Ưu điểm, nhược điểm và phạm vi ứng dụng của giường cố định, giường di động và giường sôi

Thread Content

Nội dung dưới đây đều lấy từ mạng, không chịu trách nhiệm pháp lý. Giá đỡ cố định: Bình phản ứng giá đỡ cố định, còn được gọi là bình phản ứng giá đỡ chất rắn, là loại bình phản ứng được lắp đầy chất xúc tác rắn hoặc chất phản ứng rắn nhằm thực hiện quá trình phản ứng đa pha. Các chất rắn thường có dạng hạt, với kích thước hạt khoảng 2–15 mm. Chúng được xếp chồng lên nhau tạo thành các lớp có độ cao (hoặc độ dày) nhất định. Lớp vật liệu nằm yên tại chỗ, trong khi chất lỏng di chuyển qua lớp vật liệu này để xảy ra phản ứng. Sự khác biệt giữa nó với lò phản ứng giường lưu và lò phản ứng giường di động là các hạt rắn ở trạng thái tĩnh. Lò phản ứng giường cố định chủ yếu được sử dụng để thực hiện các phản ứng xúc tác giữa khí và rắn, như lò tổng hợp amoniac, bình oxy hóa tiếp xúc khí sulfur dioxide, lò chuyển hóa hơi hydrocarbon, v.v. Khi được sử dụng trong các phản ứng không xúc tác ở trạng thái khí-rắn hoặc lỏng-rắn, lớp vật liệu trong bể phản ứng sẽ được lấp đầy bằng chất phản ứng rắn. Reaktor giường dòng nhỏ cũng có thể được xếp vào loại reaktor giường cố định; khí và pha lỏng chảy song song xuống qua lớp vật liệu trong reaktor, tạo ra sự tiếp xúc giữa ba pha: khí, lỏng và rắn. 1. Phân loại: Reaktor giường cố định có ba dạng cơ bản: ① Reaktor giường cố định kiểu cách nhiệt theo trục. Chất lỏng chảy theo hướng trục, từ trên xuống dưới qua lớp vật liệu nền; lớp vật liệu nền này không có sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài. ②Bộ phản ứng giường cố định cách nhiệt theo phương tuyến tính. Chất lỏng chảy theo hướng tâm từ trên xuống dưới lớp vật liệu. Có thể sử dụng dòng chảy ly tâm hoặc dòng chảy hướng tâm; lớp vật liệu này không có sự trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài. So với lò phản ứng trục xuôi, lò phản ứng trục ngang có quãng đường mà chất lỏng di chuyển ngắn hơn, diện tích mặt cắt của đường dẫn chất lỏng lớn hơn, và sự giảm áp suất của chất lỏng cũng nhỏ hơn. Nhưng cấu trúc của lò phản ứng theo phương xuyên tâm thì phức tạp hơn so với lò phản ứng theo phương trục. Cả hai dạng trên đều thuộc loại lò phản ứng cách nhiệt; chúng được sử dụng trong những trường hợp mà hiệu ứng nhiệt từ phản ứng không quá lớn, hoặc khi hệ thống phản ứng có khả năng chịu đựng được sự thay đổi nhiệt độ do hiệu ứng nhiệt này gây ra trong điều kiện cách nhiệt. ③Lò phản ứng giường cố định kiểu ống. Được tạo thành từ nhiều ống phản ứng được nối song song với nhau. Có thể đặt chất xúc tác bên trong hoặc giữa các ống; chất dẫn nhiệt sẽ chảy qua khe giữa các ống hoặc bên trong các ống để thực hiện việc làm nóng hoặc làm lạnh. Đường kính của các ống thường nằm trong khoảng 25–50 mm, và số lượng ống có thể lên tới hàng vạn chiếc. Nồi phản ứng giường cố định kiểu ống dùng cho các phản ứng có hiệu ứng nhiệt lớn. Ngoài ra, còn có những lò phản ứng được tạo thành từ sự kết hợp nối tiếp của các dạng cơ bản nêu trên; chúng được gọi là lò phản ứng giường cố định nhiều cấp. Ví dụ: Khi hiệu ứng nhiệt của phản ứng lớn hoặc cần kiểm soát nhiệt độ theo từng giai đoạn, người ta có thể kết nối nhiều bình phản ứng cách nhiệt với nhau thành một hệ thống bình phản ứng cách nhiệt nhiều tầng. Giữa các bình phản ứng này sẽ được lắp đặt các bộ trao đổi nhiệt hoặc thiết bị cung cấp chất liệu phản ứng để điều chỉnh nhiệt độ, nhằm đảm bảo quá trình phản ứng diễn ra trong điều kiện nhiệt độ lý tưởng nhất. 2. Đặc điểm: Ưu điểm của lò phản ứng giường cố định là: ① Mức độ trộn ngược thấp, giúp chất lỏng và chất xúc tác có thể tiếp xúc hiệu quả với nhau. Khi phản ứng xảy ra kèm theo các phản ứng phụ, thì khả năng chọn lọc sẽ cao hơn. ②Hao mòn cơ học của chất xúc tác thấp. ③Cấu trúc đơn giản. Nhược điểm của lò phản ứng giường cố định là: ① Khả năng truyền nhiệt kém; khi lượng nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng rất lớn, ngay cả với lò phản ứng dạng ống, vẫn có thể xảy ra tình trạng nhiệt độ tăng vọt (nhiệt độ phản ứng mất kiểm soát và tăng lên đáng kể, vượt quá giới hạn cho phép). ②Trong quá trình vận hành, không thể thay thế chất xúc tác. Những phản ứng đòi hỏi phải tái tạo chất xúc tác thường không nên được sử dụng; thay vào đó, người ta thường dùng lò phản ứng kiểu giường lưu hoặc lò phản ứng kiểu giường di động. 　　Chất xúc tác trong lò phản ứng giường cố định không chỉ giới hạn ở dạng hạt; chất xúc tác dạng mạng lưới đã được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp từ lâu. Hiện nay, các chất xúc tác dạng mạng tế bào và dạng sợi cũng đã được sử dụng rộng rãi. 　　Mô hình toán học: Lò phản ứng giường cố định là loại lò phản ứng đa pha đã được nghiên cứu khá kỹ lưỡng. Có nhiều mô hình toán học để mô tả lò phản ứng giường cố định; chúng có thể được chia thành hai nhóm chính: mô hình gần như đồng pha (không xét đến sự khác biệt về nồng độ và nhiệt độ giữa chất lỏng và chất rắn) và mô hình đa pha (xét đến sự khác biệt về nồng độ và nhiệt độ giữa chất lỏng và chất rắn). Mỗi nhóm lại có thể được chia thành mô hình không có hiện tượng trộn ngược và mô hình có hiện tượng trộn ngược, tùy thuộc vào việc có xét đến sự chênh lệch nồng độ và nhiệt độ theo chiều radial của lò phản ứng hay không. Ngoài ra, chúng còn có thể được chia thành mô hình một chiều và mô hình hai chiều. Bình phản ứng giường cố định là loại bình phản ứng xúc tác đa pha được sử dụng rộng rãi. Bên trong bình phản ứng này chứa các hạt rắn không di chuyển, có thể là chất xúc tác rắn hoặc chất phản ứng rắn. Ví dụ, bình phản ứng giường cố định dạng ống: bên trong ống chứa chất xúc tác; chất phản ứng di chuyển từ trên xuống dưới qua lớp hạt rắn này. Giữa các ống là chất dẫn nhiệt, giúp trao đổi nhiệt với chất phản ứng bên trong ống, nhằm duy trì nhiệt độ cần thiết. Ngoài ra, bình phản ứng giường cố định cũng có thể được sử dụng cho các phản ứng phi xúc tác giữa khí và rắn, hoặc giữa chất lỏng và rắn. Khi khí chảy qua giá thể cố định với tốc độ thấp, lực cản khiến khí di chuyển lên trên sẽ không làm thay đổi trạng thái chuyển động của các hạt; do đó, chiều cao của giá thể vẫn giữ nguyên ； Suy giảm áp suất trong lớp giường tăng theo cấp số nhân của tốc độ dòng chảy. Giường lưu hóa: Chất lỏng chảy lên trên qua một lớp các hạt nhỏ. Khi