Chương 17

Thiết bị phản ứng trong hóa học 17.1. CƠ SỞ THIẾT KẾ VÀ LƯU LƯỢNG

Chương này tổng quan về các định luật chính của động học và xúc tác hóa học: nó cũng được phân cấp và miêu tả ra nhiều thiết bị mà được ứng dụng trong thiết bị phản ứng hóa học. Vì các phản ứng hóa học có nhiều trạng thái khác nhau, một vài định luật được áp dụng thực tế để thiết kế thiết bị ứng với mục đích của nó. Những thiết bị phản ứng có thể là bình phản ứng có khuấy, ống hoặc bể rỗng hoặc có đệm, cơ cấu ống chùm hoặc hệ đặc biệt cao, trong bất kỳ trường hợp nào thì truyền nhiệt có thể được cung cấp. Các chỉ số được cân bằng trong các trường hợp riêng biệt để tính toán sao cho kinh tế nhất. Các định luật tự nhiên của các chương khác để thiết kế cho áp suất của bể, sự thay đổi nhiệt, máy khuấy, và một số các ứng dụng tự nhiên cho thiết bị phản ứng.

CƠ SỞ THIẾT KẾ

Mặc dù mục đích của chương này không phải là tính toán thiết kế, nó ở phần trước của quá trình mà có chứa trong một tính toán thiết kế chính xác, cho tại ví dụ bé nhất các ý sau đây:

1. Hợp thức các phản ứng tham gia

2. Tính chất nhiệt và các tính chất vật lý khác.

3. Nhiệt của phản ứng và thông tin về thiết bị

4. Hệ số phản ứng, tốt nhất là trong công thức phương trình, mối liên hệ nó đến thành phần, nhiệt độ, áp suất, tạp chất, xúc tác và hơn thế. Lần lượt các bảng dữ liệu hay các biểu đồ dữ liệu có liên quan đến các thành phần về thời gian và các biến số khác được liệt kê.

5. Tác động của xúc tác như các hàm liên hệ với thời gian.

6. Chế độ tái chế xúc tác hoặc chuyển đổi nó.

7. Độ ổn định và cách điều khiển của quá trình.

8. Các chú ý đặc biệt của chuyển nhiệt và chuyển khối.

9. Sự ăn mòn và chế độ an toàn.

THỜI GIAN PHẢN ỨNG

Trong các trường hợp thực tế thì thời gian phản ứng biến đổi theo hàm từ 2 giây đến nhiều giờ liền. Bảng 17.2 có nói đến đặc tính thương mại có thể là 1 cơ sở cho việc lựa chọn bởi sự tương đồng một bậc của độ dài của kích thước phản ứng cho các quá trình khác.

Để bỏ qua đánh giá và so sánh, một thời gian biểu kiến xuất hiện thường được xử dụng để thay thế thời gian thực của nó: nó được định nghĩa như một hệ số của thể tích bình phản ứng đế để đưa vào thể tích dòng dảy.

t app = Vr

V'0

Trên một phần khác, thời gian thực sự phản ứng có thể tạo ra bằng phương pháp tích phân,

t = ⌡⌠dVr

V' = ⌡⌠dn'rV'

Khi hệ số của phản ứng r và hệ số thể tích dòng chảy V’ tại mỗi điểm độc lập với T, P, và hệ số mol dòng chảy chứa trong của hỗn hợp được đưa vào phản ứng. Sự tính toán ra thời gian thực của phản ứng là một quá trình phức tạp với việc xử lý rất nhiều số liệu. Việc đánh giá dễ dàng thời gian biểu kiến thường làm bằng cách tạo sự thích hơp cho hệ số kích thước của các thiết bị phản ứng và để so sánh hiệu quả kinh tế.

Một khái niệm liên hệ là tốc độ dòng chảy trong không gian nó là hệ số của một tốc độ dòng chảy tại điều kiện 60oF, 1atm (STP) để cho ra kích thước của thiết bị phản ứng.

Một số ký hiệu thống nhất trong chương này và được định nghĩa như sau:

GHSV (lưu lương khí tính theo giờ) = (thể tích của lưu chất là khí tại STP/hr) / (thể tích của thiết bị phản ứng hoặc phần của xúc tác) = (SCFH nguyên liệu khí) /cuft.

LHSV (lưu lượng lỏng tính theo giờ) = (thể tích của nhiên liệu lỏng tại 60oF/giờ) / thể tích của thiết bị phản ứng hoặc phần chứa xúc tác) = (SCFH nguyên liệu lỏng) /cuft.

WHSV (khối lượng lưu lượng tính theo giờ) = (lb của nguyên liệu/giờ) / (lb của xúc tác). Hệ thống đơn vị khác của lưu lượng và kích thước thiết bị phản ứng thường được xử dụng trong các quy trình kỹ thuật và trong mẫu thiết kế.

BPSD/lb = (số thùng nguyên liệu lỏng tại 60oF trên số ngày khai thác) / (lb xúc tác), nhưng nó thích hợp để viết ra như một đơn vị trong mỗi trường hợp để tránh sự rối loạn với ý nghĩa chuẩn của các chữ viết tắt. Từ khí thời gian xuất hiện biểu kiến ra đời trong các ý của điều kiện đầu vào hiện thời đúng hơn tại T và P chuẩn, nó không phải nghịch đảo của GHSV hoặc LHSV, mặc dù đơn vị của nó chính là nghích đảo của chúng.

17.2. CÁC HỆ SỐ PHƯƠNG TRÌNH VÀ CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG

Các phương trình của phần này được tổng quan và được mở rộng trong bảng 17.2. Ý “ hệ số phản ứng” xử dụng ở đây là tỷ lệ của phép khai triển trên đơn vị thể tích,

ra = -1V

dna

dt , mol/ (unit time) (unit volume). (17.1)

Thông tin của hệ số sẽ có dấu ngược lại. Khi thể tích là không đổi, hệ số bắt nguồn từ nồng độ

ra = -dCa

dt , khi thể tích không đổi. (17.2)

Trong môi trường đồng nhất hệ số được biểu thị bởi định luật tác dụng khối lương trong phần của khả năng của nồng độ của bản chất phản ứng

ra = -1V

dna

dt = kCalphaaCbeta

b… (17.3)

Khi kỹ thuât phản ứng thực sự chảy thì hệ số tỷ lượng phương trình

vaA + vbB + … -> products (17.4)

Số mũ là hệ số tỷ lượng của số mũ: biểu diễn như sau

ra = k(Ca)va(Cb)v

b… (17.5)

Nhưng … thường hoàn toàn là giá trị kinh nghiệm-tích phân hoặc không tích phân, thường luôn âm.

Hệ số k được gọi là hệ số tiêu chuẩn. Nó được tạo ra từ việc tính toán độc lập với nồng độ của thuốc thử nhưng nó phụ thuộc căn bản vào nhiệt độ và các điều kiện tự nhiên và nồng độ của xúc tác. Nhiệt độ phụ thuộc thường được biểu diễn bởi pt:

Trong đó E là năng lượng hoạt hóa.

Hệ số đặc trưng của các thiết bị phản ứng có tầm quan trọng thực tế không thể tạo ra được bằng phương pháp lý thuyết tính toán hoặc từ mối tương quan trong các vấn đề của đặc tính của các phản ứng mẫu. Chúng có thể tìm được dựa vào kinh nghiệm trong tất cả các trường hợp với việc hoàn toàn phụ thuộc vào hệ số của phản ứng trên các nồng độ, nhiệt độ và các chỉ số thích ứng khác. Việc phân tích các dữ liệu thực nghiệm sẽ được bỏ qua ở đây khi chất gia cường được cho vào trên việc xử dụng các hệ số phương trình đã biết.

Phép tính tích phân của hệ số phương trình được biểu thì qua mối liên hệ của các hợp phần với thời gian phản ứng và kích thước của thiết bị.

Từ hệ số của phương trình như:

Các nồng độ Cb và Cc đầu tiên có thể được loại trừ với sự hỗ trợ của hệ số tỷ lượng của phương trình của quá trình. Ý 4 trong bảng 17.2 là một ví dụ. Khi nhiều phản ứng xảy ra đông thời, hệ số tổng quát của một chất đặc trưng là tổng đại số của các hệ số của nó trong các phản ứng riêng lẻ. Mục 7 của bảng 17.2 là một ví dụ. Số của phương trình vi phân biểu diễn hệ thống phản ứng thì cũng có số độc lập với hệ số tỷ lượng của các phương trình: các nồng độ thích ứng được khử với hệ số tỷ lượng để phát triển một tập hợp khả tích các phương trình. Các phép tính tích phân của đường đẳng nhiệt thống nhất, các hệ số phương trình thể tích không đổi được tổng hợp lại trong bảng 17.3, và một trường hợp riêng lẻ của một quá trình tại một áp suất không đổi trong mục 5 của bảng 17.3.

Hệ số biến đổi tổng thể có thể phụ thuộc vào các hệ số của chuyển khối giữa các pha tốt như hệ số hóa học. Trong trường hợp đặc biệt nhất, chuyển khối và biến đổi hóa học cùng xảy ra trong một bộ: ưu điểm được tạo nên của đẳng thức của 2 hệ số này tại các điều kiện trạng thái ổn định để khử mặt phân giới các nồng độ từ các hệ số phương trình và theo đó phép tích phân được thực hiện, mục 8 trong bảng 17.2 là một ví dụ.

Tốc độ của pha lưu chất lỏng phản ứng được xúc tác bằng chất cũng có thể được biểu diễn tại giá trị gần bé nhất bằng các nồng độ ban đầu. Tiến gần hơn đến cơ sở, tuy nhiên, tính đến bộ phận để hấp thụ và của phản ứng dựa vào xúc tác bề mặt. Một vài ví dụ của kết quả các phương trình được nói đến ở mục 9 của bảng 17.2.

Đặc điểm của các hệ số quá trình xử dụng xúc tác rắn cũng có thể ảnh hưởng bởi tốc độ khuếch tán ra bên ngoài và bề mặt trong. Trong trường hợp mơi đây về hệ số phương trình được thay đổi bởi việc bao hàm một tác động của xúc tác để tạo nên:

ra = knf (Ca), (17.8)

Hiệu suất là một tiêu chuẩn của việc xử dụng của bề mặt trong của xúc tác. Nó phụ thuộc vào khối lượng của chất điểm và các độ rỗng của nó, độ khuếch tán, hệ số đặc trưng, và nhiệt của phản ứng. Với một dạng xác định của xúc tác, chỉ điều khiển được kích thước của chất điểm để mà hiều suất là tỷ lệ: một sự thỏa mãn có thể được tạo ra giữa hiệu suất và độ giảm áp. Trong trường hợp đơn giản ŋ có thể liên hệ toán học với các đặc trưng của nó, nhưng trong các trường hợp thực tế đặc biệt như tổng hợp amoniac thì sự phụ thuộc của nó vào các đặc trưng được liên kết và thực nghiệm chặt chẽ. Phần 17.5 nói về vấn đề này kỹ hơn.

Quá trình phản ứng có thể diễn ra dưới dạng điều kiện không dòng hoặc dòng ổn định. Một chế độ mới hơn là dòng chảy trong ống hoặc trong trường hợp giới hạn, dòng ghép nối, trong đó tất cả các phân tử thực chất có cùng thời gian tồn tại. Hệ số phương trình cho một thiết bị phản ứng dạng dòng ghép nối (PFR) là:

Khi Vr là thể tích phản ứng và dấu phẩy (‘) là lưu lượng. Dòng phản ứng của khí tạo ra khoảng không tại thực chất là áp suất không đổi giống như V’ sẽ phụ thuộc vào độ lớn của sự biến đổi nếu là một sự thay đổi trong số mol. Ý 11 trong bảng 17.2 là một ví dụ cho hệ số phương trình cho điều kiện thỏa mãn.

Chế độ khác của dòng phản ứng xử dụng một hoặc nhiều bình phản ứng có khuấy trong một bộ, nó được gọi là một thiết bị phản ứng tuần hoàn (CSTR) nguồn. Hệ số phản ứng của một lớp đơn là

Mối liên hệ trong các mục của nồng độ thì có cơ sở vững chắc nếu các hệ số thể tích đưa vào và đưa ra của tháp trên thực tế là giống nhau. Sự khuấy trộn được giả định đủ để duy trì đều thành phần và nhiệt độ trong các khoang: sau đó điều kiện dòng chảy thì giống nhau như vậy của khoang. Mối liên hệ giữa các khoang khác nhau trong bộ được biểu diễn trong mục 10 của bảng 17.2.

Bảng 17.1. Thời gian tồn tại và /hoặc tốc độ dòng chảy trong không gian trong thiết bị phản ứng công nghiệp

Các ký hiệu:

Các thiết bị phản ứng: mẻ (B), các khoang phản ứng liên tiếp có khuấy (CST), xúc tác tầng cố định (FB), xúc tác tầng sôi (FL), buồng đốt (Furn), bình có nhiều ống (MT), các khoang phản ứng có khuấy nửa liên tục (SCST), tháp phản ứng (TO), thiết bị dạng đường ống (TU).

Các pha: lỏng (L), khí (G), lẫn lộn (LG).

Tốc độ dòng chảy trong không gian (giờ): khí (GHSV), lỏng (LHSV), khối lượng (WHSV),

Không cho phép (N.A.)

Tham khảo

Bảng 17.2. Các hệ số cơ bản của phương trình:

1. Các phản ứng mẫu:

2. Hệ số tỷ lượng cân bằng cho các cấu tử i

3. Định luật tác dụng khối lượng

Khi nó không thực sự cần thiết thì

4. Tại thể tích không đổi,

Tích phân toàn phần cho các giá trị của và β biểu diễn trong bảng 17.3

5. Khí lý tưởng tại áp suất không đổi

6. Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hệ số đặc trưng:

với E là năng lượng hoạt hóa

7. Các phản ứng đồng thời: hệ số tổng quát là tổng đại số của hệ số các phản ứng riêng lẻ. Cho ví dụ, tạo bởi 3 phản ứng sau:

Các hệ số liên hệ với nhau theo phương trình:

Số các hệ số phương trình độc lập thì cũng như số hế số tỷ lượng độc lập. Trong ví dụ trên đây, phản ứng 1 và 2 là một phản ứng nghịch đảo và không độc lập. Do đó, Cc và Cd là một ví dụ, có thể giởi hạn từ các phương trình cho ra và rb mà sau đó thành một hệ khả tích. Thường chỉ các hệ phương trình vi phân tuyến tính với hiệu suất không đổi mới có thể giải được ra nghiệm. Một số trường hợp được nghiên cứu bởi Rodiguin and Rodiguina (1964) Consecutive Chemical Reactions, Van Nostrand, N.Y.

8. Trở lực truyền chất:

Cai là tích phân nồng độ của chất A

Mối liên hệ giữa ra và Ca có thể có sẵn (về số lượng nếu cần thiết) từ 2 đường trước khi phép tích phân hoàn toàn.

9. Các phản ứng xúc tác rắn, một số cơ chế Langrnuir-Hinshelwood cho phản ứng A+B à R+ S.

1. Điều chỉnh tốc độ hấp phụ của A

là một lượng vật chất hấp phụ ở điều kiện trơ về hóa học

2. Hệ số điều khiển phản ứng bề mặt:

Tổng của tất cả các bề mặt hấp thụ

3. Phản ứng A2+B à R+S, với A2 phân ly ở trên sự hấp thụ và với bề mặt phản ứng thì hệ số điều khiển là:

4. Tại áp suất và nhiệt độ cố đinh Pi được giới hạn trong khoảng của nt và áp suất toàn phần bởi

+ cho các sản phẩm, RHS

-cho chất phản ứng, LHS

cho một trường hơp (2) phản ứng theo mẻ

10. Nguồn thiết bị phản ứng theo ngăn có khuấy tuần hoàn (CSTR)

Cân bằng vật liệu:

cho bậc thứ j

Cho bậc đầu tiên của phản ứng, với ra = k.Ca’

Cho ngăn thứ j trong bộ với cùng một nhiệt độ và thời gian có mặt , khi V’ là lưu lượng dòng chảy.

