PHẦN II: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐẨY LÝ TƯỞNG - Tài Liệu Text - 123doc

1. Trang chủ >
2. Kỹ thuật >
3. Hóa dầu >

PHẦN II: THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐẨY LÝ TƯỞNG

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (748 KB, 43 trang )

Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầugradient nồng độ theo hướng kính). Những thiết bị đẩy lý tưởng như thế này cũngkhông tồn tại một cách tuyệt đối trong thực tế, phụ thuộc vào quan hệ giữa kíchthước của ống, bản chất và chế độ chảy của dòng, các thiết bị kiểu đẩy trong thựctế ít nhiều có sai lệch so với thiết bị đẩy lý tưởng.Sơ đồ chung của thiết bị phản ứng kiểu ống:II.2. CÂN BẰNG CHẤT, CÂN BẰNG NHIỆT CHO TBPƯĐẨY LÝ TƯỞNGII.2.1. Cân bằng chấtTrước hết do cấu tạo của thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng (kiểu ống) ta sửdụng để lập cân bằng chất và cân bằng nhiệt, phương trinh vi phân tổng quát tronghệ trục tọa độ:=+ Dr++Mặt khác ta giả thiết rằng tại mọi thiết diện ngang của thiết bị tất cả cácthông số đều phân bố đối xứng quanh trục:Như trên ta đã đề cập, trong điều kiện dòng đẩy lý tưởng ta có:,+ Vận tốc chỉ có thành phần theo chiều trục nghĩa làvà tất cảcác thông số chỉ phụ thuộc vào một tọa độ Z mà thôi, nghĩa là:=0;= 0;= 0;= 0;13Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầu+ Không có khuấy trộn và dẫn nhiệt dọc trục, nghĩa là= 0 và; vàsuy ra:=0Vì vậy cho nên phương trình cân bằng chất sẽ không có số hạng đặc trưngcho đối lưu theo hướng kính:=0Và cũng không có số hạng đặc trưng cho khuếch tán theo hướng kính, nghĩalà:=0Do đó phương trình cân bằng chất cho thiết bị đẩy lý tưởng sẽ là:=+(2.1)Trong trạng thái ổn định, thong số của quá trình tại 1 điểm nhất định làkhông thay đổi theo thời gian:= 0;= 0;= 0; và do đóphương trình (2.1) số hạng đạo hàm theo thời gian sẽ không còn nữa. Đem thay(trong đó q là diện tích của ống) ta có cân bằng chất chocấu tử thứ i trong một phân tố thể tíchcủa thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng nhưsau:d= qdZ=d(2.2)Nếu như cấu tử thứ i chỉ tham gia 1 phản ứng hóa học thì:14Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầu=rMặt khác đã có:=+=+=(*)(2.3)Từ phương trình (2.2)d= qdZ =(2.4)Biểu diễn nồng độ cấu tử i thông qua bộ chuyển hóa==có:(2.5)Thay phương trình (2.5) vào biểu thức động học bậc nhất r của phương trình(2.4) ta có cân bằng chất cho phân bố thể tích của thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng,trong đó chỉ xảy ra một phản ứng hóa học bậc nhất:d=II.2.2. Cân bằng nhiệtTừ những giả thiết đã nêu ở phần trên, với cấu trúc dòng của thiết bị phảnứng kiểu đẩy lý tưởng, trong phương trình cân bằng nhiệt sẽ không có mặt số hạngđặc trưng cho dòng vận tải nhiệt thông qua đối lưu như dẫn nhiệt theo hướng kínnghĩa là:15Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầu=0=0vàCũng tương tự như vậy, do không tồn tại hiện tượng khấy trộn, dẫn nhiệt vàdẫn nhiệt theo hướng trục ta có:=0Như đã trình bày ở phần trên, trong phương trình cân bằng nhiệt tổng quátkhông chứa số hạng đặc trưng cho nhiệt lượng cần phải trao đổi với môi trườngbên ngoài và thường đưa đại lượng đó vào điều kiện biên mở rộng của bài toán, tùytrường hợp cụ thể. Với thiết bị đẩy lý tưởng đã giả thiết, trong phân tố thể tíchkhông tồn tại gradient nồng độ, nhiệt độ theo hướng kình và cả hướng trục. Vì vậynhiệt lượng trao đổi cần phải đưa