tối ưu để năng suất của thiết bị đun sôi lại là bé nhất Nguyên lý hóa công nghiệp 44 Bài toán 6: Xác định số đĩa lý thuyết tối thiểu và chỉ số hồi lưu tối thiểu cho tháp tách propane bằng phương pháp shortcut Bài toán Tính cho tháp Depropanizer với các dữ liệu ban đầu như sau : • Nguyên liệu : - năng suất : 400 tấn/ngày - P = 18 bar - có thành phần 40% hơi gồm : 26% khối lượng propane và 74 % khối lượng butane • Tháp : - áp suất đỉnh : 16,5 bar - trở lực : 10 mbar/đĩa lý thuyết Nguyên lý hóa công nghiệp 45 - thiết bị ngưng tụ hoàn toàn - áp suất bình tách : 16,2 bar • Chỉ tiêu chất lượng sau : - sản phẩm đỉnh : có 0,5% khối lượng C4 - sản phẩm đáy : có 0,5% khối lượng C3 ⇒ Hãy xác định : - Số đĩa lý thuyết tối thiểu? - Chỉ số hồi lưu tối thiểu? Nguyên lý hóa công nghiệp 46 CHƯƠNG 3: TRÍCH LY 3.1. Nguyên tắc - Trích ly là quá trình tách hoàn toàn hay một phần chất hòa tan trong chất lỏng hay chất rắn bằng một chất lỏng khác → Chỉ xét cho hỗn hợp lỏng - lỏng - Yêu cầu của dung môi: - Hòa tan chọn lọc cấu tử cần tách; - Hệ số khuyếch tán D lớn → vận tốc chuyển khối lớn; - Nhiệt dung riêng và nhiệt hóa hơi nhỏ (tiết kiệm khi hoàn nguyên dung môi); - Độ bay hơi lớn (nhiệt độ sôi nhỏ); - Không ăn mòn thiết bị, không tác dụng hóa học với các cấu tử trong hỗn hợp; - Rẻ tiền, dễ kiếm; 3.2. Sơ đồ Hỗn hợp lỏng A + B (A: cấu tử cần tách) S: dung môi Pha R (B + εA-S) Pha E (A-S + εB) 3.3. Ứng dụng - Trong công nghiệp lọc hóa dầu: tách các sản phẩm có nhiệt độ sôi gần nhau; - Trong công nghiệp dược phẩm: tách pénicilline từ hỗn hợp lên men; - Trong công nghiệp luyện kim: tách kim loại trong dung dịch ; - Trong công nghiệp thực phẩm: tách dầu béo, tinh dầu từ nguyên liệu; Nguyên lý hóa công nghiệp 47 CHƯƠNG 4: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 4.1. ĐẠI CƯƠNG 4.1.1. PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG a- 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 b- Điều kiện tiến hành quá trình • Theo phương thức làm việc: - thiết bị phản ứng gián đoạn - liên tục - bán liên tục • Theo điều kiện nhiệt - thiết bị phản ứng đẳng nhiệt - đoạn nhiệt c- Theo điều kiện thủy động • Theo chiều chuyển động của các pha : - thiết bị phản ứng xuôi dòng, ngược dòng hoặc dòng chéo nhau - thiết bị phản ứng dọc trục hoặc xuyên tâm Nguyên lý hóa công nghiệp 48 • Theo chế độ chuyển động : - thiết bị phản ứng dạng ống ; - thiết bị phản ứng khuấy trộn hoàn toàn - thiết bị phản ứng nhiều ngăn. • Theo trạng thái tầng xúc tác : - thiết bị phản ứng tầng xúc tác cố định ; - thiết bị phản ứng tầng xúc tác di động ; - thiết bị phản ứng tầng sôi ; - thiết bị phản ứng tầng xúc tác kéo theo 4.1.2. PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM VIỆC Tuỳ thuộc vào phương thức làm việc, người ta chia thiết bị phản ứng thành 3 loại : a- Thiết bị phản ứng gián đoạn : • Định nghĩa : 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 Nguyên lý hóa công nghiệp 49 - 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 tự động 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 b- 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 - 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 Nguyên lý hóa công nghiệp 50 c- 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 ¾ ⇒ Khi tính toán thiết kế thiết bị phản ứng phải dựa trên yêu cầu của sản xuất (năng suất và chất lượng sản