11. Thiết bị phản ứng dạng dòng đẩy lý tưởng (PFR):

12. Cân bằng vật liệu và năng lượng cho phản ứng dạng theo mẻ, CSTR và PFR được biểu diễn trong bảng 17.4, 17.5 và 17.6

13. Các chú ý:

A, B, R, S là các chất tham gia phản ứng: các ký hiệu này cũng được xử dụng để làm ký hiệu nồng độ của chúng

Ci = ni/Vr hoặc ni: nồng độ

ni là nồng độ mol riêng phần của cấu tử i trong bình phản ứng

ni’ là nồng độ lưu lượng của cấu tử i

Vr là thể tích của thiết bị phản ứng

V’ là lưu lượng khối

v’ là hiệu suất của hệ số tỷ lượng

ri là tốc độ phản ứng của chất i [mol/ (đơn vị thời gian) (đơn vị thể tích) ]

α, β là số mũ kinh nghiệm trong phương trình tốc độ

17.3 CÂN BẰNG VẬT LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG CHO THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

Tất cả các phản ứng hóa học được theo cùng bởi một số tác động nhiệt như nhiệt độ sẽ dẫn đến sự thay đổi, một loạt kết quả trong việc quan sát độ nhạy của tốc độ phản ứng nhất đến nhiệt độ. Các chỉ sô về kích thước, chế độ điều khiển và có thể phân bố sản phẩm một cách bất lợi cho các phản ứng phức tạp thường sự cung cấp bắt buộc ở mức chuyển nhiệt trung bình để giữ nhiệt độ trong khoảng cho phép. Trong đặc tính hoạt động của thiết bị phản ứng khuấy hoặc trong ống, các điều kiện đẳng nhiệt thực sự không cho phép nếu chúng đáng để làm. Các thiết bị phản ứng có nhiều khoang khuấy, tuy nhiên, để duy trì nhiệt độ thực sự đều tại các bậc khi hỗn hợp đủ lớn: cấp độ được giới hạn bởi nhiệt của phản ứng thì tốt cho tốc độ chuyển nhiệt xảy ra.

Một số ví dụ về dạng truyền nhiệt của một thiết bị phản ứng có ý nghĩa lớn. Một số chế độ khác cho thấy và được xử dụng, một vài cái mà được minh họa trong phần 6. Thiết kế của các thiết bị dựa trên cơ sở sự cân bằng vật liệu và năng lượng mà tốc độ vào và nhiệt của phản ứng cùng với hệ số truyền nhiệt. Lời giải của sự liên hệ cho sự cân bằng này là thời gian, thành phần, nhiệt độ, và hệ số truyền nhiệt. Các cân bằng được trình bày trong bảng 17.4 và 17.7 cho 4 quá trình:

1. Thiết bị phản ứng dạng khuấy.

2. Thiết bị phản ứng dạng dòng ghép nối

3. Thiết bị phản ứng dạng bình có nhiều khoang khuấy liên hồi.

4. Thiết bị phản ứng đệm với xúc tác rắn

Các số liệu cần thiết là hệ số của phương trình, năng lượng hoạt hóa, nhiệt của phản ưng, mật độ, công suất nhiệt, độ dẫn nhiệt, độ khuếch tán, hệ só truyền nhiệt, và thường xuyên có hệ số tỷ lượng của quá trình. Các ví dụ bằng số đã rút gọn được xác định cho các trường hợp. Mục 4 đòi hỏi dung dịch của một hệ của các phương trình vi phân cục bộ mà không thể tạo ra cách giải một cách ngắn nhất, nhưng một số ý kiến cho rằng giải được.

Bảng 17.3. Một số hệ số phương trình đẳng nhiệt và đạo hàm của nó

1. Aà các sản phẩm:

2. A+Bà các sản phẩm:

3. Phản ứng thuận nghịch

4. Phản ứng thuận nghịch, bậc 2

5. Phản ứng dạng giữa các khí lý tưởng tại nhiệt độ và áp suất cố định

6. Phản ứng luôn giải được bằng toán tử Laplace. Ví dụ như

Hệ số phương trình là:

Toán tử Laplace có thể tính ra và sắp xếp lại thành

Các phương trình tuyến tính này được giải và cho ra các nghiệm:

Nghịch đảo của biến đổi này có thể tính được nồng độ A, B, và C bằng phương trình của thời gian t. Một số ví dụ được giải bởi Rodiguin and Rodiguina (Consecutive Chemical Reactions, Van Nostrand, New York, 1964).

17.4. DẠNG KHUẤY LÝ TƯỞNG

CSTR với xáo trộn hoàn toàn và PFR với xáo trộn không trục là các trạng thái giới hạn mà có thể chỉ dẫn vào trong các thử nghiệm. Thời gian tồn tại sự phân bố trong thiết bị phản ứng thực có thể tạo ra với các phương pháp kiểm tra dấu.

THỜI GIAN LƯU

Trong các ứng dụng lớn nhất từ kiểm tra thành phần của một thiết bị phun của một phần tử đã biết của chất chỉ thị trơ tại đầu vào của bể hoạt động và sự giám sát của nồng độ của nó tại đầu ra. Dữ liệu được xử dụng hiệu quả nhất trong công thức tối giản, như trong ý của khi

C là nồng độ của chất chỉ thị tại đầu ra

nồng độ trung bình ban đầu của chất chỉ thị trong bể

là thời gian có mặt chuẩn

Đồ thị dữ liệu thường là một số cái mà có hình xiên. Một số dữ liệu thực tế được vẽ lên trên biểu độ 17.1 cùng với các đường CSTR và PFR lý tưởng. Một số dạng thường được biểu diễn một cách xấp sỉ bằng phân phối thống kê Erlang mà cũng là kết quả cho năng lượng thiết bị khuấy n bậc

Khi n là biến số đặc trưng, khi n không phải tích phân, (n-1)! Được thay thế bởi hàm gamma . Co là nồng độ trung bình ban đầu. Phương sai là

Phương sai của phân bố này là một biến số đặc trưng riêng lẻ thuận tiện của độ dài của thời gian tồn tại. Đại lượng này cũng được liên hệ với chỉ số Peclet, Pe = uL/De, bằng công thức

Khi đó:

u là vận tốc dài trong phương của trục

L là khoảng cách trong phương của trục

De là độ khuếch tán xoáy chiều trục hoặc hệ số phân tán.

Bảng 17.4. Cân bằng vật liệu và năng lượng của một phản ứng không dòng:

Hệ số phương trình:

Nhiệt của phản ứng:

Hệ số truyền nhiệt:

(trường hợp đơn giản nhất là khí UA và Ts là hằng số)

Cân bằng Entapi:

Giải Phương trình (6) cho kết quả T = f (Ca): thế vào phương trình (1) và (2) và tích phân nó

Nhiệt độ và thời gian là một hàm của hợp phần đưcọ biểu diễn cho 2 giá trị của UA/Vr cho một trường hợp đặc biệt được biểu diễn

Bảng 17.5. Cân bằng vật liệu và năng lượng của CSTR

Bảng tóm tắt các định nghĩa các danh mục

Thời gian ổn định trung bình:

Nhiệt độ phụ thuộc vào:

Hệ số phương trình:

Cân bằng vật liệu:

Cân bằng Entapi:

Cho phản ứng dạng:

Khi nhiệt dung được tính ra và là hằng số, cân bằng nhiệt là:

Ví dụ:

Phương trình 2 và 5 thay vào:

và phương trình 10 có dạng:

nhiệt độ và tốc độ nhiệt vào Q’ được giải theo bảng như các hàm của thời gian ổn định cho biến đổi là 90 và 95%.

Bảng 17.6. Cân bằng vật liệu và năng lượng cho thiết bị phản ứng dạng dòng chảy khối

Các cân bằng được tạo ra dưới dạng một đạo hàm của thể tích dVr của thiết bị phản ứng

Hệ số phương trình:

Cân bằng Entapi:

Tại Ts không đổi thì phương trình 7 có thể tích phân số lượng để hiệu suất của nhiệt độ như một hàm của chỉ số mol

Sau đó thể tích thiết bị phản ứng được tìm ra bởi phép tích phân

Với quá trình đoạn nhiệt thì dQ = 0 (10)

Một vòng cân bằng được kết thúc cho thiết bị phản ứng là

Với nhiệt độ ổn định tại To, các Entapi Hio = 0

Thế phương trình 12 vào phương trình 10

Quá trình đoạn nhiệt với và với nhiệt dung là hằng số

Biểu thức này được thay và phương trình 8 để tính được thể tích với phương trình 9

Bảng 17.7. Cân bằng vật liệu và năng lượng của thiết bị phản ứng dạng lớp đệm

Độ khuếch tán và độ dẫn nhiệt được tính rõ được chỉ trong hệ đơn vị radial

Phương trình cân bằng năng lượng

Phương trình cân bằng vật liệu:

Tại đầu vào:

Tại trung tâm thiết bị:

Tại tường:

Khi nhiệt độ T’ của truyền nhiệt trung bình không phải hằng số, cân bằng Entapi khác sẽ có thể đề ra để liên kết T’ với nhiệt độ của quá trình T

Một nghiệm số của các phương trình này có thể chứa trong các đại lượng hữu hạn khác, gọi m radial số gia và n là trục của nó. Với đại lượng kế tiếp cho các phép đạo hàm tiếp, phương pháp có thể thực hiện được bởi phép vi phân:

Biểu thức cho các ký hiệu của cùng công thức

rc là tốc độ phản ứng, một hàm của s và T

G là lưu lượng chất, khối lượng/ (thời gian) (diện tích mặt cắt bề ngoài)

u là vận tốc dài

D là độ khuếch tán

K độ dẫn nhiệt

Hình 17.1. Thời gian phân bố ổn định của một số thiết bị phản ứng thương mại và mô hình thiết bị phản ứng dạng đệm. Số bậc tự do, tương đương với ố của bậc CSTR, và chỉ số Pe được xác định cho mỗi trường hợp.

Tại các giá trị lớn của Pe, tỷ lệ Pe/n được đưa vào 2

Chỉ số Pe bề ngoài trong tháp đệm

Thì rất mạnh mẽ trong mối tương quan (Wen and Fan, Models for Flow Systems and Chemical

Reactors, Dekker, NY, 1975) trong các mục của nhóm không thứ nguyên và

khi đó

dp là đường kính của chất điểm,

Dm là độ khuếc tán phân tử,

ε là phần rồng trong lớp đệm

Các mối tương quan:

ε.Pe = 0.20+0.011Re0, 48 cho chất lỏng, độ lệc tiêu chuẩn là 46% (17.14)

cho khí (17.15)

Không có chiều tương quan của số bậc tự do (hoặc thông sô phù hợp n) trong điều kiện của hình dạng và chế độ làm việc của một bể. Với lý luận này RTD lúc này không phải một dụng cụ thiết kế, nhưng nó có giá trị như một dụng cụ chuẩn đoán chất lượng của thiết bị hiện hữu dựa vào kiểm tra chỉ thị có thể tính được. RTDs chứa từ phép kiểm tra chỉ thị hoặc cõ lẽ được đánh giá từ dữ liệu hệ số phân tán hoặc các mối tương quan được đưa vào để dự báo giới hạn giữa cái mà một biến đổi hóa học có thể tạo ra trong không gian bình phản ứng.

Sự biến đổi trong các dòng cô lập và dòng hỗn tạp cực đại

Trong các trường hợp đặc biệt, chế độ giới hạn cho biến đổi hóa học là chế dòng độc lập được cho bởi phương trình:

Và chế độ hỗn hợp cực đại được biểu diễn theo phương trình Zwietering. Cho 1 hệ số phương trình phương trình này có dạng:

Với điều kiện biên là dx/dtr = 0 khi (17.18)

Nó được xử dụng để tạo ra biến bắt đầu từ

Tích phân số của phương trình thì đủ để đúng bởi bắt đầu tại và quá trình tiếp diễn đến khi tr = 0 tại thời gian mà giá trị của x là một biến đổi trong thiết bị phản ứng với thời gian phân bố ổn định E (tr).

Với một RTD xác định thì 2 chế độ có thể phù hợp cho giới hạn trên và dưới của biến đổi hoặc kích thước phản ứng cho hệ số phương trình đơn:

Kích thước tương đối của thiết bị phản ứng cơ bản dựa vào 2 chế độ đã xác định trong hình 17.2 từ 2 đến nửa phản ứng tại các biến đổi khác. Với phản ứng bậc 1 tỷ lệ là đơn vị. Tại giá trị nhỏ của n và biến đổi bậc cao, bề rộng trong kích thước thiết bị phản ứng là rất lớn. Trong một số hệ thống tháp đệm, tuy nhiên, với sự phân bố ban đầu chính xác và giải phân bố giá trị của n vào khoảng 20 hoặc hơn thế, và chiều rộng thích hợp trong kích thước thiết bị phản ứng là đơn giản nhất gần với biến đổi vào khoảng 90%. Trong các trường hợp kích thước thiết bị phản ứng dự báo là lớn có thể chọn mà không cần quan tâm đến sự bất thường của giá trị thương mại.

Dữ liệu cũng có thể sắp xếp lại để biểu diễn giới hạn của sự thay đổi cho một thiết bị phản ứng có kích thước xác định.

Khi hệ số phương trình là liên hợp, các giá trị được dự báo bới 2 chế độ không cần thiết có giới hạn. Các liên hợp có thể bắt nguồn từ các phản ứng bội, biến thiên của độ chặt hoặc áp suất hoặc nhiệt độ, sự pha trộn không hoàn toàn của dòng nguyên liệu, minimax thì hệ số trạng thái như trong quá trình tự xúc tác, và có thể các trạng thái khác. Độ nhạy của phản ứng từ biểu đồ pha trộn có thể đã có sẵn trong một số trường hợp, nhưng bình thường thì các giới hạn biến đổi sẽ không được xác lập. Một số khác, có thể thực hiện hơn các chế độ sẽ phát ra để biểu diễn trạng thái của phản ứng. Tài liệu có vài ví dụ về chế độ nhưng không thực sự liên quan nhiều (Naumann and Buffham, 1983: Wen and Fan: Westerterp et al., 1984).

Hình 17.2. Các thể tích tỷ đối của thiết bị phản ứng dạng pha trộn cực đại và dạng dòng độc lập với

cùng RTD đồng nhất bởi như một hàm của sự biến đổi cho 2 hoặc nửa bậc của thiết bị phản ứng. Với phản ứng bậc 1 thì tỷ đối được lấy làm đơn vị.

SỰ BIẾN ĐỔI TRONG DÒNG TỰ DO VÀ BIẾN ĐỔI CSTR

Biểu đồ pha trộn trong giàn CSTR n bậc là trung gian giữa dòng độc lập và dòng hỗn hợp và được mô tả bởi thời gian phân bố ổn định với số bậc tự do . Sự biến đổi trong giàn CSTR được tính ra bởi phép giải n liên tiếp của phương trình:

Với Cn/C0 = 1-x. Hệ số thể tích yêu cầu của thiết bị phản ứng giàn CSTR và dòng độc lập được biểu diễn trong hình 17.3 với các giá trị khác nhau của n trên một biên độ các biến đổi cho một phản ứng bậc 2. Sự so sánh với hệ thức dòng pha trộn cự đại/dòng độc lập của hình 17.2 biểu diễn một hiệu số khác biệt giữa 2 lần đặt hệ số.

CHẾ ĐỘ PHÂN BỐ

Mặc dù nó cũng là đối tượng để giới hạn của một biến số tiêu biểu đơn mà không phải tương quan tốt, chỉ số Pe, chế độ phân tán dự báo các biến đổi hoặc thời gian ổn định một cách không rõ ràng. Để một phản ứng với hệ số phương trình , chế độ này được biểu diễn bằng phương trình khác

Hình 17.3. Chỉ số của thể tích của thiết bị giàn CSTR n bậc và thiết bị phản ứng dòng độc lập biểu diễn bởi một thời gian ổn định phân bố với số bậc tự do . Phản ứng bậc 2 với điều kiện biên

Khi x = 1-C/Co, phần biến đổi

z là khoảng hướng tâm chiều dài thiết bị phản ứng.

Một phương pháp nghiên cứu có thể tính ra chỉ cho phản ứng bậc 1. Hai điểm điều kiện biên đòi hỏi một số cách tiến hành đặc biệt. Sơ đồ của các phương pháp cho phản ứng bậc 1 và 2 được biểu diễn ở hình 17.4 và 17.5.

Biểu đồ dòng chảy tầng và dòng chảy:

Một mẫu đường ống thiết bị phản ứng mà có thể ứng dụng để các chất lỏng nhớt như là các polyme có một các vận tốc phân phối xuyên tâm được biểu diễn bởi phương trình

Khi β = r/R. Khi m = 2, biểu đồ là biểu đồ dòng Poiseuille hoặc dòng tầng, và khi m đạt giá trị vô cùng thì biểu đồ là dòng chảy khối. Thời gian phân bố dọc theo một đường là

Giá trị trung bình của tất cả các biến đổi tuân theo đường sau:

Với phản ứng bậc một, có ví dụ sau:

Và phản ứng bậc 2:

Các tích phân này có thể có giá trị là các số. Sự biến thiên trong các phân bố thời gian sẽ được tổng hợp lại., ví dụ, để khoảng trong các phân bố khối lượng phân tử của phản ứng polyme hóa.

17.5. SỰ LỰA CHỌN CÁC XÚC TÁC:

Một xúc tác là một chất mà làm tăng tốc độ của phản ứng bằng cách tham gia về phương diện hóa học trong các bậc phụ của phản ứng và được giải phóng ngay sau khi kết thúc trong một công thức không thay

đổi về phương diện hóa học. Ở một giai đoạn của quá trình, tuy nhiên, sự cố định thay đổi trong giai đoạn khử hoạt tính của xúc tác có thể xảy ra. Các chất ức chế là những chất mà làm chậm lại các phản ứng hóa học. Một số xúc tác có sự hoạt hóa đặc biệt trong đó chúng thường chỉ 1 phản ứng hoặc một nhóm phản ứng đã được xác định. Một ví dụ đáng chú ý là sự cháy các phần tử trong cái mà có nhiều đến hàng trăm các xúc tác, gọi là enzymes, mỗi loại xử dụng trong một quá trình hóa học đặc biệt.

Kỹ thuật của một phản ứng xúc tác, một dãy phản ứng chính từ các chất phản ứng ban đầu để tất cả các phản ứng được thay đổi từ đó quá trình giải xúc tác và kết quả ở một mức năng lượng thấp hơn được tính ra, theo đó sự thay đổi một phản ứng trong môi trường nhiệt độ tại nơi mà quá trình có thể phát triển một cách thuận tiện. Điều kiện cân bằng thì không thay đổi khi cũng chuyển tiếp và hệ số nghịch đảo được tăng lên tương đương. Với một ví dụ, một xúc tác hydro hóa tốt cũng là một chất xúc tác tách hydro tốt: nhiệt độ thuận lợi nhất sẽ khác cho mỗi một quá trình khác của chuỗi.

Một sự phân loại thuân lợi là các xúc tác đồng thể và dị thể. Các công thức để định nghĩa thường là các phức hóa kim loại mà được hòa tan trong các phản ứng trung hòa, nhưng các axít và bazơ cũng có một quá trình dài đáng tin cậy của hoạt động của xúc tác. Sự hoạt động đặc biệt của các phức kim loại có thể biến chất bởi sự biến đổi các phối tử hoặc số phối trí của phức hoặc số oxy hóa của nguyên tử kim loại. Lợi thế của các xúc tác đồng chất là đặc trưng riêng biệt của chúng và nhiệt độ thấp và điều kiện áp suất thấp. Hạn chế của chính nó là sự khó khăn trong việc tái xử dụng từ lưu chất của quá trình, thường thì biến chất nhanh, và giá của nó thì tương đối cao. Một ví dụ hay nhất về xúc tác đồng thể là sự nghịch đảo đường với axít khoáng, phản ứng ankyl hóa oleffin với axít hidrofluoric, và xử dụng amoniac trong quá trình Solvay và oxit nitrogen trong quá trình Chamber. Một phát triển hiện đại là tổng hợp axit acetic từ metanol và CO trong sự có mặt của phức đồng chất Rodi.

Vấn đề của sự phân tách xúc tác tại thời điểm kết thúc của quá trình có thể sẽ dễ trong một số trường hợp bằng cách gắn cáo xúc tác vào một chất gắn, cho các đối tượng, axít photphoric lỏng trong các lỗ rỗng của một chất mang rắn để pha lỏng tổng hợp cumene và tốt cho các ứng dụng rộng rãi của các enzym mà được bổ xung bởi các biện pháp khác để tạo polyme rắn. Một số phối tử kim loại cũng phối hợp với các polyme rắn này.

XÚC TÁC DỊ THỂ:

Bằng con đường tuyệt nhất trong việc tổng hợp hóa học được chế tạo trong các pha chất lưu với xúc tác rắn. Những vật liệu rẻ, dễ tách biệt từ môi trường phản ứng, và được đưa vào các thiết bị không dòng hoặc có dòng. Nhược điểm của nó là một sự thiếu tính đặc trưng và thường thì đòi hỏi nhiệt độ phản ứng cao và áp suất cao. Thành phần cơ bản của một xúc tác đồng thể là 3 chỉ số:

1. Hiệu quả của xúc tác dị thể.

2. Một chất mang nhiều hơn hoặc ít hơn bề mặt xác định trên cái mà xúc tác thích hợp đã kết tủa như một màng mỏng, cũng không tiết kiệm khi xúc tác là đắt tiền hoặc khi chính bản thân xúc tác không thể được điều chế với một bề mặt xác định thích ứng.

3. Các chất hoạt hóa, thường thì hiện nay trong một số lượng tương đối nhỏ, mà tăng cường hoặc giảm khả năng biến chất.

Một số xúc tác compossit được điều chế để đẩy mạnh các phản ứng của một chuỗi chính để tạo ra sản phẩm cuối cùng. Một xúc tác cơ bản thường được lựa chọn với nguyên lý bình thường, nhưng sau đó sự điều chỉnh tốt của một tính toán về sức hấp dẫn về phương diện thương mại được hình thành trong một mô hình thử hoặc một vài lần trên một tháp tẩy cặn.

Sự đồng nhất từ những cái đã biết được để tạo ra cái có ích trong các vấn đề đồng dạng về hóa học thường đưa ra một khởi đầu cho dạng xúc tác, mặc dù một nguyên lý cơ bản cho việc lựa chọn là bản chất để phát triển. Đòi hỏi này cần một nghiên cứu trong bộ phận của chính những phản ứng hóa học có thể là bán thành phần mà có thể xảy ra và khả năng hấp thụ của proton và electroncủa xúc tác và có thể là chất hoạt hóa, tốt như các chất kết dính dài và kích thước lưới tinh thể. Các đề án được làm ra từ các điểm cơ sở này của tổng quan trong quyển sách của Trimm (1980). Một tin tức toàn diện về xúc tác hóa học và xúc tác sắp xếp phù hợp để hệ thống tuần hoàn thì đang thực hiện trong một bộ biên tập bởi Roiter (1968). Sự hoạt động của xúc tác công nghiệp được tổng hợp lại do Thomas (1970) tên người sản xuất ra những xúc tác đặc trưng. Quá trình đặc trưng và các dạng tự nhiên của xúc tác được tổng hợp vào trong 3 cuốn sách được viết bởi Leach (1983-1985): trong một chương viết bởi Wagner, có một chuỗi 40 xúc tác với các loại của các quá trình cho những quá trình mà chúng là có ích và 49 quá trình xúc tác với các xúc tác đồng thể và dị thể mà có được xử dụng với chúng. Một số quá trình công nghiệp được mô tả bởi Satterfield (1980). Cracking, reforming, oxy hóa không hoàn toàn, hydrodesunfua hóa và xúc tác bởi các phức kim loại chuyển tiếp được nghiên cứu trong ấn phẩm của Gates (1979). Và sự biến đổi xúc tác của các hydrocarbon bởi Pines (1981). Các kỹ thuật và các dạng khác của xúc tác hữu cơ được trình bày trong một tập của bộ phát hành bởi Bamford và Tipper (1978). Một tài liệu phổ thông cho các quá trình enzym: công nghệ đó được xem là tốt trong 2 ấn phẩm Ullmann's Encyclopedia (Biotechnologie, Enzyme) tốt bởi Bailey và Ollis (1986). Trong các ấn phẩm này, phần 17.1 xác định các xúc tác xử dụng nhiều nhất trong 100 quá trình được liệt kê.

Quá trình trung gian của các phản ứng xúc tác hữu cơ có thể cần đến các gốc tự do trung tính R, các ion dương R+, hoặc các ion âm R- như là các chất phản ứng tạm thời. Một phân loại của xúc tác và các quá trình từ các phần của quán niệm về các phản ứng cơ bản giữa hai chất phản ứng và xúc tác là đáng quan tâm nhưng không có thể khai thác ra được. Tuy nhiên, có một sự dồi dào về các hoạt động hơn hoặc kém được chứng minh hoàn toàn, một vài sự sở hữu nhưng cho phép tại một giá nhất định. Những nảy sinh từ sự thảo luận được phân loại trong các loại xúc tác và trong các loại quá trình.

CÁC LOẠI XÚC TÁC

Để ứng dụng trong một phạm vi, nó được chia ra các loại phản ứng được đẩy cao tốc độ với các bậc đã biết của xúc tác, nhưng các phần riêng lẻ của cùng một bậc có thể khác biệt lớn trong hoạt hóa, chọn lọc, trở lực để phá hủy và chi phí. Bằng các hiệu số nhỏ trong những đặc điểm có thể tính tổng trung bình lớn cho giá thành trên sự điều chỉnh hợp lý giá cả. Các xúc tác rắn, loại thông thường nhất, không phải là đạc trưng nhất hoặc được lựa chọn, như là có một sự cân nhắc sự giao nhau giữa các đường trong các phép phân loại giữa các loại của xúc tác và các loại của các phản ứng. Tuy nhiên, các phản ứng chính có thể lấy ra.

Axít mạnh cho phép cho các proton đến một chất và lấy chúng trở lại. Trong độ chênh lớp của các axít bình thường, các nhôm halogen, và các Bo trifloric, mối kim loại sunphat và phốt phát, và các ion sunphonat chuyển ra nhựa. Bản chất của các nơi hoạt động trên các loại này của bình cất rắn không hoàn toàn hiểu được. Đa số các phản ứng được liệt kê vê sau được tác dụng xúc tác để có một độ lớn bởi các axít chất lượng. Các Zeolit được hydrat hóa amonisilicat với mao quản nhỏ có kích thước phân bố hẹp, để nó xứng đáng là sự lựa chọn cao cho xúc tác ảnh hưởng khi chỉ các phân tử nhỏ đủ đi qua no mới có thể phản ứng. Trong hệ thống phản ứng cracking họ dùng 10-15% trong silica-aluminat để ngăn cản sự tự do hoạt động của chúng: xúc tác composit trước đây thì rất hiệu quả nhưng tạo ra ít caborn, tạo ra các phân tử thấp như sản phẩm C3-C4, và dùng được lâu hơn. Sự hoạt động mạnh mẽ của chúng có tia hồ quang để hỗ trợ cho thiết bị cracking có bộ phận tạo tầng sôi bằng thiết bị phản ứng có bộ phận ống kích thích bay hơi. Khi các zeolit được đưa vào trong xúc tác reforming, chúng crack các isoparafin đưa về dạng mạch thẳng mà đưa vào các mạch và lấy lại thành các chất có chỉ số octan cao.

Xúc tác bazơ thì hoạt động tốt nhất với kim loại kiềm phân tán trên các giá rắn hoặc trong công mẫu đồng thể như andoxiy, amin, và nhiều nữa. Các phân tử nhỏ của các chất hoạt hóa trong xúc tác có thể đưa vào để tạo họp phần có mẫu hữu cơ kiềm mà thực sự có khả năng xúc tác. Những ion cơ bản ở dạng keo cũng có ích. Một số quá trình xúc tác bazơ là quá trình isome hóa, oligome hóa các olefin, phản ứng của olefin với các aromatic, hydro hóa polynucle aromatic.

Oxit kim loại, các sunfit và hydryt hình thành một sự chuyển tiếp giừa axít-bazơ và xúc tác kim loại. Chúng xúc tác cho phản ứng hydro hóa, khử hidro rất tốt như những phản ứng xúc tác là axít như cracking và isome hóa. Hoạt tính oxy hóa của chúng được liệt kê để khả năng hai trạng thái hóa trị mà cho phép oxy có thể giải phóng và tái hấp thụ lần lượt. Các ví dụ thông thường là oxit Coban, iron, zinc, và crôm: các hydrit của các kim loại quý mà có thể khử hydro một cách sẵn sàng. Xúc tác sunfit thì bền hơn các xúc tác kim loại để cấu tạo của bã than coke và để sự nhiễm độc bởi hợp phần sulfua: ứng dụng chính của nó là hydro đề sunfua hóa.

Các kim loại và hợp kim. Xúc tác dùng kim loại trong công nghiệp chủ yếu được tạo ra trong chu kỳ nhóm 8 mà là các bộ phận chuyển tiếp với hầu hết có 3d, 4d và 5d là e ngoài cùng. Tùy theo 1 học thuyết, các e từ các phân tử được hấp thụ có thể đi vào các khoảng trống trong các khoang bán hoàn toàn và theo đó tạo ra được một chất kết dính hóa học. Cái điều xảy ra về sau sẽ phụ thuộc vào điều kiện của chế độ phản ứng. Platinum, palladium, và nickel là các ví dụ, có dạng cùng với các hidryt và các oxit: chúng thì có ích trong phản ứng hydro hóa (dầu thực vật, là một ví dụ) và oxy hóa (amoniac hoặc sulfua dioxit là là ví dụ). Các hợp kim không thường xuyên có đặc tính xúc tác phụ giữa những kim loại nguyên chất khi điều kiện bề mặt có thể khác từ chất tải và hoạt động là một đặc tính của bề mặt. Ứng dụng của các nguyên tử nhỏ của Reni đến kết quả Pt/Al2O3 trong một sự suy giảm nhỏ hơn của hoạt động với nhiệt độ cao và tốc độ khử hoạt tính chậm hơn. Công nghệ xúc tác bằng hợp kim có trong các tranh luận về các trường hợp của bình chưng chất.

Các xúc tác cơ kim kim loại chuyển tiếp trong hỗn hợp được hoạt hóa cho phản ứng hydro hóa tại những nhiệt độ thấp hơn các kim loại như platin. Chúng được xử dụng cho các phản ứng hóa học của monoxit caborn với các olefin (fomila hóa hydro) và cho một số phản ứng oligome hóa. Vấn đề của sự phân tách các xúc tác từ dung dịc thường được ngăn ngừa bởi các mấu neo hoặc giữ cố định các xúc tác trên một giá polyme chứa giá treo nhóm photphit và theo những con đường khác.

CÁC LOẠI XÚC TÁC PHẢN ỨNG HỮU CƠ

Các cơ sở phân loại của phẩn ứng hữu cơ thì có thể dựa trên những điều cơ bản về các loại liên kết mà nó được tạo thành và phá hủy và khử tự nhiên, các sự chuyển đổi, và các ứng dụng của nhóm. Ở đây, một danh sách 20 loại phản ứng liên tiếp hoặc riêng lẻ quan trọng về thương mại sẽ được thảo luận:

1. Ankyl hóa, cho ví dụ như: các olefin với các hợp chất thơm hoặc các iso-parafin, được xúc tác bởi axít sunfuaric, axít hudrofluoric, BF3 và AlCl3.

2. Phản ứng ngưng tụ của andehit và ketone được xúc tác đồng thể bởi các axít và bazơ, nhưng các bazơ rắn thì được ưu tiên, như là anion ở dạng keo và kiềm hoặc các hydroxit kiềm thổ hoặc các photphat.

3. Cracking, một sự đứt mạch giữa C và C, ví dụ như của dầu khí thành khí đốt, được xử dụng silica-aluminat, các zeolit và các axít thông thường.

4. Các phản ứng khử hydro, khử OH được tận dụng phế liệu của chất hóa học của phản wunsg khử hydrat kết hợp với các tâm phân tử khử OH. Bao gồm cả trong lớp các xúc tác là axít photphoric, Si-Mg, Si-Al, dẫn xuất nhôm từ AlCl3, và các loại oxit kim loại khác.

5. Phản ứng este hóa và ete hóa có thể hoàn thành bởi xúc tác với aciid khoáng BF3, phản ứng của isobutylen với methanol để tạo MTBE được xúc tác bởi các ion dưới dạng keo.

