Trường Đại học Công nghiệp KỸ THUẬT XÚC TÁC CATALYST TECHNOLOGY TS Nguyễn Mạnh Huấn Vấn đề thực tiễn Điều chế Lý thuyết Xúc tác Chi phí? Pilot? Nhà máy? Phương pháp nghiên cứu tĩnh Phản Ứng Phương pháp nghiên cứu dòng Đánh giá xúc tác Phương pháp nghiên cứu Vi lượng Thu nhận số liệu Động học, chế phản ứng I Chọn phương pháp nghiên cứu - Một vấn đề quan trọng chọn phương pháp nghiên cứu Chọn phương pháp nghiên cứu phụ thuộc phản ứng đưa nghiên cứu do: Điều kiện tiến hành thực nghiệm Số lượng chất ban đầu Hoạt tính xúc tác đem dùng Nhiệm vụ riêng mà việc nghiên cứu cần đạt I Chọn phương pháp nghiên cứu - Trong đa số trường hợp, điều kiện giống qui luật rút động học giống nhau, không phụ thuộc phương pháp tiến hành Nhưng phân tích quy luật động học cần lưu ý tới phương pháp dùng - Ví dụ trình cho dư thừa cấu tử tốc độ phản ứng khơng phụ thuộc vào thay đổi khơng lớn cấu tử đó, phương trình động học có thành phần cấu tử - Nếu phản ứng tiến hành áp suất (hay nồng độ) không đổi cấu tử tốc độ phản ứng khơng phụ thuộc áp suất riêng phần (hay nồng độ) cấu tử I Chọn phương pháp nghiên cứu Khi chọn phương pháp nghiên cứu cần đạt điểm sau: Độ xác phương pháp cao tốt Trong thời gian ổn định thống số phải ổn định Có khả lặp lặp lại điều kiện thí nghiệm sau Dễ dàng thay đổi điều kiện phản ứng muốn thay đổi từ điểm qua điểm khác Hoạt tính xác tác giữ nguyên từ đầu hết thí nghiệm, từ thí nghiệm qua thí nghiệm khác Khơng có ảnh hưởng ngoại lai (ví dụ từ trường) ảnh hưởng đến kết nghiên cứu I Chọn phương pháp nghiên cứu 1.1 Theo nhiệm vụ đề ra: - Muốn tìm xúc tác mới, để tiết kiệm thời gian tiết kiệm hố chất nên dùng phương pháp vi lượng - Khi có xúc tác mới, muốn tìm phương trình động học nên dùng phương pháp dịng tuần hồn -Một phản ứng có xúc tác mới, tìm phương trình động học, muốn áp dụng vào sản xuất, ta phải qua khâu thực nghiệm phương pháp dịng - Để nghiên cứu xúc tác có hoạt tính thấp nên dùng phương pháp tĩnh I Chọn phương pháp nghiên cứu 1.2 Theo trạng thái chất phản ứng - Với phản ứng chất phản ứng trạng thái lỏng - lỏng ta tiến hành phương pháp tĩnh - Với chất phản ứng lỏng khí ta dùng phương pháp dịng, dịng tuần hồn - Với chất phản ứng khí khí ta dùng phương pháp dịng, dịng tuần hồn - Với phản ứng có chất phản ứng (ví dụ phản ứng cracking Cumen) ta dùng phương pháp vi lượng II Các phương pháp thường dùng phịng thí nghiệm để nghiên cứu động học phản ứng Phương pháp tĩnh Phương pháp dòng Phương pháp dòng tuần hồn phương pháp khơng có gradien Phương pháp vi lượng II Các phương pháp thường dùng phịng thí nghiệm để nghiên cứu động học phản ứng 2.1 Phương pháp tĩnh 2.1.1 Nguyên tắc Nguyên tắc phương pháp tĩnh là: •Tiến hành với lượng xúc tác cố định •Chất phản ứng cho vào thể tích cố định •Tiến hành phản ứng kết thúc, lấy sản phẩm phân tích II Các phương pháp thường dùng phịng thí nghiệm để nghiên cứu động học phản ứng 2.1.2 Phương pháp phân tích sản phẩm: Ta có phương pháp: Nếu phản ứng tăng thể tích (ví dụ A → B + C) phản ứng giảm thể tích (A + B → C) ta đo thay đổi áp suất hệ suy hiệu suất phản ứng Với phản ứng có sản phẩm dễ ngưng tụ, ta phải tạo điều kiện cho sản phẩm ngưng tụ ta đo lượng ngưng tụ sản phẩm ta biết hiệu suất phản ứng Nếu tượng khơng có ta thường lấy sản phẩm thời kỳ phân tích, để đo hiệu suất phản ứng 10 III Đặc điểm lò phản ứng - Các loại lò phản ứng sử dụng nghiên cứu động học: Lò phản ứng dòng: + Lò phản ứng tích phân với lớp tĩnh; + Lị phản ứng vi phân; + Lị phản ứng dịng có trộn; + Lị phản ứng xung 49 III Đặc điểm lò phản ứng 1) Lị phản ứng tích phân với lớp tĩnh - Ống hình trụ: d < 1,5 cm: - Hỗn hợp qua vùng nung nóng trước ⇒ lớp xúc tác ⇒ phân tích - Vận tốc vi phân phản ứng: xác định chế độ dòng đuổi lý tưởng a- Lị phản ứng tích phân với lớp tĩnh; + llớp xúc tác : dhat = 