phẩm). Trên cơ sở các phương trình cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt - là những phương trình toán học mô tả quan hệ giữa các thông số động học, nhiệt động và các điều kiện thực hiện quá trình với các thông số đặc trưng cho kích thước hình học của thiết bị như thể tích, chiều dài thiết bị, thời gian lưu, ... từ đó có thể tính toán các kích thước cơ bản của thiết bị. 4.1.3. NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG • Thiết kế một thiết bị phản ứng là xác định kích thước của thiết bị đó để đạt được hiệu suất thu sản phẩm mong muốn, đồng thời xác định nhiệt độ, áp suất và thành phần của hỗn hợp phản ứng ở điều kiện vận hành tại các phần khác nhau của thiết bị. • Các số liệu cần thiết hay còn gọi là điều kiện thiết kế bao gồm : - Các dữ liệu ban đầu của dòng nguyên liệu như : lưu lượng, nhiệt độ, áp suất, thành phần các chất tham gia phản ứng, ... - Chế độ vận hành của thiết bị : gián đoạn hoặc liên tục, đoạn nhiệt hoặc đẳng nhiệt, ... - Yêu cầu về năng suất và chất lượng sản phẩm. • Thiết kế tối ưu dựa trên nguyên liệu, chi phí ban đầu, chi phí vận hành và giá trị thương mại của sản phẩm cuối cùng Nguyên lý hóa công nghiệp 51 4.2. CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT 4.2.4. 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. • Trong một phân tố thể tích ∆V và một phân tố thời gian ∆t, cân bằng vật chất dạng tổng quát là : Lượng tác chất nhập vào phân − tố thể tích Lượng tác chất rời khỏi phân − tố thể tích Lượng tác chất phản ứng trong = phân tố thể tích Lượng tác chất còn lại trong (III-1) phân tố thể tích • Số hạng thứ ba phụ thuộc vào vận tốc phản ứng trong phân tố thể tích ∆V và có dạng (-rA).∆V.∆t với (-rA) - phương trình vận tốc phản ứng hóa học • phương trình (5-1) có thể tính theo khối lượng hoặc theo mol. 4.2.5. Cân bằng nhiệt • Cân bằng nhiệt nhằm mục đích xác định nhiệt độ tại mỗi điểm trong thiết bị phản ứng (hay tại mỗi thời điểm nếu thiết bị hoạt động gián đoạn) để xác định đúng vận tốc tại điểm đó. • Trong một phân tố thể tích ∆V và một phân tố thời gian ∆t, phương trình cân bằng nhiệt tổng quát cho thiết bị phản ứng là : Nhiệt do tác chất mang vào phân − tố thể tích Nhiệt do tác chất mang ra khỏi + phân tố thể tích Nhiệt trao đổi với môi trường = bên ngoài Nhiệt tích tụ lại trong phân (III-2) tố thể tích • Dạng của phương trình (III-1) và (III-2) phụ thuộc vào loại thiết bị phản ứng và phương pháp vận hành. Trong nhiều trường hợp, một hoặc nhiều số hạng của phương trình trên sẽ không có. Nguyên lý hóa công nghiệp 52 4.3. MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN Thiết bị phản ứng liên tục Đối với dạng thiết bị này, ta phân thành 2 loại cơ bản : a- Thiết bị phản ứng dạng ống : • Trong thiết bị phản ứng dạng ống, nguyên liệu được nhập vào một đầu của ống hình trụ và dòng sản phẩm ra ở đầu kia ; • Do thiết bị này thường hoạt động ở trạng thái ổn định, không có sự khuấy trộn theo phương dọc trục nên tính chất của dòng chảy thay đổi từ điểm này đến điểm khác chỉ do quá trình phản ứng. Vì vậy, người ta giả thiết rằng trong thiết bị dạng này, tính chất của các phần tử trên cùng một tiết diện là như nhau và không thay đổi theo thời gian ; • 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. Sơ đồ đơn giản của thiết bị phản ứng dạng ống Đầu vào Đầu ra Chiều dài thiết bị Sản phẩm Tác chất xAf xAo • Thiết