tốc độ dòng chất lỏng thấp, chất lỏng chỉ chảy qua các khe hở giữa các hạt đứng yên; lúc này, giường chứa hạt được gọi là giường cố định ； Khi tốc độ dòng chảy tăng lên, các hạt sẽ tách rời nhau. Có thể quan sát thấy một số ít hạt đang rung động và di chuyển trong một khoảng không gian nhất định; hiện tượng này được gọi là giường nở ； Khi tốc độ tăng lên đủ cao để khiến tất cả các hạt đều nổi lơ lửng trong dòng khí hoặc chất lỏng chảy theo hướng lên trên, thì lúc này lớp vật liệu sẽ ở trạng thái lưu hóa – đó chính là điểm khởi đầu của quá trình lưu hóa. Các hạt rắn cũng có thể tạo thành một mặt phân cách rõ ràng bên trong thiết bị, giống như các chất lỏng như nước. Ngay cả khi thiết bị bị nghiêng, mặt phân cách này vẫn giữ nguyên trạng thái thẳng đứng ； Áp suất giảm trong lớp giường không thay đổi theo tốc độ dòng chảy (gần như không đổi). Nói một cách đơn giản, hiện tượng các hạt rắn dưới tác động của chất lỏng mà thể hiện những đặc tính tương tự như chất lỏng được gọi là hiện tượng lưu hóa. Giường lưu hóa là thiết bị mà hiện tượng lưu hóa xảy ra. Trong lò phản ứng giường lưu hóa, chất xúc tác ở trạng thái lưu hóa sôi, được chất phản ứng và chất đẩy dẫn dắt để di chuyển nhanh qua lò phản ứng, như trong lò phản ứng ống đẩy của quy trình FCC. Giường vận chuyển: Các hạt rắn không có ranh giới rõ ràng bên trong thiết bị ； Áp suất trong lớp giường giảm dần khi tốc độ dòng chảy tăng lên. Giường sôi là một dạng của giường lưu hóa; các hạt rắn chuyển động bên trong buồng phản ứng kiểu giường lưu hóa, và lớp hỗn hợp gồm chất lỏng và hạt rắn này giống như chất lỏng đang sôi. Ở phía dưới buồng phản ứng có tấm phân phối, trên tấm này được đặt các hạt rắn; chất lỏng được đưa vào từ phía dưới tấm phân phối. Khi tốc độ dòng chất lỏng đạt đến một mức nhất định, các hạt rắn bắt đầu di chuyển, và khi tốc độ dòng chất lỏng tăng lên nữa, chúng sẽ vào trạng thái lưu hóa. Bên trong buồng phản ứng thường có các bộ phận như baffle, bộ trao đổi nhiệt, và thiết bị dùng để tách chất lỏng ra khỏi hạt rắn. Giường sôi có diện tích tiếp xúc lớn, hiệu suất truyền nhiệt và truyền chất cao, tỷ suất sản xuất theo thời gian cũng cao; tuy nhiên, hiện tượng trộn ngược giữa chất lỏng và hạt rắn lại khá nghiêm trọng. Giường sôi có hiệu quả phản ứng hoặc truyền nhiệt tốt nhờ vào trạng thái chuyển động của các chất rắn, nhưng lại tiêu hao nhiều năng lượng. Ngoài ra, quá trình điều chỉnh độ ẩm của than cũng gây ra lượng bụi lớn. Giường di động: Giường di động tương tự như giường cố định, điểm khác biệt là các hạt rắn được đưa vào từ phía trên một cách liên tục và được lấy ra từ phía dưới. Giường di động là thiết bị trao đổi ion, trong đó chất keo trao đổi ion di chuyển theo chu kỳ giữa bộ trao đổi, bộ tái sinh và tháp làm sạch. Sự khác biệt giữa bể phản ứng di động và bể phản ứng cố định nằm ở chỗ, trong quá trình phản ứng, chất xúc tác di chuyển từ lối vào của bể phản ứng ra lối ra một cách từ từ. Chất xúc tác mới (hoặc chất xúc tác đã được tái tạo) sẽ đi vào bể phản ứng từ lối vào, còn chất xúc tác đã mất hiệu lực thì sẽ được đưa ra khỏi bể phản ứng để được tái tạo. Tốc độ di chuyển của