30-100 + dlớp xúc tác : dhat = 6-10 50 III Đặc điểm lị phản ứng - Chỉ nhận vận tốc tích phân xivi (vi - vận tốc thể tích chất i, giờ-1) + Với vài vận tốc dòng nạp khác P, T thành phần cố định ⇒ xác định X thành phần sản phẩm + Xác định X thành phần sản phẩm T, P thành phần khác + Mỗi dãy thí nghiệm: nhận phụ thuộc xi thành phần khí vào V/mi 1/vi 51 III Đặc điểm lò phản ứng 1)Lò phản ứng vi phân - Với X nhỏ (5%) ⇒ tốc độ vi phân w ≈ xi vi: lim xivi = dxi/d(1/vi) = w (***) - Thành phần hỗn hợp tiếp xúc với xúc tác ≈ thành phần hỗn hợp đầu - Ứng dụng tuần hoàn: X vòng quay đủ thấp ⇒ áp dụng phương trình (***) Lị phản ứng dịng tuần hồn 52 III Đặc điểm lò phản ứng 3) Lò phản ứng dòng khấy trộn - Ứng dụng cho phản ứng pha với xúc tác phân tán nhỏ - Vận tốc khấy đủ lớn ⇒ T thành phần chất lỏng đồng ⇒ tốc độ vi phân phản ứng = vi mi/G (G-khối lượng xúc tác) - Xúc tác nằm cánh khuấy: Khi cánh khấy quay ⇒ chất lỏng khuấy trộn hạt xúc tác chuyển động vòng ⇒ chuyển khối truyền nhiệt hiệu Lò phản ứng khuấy trộn 53 III Đặc điểm lò phản ứng 4) Lò phản ứng xung vi lượng Lò phản ứng xung vi lượng Cột sắc ký khí; 2- dị, 3- cửa nạp khí mang; 4- van kim; 5- kim bơm mẫu; 6-vị trí bơm mẫu ; 7- lò phản ứng; 8- cặp nhiệt điện; 9- làm khơ; 10- lọc ẩm -Đưa vào dịng khí mang (khí trơ hoặt tác chất có V = const) xung nhỏ chất phản ứng ⇒ lò phản ứng ⇒ sắc ký khí -Lị phản ứng chứa ~ cm3 xúc tác 54 -Q trình thường khơng đạt tới trạng thái ổn định III Đặc điểm lò phản ứng 5) Lò phản ứng tĩnh - Tốc độ phản ứng xác định qua thay đổi hàm lượng, P V - Đối với lò phản ứng khuấy trộn tốt tốc độ vi phân phản ứng: r = (mi/G) dxi/dt mi - lượng chất i lò phản ứng, khối lượng mol; xi - độ chuyển hóa chất i; Lị phản ứng tĩnh G- lượng xúc tác đưa vào lò phản ứng 55 Chương 2: Phản ứng xúc tác đồng thể 1.3.2 Phản ứng xúc tác đồng thể 56 56 I Một số dạng lò phản ứng thường dùng nghiên cứu xúc tác Các loại lò phản ứng: Dạng khuấy - Stirred tank reactors (STR), thường dùng phản ứng đồng thể, enzym dị thể, có loại: + Theo mẻ (batch reactor, BR), + Bán liên tục (semibatch reactor, SBR) + Liên tục (continuous strirred tank reactor, CSTR) Hình Các loại lị phản ứng dạng khuấy khác 57 57 I Một số dạng lò phản ứng thường dùng nghiên cứu xúc tác Dạng ống, tubular reactors với dòng đẩy (piston flow) (PFR) thường dùng loại phản ứng liên tục Hình Lị phản ứng dạng ống 58 58 I Một số dạng lò phản ứng thường dùng nghiên cứu xúc tác 1.Các loại lò phản ứng theo mẻ - Batch reactors a b c Hình Batch reactors : a) Thủy tinh, b) Áp suất cao, c) Các phản ứng song song 59 59 I Một số dạng lò phản ứng thường dùng nghiên cứu xúc tác CSTR Hình Các lò phản ứng dạng khuấy: a) Theo mẻ, b) Liên tục 60 60 I Một số dạng lò phản ứng thường dùng nghiên cứu xúc tác 3.Lò phản ứng dạng dòng liên tục - Plug Flow reactors Hình 5a Lị phản ứng dạng ống Hình 5b Nhiều lò phản ứng song song 61 61 I Một số dạng lò phản ứng thường dùng nghiên cứu xúc tác Gradient-free recycle reactors Hình 6b Berty gradientless reactors Hình 6a The Buss loop reactor Hình 6c Rotating basket Hình 6d Cánh khuấy đặt xúc tác 62 62   seminar thi gk = (bt+thi)/2 cuoi ky Han chot nop bai bo sung toi t2 v14.03 toi t4 v13.05 63 ... hoá chung η = 90 % với sơ đồ tuần hoàn ta thiết kế n = 300 lần Như chênh lệch nồng độ chất Ai lớp xúc tác lớp xúc tác 0,3% thể hình Trong chênh lệch nồng độ chất Ai phương pháp dòng 90 % 28 - Phương... nhiều gradien - Gradien nhiệt độ dọc theo lớp xúc tác từ lịng ống bề mặt ngồi ống (hình 3) 18 19 II Các phương pháp thường dùng phòng thí nghiệm để nghiên cứu động học phản ứng - Gradien nồng... dòng 90 % 28 - Phương pháp dòng: Ta có A*i = 100% Ani = 10% - Phương pháp dịng tuần hồn: Aoi = 49, 7% Ani = 50,3% - Vì khơng có gradien nồng độ nên phương trình rút phương trình vi phân Hình Sự