bị phản ứng dạng này thường sử dụng 1 trong 3 loại tầng xúc tác sau : tầng xúc tác cố định, di động và kéo theo. Nguyên lý hóa công nghiệp 53 • Về phương diện động học, có thể mô tả thiết bị phản ứng dạng ống theo sơ đồ sau : CAo FAo xAo= 0 vo CAf FAf xAf vf FA xA FA+dFA xA+ dxA V dx dV xA • Phương trình (III-1) và (III-2) có thể được viết cho một đơn nguyên thể tích ∆V : Lượng tác chất nhập vào phân − tố thể tích Lượng tác chất rời khỏi phân − tố thể tích Lượng tác chất phản ứng trong = phân tố thể tích Lượng tác chất còn lại trong (III-1) phân tố thể tích • Đối với phương trình (III-1) : - Số hạng thứ nhất là FAo.(1 - xA ).∆t ; - Nếu độ chuyển hóa khi ra khỏi phân tố thể tích là xA + ∆xA thì số hạng thứ hai là : FAo.(1 - xA - ∆xA).∆t ; - Số hạng thứ ba là (- rA ). ∆V. ∆t ; - Số hạng thứ tư bằng 0 vì quá trình ở trạng thái ổn định. Vậy phương trình (5-1) được viết là : FAo.(1 - xA ).∆t − FAo.(1 - xA - ∆xA).∆t −(- rA ). ∆V. ∆t = 0 Hay : FAo. ∆xA − (- rA ). ∆V = 0 Nguyên lý hóa công nghiệp 54 Chia 2 vế cho ∆V và lấy giới hạn khi cho ∆V → 0, ta có : ( ) 0A AA F r dV dx −= Vì FAo là lưu lượng ban đầu của tác chất nên không đổi, lấy tích phân theo xA từ xA1 đến xA2 ta có : ( ) ( )1-VI ∫ −= 2A 1A0 x x A A A r dx F V Ví dụ 1 : Phản ứng phân hủy pha khí đồng thể ở 650 oC : 4PH3 (k) ⇒ P4 (k) + 6H2 (k) Đây la phản ứng bậc một với phương trình vận tốc là : ( − rPH3 ) = (10 h-1 ) CPH3 Tìm thể tích bình phản ứng dạng ống hoạt động ở 650 oC và 4,6 at để đạt độ chuyển hóa là 80% với lưu lượng dòng nguyên liệu phosphin tinh chất ban đầu là 2 kmol/h. Giải : Đặt A = PH3, R = P4, S = H2, lúc đó phản ứng được viết dưới dạng : 4A ⇒ R + 6S Thể tích bình phản ứng dạng ống được xác định theo công thức : ( ) ∫∫ ⋅=−= = = 80 0 A A A 80x 0x A A A Ck dxF r dxFV 0 2A 1A 0 ,, Ở áp suất không đổi, ta có : ( ) ( ) A A A A0 AAA A x1 x1C x1V x1F V FC 0 0 α+ −⋅=α+ −== Lấy tích phân, ta được : ( )∫∫ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ α−−α+=− α+= α+ −= A 0 0 A 0 0 0 0 x 0 A AA A A A A x 0 A A A A A A A xx1 11 Ck F dx x1 x1 Ck F x1 x1Ck dxFV ln Nguyên lý hóa công nghiệp 55 Với các số liệu cho trước : FAo = 2 kmol/h = 2000 mol/h k = 10 h-1 xA = 0,8 R = 0,082 at.l/mol.K ( ) 750 4 47 060 2736500820 64CAo , , , , =−=α =+= Vậy : ( ) lêt ,, , ln, , 7388V 80750 801 17501 06010 2000V = ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ×−−+×= b- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng • Có 3 cách vận hành : liên tục (ổn định) , gián đoạn và bán liên tục. a- Liên tục b- Gián đoạn c- Bán liên tục • Được đặc trưng bằng quá trình khuấy trộn là hoàn toàn, do đó hỗn hợp phản ứng đồng nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các phần của thiết bị và giống dòng ra của sản phẩm. Điều này có ý nghĩa là phân tố thể tích ∆V trong các phương trình cân bằng có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết bị. Nguyên lý hóa công nghiệp 56 • Người ta giả thiết rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng, nồng độ của tác chất giảm một cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn thể tích của thiết bị và nồng độ của dòng sản phẩm ra. Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng độ của tác chất từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc như sau : Nồng độ của tác chất Đầu vào Đầu ra Thể tích thiết bị CAo CAfì ⇒ Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định : • Xét trường hợp đơn giản chỉ có một dòng nhập liệu và một dòng sản phẩm và tính chất của các dòng này không thay đổi theo thời gian, như vậy : - Hai số hạng đầu trong phương trình cân bằng là không đổi : Lượng tác chất nhập vào thể tích V của thiết bị phản ứng là FAo(1-xAo).∆t và lượng tác chất ra khỏi thiết bị phản ứng là FAo (1-xAf).∆t ; - Vì hỗn hợp phản ứng trong bình có nhiệt độ và thành phần đồng nhất, nên vận tốc phản ứng là không đổi và được xác định với nhiệt độ và thành phần của dòng sản phẩm và bằng (-rA ).V.∆t ; - Vì thiết bị phản ứng hoạt động liên tục và ổn định nên không có sự tích tụ tác chất trong thiết bị, vì vậy số hạng thứ tư bằng 0 ; • Vậy phương trình vật chất viết cho thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định trong khoảng thời gian ∆t là : FAo(1-xAo).∆t − FAo (1-xAf).∆t − (-rA ).V.∆t = 0 Nguyên lý hóa công nghiệp 57 Hay : ( ) ( )2-IV fA AoAf AA r xx C V F V 00 − −=ν= trong đó : xAo và xAf - Độ chuyển hóa của tác chất trước khi vào thiết bị và sau khi ra khỏi thiết bị ; v - lưu lượng của dòng nguyên liệu (l/h) Nếu dòng nguyên liệu chứa cấu tử A hoàn toàn chưa chuyển hóa, nghĩa là xAo = 0 thì : ( ) ( )3-IV fA Af A r x F V 0 −= Ví dụ 1 : Xét phản ứng pha lỏng, thuận nghịch : A + B ' R + S với k1 = 7 lít/mol.ph và k1 = 3 lít/mol.ph được thực hiện trong bình phản ứng dạng khuấy trộn hoạt động ổn định có thể tích 120 lít. Hai dòng nguyên liệu : một dòng chứa 2,8mol A/l, một dòng chứa 1,6mol B/l được đưa vào bình phản ứng với lưu lượng thể tích bằng nhau để đạt độ chuyển hóa của B giới hạn là 75%. Xác định lưu lượng của mỗi dòng. 2,8 mol A/l xB = 75% 1,6 mol B/l Nguyên lý hóa công nghiệp 58 Giải : Nồng độ của các cấu tử trong dòng nguyên liệu ban đầu là : CAo = 1,4 mol/l CBo = 0,8 mol/l CRo = CSo = 0 Với độ chuyển hóa của B là xB = 75%, thành phần của hỗn hợp phản ứng trong bình hoặc trong dòng sản phẩm ra là : CA = CAo − CBo.xB = 1,4 − 0,8 × 0,75 = 0,8 mol/l CB = CBo − CBo.xB = 0,8 − 0,8 × 0,75 = 0,2 mol/l CR = CS = CBo.xB = 0,8 × 0,75 = 0,6 mol/l Lưu ý : CA = CAo − CAo.xA = CAo − CBo.xB Vậy : CAo.xA = CBo.xB Phương trình vận tốc của phản ứng thuận nghịch này là : (−rA) = (−rB) = k1CACB − k2CRCS = 7 (l/mol.ph)× 0,8(mol/l)× 0,2 (mol/l) − 3(l/mol.ph)× 0,6(mol/l)× 0,6 (mol/l) = 0,04 mol/l.ph Theo biểu thức (IV-2 ), ta có : ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )phl8750lmol80 phlmol040l120 xC rV v r xC r xC v V BB fB fB BB fA AA 0 00 / ,./, ./, =×=⋅ −⋅=⇒− ⋅=− ⋅= Vậy, lưu lượng mỗi dòng là 4 lít/ph. Nguyên lý hóa công nghiệp 59 c- Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) • Đặc điểm : - vận hành liên tục ; - gồm nhiều ngăn, mỗi ngăn có lắp cánh khuấy để khuấy trộn liên tục và hỗn hợp phản ứng sẽ chuyển động từ ngăn đầu đến ngăn cuối nhờ chảy tràn. Vì vậy có thể xem đây là hệ nhiều bình phản ứng khuấy trộn liên tục mắc nối tiếp và nồng độ của tác chất trong mỗi ngăn là như nhau và giảm dần từ ngăn đầu đến ngăn cuối. Hay nói một cách khác độ chuyển hóa của tác chất trong mỗi ngăn là như nhau nhưng tăng dần từ ngăn đầu đến ngăn cuối. • Nếu số ngăn tăng đến vô cực thì thể tích vi của mỗi ngăn sẽ giảm đến tối thiểu sao cho tổng thể tích là không đổi. Lúc đó, sự biến thiên nồng độ của tác chất giữa hai ngăn liên tiếp nhau là rất bé và ta có thể vẽ một đường liên tục thay cho đường gấp khúc để biểu diễn sự biến thiên nồng độ của tác chất từ ngăn đầu đến ngăn cuối. Do đó, dạng thiết bị phản ứng này được xem là dạng trung gian giữa thiết bị phản ứng dạng ống và dạng khuấy trộn liên tục. CAo CAf CAf CAo Ngăn 1 Ngăn 2 Ngăn 3 Ngăn 4 Nguyên lý hóa công nghiệp 60 4.4. ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ • Để thực hiện một phản ứng theo những điều kiện cho trước, chúng ta có thể dùng nhiều loại thiết bị phản ứng khác nhau như : thiết bị phản ứng dạng ống, thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động liên tục hoặc gián đoạn hoặc hệ nhiều thiết bị phản ứng mắc nối tiếp hoặc song song. • Hai thông số thiết kế ảnh hưởng đến tính kinh tế của quá trình là thể tích của thiết bị phản ứng và hiệu suất thu các sản phẩm. Với một thiết bị phản ứng có kết cấu và thể tích thích hợp sẽ cho hiệu suất thu sản phẩm chính cực đại, đồng thời hạn chế lượng sản phẩm phụ là cực tiểu. • Trong chương này, ta sẽ so sánh các phương án thiết kế thiết bị phản ứng khác nhau cho thiết bị đơn hoặc cho hệ nhiều thiết bị phản ứng. 4.4.6. SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN 4.4.6.1 Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định và thiết bị phản ứng dạng ống với phản ứng bậc một và bậc hai • Dạng phương trình vận tốc tổng quát : ( ) nAAA kCdt dN V r =⋅=− 1 với n biến đổi bất kỳ từ 0 ÷ 3 • Với hai dạng thiết bị phản ứng này, độ chuyển hóa là hàm của lưu lượng nguyên liệu, thành phần nguyên liệu, bậc phản ứng và hệ số biến đổi thể tích. • Ta tính thời gian lưu ℑ đối với thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định : ( ) ( ) ( )nA n AA n AoA AAo Ao Ao kh x xx Ckr xC F VC v V − +⋅=−===ℑ − 1 11 1 . . .. α • Đối với thiết bị phản ứng dạng ống : ( ) ( ) ( )nA A n A x n Ao x A A Ao Ao Ao x dxx Ckr dxC F VC v V AA − +=−===ℑ ∫∫ − 1 11 0 1 0 . . ä α Nguyên lý hóa công nghiệp 61 Chia hai phương trình, vế theo vế ta được : ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )1-V . . . . . ää ä ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − α+ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − α+ = ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ =ℑ ℑ ∫ − − Ax 0 An A n A khA n A A Ao n Ao khAo n Ao 1n Ao kh 1n Ao dx x1 x1 x1 x1x F VC F VC C C Nếu khối lượng riêng không đổi, thể tích sẽ không đổi và α = 0, ta có : ( )( ) ( ) ( ) ä ä. . ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ − ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −=ℑ ℑ ∫ − − Ax 0 An A kh n A A 1n Ao kh 1n Ao dx x1 1 x1 x C C ( )( ) ( ) ( )[ ] ( )2-V . . :1 n våïi, têch phánLáúy ä ä 1n A kh n A A 1n Ao kh 1n Ao x1 n1 1 x1 x C C −− − −−− ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −=ℑ ℑ≠ ( )( ) ( )ää ln. . :1 nvåïi A khA A 1n Ao kh 1n Ao x1 x1 x C C −− ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −=ℑ ℑ= − − Phương trình (V-1) và (V-2) được biểu diễn bằng đồ thị trên hình (4-1). Với cùng nồng độ nguyên liệu ban đầu CAo và lưu lượng nguyên liệu FAo, tung độ của giản đồ sẽ cho ta trực tiếp tỉ số thể tích của hai dạng thiết bị phản ứng trên. Hình 4.1: So sánh hoạt động của TBPU khuấy trộn hoạt động ổn định và TBPU dạng ống cho phản ứng bậc n. Với cùng điều kiện nạp liệu, trục tung cho giá trị tỉ số Vkh/Vô Nguyên lý hóa công nghiệp 62 4.4.6.2 Ảnh hưởng của sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong phản ứng bậc hai Với phản ứng bậc hai loại : A + B ⇒ sản phẩm , phương trình vận tốc là : ( ) ( ) BABA CCkrr ..