vào phương trình cân bằng nhiệt. Gọilượng trao đổi từ phân tố thể tích dlà nhiệtthông qua bề mặt trao đổi nhiệt,ta có:d(2.6)(2.7)Trong đó:: Bề mặt trao đổi nhiệt tính theo một đơn vị chiều dàiống .Từ biểu thức và phân tích ở trên ta có cân bằng nhiệt cho thiết bị đẩy lýtưởng không ổn định:(2.8)Và trong thiết bị có trạng thái ổn định là:16Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầu0=(2.9)Đem nhân và chia số hạng thứ nhất của vế phải phương trình (2.9) với tiết diện ốngquy và lưu ý rằng :q.vàTa có:(2.10)Khi trong hệ chỉ xảy ra một phản ứng hóa học thì:Mặt khác từ phương trình cân bằng chất (2.5) ta có:r(2.11)Do đó:+(2.12)Vấn đề còn lại trong việc tính toán thiết bị phả ứng là phải tính được thể tích (haycác kích thước cơ bản) của thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng để đạt 1 năng suất nhấtđịnh.Việc giải đồng thời hệ phương trình cân bằng chất và cân bằng nhiệt phụ thuộc vàophương thức điều khiển nhiệt độ của thiết bị (quá trính đẳng nhiệt, đoạn nhiệt)cũng như phụ thuộc vào loại hình phản ứng hóa học (phản ứng đơn giản khôngthuận nghịc, phản ứng thuận nghịch, phản ứng song song…) Ta sẽ xét sau đây cáctrường hợp đó.17Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầuII.2.3 Tính toán thiết bị phản ứng kiểu đẩy lý tưởng không đẳng nhiệtII.2.3.1 Tính toán thiết bị ở chế độ đoạn nhiệtThực ra chế độ “ đoạn nhiệt “ chỉ có thể nói với các thiết bị phản ứng giánđoạn, vì ở các thiết bị liên tục, các dòng vật liệu đi vào và ra khỏi thiết bị có nhiệtđộ khác nhau và do đó nhiệt hàm khác nhau; hay nói một cách khác là tự các dòngvật liệu đó đã mang (cấp) nhiệt cho vùng phản ứng hay nhiệt ra khỏi vùng phảnứng. Tuy vậy khái niệm “ đẳng nhiệt “ sử dụng ở đây là khi giữa khối phản ứng vàmôi trường bên ngoài không tồn tại một hình thức trao đổi nhiệt cưỡng bức nào cả.Xét cho trường hợp nếu trong hệ chỉ có một phản ứng hóa học thì trong phươngtrình cân bằng nhiệt:mR=.(– T) +(2.13)sẽ không còn chứa số hạng đặc trưng cho nhiệt lượng cần trao đổi (–T) /qNếu như giả thiết rằng nhiệ dung riêngkhông phụ thuộc vào thành phầncủa khối phản ứng và cũng không phụ thuộc vào nhiệt độ, nghĩa là== constthì, từ phương trình trên ta có:dT =(2.14)Qua tích phân ta thu được:T=+=(2.15)=18Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầuđược gọi là độ tang nhiệt độ cực đại của khối phản ứng khi độ chuyểnhóa=1Rõ ràng nhiệt độ khối phản ứng trong quá trình đoạn nhiệt phụ thuộc tuyếntính vào độ chuyển hóa. Để tính thể tích cần thiết cho một thiết bị phản ứng, ở đâyphải giải đồng thời hệ các phương trình cân bằng chất và cân bằng nhiệt. Bài toántrở nên phức tạp hơn và thường được giải bằng phương pháp đồ thị hay phươngpháp số.Bằng phương pháp đồ thị, tương tự như bài toán tính toán thiết bị khuấy lýtưởng làm việc gián đoạn đoạn nhiệt, trước hết vẽ đường thẳng T = f(thphương trình (2.15). Bắn các nhiệt độ tìm được, tính toán giá trị của vận tốc phảnứng tương ứngcongr trong phương trình cân bằng chất, sau đó xây dựng đườngr = f(). Thể tích cần thiết của thiết bị phản ứng chính là diệntích miền giới hạn giữa đường cong với hai hoành độ= 0 vàVới quá trình gồm nhiều phản ứng (một hệ phản ứng phức tạp) bài toán trởnên phức tạp hơn nhiều.II.2.3.2 Tính toán thiết bị ở chế độ đa nhiệtQuá trình đa nhiệt (polutrope) nghĩa là không đẳng nhiệt mà cũng khôngđoạn nhiệt và bài toán tính toán thiết bị luôn luôn là hệ phương trình cân bằng vậtchất và cân bằng nhiệt. Nghiệm (lời giải) của bài toán là phân bố nồng độ và nhiệtđộ dọc theo thiết bị phản ứng.Nếu như ta xem cấu tử chìa khóa k tham gia nhiều phản ứng hóa học thì cânbằng chất thiết lập cho một phản ứng (phản ứng thứ j) sẽ là:qdZ =Với=là độ chuyển hóa cấu tử k,Trường hợp=(2.16)là vận tốc phản ứng thứ j := const, cân bằng nhiệt sẽ là :19Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầudT =.(– T)dZ + q(˰)dZ(2.17)II.3. PHÂN BỐ NỒNG NỘ TRONG THIẾT BỊ ĐẨY LÝ TƯỞNGNồng độ của các chất phản ứng những thông số rất quan trọng trong quátrình phản ứng hóa học. Ở quá trình đồng thể, các chất phản ứng hòa tan trongnhau.Ở các quá trình gián đoạn, nồng độ bạn đầu của các chất phản ứng được ấnđịnh và trong suốt thời gian phản ứng sẽ thay đổi liên tục theo quy luật thời giantương ứng với phản ứng hóa học đã cho, tương ứng với độ chuyển hóa tăng lên.Ở quá trình bán liên tục, như ta đã nói, sẽ có một cấu tử nào đó được đưavào (hoặc lấy ra khỏi) vùng phản ứng một cách liên tục và do đó sẽ có khả nănghình thành nên một quan hệ tối ưu giữa nồng độ của cấu tử. Ở quá trình liên tục,người ta có thể ấn định nồng độ của các cấu tử trong thiết bị chẳng những thôngqua dòng vào, độ chuyển hóa mà còn thông qua mức độ khuấy trộn trong thiết bịSau đây chúng ta sẽ xét phân bố nồng độ của các cấu tử trong trường hợpthiết bị “lý tưởng”, đối với Quá trình liên tục, không khuấy trộn khối phản ứng –còn gọi là thiết bị đẩy lý tưởng, thiết bị kiểu ống, làm việc lý tưởng (ContinuouslyOperated Ideal Tank Reactor, Ideal Stirred Tank Reactor, Mixed Flow Reactor)Quá trình phân bố thực hiện trong những thiết bị kiểu ống với chiều dài rấtlớn hơn đường kính. Hỗn hợp ban đầu liên tục đi vào một đầu ống và khối phảnứng đi ra ở đầu kia. Trong thiết bị kiểu đẩy lý tưởng, không có quá trình theo chiềutrục cho nên tại mỗi thiết diện ngang của ống, thành phần của khối phản ứng làkhông đổi. Người ta mô tả quá trình dòng chảy trong thiết bị kiểu ống như là dòngchảy kiểu pitsonThành phần của khối phản ứng (nghĩa là nồng độ của các cấu tử) thay đổiliên tục dọc theo chiều dài thiết bị, tương ứng với độ chuyển hóa, giống hệt nhưthay đổi nồng độ theo thời gian trong thiết bị khuấy lý tưởng làm việc gián đoạn.Do đó tiến trình của phản ứng cũng hoàn toàn được ấn định thông qua vận tốc củaphản ứng. Khi quá trình ổn định, thành phần của khối phản ứng tại mỗi điểm bấtkỳ không phụ thuộc vào thời gian.20Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầuHình 2.1: Phân bố nồng độ trong 3 loại thiết bị phản ứng cơ bản:1ab) – Khuấy lý tưởng gián đoạn2a) – Liên tục, đẩy lý tưởng (kiểu ống)2b) – Liên tục, khuấy lý tưởngII.4. PHƯƠNG THỨC CẤP DÒNG CHO THIẾT BỊ ĐẨY LÝ TƯỞNGCác thiết bị để tiến hành các phản ứng đồng thể trong công nghiệp thườngkhông khác mấy sơ với các dạng thiết bị cơ bản đã trình bày ở trên. Có chăng ở cácthiết bị kiểu ống, tồn tại những sai khác do hiện tượng khuấy trộn theo chiều trụcsinh ra. Chẳng hạn khác nhau giữa thiết bị có dòng chảy “màng” so với dòng theo“đẩy lý tưởng”. Chẳng hạn ở dòng chảy xoáy của các chất lỏng giọt, có thể xem làgân hơn cả sơ với cấu trúc dòng đẩy lý tưởng. Hình vẽ dưới đây cho ta thấy phânbố vận tốc trong các ống có thành trơn (hình…)21Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầuHình 2.2: Phân bố vậntốc dòng trong các ốngnhẵn:a) Dòng piston (đẩylý tưởng)b) Dòng xoáyc) Dòng chảy màngVới những phản ứng giữa những chất lỏng nhớt, thay vì thiết bị kiểu khuấyngười ta dùng thiết bị phản ứng kiểu ống có khuấy trộn ngược.