6. Phản ứng oligome hóa theo kiểu Fischer-Tropsch của CO với hydro để thành hỗn hợp hidrocarbon và một phần oxy hóa. Iron xúc tiến phản ứng bởi kali được ưu tiên, nhưng xúc tác ban đầu là cobal hình thành một quá trình cacbonyl.

7. Phản ứng halogen hóa và khử halogen được xúc tác bởi các chất mà hiện tại nhiều hơn một trạng thái hóa trị và được cho phép để đưa vào và cho các halogen tự do. Bạc và đồng halogen được xử dụng cho phản ứng pha khí, sắt clorua thường cho pha longe. Phản ứng hấp thụ HCl được đẩy nhanh bởi BiCl3 hoặc SbCl3 và hấp thụ Flo bởi natri florua dưới các điều kiện phản ứng. Thủy ngân clorua đẩy nhanh quá trình được đưa vào HCl để acetylen tạo ra vinyl clorua.

8. Phản ứng hydro hóa và khử hydro xử dụng các xúc tác mà có độ hòa tan với nước tốt. Nhôm là một xúc tác chủ yếu, nhưng cũng xử dụng là nhôm-silicat, mối kim loại và axít photphoric hoặc những muối của chúng trên các chất mạng và dung dịch keo ion.

9. Phản ứng hydro cracking được xúc tác bởi các chất mà đẩy mạnh xúc tác craking và cũng như phản ứng hydro hóa. Nikel và Vonfram sunphit trên nền axít và zeolit nạp vào cùng Paladi đưucọ xử dụng thương mại.

10. Phản ứng hydro đề ankyl hóa, ví dụ như cho toluen vào benzen, được đẩy mạnh phản ứng bằng Crom-nhôm với hàm lượng Natri thấp.

11. Phản ứng hydro đề sunfua hóa xử dụng sulfit coban, molipden, nhôm hoặc lần lượt với nikel, vonfram thay thế cho Co và Mo.

12. Phản ứng fomila hóa hydro, hoặc quá trình oxo, là phản ứng của olefin với CO và hydro để tạo andehyt. Xúc tác chủ yếu là coban naptenat được chế biến từ coban hydrocacbonyl trong 1 chỗ. Một phức Rodi thì bền hơn và có các hàm tại một nhiệt độ thấp hơn cũng được xử dụng.

13. Phản ứng hydro hóa hay khử hydro xử dụng các xúc tác chế tạo từ các hydrit bề mặt không bền. Nhóm chuyển tiếp và các kim loại tiếp giáp như Ni, Fe, Co và Pt thì tiện dụng, tốt như các oxit trong nhóm chuyển tiếp hoặc sunfit. Lớp phản ứng này chứa các ví dụ quan trọng của việc tổng hợp amoniac và metanol theo phương pháp Fischer-Tropsch và quá trình oxo và quá trình tổng hợp và sản phẩm của ankol, andehit, ketone, các amon và dầu ăn.

14. Thủy phân este được tăng tốc bởi 2 loại axít và bazơ. Các axít alkylaryl sulfonic hòa tan được hoặc hoặc các dung dịch keo ion được sunfonat hóa được thích hợp.

15. Phản ứng isome hóa được thúc đẩy bởi axít axít hoặc bazơ. Các ankylbenzen bậc cao hơn được isome hóa trong điều kiện thường với AlCl3/HCl hoặc BF3/HF: olefin với nhiều hơn axít vô cơ, các muối axít, và silica-nhôm: các hydrocacbon bão hòa với AlCl3 hoặc AlBr3 được xúc tác với 0, 1% olefin.

16. Sụ liên kết lại các đoạn gãy và xửa đổi các liên kết C-C, ví dụ như của propylen trong etylen cộng với buten. Xúc tác là các oxit, cacbornyl hoặc sulfit của Mo, W hoăc Rodi.

17. Xúc tác oxy hóa là các kim loại mà ấp thụ oxy như Pt, Ag hoặc oxit kim loại chuyển tiếp được cho phép giữ và tạo oxy bằng nguyên nhân của việc có thể oxy hóa theo nhiều bậc khác nhau.

18. Phản ứng polyme hóa của các olefin như styren được thúc đẩy bằng xúc tác axít hoặc bazơ hoặc Na: polyetylen được tạo ra với các peocid đồng thể.

19. Phản ứng reforming là biến đổi ban đầu của naphthen và ankan để tạo thành các hợp chất thơm, nhưng những phản ứng hóa học khác cũng xảy ra dưới điều kiện làm việc. Pt hoặc Pt/Re là hợp phần của phản ứng hydro hóa-khử hydro có xúc tác và nhôm được hợp phần axít chịu trách nhiệm để sắp xếp lại khung.

20. Phản ứng reforming hơi nước là phản ứng của hơi với hydrocabon để tạo thành khí đôt hoặc hydro. Với khí đốt, một xúc tác đại diện thành phần gồm có 13% khối lượng Ni, 12.1% khối lượng là U và 0.3% khối lượng là K: nó là đặc biệt bền để hấp thụ độc của sunfua. Để tạo hydro, xúc tác phải chứa Ni, Ca, Si, Al, Mg và K. Công thức đặc trưng được lập bởi Satterfied (1980).

TÍNH CHẤT VẬT LÝ CỦA CÁC XÚC TÁC RẮN

Mặc dù một vài xúc tác rắn rất hoạt động được xử dụng tốt như là lưới thép những thứ khác tốt được chia làm cốt, xúc tác hầu hết là các khối rỗng mà tổng bề mặt được đo bằng đơn vị m2/g. Những dữ liệu đó và những dữ liệu khác của các xúc tác thương phẩm được nói đến trong bảng 17.8. Các tính chất vật lý của sự quan trọng chính là:

1. Kích thước hạt. Trong các đệm có khí hóa lỏng thì đường kính của hạt trung bình phải nhỏ hơn 0, 1 mm, nhỏ hơn kich thước của khuân đòi hỏi nhiều chất tải trên để đảm bảo sự cuốn hạn trở lại thiết bị. Trong các đệm huyền phù hạt có thể ở khoảng 1mm dia. Trong các đệm cố định độ lớn kích thước có thể từ 2-5mm dia. Các thiết bị cạnh tranh là những thiết bị có độ giảm ấp suất tăng cùng với sự giảm đường kính và khả năng đi vào bên trong bề mặt giảm với việc tăng đường kính. Với nhiệt bốc lên yếu vào các vật liệu dẫn nhiệt, gradien nhiệt độ khắc nghiệt hoặc nguồn ở đỉnh với hạt lớn mà có thể dẫn đến sự điều khiển điểm yếu kém này của phản ứng và phát triển của biên của các phản ứng không phát hiện được nhờ vào sự cacbon hóa.

2. Bề mặt riêng. Các hạt rắn hình cầu có đường kính 0, 1 mm có một bề mặt riêng khoảng 0, 06m2/mL và một loại nhôm oxit hoạt tính vào khoảng 600m2/mL. Xét về một hướng khác, một bề mặt lớn được mong muốn vì tốc độ phản ứng là tỷ lệ của số nguyên tử có thể đếm được trên bề mặt. Bề mặt riêng lớn được ghép với các mao dẫn của các đường kính bé và thực sự là tất cả bề mặt bên trong.

3. Đường kính mao dẫn và những phân bố của chúng. Các mao dẫn bé giới hạn khả năng đi vào bên trong bề mặt vì sự tăng trở lực để khuếch tán các chất phản ứng vào phía trong. Sự khuếch tán của sản phẩm ra ngoài cũng chậm xuống và có thể kết quả trong sự biến chất của các sản phẩm đó. Khi xúc tác đắt tiền, không đạt được bề mặt trong là một nguy cơ. Một sự chênh lệc của đường kính đểu của mao dẫn là một việc mong muốn, nhưng sự phân bố thường được thống kê và chỉ các bộ lọc phân tử có các mao dẫn gần đều. Các xúc tác hạt nhỏ đó là các vật liệu đúc ép của các khối chặt của các hạt nhỏ hơn có 2 mức phân phối kích thước của mao quản, giữa các hạt với chúng. Rõ ràng một sự liên kết giữa bề mặt riêng lớn và khả năng đưa vào của nó như được đo bởi đường kính của mao quản được thì đòi hỏi trong một số trạng thái.

4. Hiệu quả của sự khuếch tán. Trở lực để sự khuếch tán xảy ra trong mao quản của xúc tác là đủ để những sự va đập với các phân tử khác và với những thành của mao quản. Tương ứng với sự khuếch tán được gọi là khuếch tán theo đống và khuêch tán Knudsen DK. Một số các số liệu tương quan của khuôn đúc kiểu hiện có, thứ 2 hơn là phép tính từ phương trình dòng (Satterfied, 1970, p.42):

Khi đó là hàm độ rỗng

Sg là bề mặt riêng trên đơn vị khối lượng,

ρp là độ chặt

T là nhiệt độ (K)

M là khối lượng phân tử.

Phương trình này áp dụng cho các mao quản hình trụ đều mà có chiều dài bằng bề dày của xúc tác đi qua bộ phận khuếch tán được bố trí. Sự khuếch tán hiện thời trong các mao quản xúc tác thông thường thường là trung gian giữa Bulk và Knudsen. Hơn thế nữa, nó phụ thuộc vào kích thước của mao quản phân bố và độ dài thực chất của đường. Hai trạng thái uốn khúc của thiết bị được xác định:

τp là hệ số khuếch tán được xác định để những tính toán đó với kích thước mao quản đã biết phân bố và phân bố bulk và bề dày của khối xúc tác.

• là hệ số khuếch tán được xác định để những tính toán đó từ công thức Knudsen với một đường kính mao quản trung bình.

Dữ liệu ở bảng 17.8 trình bày một dải kha khá hẹp của τp, một giá trị chuẩn được đưa ra là 4, nhưng giải pháp này không đưa ra được biểu đồ để biểu diễn τm, cái mà không ngạc nhiên khi sự phân bố trên thực tế là trung gian giữa bulk và Knudsen trong các trường hợp. Trong chế độ để được cho phép tính toán hiệu quả của khuếch tán, nó thì cần thiết để biết phân bố kích thước mao quản, độ rỗng, và khuếch tán bulk trong hỗn hợp phản ứng dưới các điều kiện phản ứng. Như là một phép tính là căn bản của lợi ích trên lý thuyết. Về mặt thực tế nó thì tiện ích hơn biện pháp đơn giản khuếch tán tức thời, hoặc đều hơn để phương pháp thực sự thích hợp với đặc tính của hiệu suất xúc tác được xác định ở phần tiếp theo.

HIỆU SUẤT CỦA XÚC TÁC:

Hiệu suất của xúc tác là một độ của phạm vi xử dụng của bề mặt bên trong: nó là tỷ số của tốc độ phản ứng thực tế đạt được với hạt xúc tác để tốc độ đó được chiếm ưu thế nếu tất cả bề mặt trong được lộ để nồng độ chất phản ứng tại bề mặ bên ngoài của hạt. Hệ só phương trình do đó bị biến thành

Khi ƞ là hiệu suất xúc tác và Cs là nồng độ của chất phản ứng tại bề mặt bên ngoài. Phản ứng đẳng nhiệt, ƞluôn luôn nhỏ hơn phần tử đơn vị, nhưng những giá trị rất lớn có thể phát triển để các phản ứng tỏa nhiệt trong xúc tác kém dẫn nhiệt.

Một sự đề cập lớn về sự bảo dưỡng được dành cho mục này vì nó thú vị và thường giải được bằng phương pháp toán học các vấn đề mà nó đang có. Kết quả của các phép tính cho phản ứng đẳng nhiệt bậc 0, bậc 1 và bậc 2 trong các mao quản hình trụ đều nhau trong hình 17.6. Hoành độ là một sự thay đổi độ Thiele mà định nghĩa cơ bản là

Khi R là một kích thước dài

kv hệ số đặc trưng trên một thể tích cơ bản, Cs là nồng độ bên ngoài, n là bậc của phản ứng, và Deff là hiệu suất khuếch tán. Cho những phản ứng không đẳng nhiệt, chúng với biến số thể tích và với hệ số phương trình của Langmuier-Hinshelwood hoặc hợp phần khác, sự áp dụng các biến số đặc trưng sẽ phức tạp, mặc dù các phép tính toán có thể giải được, chúng chưng cất để đạt được kết quả đại lượng đo của hiệu suất khuếch tán tốt như một số của dữ kiện không xuất hiện. Sự phù hợp trong các trường hợp hạt nó thì thích hợp hơn đê tính ra trực tiếp đại lượng đo của hiệu suất xúc tác và mối tương quan chúng với các thông số vận hành. Hiệu suất được luận ra bằng việc so sánh biến đổi với kích thước hạt chuẩn với chúng với các kích thước nhỏ kế tiếp trước khi hiệu suất bị triệt tiêu. 2 ví dụ được trình bày để minh họa các biến đó được tính ra giá trị và độ lớn hiệu suất.

Để tổng hợp amoniac hiệu suất được đo bởi Dyson và Simon và phương trình liên hệ

Khi T tính theo độ K, x là hàm biểu diễn sự biến đổi nito và bi phụ thuộc vào áp suất như trình bày trong bảng này:

Hình 17.6. Bản đồ suy rộng của hiệu suất xúc tác cho phản ứng bậc n trong các hạt với bề mặt bên ngoài Ap và thể tích Vp. Chỗ đường cong ở trên áp dụng chính xác với phản ứng bậc 0 trong mặt cầu, và thấp hơn 1 gần đúng với bậc 1 và bậc 2 trong mặt cầu.

Hỗn hợp chuẩn có tỷ lệ H2/N2 = 3 và chứa 12, 7% mất hoạt tính: các tỷ lệ khác có hiệu suất khác không đáng kể. Các đường kính hạt từ 6-10mm. Một vài sự tính toàn từ phương trình này tại 225atm là:

Với phản ứng oxy hóa sunfua dioxit, các đại lượng của hiệu suất được đưa ra bởi Kadlec, Pour và Regner [ColZ. Czech. Chem. Cornmun.33, 2388, 2525 (1968) ] những dữ liệu mà được biểu diễn sau đây. Chúng thì ở áp suất khí quyển. Dung tích ban đầu của SO2 và biến đổi có một số tác động lên kết quả. Cũng tăng kích thước của hạt và nhiệt độ thấp hơn hiệu suất, mặc dù tác động của nhiệt độ là một cái gì đó không ổn định.

Hệ số phương trình của cả hai quá trình này thì dễ phức hợp, và có một ít hợp lệ mà hiệu suất có thể suy ra bằng phương pháp toán học từ dữ liệu cơ sở như các hàm của nhiệt độ, áp suất, sự biến đổi, và thành phần, mà có phân loại của thông tin cần thiết cho các mục đích thực tế. Có lẽ chỉ những dự đoán mà có thể tính được an toàn là đó, trong giới hạn của kích thước hạt dưới 1mm hoặc hơn, hiệu suất có lẽ là đơn vị. Sự thâm nhập của các mao quản bé bằng các chất lỏng thì yếu hơn là các xúc tác xử dụng trong hệ thống bùn lỏng là của bề mặt riêng cơ bản bé hoặc không có các mao quản.

17.6. CÁC LOẠI VÀ MÔ HÌNH VỀ CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG:

Hầu hết các loại thiết bị giữ và kết nối đều đã được xử dụng như thiết bị phản ứng hóa học, từ các vòi phun và bơm ly tâm đến hầu hết các tháp chi tiết hóa và các bộ ống. Phần này dành cho các đặc tính cơ bản của các loại thiết bị phản ứng chủ yếu, và cũng cung cấp một thư viện các loại mô hình thiết bị phản ứng đã được xử dụng.

Điểm khác biệt rõ nhất là giữa các quá trình vận hành dạng gián đoạn và liên tiếp và giữa các loại pha được tiếp xúc. Một kiểu phân loại thích hợp cho các loại thiết bị phản ứng trên cơ sở hai đặc điểm khác biệt được cho ở hình 17.7.

Khi các hợp chất không đồng nhất được cho vào, tốc độ chuyển đổi thượng bị giới hạn tốc độ chuyển

khối qua bề mặt phân cách pha, vì thế có thể hình thành một bề mặt phân cách rộng. Do đó, các chất phản ứng hoặc xúc tác rắn được phân tách hoàn toàn, và chất lưu tiếp xúc được đẩy với máy khuấy cơ hoặc trong tháp đĩa/ đệm hoặc trong các bơm ly tâm. Tốc độc truyền nhanh của các chất phản ứng qua bề mặt trao đổi nhiệt bởi việc khuấy hoặc bơm tăng cường đồng thời chuyển và giảm tác hại của chênh lệch nhiệt độ.