=−=− Hình (4-1) cho phép ta so sánh thể tích của hai loại thiết bị khi nồng độ ban đầu của hai tác chất bằng nhau. Tuy nhiên trong thực tế, nồng độ ban đầu của hai tác chất thường không bằng nhau. Tỉ lệ tối ưu phụ thuộc vào các yếu tố như : chi phí phân tách sản phẩm ra khỏi tác chất chưa phản ứng, chi phí hồi lưu tác chất, ... Nguyên lý hóa công nghiệp 63 Với M = CBo / CAo > 1 và α = 0 , thời gian lưu của tác chất trong thiết bị phản ứng dạng ống là : ( ) ( ) A A AoAo Ao M A A AoAo Ao M x x kCF VC xM xM MkCF VC −⋅=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=ℑ − −⋅−=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=ℑ = ≠ 1 1 11 1 1 1 . ln . . Hình (4-2 ) cho ta so sánh sự hoạt động của thiết bị phản ứng dạng ống với các giá trị khác nhau của CAo, FAo, M và xA với α = 0. ( ) ( ) 1MAo 1MAo C C = ≠ τ τ Với thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định : Nguyên lý hóa công nghiệp 64 ( )( ) ( )21 1 1 1 ÁAo A Ao Ao M AAAo A Ao Ao M xkC x F VC xMxkC x F VC −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=ℑ −−=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=ℑ = ≠ . . . Hình (4-3 ) cho ta so sánh sự hoạt động của thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định với các giá trị khác nhau của CAo, FAo, M và xA với α = 0. Với cùng điều kiện FAo và CAo, tung độ của hai hình (4-2) và (4-3) cho ta tỉ số của hai loại thiết bị. Ví dụ : Phản ứng pha lỏng : A + B ⇒ sản phẩm với phương trình vận tốc là : (-rA ) = (500 l/mol.ph ) CA.CB Nguyên lý hóa công nghiệp 65 được thực hiện trong thiết bị phản ứng dạng ống vận hành trong các điều kiện sau : - thể tích thiết bị : V = 0,1 l ; - lưu lượng thể tích của nguyên liệu : v = 0,05 l/ph ; - nồng độ của tác chất trong nguyên liệu : CBo = CAo = 0,01 mol/l Hãy : a- Xác định độ chuyển hóa của tác chất ? b- Với cùng vận tốc và độ chuyển hóa, tìm thể tích của thiết bị dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định ? c- Với cùng vận tốc, tính độ chuyển hóa có thể đạt được trong thiết bị bị dạng khuấy trộn có cùng thể tích với thiết bị dạng ống ? Khi thay đổi dòng tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong nguyên liệu : CBo = 0,015 mol/l và CAo = 0,010 mol/l, hãy tính : d- Với cùng lưu lượng nguyên liệu nạp vào, tìm độ chuyển hóa của A trong thiết bị dạng ống ban đầu ? e- Với cùng độ chuyển hóa ban đầu, tìm tỉ lệ tăng năng suất ứng với dòng nguyên liệu mới ? f- Tìm lưu lượng nguyên liệu cần thiết nạp vào cho thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định có V = 100 l, độ chuyển hóa của tác chất giới hạn là 99% ? Giải : a- Xác định độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị phản ứng dạng ống : Tính thời gian lưu : ( )( ) ( )phphl l v V 2 050 10 ===ℑ /, , Do đó : k.CAo.ℑ = 500 (l/mol.ph). 0,01 (mol/l). 2 (ph) = 10 Nguyên lý hóa công nghiệp 66 Từ hình (4-2), giao điểm của đường k.CAo.ℑ = 10 và đường M = 1 (nằm ngang) cho ta giá trị của 1- xA = 0,09 hay xA = xB = 0,91 = 91% b- Thể tích của thiết bị dạng khuấy trộn, hoạt động ổn định ở cùng điều kiện : Với cùng vận tốc và độ chuyển hóa, tung độ trên hình (4-1) cho ta tỉ số thể tích của hai dạng bình phản ứng Vkh / Vô. Với xA = 0,91, ta tra được : ( )lVV V V äkh kh 11101111 11 ,, ä =×==⇒ = c- Độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị khuấy trộn hoạt động ổn định có cùng thể tích : Với cùng thể tích bình thì k.CAo.