chất xúc tác khá chậm, chưa đạt trạng thái lưu hóa. Như lò phản ứng giường di động trong quy trình tái chế liên tục của UOP và IFP. Sự khác biệt: Lò nung kiểu giường cố định có thể xử lý được than có hàm lượng tro cao và điểm nóng chảy của tro cao; chi phí đầu tư thấp, nhưng khả năng bảo vệ môi trường kém… Lò nung kiểu dòng khí cho sản lượng cao nhất, nhưng lại có những yêu cầu nhất định đối với loại than sử dụng ； Giường lưu huỳnh hiện tại không thể tăng áp lực, việc phổ biến bị hạn chế. Yếu tố quan trọng nhất của ba loại giường này chính là thiết kế thân giường. Hiện nay, ở trong nước, việc thiết kế thân giường chủ yếu dựa vào phương pháp ước lượng dựa trên kinh nghiệm và các thí nghiệm mô phỏng; khi áp dụng vào sản xuất công nghiệp, phương pháp này thường gây ra nhiều hạn chế. Sự khác biệt chính giữa chúng vẫn nằm ở mục đích sử dụng và tính chất của vật liệu, cũng như việc đó là quá trình vật lý hay quá trình hóa học. Giường cố định và giường di động phù hợp hơn cho các phản ứng khí-khí, khí-lỏng và lỏng-lỏng; chính lớp vật liệu trên giường đóng vai trò là chất xúc tác. Ưu điểm của chúng là mức độ trộn lẫn giữa các thành phần thấp, lượng chất rắn bị cuốn theo ít, và việc tách các thành phần phản ứng cũng dễ dàng hơn. Kiểu dáng của giường lưu hóa rất quan trọng trong quá trình thiết kế, và yêu cầu phải tương thích cao với hệ thống phản ứng. Ngoài ra, tốc độ dòng khí trong quá trình vận hành, lượng khí được đưa ra ngoài, cùng với thiết kế của các thiết bị tách khí như lò xoáy đi kèm, đều phải tuân thủ những tiêu chuẩn khắt khe. Việc truyền nhiệt trong giường lưu hóa cũng như các biện pháp phá vỡ bong bóng khí và tạo dòng chảy cũng là những lĩnh vực được nghiên cứu khá nhiều. Khi sử dụng giường lưu hóa, cần chú ý không để bộ phân phối khí bị tắc nghẽn, vì điều đó sẽ gây ra nhiều rắc rối. Sự phân biệt giữa giường cố định, giường di động và giường sôi được xác định dựa trên lượng khí được cung cấp vào lớp vật liệu trong giường. Khi lượng khí tăng lên, thứ tự các loại giường sẽ là: giường cố định, giường bọt khí (giường sôi), giường có dòng chảy hỗn loạn, và giường truyền dẫn. Về mặt kỹ thuật, giường di động thuộc nhóm giường lưu hóa; trong loại này, các hạt vật chất di chuyển xuống dưới, trong khi chiều cao của lớp vật chất vẫn không thay đổi. Ví dụ điển hình cho quy trình này là công nghệ tái tổ hợp xúc tác trong ngành lọc dầu. Về phạm vi ứng dụng cũng như ưu điểm và nhược điểm, công nghệ giường lưu hóa có ưu thế về khả năng truyền chất và truyền nhiệt tốt, đồng thời mang lại mức độ đồng đều cao trong quá trình sản xuất. Do đó, công nghệ này được ứng dụng rộng rãi, chẳng hạn như trong các quy trình chuyển hóa khí than và quá trình đốt cháy, v.v. Giá thể cố định và giá thể di động bị hạn chế bởi các yếu tố liên quan đến sự truyền chất và truyền nhiệt; do đó quy mô của chúng khá nhỏ. Tuy nhiên, chi phí đầu tư vào các thiết bị này lại thấp. Ví dụ, công nghệ khí hóa khí tự nhiên của Lurgi chính là ví dụ điển hình về giá thể cố định. Thông thường, cần sử dụng vài lò để sản xuất xen kẽ nhau, nhằm đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra liên tục.