Quy trình gián đoạn được xử dụng đầu tiên khi thời gian phản ứng dài hoặc lượng sản phẩm yêu cầu

hàng ngày nhỏ. Thiết bị gián đoạn tương tự thường được dùng để tạo ra nhiều loại sản phẩm ở các thời điểm khác nhau. Mặt khác, không thể phổ biến hóa như điểm chuyển tiếp tiết kiệm từ quá trình gián đoạn đến quá trình liên tiếp. Một hoặc nhiều thiết bị gián đoạn cùng với các bể tràn thích hợp có thể được xử dụng để mô phỏng quá trình liên tiếp trên cở sở từng ngày hoặc lâu hơn thi

Các bể khuấy là loại thiết bị phản ứng gián đoạn phổ biến nhất. Phần chủ yếu được cho ở

hình 17.8 và 10.1, và các kiểu điều khiển mức ở hình 3.6. Quá trình khuấy để trộn các hợp phần ban đầu, để đạt được đồng nhất suốt phản ứng, và để gia tăng truyền nhiệt ở tường bọc hoặc các bề mặt bên trong. Thiết bị phản ứng ở hình 17.9(b) xử dụng một bơm tuần hoàn để trộn các hợp phần bên trong bể và để truyền nhiệt trong một thiết bị trao đổi bên ngoài. Bơm tuần hoàn hoặc hồi lưu nhìn chung có thể được xử dụng để ghép các loại bể chứa khác để phục vụ như kiểu thiết bị phản ứng gián đoạn; ví dụ, tất cả các loại bể dạng đệm ở hình 17.10(a)-(e). Một thiết bị phản ứng bơm tuần hoàn dòng ống được xử dụng cho quá trình polyme hóa etylen ở hình 17.11©; khi polyme được tạo ra, nó được cho chảy ra ở tốc độ thấp hơn rất nhiều so với tốc độ tuần hoàn, vì thế kiểu làm việc của thiết bị này gần như quá trình gián đoạn.

Một số thiết bị phản ứng có thiết bị khuấy được cho ở hình 17.10: (b) phù hợp cho các vật

liệu nhão, © cho các vật liệu nhớt, và với tốc độ tuần hoàn cao (d) phù hợp cho sự tiếp xúc gần của các chất lỏng không thể trộn lẫn như các hydrocarbon với dung môi nước.

Nhiều ứng dụng của thiết bị phản ứng có bình khuấy là quá trình liên tiếp, kể cả với bể đơn

hoặc nhiều bể sắp xếp như trong hình 17.9©-(d). Hiểu biết về phạm vi một bể khuấy đạt được trộn lẫn hoàn toàn là cần thiết để có thể đánh giá được hiệu quả của nó như một thiết bị phản ứng. Trường hợp hạn chế khác là của dòng nút, trong đó các chất không phản ứng có cùng thời gian lưu. Độ lệch từ các trường hợp hạn chế trong trộn lẫn hoàn toàn (trong một CISTR) và trộn không hướng tâm (trong một PFR) được đánh giá với sự phân bố thời gian lưu (RTDs) phụ thuộc vào kiểm tra của các chất chỉ thị.

Hiện nay, hàm thời gian lưu không có được mối tương quan tốt với công đoạn hoặc thiết kế nhà máy, nhưng kỹ thuật là của dự đoán giá trị với các thiết bị có sẵn. Trạng thái CISTR (thiết bị phản ứng bể khuấy lý tưởng) được chấp nhận khi thời gian phân bố bình quân bằng 5-10 lần thời gian pha trộn, mà có trong vòng dài của thời gian cần thiết để đạt được đồng thể cho một hỗn hợp của rất nhiều đầu vào. Thường thường đạt được 50-200 vòng của một bản thiết kế cánh khuấy đã được thết kế. Mặc dù thời gian pha trộn trở thành một đối tượng của rất nhiều nghiên cứu trong tài liệu (Westerterp et al., 1984, p. 2541), không kết quả tổng quát hóa nào có được đưa ra. Thời gian pha trộn phụ thuộc vào hình dạng bề ngoài và tốc độ và công suất của máy khuấy. Một máy đẩy ở phía trên và tua-bin ở phía dưới trên cùng một trục, các vách ngăn được cố định vào tường của bể chứa, và có thể một bản phác thảo ống bao quanh trục cho sự tuần hoàn có ích của các thành phần cấu tạo một bản thiết kế cơ bản. Tuy nhiên, không có bản thiết kế hợp lý cho thiết bị pha trộn tại thời gian này, vì thế trong trường hợp có tính quyết định các chuyên viên phải được cố vấn thêm. Chương 10 cũng nói về vấn đề này.

Năng suất đầu vào trên đơn vị thể tích và tốc độ đầu bịt cánh quạt thì thường được xử dụng đo cường độ khuấy, các biểu thức về sự điều chỉnh của bể chứa và chính brizo. Biên độ thích hợp cho một số điều kiện phản ứng được cho ở bảng sau:

Công đoạn kW/m3a Tốc độ đầu cánh Pha trộn 0.05-0.1 Phản ứng đồng thể 0.1-0.3 2.5-3.3 Phản ứng với sự truyền

nhiệt 0.3-1.0 3.5-5.0

Khí-lỏng, lỏng-lỏng 1-2 5-6 Bùn nhão 2-5 a1kW/m3 = 5.08 Hp/1000gal

Hệ số truyền nhiệt trên công đoạn bể khuấy được thảo phận trong phần 17.7.

Một lượng nạp trước và biến đổi, tất cả thể tích của một bộ CSTR giảm theo số bậc, nhanh chóng tại bậc đầu tiên và sau đó là chậm hơn. Khi phản ứng là bậc 1, ví dụ như r = k.C, tỷ lệ của thể tích toàn phần thiết bị phản ứng V, n là số bậc để hệ số thể tích nhiên liệu Vo’ được tính bởi công thức:

Tại các biến đổi từ 95-995, một vài giá trị từ phương trình này là

Khi phí tổn của các điều khiển bố xung, các máy khuấy, và các bơm có thể cân bằng tiết kiệm trong thể tích, 4 hoặc 5 khoang trong một bộ bình thường thử lại để thành một số giá trị tối ưu, nhưng một số lớn hơn số bậc có thể kinh tế với một thiết kế ống đơn trong hình 17.9 (d), đăc biệt là khi số bậc thì kém nhiều hiệu suất hơn trường hợp lý tưởng.

Cho một số mục đích nó được đầy đủ để giả định mà một nguồn của 5 hoặc hơn các CSTR là một tiệm cận đủ nhất cho một thiết bị phản ứng khối. Thiết bị phản ứng dòng ống thì nhỏ hơn và rẻ hơn các bộ khoang đem ra so sánh, bằng một bố cục ống đơn. Cho hệ số phản ứng bậc 1 của dung tích của một CSTR n bậc và một PFR được trình bày bởi

Ví dụ, khi n = 5 và biến đổi được 99%, tỷ số là 1.64. Với phản ứng bậc 2 và các bậc khác một nghiệm số cho tỷ số là cần thiết, 1 trong số đó được biểu diễn bởi hình 17.12. Với phản ứng bậc 2 thì tỷ số là 1.51 tại 99% biến đổi với 5 bậc.

Một khác biệt xa hơn giữa các bộ CSTR và PFR ở chỗ mà sự phân bố sản phẩm với phản ứng phức chất. Trong trường hợp đơn giản, ví dụ như AàB àC, một hiệu suất cao hơn của sản phẩm trung gian B được chứa trong PRF hơn trong một CSTR đơn. Nó thì không thể khái quát hóa hoàn toàn các kết quả, vì thế đại số của mỗi hệ thống phản ứng riêng lẻ được làm ra để tạo một chế độ làm việc tốt nhất.

THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO DÒNG CHẢY CÓ PHUN

Trạng thái lý tưởng của thiết bị phản ứng theo dòng ống có (TFR) là dòng đẩy lý tưởng, trong đó tất cả những phân tử không phản ứng có thời gian ổn định cân bằng. Bất kỳ pha trộn sau cùng nào xảy ra đều là ngẫu nhiên, kết quả của sự chảy rối tự nhiên hoặc được gây ra bởi sự cản trở của các khúc quanh đến dòng chảy bởi các hạt xúc tác nhỏ hoặc tháp đệm hoặc các bộ phận phụ bên trong các bể. Ảnh hưởng của những sự cản trở có thể là 2 cái mặt, tuy nhiên, trong đó một số bộ phận khấy ngược có thể xảy ra, nhưng trên nguyên một cách gần nhử tốt để bộ ghép dòng được phát triển bởi vì góc xoáy ở vỏ lớn là bị hãm chế. Bất kỳ yêu cầu về hỗn hợp ban đầu nào của các chất phản ứng được hoàn thành trong đầy phun trộn hoặc bởi các ống pha trộn bên trong như những gì ở hình 10.13 -10.14. Như một kết quả của phản ứng hóa học, biến thiên nồng độ và nhiệt độ được phát triển trong phương trục của các TFR.

Các TFR có thể là các ống tròn dài từ 1 đến 15cm hoặc hơn hoặc có thể là các bể có đườn kính đo theo đơn bị met. Hình 17.13 là các loại khác nhau của các hệ bể. Các ống đơn của thiết bị phản ứng có chiều dài hơn 1000m được xử dụng, trong những trường hợp chúng được uốn dạng cong như trên hình 17.14 (f) và 17.15 (c). Bán kính của các bộ phận là một kết quả của sự cân đối giữa giá của vật liệu, giá của bơm, và yêu cầu về nhiệt. Trong một số trường hợp có thể là cần để tránh khu dòng chảy laminar, mà có chỉ số Re ở mức 2300-4000 hoặc hơn, nếu phản ứng là phức hợp và một độ dài của thời gian ổn định là có hại.

Khi một số ống trong song song được cần đến, sự thiết kế một hệ thống vỏ bọc ống được làm để sự truyền nhiệt ra bên ngòai được xử dụng: bể sau đó có thể được để ý như một hiện tượng truyền nhiệt trong đó phản ứng xảy ra ngẫu nhiên. Sự truyền nhiệt đến các ống đơn được hoàn thiện với các áo bọc trong hình 17.14 (f) và trong một bộ gia nhiệt đốt trong hình 17.15 (c). Một số trong các bản phác thảo của bộ gia nhiệt đó thì tiện dụng cho sự phân ly và các phản ứng có nhiệt độ cao khác được minh họa trên hình 17.16. Trong quá trình chế tạo Phenol, một chuỗi benzen, và các kiềm ngậm nước được phản ứng ở 320oC và 200atm trong các đường ống hành trình có đường kính 10 cm hoặc hơn trong một bộ gia nhiệt.

Nói chung, cấu trúc các TFR được bắt nguồn từ sự cần thiết cho sự điều tiết tốt các quá trình truyền nhiệt khi có mặt xúc tác dạng hạt. Các bố trí có thể được minh họa trong hình 17.3 và ở trong phần này.

Một số phản ứng bất thường được biểu diễn trong hình 17.14. Thời gian lưu trong các đơn vị được tính là thời gian sự phân ly ở nhiệt độ cao để tạo acetylen và elylen và cho phản ứng oxy hóa amoniac được đo trong các phân đoạn là 1 giây: acetic anhydrit được tạo ra bởi sự pha trộn các chất phản ứng nhanh trong một bơm ly tâm: NO được hình thành tại nhiệt độ cao trong một lò điện: và etylen được polyme hóa tại các áp suất cao hoặc thấp trong 2 phần biểu diễn.

Hình 17.10. Các loại chế độ pha trộn trong thiết bị phản ứng có khuấy thương mại. (a) Hơi vỏ tự động chưng, 120 gal, 200 psig, 3000F (courtesy Blaw-Knox Co.). (b) khuấy trộn nằm ngang, 650 gal, 100 psig (courtesy Blaw-Knox Co.). (c) thiết bị sunfonat hóa [Groggins. Courtesy McGraw-Hill, New York]. (d) Thiết bị pmkhản ứng thay đổi nhiệt nằm ngang (courtesy Stratford Engineering Corp. Patents issued and pending).

Hình 17.11. Phân loại các bộ đóng cắt cho phản ứng của các khí với lỏng, các cái này cũng tiện dụng cho các phản ứng mà chất lỏng không trộn lẫn được. Bình: (a) với 1 bộ khuấy dẫn khí: (b) với các cánh khuấy có màng ngăn: (c) với các ống hút: (d) với đầu vào của khí đi qua một cần có rãnh xoay: (e) Với ống khuếch tán cho các phản ứng nhanh. (f) máy bơm tua bin tự mồi như một thiết bị vừa phản ứng vừa pha trộn. (g) khoang đa bơm phun. Tháp: (h) tháp màng rơi dòng chảy song song: (i) Tháp phun với pha khí tuần hoàn: (j) tháp đệm với dòng chảy song song: (k) tháp đĩa với dòng chảy ngược. (l) một hệ thống truyền nhiệt kiểu 2 ống xử dụng như một thiết bị phản ứng hình ống.

CÁC PHẢN ỨNG KHI-LỎNG:

Trừ các trường hợp chất lỏng có khả năng bay hơi cao, các phản ứng giữa các khí và các chất lỏng diễn ra trong pha lỏng, tiếp đó một sự truyền của các hạt dạng khí đi qua màng khí lỏng. Hệ số chuyển khối luôn luôn là một chỉ tiêu chính hoặc là giới hạn trong tất cả các quá trình biến đổi. Dĩ nhiên thiết bị để các phản ứng là đồng dạng từ đó cho hấp thụ các khí đầu vào theo phương pháp hóa học, các tháp cụ thể và các bình khuấy. Hình 17.11 minh họa ở dạng bản đồ các loại thiết bị phản ứng lỏng hơi. Hình 17.17 biểu diễn các ví đặc biệt cho các thiết bị phản ứng: Trong quá trình tổng hợp butynediol, acetylen tại áp suất cao được sục vào trong fomanldehit lỏng tại nhiều vị trí dọc theo một tháp trong (a). Nhiệt được hấp thụ để Nitro oxit trong nước để tạo ra axít nitric được khử theo 2 con đường trong thiết bị (b) và (e). Các chất béo được hidro hóa trong một thiết bị phản ứng có khuấy đa bậc liên hoàn trong (c) và dưới điều kiện phân đoạn trong một bình có bộ phận cảm ứng và làm lạnh trong (d). Một thiết bị phản ứng dạng màng mỏng được xử dụng cho phản ứng sunfo hóa dodecylbenzen với SO3 trong (f). Hidro được tuần hoàn với một bơm tuần hoàn có cần rãnh để thu hồi nitrocaprolactarn trong (g). Một bản thiết kế vỏ ống được xử dụng cho phản ứng amoniac và axít adipic trong (h).

Các phản ứng giữa chất khí và chất lỏng có thể có cả các chất rắn, cũng như một chất phản ứng hoặc xúc tác. Bảng 17.9 liệt kê một số ví dụ. Quá trình vôi bột và vôi vữa là có nhiều khả năng hơn cho việc khử SO2 từ ống dẫn khí của các nhà máy. Trong trường hợp này nó được xem như tốc độ phản ứng được điều khiển bởi hệ số chuyển khối thông qua màng khí.

Một số khí hiện nay trong các khí thải được khử bằng sự rửa khí với sự hấp thụ hóa học mà có dạng hợp phần lỏng: chất hấp thụ sau đó có thể được tái xử dụng để dùng lại bằng cách nâng cao nhiệt độ hoặc hạ thấp áp suất trong 1 bộ tái sinh. Làm các hợp phần lỏng có thể đưa vào trong bộ dự trữ khi thiết bị đó tính toán được kích thước.

Trong tất cả các trường hợp, một giới hạn về kích thước của thiết bị phản ứng có thể được đưa ra trên cơ sở hiệu suất truyền khối và áp suất đưa về 0, nhưng một kích thước xác định theo con đường này có thể rất lớn trong một số trường hợp để được kết quả về kinh tế. Các phương pháp thiết kế cho thiết bị chuyển khối ở trong các chương khác của quyển sách này. Dữ liệu cho việc thiết kế các thiết bị phản ứng khí-lỏng hoăc các quá trình hấp thụ hóa học có thể được viết ở trong quyển như các quyển viết bởi Astarita, Savage, and Bisio (Gas Treating with Chemical Solvents, Wiley, New York, 1983) và Kohl và Riesenfeld (Gas Purification, Gulf, Houston, TX, 1979).