ℑ = 10. Giao điểm của đường k.CAo.ℑ = 10 và đường M = 1 (nằm ngang) trên hình (4-3) cho ta giá trị của 1- xA = 0,28 hay xA = 0,72 = 72% d- Độ chuyển hóa của tác chất trong thiết bị dạng ống có M ≠ 1 : M = CBo / CAo = 0,015/0,010 = 1,5. Với cùng lưu lượng nguyên liệu nạp vào, giá trị của k.CAo.ℑ sẽ không đổi và bằng 10 (FAo = CAo.V). Trên hình (4-2), từ giao điểm của hai đường k.CAo.ℑ = 10 và M = 1,5, ta ngoại suy giá trị của 1- xA = 0,006 hay xA = 0,994 = 99,4% e- Tỉ lệ tăng năng suất với dòng nguyên liệu mới : Dòng nguyên liệu mới có M = 1,5 và xA = 0,91. Tung độ trên hình (4-3) cho ta tỉ số : ( ) ( ) 300 1 51 1 51 , . . ,, = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ =ℑ ℑ = = = = M Ao M Ao MAo MAo C v V C v V C C Mà CAo và V là giống nhau trong cả hai trường hợp, do đó lưu lượng thể tích dòng nguyên liệu mới sẽ bằng : Nguyên lý hóa công nghiệp 67 ( )phlvv MM /,, , ,, 170 300 050 300 1 151 ==×= == Như vậy, năng suất đã tăng thêm 240%. f- Năng suất của thiết bị khuấy trộn hoạt động ổn định có V = 100 lít và xA = 99% : Với xA = 99% = 0,99 ⇒ 1 - xA = 0,01 và M = 1,5 ; trên biểu đồ (4-3) ta suy ra : ( ) ( ) ( ) phlllmolphmollVkCv v VkCkC AoAoAo /, /,./ 632 190 100010500 190 190 =××==⇒==ℑ 4.4.7. HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 4.4.7.1 Thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và / hoặc mắc song song a- Mắc nối tiếp Xét j thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và gọi x1, x2, ...,xj là độ chuyển hóa của tác chất A khi rời khỏi thiết bị phản ứng 1, 2, ..., j. Từ cân bằng vật chất dựa trên lưu lượng mol của A vào thiết bị phản ứng đầu tiên, ta viết được cho thiết bị phản ứng thứ i : ( )∫ − −= iA iA x x A A Ao i r dx F V 1 Với j thiết bị mắc nối tiếp : ( ) ( ) ( ) ( )∫ ∫∫∫ ∑ −= −++−+−= +++== −= = Aj aû Aj A A A Ao x A A x x A A x x A A x x A A Ao j j i Ao i Ao r dx r dx r dx r dx F VVV F V F V 0 21 1 1 2 1 1 0 .... ... Như vậy, với j thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp có tổng thể tích là V sẽ cho độ chuyển hóa đúng bằng độ chuyển hóa trong một thiết bị phản ứng dạng ống có thể tích V. Nguyên lý hóa công nghiệp 68 b- Mắc song song Đối với các thiết bị phản ứng dạng ống mắc song song, sự phân phối nguyên liệu phải đảm bảo sao cho thành phần tại mỗi nhánh là giống nhau, nghĩa là tỉ số V/F hay thời gian lưu ℑ ở mỗi nhánh là bằng nhau. Như vậy, với j thiết bị phản ứng dạng ống có thể tích là Vi (i = 1 ÷ j ) mắc song song sẽ cho độ chuyển hóa đúng bằng độ chuyển hóa trong mỗi thiết bị phản ứng và lưu lượng của tác chất nạp vào hệ thiết bị phản ứng sẽ bằng tổng lưu lượng đầu vào của các tác chất của j thiết bị phản ứng. 4.4.7.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp (thiết bị phản ứng nhiều ngăn) Xét j bình phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp. Giả sử α = 0 a- Đối với phản ứng bậc một Phương trình cân bằng vật chất cho bình phản ứng thứ i viết cho cấu tử A là : ( ) ( ) i Ai Ai Ai AiAi Ai Ao Ai Ao Ai Ao i A AiAiAoi Ao iAo i k C C kC CC kC C C C C C hay r xxC v V F VC ℑ+=⇒ −= ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ − =ℑ − −===ℑ − − − − 1 11 1 1 1 1 . Với thời gian lưu là giống nhau cho tất cả j bình phản ứng khuấy trộn có thể tích Vi bằng nhau. Do đó : ( ) ji Aj Aj A A A Ao AjAj Ao k C C C C C C xC C ℑ+=⋅⋅⋅=−= − 1..... 