Ở đây một phầnkhối phản ứng được tách ra, tạo nên dòng khuấy trộn ngược.Hình 2.3: Sơ đồ thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng dòng tuần hoàn,sửdụng chocác khối phản ứng có độ nhớt cao.Phương thức cấp dòng này, thông qua một thời gian lưu đủ lớn, nồng độ củacác chất trong không gian phản ứng là khá đều đặn và với những phản ứng tỏanhiệt mạnh, độ nhớt của hỗn hợp cao, phân bố nhiệt cũng rất đều.II.5. PHÂN BỐ THỜI GIAN LƯU VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA KHUẤY TRỘNTRONG CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG LÀM VIỆC LIÊN TỤCTrong phạm vi chương này, ta nghiên cứu phân bố thời gian lưu trong thiếtbị liên tục thực tế và trong các thiết bị lý tưởng sai khác như thế nào để từ đó xemxét sự sai khác về độ chuyển hóa trong các loại thiết bị đó.22Đồ án động học và nhiệt động học trong công nghệ lọc dầuỞ đây chúng ta xem các loại thiết bị có dòng chảy qua liên tục giống như cácthiết bị phản ứng đã xét ở phần trên, nhưng ta giả thiết rằng, trong các thiết bị phảnứng ở phần này không xảy ra phản ứng hóa học để loại trừ các hiệu ứng do phảnứng hóa học gây ra: nhiệt độ, áp suất, thay đổi thể tích…Ta vẫn gọi các thiết bị đó là thiết bị phản ứng để làm rõ phân bố thời gianlưu trong tính toán các thiết bị phản ứng hóa học.Gọi:là thể tích thiết bị[V : là lưu lượng dòng qua thiết bị=[V : thời gian lưu trung bình.Trong một thiết bị phản ứng đại lượng thời gian lưu trung bình(2-18)chỉ có thểcho ta thời gian lưu của một phần tử của dòng liên tục khi thiết bị đó làm việc thoechế độ đẩy lý tưởng.Chỉ có trong trường hợp này thời gian lưu của mọi phần tử củadòng mới là như nhau và bằng thời gian lưu trung bình đã nói ở trên.Trong cáctrưởng hợp khác, thời gian lưu thực tế của các phần tử được đưa vào thiết bị tạimột thời điểm, có thể rất khác nhau và phổ phân bố là vùng rộng hoặc hẹp.Định nghĩa 1:Hàm phân bố tổng thời gian lưu S(t) của một dòng chảy liên tục là thể tíchcủa phần dòng chảy có thời gian lưu giữa 0 và t; nghĩa là xác suất cho một phân tốthể tích của dòng được cấp vào thiết bị tại t = 0 và rời thiết bị sau một khoảng thờigian từ 0 – t. Và do đó xác suất để cho phân tố thể tích rời hệ thống sau mộtkhoảng thời gian > t sẽ là 1- S(t).Vì không có một phân tố thể tích nào của dòng chảy có thể chảy qua thiết bịtại t = 0 nên phải có S(0) = 0Mặt khác cũng không có một phân tố thể tích nào ở lại trong thiết bị với thờigian dài vô hạn , nên S(1Định nghĩa 2:Từ định nghĩa trên cho thấy vi phân của hàm phân bố tổng thời gian lưu làdS(t) chính là phần thể tích của dòng ra khỏi thiết bị trong khoảng thời gian giữa tvà t+dt và thời gian lưu trung bình sẽ là :23

Xem Thêm

Tài liệu liên quan

• Tìm hiểu thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng continuously operated ideal tank reactor (còn gọi là thiết bị phản ứng kiểu ống – plug flow tubular reactor)
  • 43
  • 1,264
  • 5
• 221339
  • 25
  • 256
  • 0
• 221349
  • 37
  • 281
  • 0
• 221375
  • 55
  • 993
  • 2

Tải bản đầy đủ (.doc) (43 trang)

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

(6.54 MB) - Tìm hiểu thiết bị phản ứng đẩy lý tưởng continuously operated ideal tank reactor (còn gọi là thiết bị phản ứng kiểu ống – plug flow tubular reactor)-43 (trang) Tải bản đầy đủ ngay ×