Hình 17.13. Các thiết bị phản ứng xử dụng xúc tác nhiều đệm: (a) đoạn nhiệt: (b) phun nóng lạnh xem kẽ: (c) vỏ và ống: (d) thiết bị thay đổi nhiệt xen kẽ được lập sẵn: (g) thiết bị phản ứng đoạn nhiệt nhiều lớp vỏ với các tầng đốt gia nhiệt: (h) xúc tác Pt, cải tạo lớp cố định cho tỷ số nạp là 5000bpsd: thiết bị phản ứng 1 và 2 có đường kính là 5.5 ft với chiều cao 9.5 ft và thiết bị phản ứng 3 là 6.5 * 12.0 ft

CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG LOẠI ĐỆM CỐ ĐỊNH

Các loại đệm cố định có liên quan ở đây được chuẩn bị sẵn các hạt xúc tác trong giới hạn đường kính từ 2-5 mm. Các bình chứa mà chứa các hạt rắn trơ với nhiều đáy tận dụng chuyển khối giữa pha khí và

phát triển trạng thái dòng chảy khối không ở trong mục này. Các ứng dụng khác của các đệm cố định là cho mục đích của truyền nhiệt, như trong các bộ gia nhiệt sỏi và bộ nung cảm ứng các đệm dạng hạt- đây cũng được bọc ở trong.

Xúc tác trong một thiết bị phản ứng có thể được nạp vào theo nhiều đường, như là:

1. Một đệm đơn lớn,

2. Tất cả các đệm nằm ngang,

3. Tất cả các ống nạp trong một lớp vỏ đơn.

4. Một lớp đệm đơn được xem kẽ giữa các lớp là các ống,

5. Các đệm trong các vỏ bọc phân ly.

Một số khả năng được minh họa trong hình 17.13 và 17.18. Các biến thiên từ một lớp đệm lớn là cơ sở vì sự cần thiết điều khiển nhiệt độ bằng sự truyền nhiệt tương xứng, nhưng cũng cho sự phân bố lại dòng chảy hoặc để điều khiển độ tụt áp. Có một vài đơn vị tầng cố định mà không có dự phòng cho truyền nhiệt. Chỉ khi nhiệt của phản ứng bé nó có thể điều chỉnh nhiệt độ đầu vào như là thiết lập chế độ đoạn nhiệt khả thi: phản ứng khử hydro của butan là một ví dụ, được làm việc theo con đường trên.

Vì quá trình sản xuất dài của chúng và quy trình kỹ thuật chuẩn toàn thế giới, việc sản suất axít sunfuric và amoniac có các sáng tạo đặc biệt với vấn đề về thiết bị phản ứng. Một số bản thiết kế cho sự oxy hóa SO2 được minh họa trong hình 17.19. Những khác biệt cơ bản của chúng là trong chế độ của việc điều khiển nhiệt độ và sự biến đổi cân bằng một cách thuận tiện tại nhiệt độ thấp. Hình 17.19 (g) biểu diễn sự biến thiên nhiệt độ đạt được trong thiết bị, và hình 17.20 trình bày biểu đồ điều khiển nhiệt độ trong sản suất SO3, amoniac và metanol.

Một sự lựa chọn cho thiết bị phản ứng amoniac được minh họa trong hình 17.21 và 17.22. Các bể này tích hợp các phương pháp chi tiết hóa nhất cho sự điều chỉnh nhiệt độ. Đặc tính cơ bản của dòng được dự báo trong hình 17.21 (a), và một số biến thiên nhiệt độ trong hình 17.22 (d) và 17.23 (e). Cho chế độ hiệu năng điện dung cao trong các bộ phận đơn, các thiết bị phản ứng với đường làm việc ngắn qua xúc tác và áp suất nhỏ hơn 200atm được ưu tiên. Dữ liệu so sánh các hiệu năng dưới một giới hạn về điều kiện hiện ra trong hình 17.22.

Hiệu ứng nhiệt cũng là một thành phần chính trong việc thiết kế các thiết bị phản ứng cho việc chế tạo các nhiên liệu tổng hợp. Các đơn vị trong hình 17.24 cho sự tổng hợp metanol và gasoline là các kiểu lớp cố định đặc thù.

Các xúc tác cho phản ứng reforming cải tạo chỉ số octan thấp của naphtha bên trong gasonline trong sự hiện diện của hydro để làm chậm quá trình kết tủa của cacbon trên xúc tác. Nhiệt độ lên đến 500oC và áp suất là 35atm là cần thiết. Đại diện cho các thiết bị phản ứng được trình bày trong hình 17.25

Vật liệu cung cấp cho máy để các thành phần thường có thể tách lưu huỳnh: một thiết bị phản ứng dược xử dụng ở hình 17.26 hỗn hợp lưu huỳnh được hydro hóa thành hydrosunfit, mà thực sự được khử.

Dòng lưu chất đi qua thiết bị phản ứng có lớp đệm cố định thường giảm dần. Sự thay thế các lưới cho việc đỡ các lớp xúc tác trong các bể, một cái giá có các kích thước riêng biệt trong vật liệu cố định được xử dụng, như được minh họa trong hình 17.27. Các lưới đỡ trở thành đệm bằng những hạt xúc tác nhỏ. Một cách bố trí giống nhau được xử dụng tại nhóm để cản trở sự rối loạn của các bậc xúc tác bằng tốc độ lưu chất cao.

Hình 17.14 Một số hình trạng thiết bị phản ứng bất thường. (a) bình đốt cháy tạo etylen và acetylen từ hydrocarbon lỏng [Putton etd., Pet Refin 3ir (ll) B O 9 (1958) ]. (b) thiết bị phản ứng đệm dạng vòm cho phản ứng oxy hóa amoniac, xử dụng lưới Pt-Rh [GilZespie and Kenson, Chemtech, 625 (Oct. 1971) ]. (c) buồng đốt Schoenherr cho việc cố định nitro ở khí quyển. (d) sản phẩm của anhydrit axít acetic và etenon dạng khí trong một bơm pha trộn. (e) thiết bị phản ứng Phillips cho phản ứng polyme hóa ở áp suất thấp của etylen (thiết bị phản ứng có ống tuần hoàn khép kín). (f) phản ứng polyme hóa etylen ở áp suất cao.

LUỒNG XÚC TÁC DI CHUYỂN

Trong các bể chứa các vật liệu dạng hạt hoặc tảng di chuyển dọc theo chiều giảm dần của khối lượng. Chất rắn có thể là một chất phản ứng hoặc xúc tác hoặc một chất tải nhiệt. Phản ứng trên hình 17.28 (a) được xử dụng cho việc ổn định nitro trong không khí ở khoảng 4000oF. Các viên đá ổn định nhiệt được đốt bằng cách tiếp xúc trực tiếp với khí đốt, phần còn lại đi vào trong một đai phản ứng dự trừ với không khí phản ứng. Không khí được xử lý có thể được tôi tại tốc độ khoảng 25000oF/giây để lấy lại nồng độ khoảng 1% nitro oxit. Trong một cái khác như công đoạn, 2 bộ phận được xử dụng đồng thời, một làm tăng nhiệt trong khi cái khác thì phản ứng.

Máy lưu trừ hơi nóng, hình 17.28 (b) được xử dụng trong cùng một cách thức, ứng dụng của nó để nhiệt phân ly dầu để tạo etylen cũng không chứng tỏ sự cạnh tranh và bị từ bỏ.

Các bộ phận xử dụng ở trong hìn 18.28 (c) được xử dụng tại một thời điểm trong quá trình xúc tác craking của hơi dầu. Xúc tác được chuyền giữa khoang tái tạo và khoang phản ứng với gầu guồng hoặc ống xiphong. Một số tài liệu cho thiết bị được xác định với biểu đồ này.

Hai ví dụ trong đó chính chất rắn là chất phản ứng là sét dầu được chưng trong hình 17.29. Sét dầu đã được nghiền nát được chịu tại tại đỉnh, không khí và hơi nhiên liệu tại đáy. Khi sét di chuyển xuống dần tầm một nhiệt độ khoảng 900oF, bản phác thảo sự phân ly dầu hỏa đi vào trong hơi dầu, khí và các bã chứa cacbon. Có một số bản thiết kế về mô hình nhà máy chưng cất, nhưng chỉ phần thương mại hiện nay ở trong USSR và Trung Quốc.

Hình 17.15. Một thiết bị gia nhiệt như một thiết bị phản ứng nhiệt độ cao. (a) bố cụ của các ống và các buồng đốt, (1) ống bức xạ: (2) mảng bức xạ: (3) chùm: (4) các ống có khoang đối lưu (Sukhanov, Petroleum Processing, Mir, Moscow, 1982). (b) các mảng khoang bức xạ: (1) hốc: 2-gốm đục lỗ hình chữ V: 3-ống: 4-bơm phun:5-đầu phun nhiên liệu khí: (6) van tiết không khí (Sukhanov, Petroleum Processing, Mir, Moscow, 1982). (c) ống đốt lò cracking cho sự chế biến etylene từ naphatha.

LÒ NUNG VÀ LÒ ĐỐT

Các bộ phận này là khởi đầu cho việc giúp nâng cao nhiệt độm lò nung lên tới 25000C và lò luyện lên tới 4000oF. Thông thường sự xây dựng được lót bằng tấm thép với gốm, một số lên đến vài ft về chiều dày.

Lò nung Vertical được xử dụng cho các vật liệu mà không cháy nổ hoặc không bị mềm ra như là nung đá vôi và donomit. Một số công đoạn theo đợt: chất rắn sạch được nạp vào trong lò đốt, cấp nhiệt với sản phẩm cháy trước phản ứng hoàn toàn, và sau đó đổ vào. Lò nung vôi trong hình 17.30 (c), tuy nhiên các hoạt động liên tục như thiết bị phản ứng có luồng xúc tác di chuyển. Các bình này có kích thước từ 8 đến 15 về đường kính và chiều cao là 50-80 ft. Để tính toán các nhiệt độ vôi hóa cao nhất vào khoảng 2200oF, mặc dù sự phân hủy tiếp tục xả ra tự do tại 1850oF. Nhiên liệu cung cấp có thể là than cốc được trộn với các đá vôi nếu hoàn toàn bị vôi hóa có thể cho phép bổ xung thêm sỉ lò, hoặc nhiên liệu khí hoặc chất lỏng. Tốc độ dòng chảy là 0.8-1.5 lb CaO/ (giờ) (ft3 của lò nung), hoặc 45-100lb CaO/ (giờ) (ft2 của mặt cắt lò nung), sự phụ thuộc vào kích thước và tính hiện đại của lò nung, phương pháp đốt, và kích thước khối mà ở trong khoảng 4-10 in.

Các lò nung dạng quay có những ứng dụng cho các thiết bị phản ứng: giữa sự phân chia tốt các chất rắn (pha cốt), giữa các chất lỏng và chất rắn, giữa các khí và các chất rắn, và cho sự phong hóa các chất rắn. Lò nung là một cái xilanh hẹp dài với một hệ số đường kính dài từ 10-20. Các lò nung thông dụng thì dài từ 100-125 ft, nhưng các lò chất kết dính thì lớn có đường kính khoảng 12ft và dài 425 ft được ứng dụng. Một độ nghiêng so với đường nằm ngang từ 2-5độ là vừa đủ để di chuyển các hạt theo chiều dọc. Tốc độ của phép xoay là 0.25-2 vòng trên phút. Kết lại lên đến đường kính 1 in hoặc các bột mịn được xử dụng. Cấp nhiệt hầu hết là với sự cháy của các khí, nhưng một nhiệt độ được caaso thấp có thể được hoàn thành thoogn qua truyền nhiệt qua vỏ thiết bị. Hình 17.30 (a) và (b) biểu diễn biến dạng nhiệt độ của khí và dự trữ trong một lò nung xi măng và các thể tích dòng chảy trong khoogn gian của một chỉ số của các quá trình nung.

Các lò nung đa buồng cháy thì thích hợp với các điều chỉnh liên tục của các chất rắn mà biểu hiện một giới hạn số phân tử của sự kết hợp hoặc sự nung tổng hợp. Trong các loại được biểu diễn ở hình 17.30 (e), dụng cụ cạo quay, trong các loại khác là các đĩa quay, và trong các bình cất khác các dụng cụ cạo kiểu rung và đẩy ra các đĩa tại mỗi chu kỳ làm việc. Vật liệu được nạp vào ở đỉnh, di chuyển dọc theo chiều quay được tiến hành, và đánh tụt xuống các đĩa kế bên dưới trong khi sự cháy của khí hoặc chất phản ứng dạng khí chuyển động từ dưới lên. Thiết bị này được xử dụng để thiêu kết quặng, nung calci sunfat hoặc boxit, và tái sinh các hấp thụ của các nhà máy hóa dầu. Một thiết bị phản ứng với 9 đĩa, đường kính 16 ft và cao 35 ft có thể thiêu kết khoảng 1, 250 lb/giờ của quặng piryt sắt, tại một thời gian ổn định khoảng 4.5 tiếng.

Các buồng đốt thành phần của một hoặc nhiều buồng hoặc các bể lắng trũng, hoặc di chuyển hoặc cố định, thường được trang bị với các dụng cụ nạo-khuấy. Mặc dù các thiết bị được xử dụng hầu hết cho việc xử lý quặng và mục đích luyện kim, một quá trình hóa học vô cơ tận dụng chúng, ví dụ như soda khan, kiềm sunfit từ các tảng muối và than đá, Natri sunfat và hydro cloride từ muối và axít sunfuric, và silicat kiềm từ cát và soda khan. Một loại của buồng đốt bánh muối được biểu diễn trong hình 17.30 (d). Muối và axít sunfouric được nạp liên tục đến buồng trung tâm, và các dụng cụ nạo quay đều đều làm việc chuyển khối lượng phản ứng theo hướng ra ngoài chỗ mà kiềm sunfat được xả ra dưới dải băng. Các sản phẩm đi ra tại nhiệt độ khoảng 1000oF. Các khoang có đường kính 11-18ft có thể cần từ 6-10 tấn/24h muối. Để so sánh, một lò nung quau nằm nagng Laury, kích thước 5*22 ft, có một dung tích là 1 tấn/h tảng muối.

Công đoạn nhiệt độ cao như là các quá trình sản suất kính hoặc thép phế liệu với các lò đốt có khoang đốt đơn, thường với nhiệt tái tạo với sự tiết kiệm nhiên liệu. Lò đốt Siemens-Martin ở hình 17.30

(d) với một khoang đốt rộng 13 ft và dài 40ft có một tốc độ sản xuất vào khoảng 10 tấn/h thép với thời gian ổn định là 10 h. Thể tích khoang đốt vào khoảng 5000cuft và thể tích tất cả bộ tái tạo vào khoảng 25000cuft.