1 1 1 2 1 1 Viết cho cả hệ với j bình phản ứng khuấy trộn : Nguyên lý hóa công nghiệp 69 ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛=ℑ=ℑ 1. /1 , j Aj Ao ikhj C C k jj Đối với hệ thiết bị phản ứng dạng ống : A Ao C C k lnä 1=ℑ Từ các phương trình trên, ta có thể so sánh hiệu quả hoạt động của j bình phản ứng khuấy trộn mắc nối tiếp với một thiết bị dạng ống hoặc một bình khuấy trộn riêng lẻ. Kết quả được trình bày trên hình (4-7) cho phản ứng bậc một và khối lượng riêng của hệ biến đổi không đáng kể (α = 0 ) b- Đối với phản ứng bậc hai Với phản ứng bậc hai loại hai phân tử (M = 1), chứng minh tương tự như trên cho j bình khuấy trộn mắc nối tiếp : ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ℑ++−+−+−ℑ= iAoiAj kC4121211 k2 1C Nguyên lý hóa công nghiệp 70 Với thiết bị dạng ống : ℑ+= kC C C Ao A Ao 1 Kết quả được biểu diễn trên hình (4-8) Ví dụ : Một bình phản ứng dạng khuấy trộn có độ chuyển hóa là 90% tác chất A thành sản phẩm theo phản ứng bậc hai. Ta dự định thay bình này bằng hai bình có tổng thể tích bằng thể tích bình trước. a- Với cùng độ chuyển hóa 90%, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ? b- Nếu giữ nguyên năng suất như trường hợp một bình, độ chuyển hóa sẽ tăng bao nhiêu ? Nguyên lý hóa công nghiệp 71 c- Giả sử ta mắc nối tiếp bình thứ nhất với một bình thứ hai có cùng thể tích. Với cùng độ chuyển hóa, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ? d- Với cùng năng suất, độ chuyển hóa tăng bao nhiêu ? Giải : a- Với cùng độ chuyển hóa 90%, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ? Thay bình phản ứng dạng khuấy trộn bằng hai bình có tổng thể tích bằng thể tích của bình đầu và cùng đạt độ chuyển hóa bằng xA = 90% ⇒ 1 - xA = 0,10. Sử dụng hình (4-8) cho phản ứng bậc hai, ta tra được : 310 1j1j =ℑ ℑ=ℑ ℑ= == ää vaì :1 j Våïi 33,3 3 10 F V.C F V.C 2jAo Ao 1jAo Ao 1j == ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ =ℑ ℑ = = = = 2j :âoï Do ( ) ( ) 33,3F F 1jAo 2jAo =⇒ = = V vaìC cuìng Våïi Ao Như vậy, với cùng độ chuyển hóa là 90%, nếu thay một bình bằng hai bình có tổng thể tích bằng thể tích của bình đầu thì năng suất sẽ tăng thêm 2,33 lần hay 233%. b- Nếu giữ nguyên năng suất như trường hợp một bình, độ chuyển hóa sẽ tăng bao nhiêu ? Với năng suất không đổi cho cùng thể tích bình nên k, ℑ không đổi ⇒ đường k.CAo.ℑ chính là đường k.CAo.ℑ = 90 trong trường hợp một bình (j = 1) đạt độ chuyển hóa là 90%. Đường k.CAo.ℑ sẽ cắt đường j = 2 tại điểm 1 - xA = 0,046 ⇒ xA = 95,4%. ⇒ Nếu thay 1 bình bằng 2 bình có tổng thể tích bằng thể tích của bình đầu mà vẫn giữ nguyên năng suất như trường hợp 1 bình thì độ chuyển hóa sẽ tăng thêm 5,4%. c- Giả sử ta mắc nối tiếp bình thứ nhất với một bình thứ hai có cùng thể tích. Với cùng độ chuyển hóa, năng suất sẽ tăng bao nhiêu ? Nguyên lý hóa công nghiệp 72 Như trong câu a, ta đã xác định được : ( ) ( ) 66633322 333 1 2 12 2 1 ,, : Våïi , =×=⇒= =ℑ ℑ = = == = = jAo jAo jj j j F F VV Vậy, năng suất đã tăng thêm 5,66 lần hay 566%. d- Với cùng năng suất, độ chuyển hóa tăng bao nhiêu ? Với một bình đạt độ chuyển hóa 90%, từ hình (4-8 ) ta đã tra được : k.CAo.ℑ = 90. Với hai bình phản ứng thì thời gian lưu sẽ tăng gấp đôi ⇒ k.CAo.ℑ = 180. Đường này sẽ cắt đường j = 2 tại điểm 1 - xA = 0,026 ⇒ xA = 97,4%. Như vậy, độ chuyển hóa đã tăng thêm 7,4%.