HÌNH 17.17. Các ví dụ về thiết bị phản ứng cho các quá trình lỏng-khí đặc biệt. (a) thiết bị phản ứng nhỏ giọt để tổng hợp butinediol có đường kính 1.5 m và cao 18m. (b) thiết bị hấp thụ Nitro oxit trong các cột đệm. (c) Hydro hóa tuần hoàn các chất béo. (d) thiết bị phản ứng có khuấy cho phản ứng hydro hóa theo đợt của các chất béo. (e) quá trình hấp thụ nitro oxide trong tháp đĩa. (f) một thiết bị phản ứng màng mỏng để tạo dodecylbenzen sunfonat với SO3. (g) thiết bị phản ứng có khuấy cho phản ứng hydro hóa caprolactan. (h) thiết bị phản ứng có buồng đốt để tạo adiponitrit từ axít adipic trong sự có mặt của axít photphoric

BẢNG 17.9.Các ví dụ về các quá trình tạo tầng sôi có đệm

A. Quá trình xúc tác

1. Xúc tác dầu và reforming.

2. Tái sinh benzen nồng độ cao từ dầu khí.

3. Sản xuất olefin từ dầu thô.

4. Clorit bằng quá trình oxy hóa HCl

5. Acetylen từ metan

6. Điều chế từ ác andehyt chưa bão hòa

7. Tái sản xuất hỗn hợp nitro từ các amin

8. Oxy hóa SO2 thành SO3

9. Andehyt phthalic từ naphtha hoặc o-xylen

10. Anhydryt axít maleic từ benzen

11. Fomandehyt từ metanol

12. Clo hóa metan và etylen

13. Tổng hợp gaonline bằng phương pháp Fischer-Tropsch

14. Hydro hóa etylen

15. Oxy hóa amoniac

16. Etylen oxit từ etylen

17. Butandien từ butanol

18. Khử hidro từ isopropanol

19. Phản ứng isome hóa n-butan

20. Liên kết Cl vào PVC

21. Phân giải ozon

22. Điều chế hydrocarbon cloryt

23. Điều chế nhựa melamin

24. Tổng hợp isopren

25. Giảm bớt vinyl acetat

26. Điều chế acrylonitrin

B. Các quá trình không xúc tác.

1. Khí hóa than đá

2. Cốc hóa tầng sôi

3. Cracking nhiệt metan

4. Điều chế carbon hoạt tính

5. Etylen bằng việc cracking các phân đoạn dầu mỏ

6. Sự đốt cháy than đá

7. Đốt cháy dầu phiến

8. Đốt cháy các chất thải đô thị hoặc công nghiệp

9. Đốt cháy các dung dịch đen (công nghiệp giấy)

10. Sự thiêu các muối sunfit của sắt, đồng và kẽm

11. Đốt cháy sunfua trong một đệm cát

12. Phân giải axít sunfuric thải và các sunfat

13. Cracking các clorit như FeCl2, NiCl3 AlCl3

14. Bay hơi Re

15. Đốt cháy quặng đá vôi và dolomit

16. Nung xi măng

17. Giảm bớt các quặng sắt và oxit sắt

18. Clo hóa quặng của nhôm, titan, Ni, Co và thiếc

19. Clo hóa các piryt thiêu và các quặng sắt

20. Clo hóa đá vôi

21. Canci hóa nhôm hidroxit từ nhôm

22. Điều chế nhôm sunfat từ boxit

23. Điều chế nhôm florit, urani tetra và hexaflorit

24. Điều chế W nguyên chất từ florit

25. Canxi hóa phốt phát

26. Điều chế phosphorus oxyclorit

27. Điều chế carbondisunfit

28. Điều chế hydrazin

29. Điều chế axít nitric

30. Điều chế nitrat từ amoniac và Na

31. Điều chế Na carbonnat

32. Điều chế hydro cianua

33. Hydroclorin hóa phân tử nhiên liệu U

34. Điều chế Urani trioxit từ nitrat

35. Tái sinh U từ nhiên liệu hạt nhân

36. Tái sinh florin từ khí thải của nhôm điện phân

37. Quá trình đốt cháy để truyền nhiệt bằng cát

38. Làm lạnh khối hạt như các hạt phân bón

39. Quá trình sấy các vật liệu mịn rời như các quặng nổi và photphat thô

40. Quá trình bọc các phần tử nhiên liệu bằng cracking nhiệt clometylsilen

Hình 17.18. Truyền nhiệt trong các thiết bị phản ứng tháp đệm cố định: (a) đun nóng sơ bộ thích hợp: (b) sự trao đổi nhiệt bên trong: (c) vành không gian lạnh: (d) các ống có đệm: (e) áo đệm: (f) ống và khớp nối: (g) sự trao đổi nhiệt bên ngoài: (h) nhiều lớp vỏ, với sự truyền nhiệt bên ngoài (Walas, 1959).

Hình 17.19. Các thiết bị phản ứng dùng để oxy hóa lưu huỳnh dioxit: (a) sản phẩm cấp nhiệt. (b) sựu trao đổi nhiệt bên ngoài và bên trong ống và khớp nối. (c) thiết bị phản ứng đa đệm, làm lạnh với chất tải khí với áo xoắn. (d) ống và khớp nối cho việc chống cấp lại sản phẩn và cho sự truyền nhiệt cho môi trường. (e) BASF-Knietsch, với các ống có đệm tự động cấp nhiệt và sự thay đổi bên ngoài. (f) thiết bị phản ứng Sper với sự trao đổi nhiệt bên trong bề mặt. (g) hệ thống thiết bị phản ứng Zieren-Chemiebau và biến dạng nhiệt độ (Winnacker-Weingartner, Chemische Technologie, Carl Hanser Verlag, Munich, 1950-2954).

CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG CÓ ĐỆM TẠO TẦNG SÔI

Mục này được thu gọn ở đây để thiết bị trong đó các hạt được nghiền mịn trong sự tương tác huyền phù với các khí. Các chất rắn được hóa lỏng với các chất lỏng được gọi là bột đá. Các hỗn hợp hóa lỏng 3 pha xảy ra trong một sốquá trình hóa lỏng than và quá trình xử lý dầu. Trong pha đặc khí-rắn hóa lỏng, một sự xác định rõ ràng cấp bậc đệm được duy trì: trong các hệ thống chiết suất loãng chất rắn được cuốn vào liên hồi thông qua các khoang phản ứng và được tách riêng ra trong một khoang tiếp theo.

Một ứng dụng rộng rãi nhất của sự hóa lỏng là có quá trình cracking xúc tác của các phân đoạn dầu mỏ. Vì các xúc tác thoái hóa trong một vài phút, nó được xoay vòng liên tiếp giữa khoang phản ứng và khoang hoàn nhiệt. Hình 17.31 (a) là một kiểu của các thiết bị như vậy. Thiết bị cất phần nhẹ bằng hơi nước là cho sự loại bỏ dầu hút giữ trước khi xúc tác được nung. Trang thiết bị điều khiển chính của các hệ thống cạnh nhau được biểu diễn trên hình 3.6 (h).

Các bể xúc tác chất lỏng rất lớn. Các công đoạn và chất lượng của một đơn vị nhiệt dung (khoảng 50, 000 BPSD, 60hg/s) được biểu diễn trong hình. Dữ liệu khác cho một thiết bị phản ứng cần 15, 000 BPSD

thì có đường kính là 25 ft và dài 50 ft. Sự tắc nghẽn xúc tác và các dữ liệu khác như một thiết bị phản ứng thiết kế bởi Kraft, Ulrich, và O’Connor (trong Othmer (Ed.), Fluidization, Reinhold, New York, 1956) như liệt kê sau:

Mục Đại lượng Đơn vị điện tích danh nghĩa 15, 000 BPSD Xúc tác dự trữ, toàn bộ 250 tấn Xúc tác sự trữ, thiết bị tái sinh xử dụng đệm 100 tấn Vận tốc bề mặt, thiết bị tái sinh 2.5 fp Khối lượng riêng của đệm, thiết bị tái sinh 28.0 lb/cuft Khói lò cộng với các hạt mịn, đầu vào cyclon 0.5 lb/cuft Tốc độ xúc tác môi chất, đơn vị 24.0 tấn/ phút Tốc độ xúc tác môi chất, đến các cyclon 7.0 tấn trên phút Tốc độ tiêu hao xúc tác, kỳ vọng của thiết kế 2 tấn/ ngày

Hình 17.31 (b) là của một đơn vị mà sự cracking tốt nhất xảy ra trong một đường truyền, một công đoạn mà trở thành khả thi với sự phát triển của xúc tác hoạt tính cao zeolit. Phản ứng hoàn toàn ở khoang trên, nhưng phần chính của khoang đó là để phân tách sản phẩm và xúc tác đã hỏng. Trong sự tương phản để đệm pha đặc của một thiết bị phản ứng lớn, trong nó sự pha trộn có thể gần như lý tưởng, đường truyền chiết suất loãng thì gần hơn trong dòng chảy khối. Do đó, một khoang phản ứng nhỏ hơn nhiều thỏa mãn: hơn nữa, sự phân bố sản phẩm tốt hơn và hiệu suất về lượng gasoline lớn hơn. Các hình thể đồng dạng của thiết bị phản ứng được biểu diễn ở trong hình 17.31 (c) và (d) của các quá trình lọc dầu khác.

Quá trình sôi sớm nhất là quá trình không xúc tác Winkler cho sự khí hóa than đá năm 1921. Các quá trình không xúc tác khác, và một số quá trình xúc tác, được liệt kê trong bảng 17.9. Một vài thiết bị phản ứng không xúc tác được biểu diễn trong hình 17.32. Quá trình cracking naphtha thành etylen với sự luân chuyển cát nóng như chất tải nhiệt được biểu diễn trong phần (a): tại nhiệt độ công đoạn là 720-850oC, một số cặn carbon trên cát nhưng không nguy hại toàn phần như trường hợp nó ở trên các bề mặt các ống cracking đơn vị. Trong quá trình chiết suất loãng của canxi của nhôm, phần (b), sự luân chuyển chất rắn ở chính sản phẩm đó: các sản phẩm cháy từ các miện phun của dầu và không khí bổ xung cung cấp động lực. Đơn vị nung vôi ở phần (c) là một ví dụ về thiết bị phản ứng đa bậc hoàn thiện: thời gian ổn định trong khoang nung là 2h, trong khoang làm lạnh là 0.5h, và trong mỗi khoang cấp nhiệt sơ bộ là 1h. Đơn vị đa đệm của các công đoạn lọc dầu không được cho là khả thi, nhưng một số đơn vị có được xây dựng lên với một sự chấp nhận của quá trình ngăn mà được mô phỏng sàn làm việc trong một kiểu đại khái. Xúc tác của thiết bị phản ứng anhydrit phthalic ở phần (d) thì không được cần thiết để được tái sinh như đệm tạo tầng sôi còn lại trong không gian: khog phản ứng chính xác cao về nhiệt độ, sự oxy hóa được giữ lại dưới sự điều khiển với nhiều bề mặt truyền nhiệt được đưa vào và bằng các thiết bị phun lạnh. Một sự hóa khí than cốc hiện đại hiện ra trong phần (e): việc lưu 30 rãnh của bã thải lò được xử dụng dọc theo nguyên liệu cấp vào để chống lại xu hướng kết tụ của các hạt than đá. Thiết bị phản ứng H-coal ở phần (f) hoạt động với hỗn hợp 3 pha. Xúc tác không tuần hoàn nhưng các bọt khí trong không gian. Hoạt động được duy trì bởi sự xả ra và làm đầy lại 1-2% xúc tác ngưng lại trên một ngày. Điều kiện xảy ra quá trình là 450oC và 3000psig. Cũng than đá và dầu nặng còn dư được xử lý hoàn toàn. Đơn vị được biết đến như một “tầng hóa lỏng”.

Tài liệu về hiện tượng hóa lỏng và các công nghệ thì phổ biến. Một sự thảo mái mặc dù thư mục được đề nghị ở trong Ullmann’s Encyclopedia (1973, Vol. 3, pp, 458-460). Quyển sách bởi Cheremisinoff và Cheremisinoff (1984) có nhiều hơn 500 bảng tóm tắt về bài báo về thủy động lực học chất lỏng, sự pha trộn và truyền nhiệt, nhưng một số trong công nghệ thiết bị phản ứng. Tài liệu khác vế sự hóa lỏng được trích dẫn trong các phần tham khảo ở chương 6.

Hình 17.20. Điều khiển nhiệt độ trong các thiết bị phản ứng đa đệm giống như để tận dụng các tốc độ cao của phản ứng ở nhiệt độ cao và sựu biến đổi cân bằng thuận tiên hơn tại các nhiệt độ thấp. (a) các đường cân bằng của phản ứng đoan nhiệt và phản ứng đẳng nhiệt trên biểu đồ cân bằng cho quá trình tổng hợp amoniac. (b) sự oxy hóa SO2 trong thiết bị phản ứng có 4 tầng đệm tại áp suất khí quyển là chủ yếu. (c) tổng hợp metanol trong một thiết bị phản ứng có 4 lớp đệm bằng quá trình ICI tại 500atm: không để gỉ sắt: 35% metanol tại 250oC, 8, 2% tại 300oC, các nồng độ được cân bằng.

Hình 17.21. Một số thiết kế hiện nay của thiết bị biến đổi tổng hợp amoniac. (a) nguyên lý tự cấp nhiệt cho thiết bị phản ứng tổng hợp amoniac, dòng được giảm dần dọc theo tường để duy trì sự lạnh cho nó, thông qua các ống được nhúng vào trong xúc tác, ngập trong xúc tác, thông qua thiết bị biến đổi nhánh-nhánh và ra ngoài. (b) bộ biến đổi dòng hướng tâm với dung tích 1800 tấn/ngày (Haldor Topsoe Co., Hellerup, Denmark). (c) bộ biến đổi 3 đệm nằm ngang và bộ phận của bạc lót xúc tác. Bỏ qua sự thay đổi các đoạn là 8*85ft, áp suất 170atm, dung tích 2000taasn/ngày (Pullman Kellogg). (d) bản tóm tắt bể, đặc trung của biến dạng nhiệt độ đặc trưng dữ liệu của bộ biến đổi kiểu làm lạnh ICI. Các quá trình dẫn khí một bước sư dụng mà của phần (a) của hình này. Làm mát được cung cấp tại 2 điểm (Imperial Chemical Industries)

Các dữ liệu đặc trưng cho các bộ biến đổi làm lạnh ICI tho kích thước khác nhau:

Dung tích (tpd ngắn) 660 990 1100 1650 Áp suất (psig) 4700 3200 4250 3220

Thành phần khí vào% Amoniac 4 3.0 3.2 1.4 Mất hoạt tính 15 12.0 15.0 12.0 Dòng khí đi vào (MM

scfh) 7410.60 18.0 188.5 24.5

Thể tích xúc tác (ft3) 740 1170 1100 2400 Áp suất bể Phía trong đường kính

(in.) 80 96 95 109

Chiều dài (in.) 437 493 472 700 Khối lượng (tấn) Vỏ bạc lót 14.2 34.2 22.8 56.4 Phần trao đổi nhiệt 15.5 30.0 25.4 23.8 Áp suất bể 130 128 182 240 Các dữ liệu đặc trưng cho một thiết bị biến đổi làm lạnh ICI dung lượng 1300 tấn/ngày:

Áp suất (psig) 2200 3200 4000 4700 Lưu lượng khí vào (MM

scfbb) a 25.8 21.2 19.8 19.0

Thể tích xúc tác (ft3) 2600 1730 1320 1030 Áp suất bể Phía trong đường kính

(in.) 120 102 96 89

Dài (in.) 663 606 528 488 Khối lượng (tấn) Vỏ bạc lót 68.5 40.8 29.2 23.6 Bộ phận trao đổi nhiệt 37.1 25.4 20.7 17.9 Áp suất bể (kém hơn) 186 184 187 189 Độ giảm áp của bộ biến đổi

(psi) 140 104 87 91

aThành phần: 2% NH3, 12% mất hoạt tính (CH4+A), 21.5% N2, 64.5% H2 thể tích

17.7. BỘ PHẬN TRUYỀN NHIỆT TRONG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

Sựu suy trì nhiệt độ chính xác là một hướng chủ đạo của chế độ làm việc của thiết bị phản ứng. Các minh họa của các loại thiết bị phản ứng trong chương này mô tả một số của điều khoản cho sự truyền nhiệt. Tầm quan trọng yêu cầu sự truyền nhiệt được xác định bởi cân bằng nhiệt lượng và năng lượng như mô tả trong phần 17.3. Dữ liệu cần thiết là độ dẫn điện và hiệu suất của việc truyền nhiệt. Một số bộ phận tác động đến khối lượng này được liên kết trong các nhóm thông thường cho việc truyền nhiệt: cụ thể là nhóm không thứ nguyên như các chuẩn số Nusselt, Stanton, Prandtl, và Reynold. Các đặc tính khác của các loại đặc biệt của các thiết bị phản ứng được đưa vào trong các mối tương quan. Một sự lựa chọn của các kết quả đặc trưng từ các số liệu dư thừa sẽ được kết hợp ở đây. Một số hình thức truyền nhiệt từ các thiết bị phản ứng có cánh khuấy và có đệm cố định được minh họa trong hình 17.33 và 17.18, và các biến dạng nhiệt độ trong tất cả các thiết bị phản ứng công nghiệp xuất hiện trong các hình 17.20-17.23, 17.30, 17.34, 17.35.

Hình 17.22. Các bộ biến đổi amoniac đại điện các công đoạn tại các áp suất khác nhau và các nồng độ thoát ra (Vancini, 1971). (a) bản thiết kế Uhde chính chạy tại 125atm: các kích thước đặc trưng, 1.4*7m. (b) bộ biến đổi Haber-Bosch-Mittasch chạy tại 300atm: kích thước là 1.1*12.8m. (c) bộ biến đổi hoạt động tại 1000atm: kích thước là 1.2*7m. (d) bộ biến đổi Fauser-Montecatini chạy tại 300atm với bộ trao đổi nhiệt bên ngoài, biểu diễn hình thể trục dọc của nhiệt độ và nồng độ amoniac.

Sự so sánh về chất lượng của các quá trình

Quá trình Áp suất (bar) Amoniac thoát (%)

TPD/m3 Thời gian sd xúc tác (năm)

Uhde 125 7-8 10 >2 Haber-Bosch 300 13-15 25 2 Claude 10000 22-24 120 0.25 fauser 300 12-17 25 2

Hình 17.23. Các biến dạng nhiệt độ đặc trưng trong các hệ thống phản ứng (nhìn cả các hình 17.20, 17.21 (d), 17.22 (d), (17.30 (c), 17.34 và 17.35. (a) thiết bị phản ứng dạng ống có 2 vỏ. (b) lò đốt và bình phản ứng cho sự nhiệt phân ở nhiệt độ cao của các hydrocarbon (UZZmann, 1973, VoZ. 3, p. 355). (c) hệ thống bình phản ứng xúc tác trong cái mà nguyên liệu được cấp nhiệt sơ bộ để nhiệt độ bắt đầu và sản phẩm được khớp thực sự: các biến dạng exo- và endo-thermic. (d) thiết bị phản ứng với có sẵn bộ cấp nhiệt giữa nguyên liệu và sản phẩm và với bộ điều chỉnh nhiệt độ ở ngoài: các biến dạng nhiệt dạng exo- và endo.

Hình 17.24. Các phân loại các thiết bị phản ứng cho việc tổng hợp các nhiên liệu [Meyers (Ed.), Handbook of Synfuels Technology, McGraw-Hill, New York, 1984]. (a) thiết bị phản ứng metanol ICI, biểu diễn các bộ phân phối bên trong. C, D và E là các đầu phun bị lạnh, F = sự nhả xúc tác, L = cặp nhiệt, và O = đầu vào xúc tác. (b) thiết bị tổng hợp metanol với sự cấp nhiệt bên trong các bi lạnh. (c) thiết bị phản ứng có đệm cố định cho gasoline cho tổng hợp khí than đá: kích thướccủa các ống có đệm 10*42, bán kính 2000 2-in với xúc tiến với xúc tác ion sắt, tốc độ sản suất 5 tấn/ ngày trên một thiết bị. (d) thiết bị tổng hợp tuần hoàn có đệm tạo tầng sôi cho gasoline từ than đá tổng hợp khí.

(I) 1-cặp nhiệt điện nhiều đới: 2-hốc phản ứng: 3-bạc lót: 4-cặp nhiệt điện bề mặt: 5-các ống nối cho dòng chảy của sản phẩm trong quá trình chọn của hệ thống: 6-ống nối cho dòng chảy xúc tác: 7-sét chịu lửa nặng-nhẹ: 8- các hốc phản ứng: 9-bạc bê tông: 10-các bị sứ

(II) 1-cặp nhiệt điện nhiều đới: 2-hốc thiết bị phản ứng: 3-bạc lót: 4-cặp nhiệt điện bề mặt: 5-các bi sứ: 6-ống nối cho dòng dản phẩm trong quá trình phun ép của hệ thống: 7- ống nối cho dòng xúc tác: 8-xúc tác. Các đường: I-sản phẩm khí pha trộn: II-các sản phẩm phản ứng.

CÁC BỂ KHUẤY:

Các giá trị của tất cả hiệu suất của hệ thống truyền nhiệt được gộp lại trong bảng 17.10-17.12. Hai bộ của các cân bằng cho hiệu suất màng mạn bình ở trong bảng 17.13 và 17.14. Chúng có mối tương quan với chỉ số Nu đến chuẩn số Re và Pr và tất cả các phần kahcs. Trong đó phương trình cho các bình có 2 vỏ, ví dụ

Rpm, đường kính của bình phản ứng và bộ cánh quạt, và chiều cao lỏng cũng tốt như một hệ số độ nhớt là phức tạp. Bảng 17.14 trình bày các loại cánh quạt mà xử dụng trong việc kiểm tra, nhưng trong các kết quả kiểm tra bình thường có biểu diễn nó một cách xấp xỉ cùng các hiệu suất truyền nhiệt được chứa với các tuabin một cạnh, các tuabin băng dốc hoặc các bộ cánh quạt. Tuabin dóng trục sản suất thông thường nhất cho một việc giữ công suất đầu vào và nhiệt truyền có mối liên hệ trực tiếp đến dòng chảy, theo đó loại này của bộ cánh quạt thường được ưu tiên. Từ phương trình 17.35, hiệu suất theo tỷ lệ đến 0, 66 cường độ của rpm, N0.66, và từ chương 10, công suất đầu vào tại các chuẩn số Re khác nhau bằng với căn bậc 3 của N. Sự ăn khớp xuất hiện mà hiệu suất theo tỷ lệ đến 0.22 số mũ của công suất đầu vào cho các bình khuấy.

và hệ quả đó là hiệu suất truyền nhiệt có một ít tác động bởi sự tăng mạnh của công suất đầu vào

Khi các tài liệu nhiều nhất trong diện tích này thì tương đối cũ, các kỹ năng rõ ràng tin tưởng đó mà có thể tạo ra được đầy đủ hoặc giữ được sự tin cậy. Bảng 17.14 có biểu diễn các phương trình đó.

Hình 17.26. Thiết bị phản ứng để hydrofining dầu diesel, với đệm bằng gốm (Sukhanov, Petroneum Processing, Mir, Moscow, 1982).

Hình 17.27. Thiết bị phản ứng đoạn nhiệt có các đệm xúc tác, biểu diễn ứng dụng của các bi gốm của các kích thước chia độ cho lưới tại đáy và kẹp ở đầu (Rase, Chemical Reactor Design for Process Plants, Wiley, New York, 1977).

TÍNH DẪN NHIỆT CỦA THÁP ĐỆM

Sự có mặt của các hạt tạo nên hiệu cuất dẫn của một khí lớn hơn sự dẫn nhiệt của các phân tử bởi một phần của 10 hoặc hơn. Bình thường chất rắn có một ít tác động quanh vùn chuẩn số Re 100 hoặc hơn: mặc dù tác động là không đáng kể tại các giá trị thấp của Re, nó không được nghiên cứu một cách toàn diện. Ngoài các chuẩn số RE, Pe, Pr, tác động của độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào độ dẫn nhiệt của các phân tử, độ rỗng, kích thước hạt, và chế độ dòng chảy. Mô tả các ý của Re, Pr và Pe được viết bởi Beek có chứa trong một chỉ số của các thiết bị kiểm tra trong các phần một mình chuẩn số Re ứng dụng trên hình 17.36 (a). Như bảng 17.15 biểu diễn, nhiều dữ liệu được chưa trong với không khí mà Pr = 0.72 và kf = 0.026 kcal/ (m) (h) (oC) tại nhiệt độ khoảng 100oC. Do đó, dữ liệu có thể suy rộng là hệ số bình thường của hiệu suất và độ dẫn các phân tử như

Các phương trình của các đường cao nhất và thấp nhất trên đồ thị sau đó có thể được viết ra

Tại các nhiệt độ cao, khoảng 300oC hoặc hơn, sự tỏa nhiệt có thể gộp vào hiệu suất dẫn nhiệt, nhưng có nhiều sự bất ổn mà tác động của sự tỏa nhiệt không được nghiên cứu tiếp.

SỰ TRUYỀN NHIỆT TẠI CÁC TƯỜNG, ĐẾN HẠT, VÀ TỔNG CỘNG

Các mối tương quan được nêu trong bảng 17.16 và 17.18 là của chuẩn số Nu trong các ý của chuẩn số Re và Pr, hoặc của một mình chuẩn số Re. Chúng được ứng dụng chỉ quanh việc xác định chuẩn số Re, khoảng 40 là cao nhất trong các trườn hợp: rõ ràng chúng không được báo trước cho đúng hệ số của việc đối lưu tự nhiên, tại Re = 0.

Các hệ số tường được đạt được từ dữ liệu dò nguyên liệu hạt bởi một công thức của Beek (1962),

Đây là theo cách của phương trình 8 của bảng 17.18 được tính: phương trình 9 biểu diễn cùng dữ liệu nhưng là một đường cong đơn của hình 17.36 (c) tại giá trị trung bình Pr = 0.65.

Các số liệu về truyền nhiệt giữa các hạt và dòng lưu chất thường không được đo ngay tức khắc bởi vì các khó khăn của các thí nghiệm, nhưng được tính lại từ các đại lượng các hệ số truyền khối đảm bảo cho phép ngoại suy Colburn được áp dụng,

Theo đó, trong hình 17.36 (c), nếu chuẩn số Nu được thay thế bằng Shenvood và Prandlt bởi Schimdt, phản ứng sẽ có cân bằng cho thiết bị truyền khối.

Tỷ số L/D, của chiều dài trên đường kính của một ống đệm hoặc một bình có thể được lập ra để tác động đến hệ số truyền nhiệt. Đây là một hiện tượng phân tán trong đó chỉ số Pe, uL/Ddisp: thì phức tạo, chỗ Ddisp là hệ số khuếch tán. Khoảng 5000 điểm dữ liệu được quan sát bởi Schliinder (1978) từ điểm này của quan sát: mặc dù tác động của L/D được hoàn toàn thông báo, không bỏ qua biểu đồ được kết luận. Các thiết bị phản ứng công nghiệp có L/D vào khoảng 50 hoặc hơn: phương trình 6 và 7 của bảng 17.18 là các giá trị đường tiệm cận của hệ số truyền nhiệt cho nhiều trạng thái. Chúng được mô tả trong hình 17.36 (b).

Tiêu chuẩn kiểm tra mạnh nhất có phần với các tương quan của các chuẩn số Nu với Re và Pr, hoặc với chỉ một mình chuẩn số Re. Biên độ của các giá trị thương mại của chuẩn số Pr của các khí là nhỏ, và tiêu chuẩn kiểm tra lớn nhất được kiểm soát với không khí mà Pr = 0.72 tại 100oC. Tác động của Pr là nhỏ trên hình 17.36©, và được bỏ qua trong hình 17.36 (b) và một số phương trình của bảng 17.17 và 17.18.

Các phương trình của bảng 17.18 là những thứ được đề nghị cho các hệ số của truyền nhiệt giữa tường và chất lỏng trong các bình đệm.

Cho việc thiết kế các thiết bị giống như hình 17.28, các hệ số truyền nhiệt giữa các hạt và lưu chất cũng được biết đến. Hướng theo phép đo với mục tiêu này có thể tính ra với các đệm bằng kim loại cấp nhiệt bởi bộ cảm ứng nhiệt hoặc dòng điện lưới. Một số mối tương quan được đưa lên trong bảng 17.17. Glaser and Thodos liên hệ nhiều dữ liệu với phương trình.

Khi đó:

ap là bề mặt một hạt đơn

• là đường kính cầu của hạt

Các đẳng thức của bảng 17.18 cũng được xử dungj bởi công thức hp = 1.25hw. Trong các thiết bị tái sinh có các đệm xúc tác chuyển động, nhiệt hòa tan của bậc là 25000 Btu/ (h) (cuft) được đánh giá để xảy ra giữa chất lưu và hạt. Nhiệt độ của chất lưu và hạt hoàn toàn được bảo toàn rất bé.

Hình 17.28. Các thiế t bị phản ứng với các đệm đinh động của xúc tác hoặc các hất rắn cho sự cấp nhiệt. (a) thiết bị phản ứng Pebble cho phản ứng oxy hóa của nito khí quyển: hai đơn vị trong đường song song, một để cấp nhiệt với các chất khí cháy và cái khác xử dụng như thiết bị phản ứng. (b) bộ cấp nhiệt Pebble mà có thể được xử dụng cho việc tạo ra etylen từ các bộ crack đòn bẩy và bộ tái sinh: cho 20000 bpsd thiết bị phản ứng có đường kính là 16 ft, tốc độ lưu thông xúc tác là 2-7 lb/lb dầu, tốc độ mài mòn của xúc tác là 0.1-0.5 lb/tấn chất lưu thông, độ giảm áp của các đường cáp nâng máy nằm ngang vào khoảng 2 psi.

Hình 17.29. Các thiết bị phản ứng đệm không cố định cho phản ứng cracking và tái sinh các phiến dầu. (a) nồi chung Kiviter công suất 200-300 tấn/ngày. (b) nồi chưng Paraho để tái sinh dầu phiến.

ĐỆM TẠO TẦNG SÔI:

Đặc điểm phân biệt của các đệm tạo tầng sôi là một tốc độ truyền nhiệt lcao giữa chất lưu và bề mặt bị ngập. Một số giá trị thương mại được biểu diễn trên hình 17.37. Để so sánh, không khí trong dòng chảy rối trong các đường ống có môt hệ số vào khoảng 25 Btu/ (h) (sqft) (oF). (a) là của các tính toán từ các mối tương quan của dữ liệu cho các điều kiện nhận biết trong bảng 17.19: (b) biểu diễn tác động của các đường kính của các hạt SiO2: và (c) có quan hệ đến các hạt 0.38 mm của tất cả các chất.

Nhiệt độ trong một đệm tạo tầng sôi thì để không nhỏ hơn các thồn số hạt được cản trở. Khí từ dòng nhiệt hạt thì rất nhanh mà nó là một sự chú ý nhỏ. Truyền nhiệt tại các điểm giao của các hạt thì bỏ qua được và sự truyền bức xạ cũng là nhỏ dưới 600oC. Các cơ cấu của thiết bị truyền nhiệt và độ dẫn nhiệt thì được nghiên cứu rộng rãi, các kết quả và số liệu đưcọ xem lại, ví dụ như bởi Zabrodsky (1966) và Grace (1982).

Trạng thái truyền nhiệt là của giá trị tại các tường của bể, nơi mà nó được xác định các độ lơn của tổn thất nhiệt để bề mặt xung quanh và các bề mặt trong xử dụng để điều khiển nhiệt độ quy trình. Các mối tương quan cũ cho hệ số truyền nhiệt của Wender và Cooper (1958) (hình 17.38) và của Vreedenburg (1960) (hình 17.17) trước khi được để ý có lẽ là tốt nhất. Một phân tử nhẵn của thiết bị phân tán của số liệu chứa bởi các thiết bị kiểm tra khác nhau thì rõ ràng trong hình 17.38. Vreedenburg dùng dữ liệu bổ xung trong các mối tương quan của ông xấu, và do đó, biểu đồ của ông ấy biểu diễn trơn hơn sự phân tán.

Trong hình 17.37 (a) cũng có những sự không ăn khớp: nhưng nếu đường 8 và 9 từ cùng một thiết bị kiểm tra và phần của đường 3 được bỏ qua, sự ăn khớp trở nên tốt hơn.

Một số ý kiến thì cho rằng các mối tương quan cho các ống dọc có thể tạo ra là chuẩn. Các hệ số tại tường hiện ra thành khoảng nhỏ hơn 10% tại các ống dọc trên trục vủa bể và các ống nằm ngang có lẽ nhỏ hơn 5-6%.

Xuất hiện trên hình 17.37 một pich tốc độ của truyền nhiệt được hoàn thành. Nó có được liên hệ bởi Zabrodsky. (1976) cho các hạt nhỏ hơn 1mm bằng phương trình

Hình 17.30. Các lò nung và các ổng đốt. (a) biến dạng nhiệt độ trong một lò nung ximang quay. (b) tốc độ dòng chảy trong lò nung quay. (c) lò nung vôi liên hoàn cho ciệc sản suất xấp xỉ 55 tấn/25h. (d) ống bánh muối có cánh khuấy làm việc tại 1000oF, đường kính 11-18 ft, 6-10 tấn muối/24h. (e) thiết bị phản ứng đa khoang đốt: một tới 9 đĩa, đường kính 16, chiều cao 35ft và công suất 1250lb/h quặng pirit. (f) thiết bị tái sinh nhiệt và ống Siements-Martin: một lò nung có chiều rộng 13ft và dài 40ft công suất 10 tấn/h thép với thời gian ổn định là 10h.