Thí nghiệm phản ứng trung hòa trong các thiết bị dòng rối dạng ống

12:00' AM - Thứ ba, 14/12/2004

Nhiều quá trình công nghiệp sản xuất các sản phẩm tổng hợp hóa học đều phải tiến hành giai đoạn trung hòa dòng chất lỏng. Nước thải công nghiệp chỉ được thải bỏ ra ngoài khi có pH 7 nên giai đoạn trung hòa axit cũng được thực hiện phổ biến khi xử lý nước thải công nghiệp.

Khi tiến hành giai đoạn trung hòa trong điều kiện sản xuất công nghiệp cần xét đến các đặc trưng riêng của quá trình này: Phản ứng trung hòa xảy ra rất nhanh và là quá trình phát nhiệt mạnh(hiệu ứng nhiệt của phản ứng trung hòa giữa axit mạnh và bazơ mạnh, q = 57,2 KJ/mol). Quá trình này tạo ra môi trường xâm thực mạnh lại ở nhiệt độ cao nên đòi hỏi phải sử dụng loại thiết bị chống ăn mòn. Chính vì vậy, cần tối ưu hóa quá trình tạo ra sự khuấy trộn hiệu quả của dung dịch các chất phản ứng đầu vào cũng như sử dụng những thiết bị không có cơ cấu chuyển động cơ học với bề mặt riêng nhỏ cho sự tiếp xúc của môi trường phản ứng với thành của thiết bị phản ứng nhưng lại giảm được đáng kể sự tăng nhiệt độ ở vùng đưa các chất trung hòa  vào.

Thí nghiệm sử dụng các thiết bị thế hệ mới dạng ống có kích thước nhỏ, làm việc ở chế độ đuổi cận lý tưởng trong dòng rối không có trang bị khuấy trộn cho những phản ứng hóa học xảy ra nhanh chóng và nhiều quá trình chuyển khối vật lý được kết hợp với những kết quả nghiên cứu trong phòng thí nghiệm và mô hình hóa toán học các quá trình khuấy trộn dòng chất lỏng đã cho phép thực hiện sự trung hòa dòng axit đạt hiệu quả cao.

Mục đích của công trình này là nghiên cứu các điều kiện để hình thành chế độ đuổi cận lý tưởng trong dòng rối, trên thiết bị cấu trúc dạng ống có kích thước nhỏ và chịu ăn mòn khi trung hòa dòng axit bằng dung dịch kiềm. Loại thiết bị này còn phải đáp ứng được yêu cầu khuấy trộn lý tưởng các dòng vào, độ chuyển hóa cao của các tác nhân tham gia phản ứng, khả năng tản nhiệt cao.

Nghiên cứu được tiến hành trên hệ thống thiết bị mẫu chế tạo bằng thủy tinh với hai loại thiết bị phản ứng có tỷ lệ đường kính d1/d3 = 0,13 và 0,44; các kích thước khác như nhau (d2 = 13 mm, L = 1000 mm, d3 = 23 mm).

Khi độ nhớt (µ) và tỷ trọng (r) của các dòng tham gia phản ứng thay đổi sẽ bổ sung một lượng dung dịch nước của glyxerin và muối đã được tính toán để bảo đảm giữ nguyên 2 thông số này. Để tạo dòng các chất tham gia phản ứng, sử dụng dung dịch HCl, H2SO4, CH3COOH, NH3 và NaOH. Để theo dõi sự khuấy trộn của dòng dung dịch phản ứng theo tuyến (các mặt cắt vuông góc với trục thiết bị trong đó dòng phản ứng đi qua) dùng chỉ thị phenolphtalein có bước đổi màu (không màu - màu đỏ) tại pH = 8,2 - 9,8.

Tuyến mặt phẳng phản ứng tương ứng với chế độ đuổi cận lý tưởng tối ưu phụ thuộc vào tốc độ dòng vào hướng trục V1 và tốc độ dòng hướng tâm V2 của các chất tham gia phản ứng được giám sát bằng phương pháp chụp ảnh liên tục tốc độ cao khi sử dụng videocamera VM2980E với tiêu cự 12/1 của hãng Hitachi.

Các số liệu thực nghiệm chứng tỏ rằng, để chuyển chế độ phản ứng tuyến điểm sang chế độ đuổi cận lý tưởng trong dòng rối phải kiểm soát được tỷ lệ V1/V2 ở giá trị xác định thích hợp. Khi tăng V2 đồng thời phải tăng V1. Chế độ phản ứng cận lý tưởng không phụ thuộc vào độ mạnh của axit hay bazơ đưa vào.

Từ các kết quả thực nghiệm đã đưa ra các thông số tối ưu để thực hiện phản ứng ở chế độ cận lý tưởng khi V1,V2 = 0,1 - 0,8 m/giây, d1/d3 = 0,44 và V1/V2 = 0,28.V2 + 0,96. Các thông số này được dùng để tính không gian giới hạn vùng khuấy trộn ứng với chế độ đuổi cận lý tưởng đã cho thấy bán kính ống phản ứng lấy giá trị R VDT/k [C]  (V: căn bậc 2) sẽ cho phép đạt được tương quan lý tưởng giữa thời gian khuấy, thời gian phản ứng và giảm rõ rệt thời gian lưu hỗn hợp phản ứng trong thiết bị.

đây, DT - Hệ số của quá trình khuếch tán dòng rối, m2/ giây; k - hằng số tốc độ phản ứng, lít/mol giây;

C - Nồng độ nhỏ nhất của một thành phần phản ứng, mol/ lít.

Tỷ trọng và độ nhớt của hỗn hợp phản ứng ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả khuấy trộn cũng như việc hình thành chế độ đuổi cận lý tưởng. Tăng tỷ trọng của một dòng chất phản ứng cũng đã làm giảm tỷ số V1/V2 còn tăng độ nhớt sẽ làm tăng tỷ số này vì vậy đồng thời cũng làm tăng thời gian lưu.

Đã nhận được các số liệu cho thấy ảnh hưởng của tỷ trọng và đo nhớt thể hiện ở hình 3 (1- ảnh hưởng của r; 2- ảnh hưởng của µ). Khi giảm tỷ số d1/d3 sẽ giảm được thể tích tiêu hao dòng phản ứng đi vào cửa có đường kính d1 mà vẫn đạt được chế độ phản ứng cận lý tưởng. Đặc biệt khi giảm tỷ số này từ 0,44 xuống 0,13,  thể tích tiêu hao dòng phản ứng đi vào có thể giảm tới 60%. Điều này cho phép thực hiện phản ứng trung hòa với nồng độ chất phản ứng lớn hơn, đặc biệt đối với dòng kiềm. Đồng thời khi xét đến sự trao đổi nhiệt cũng cho thấy quá trình trao đổi nhiệt diễn ra trong điều kiện cận đẳng nhiệt nên cho phép điều khiển chế độ nhiệt của quá trình trung hòa bằng tải nhiệt bên ngoài hợp lý nhất.

Kết quả nhận được cho thấy, có thể tiến hành trung hoà dung dịch axit có nồng độ tới 30% bằng dung dịch kiềm có nồng độ đến 20% ở chế độ phản ứng tối ưu mà không cần trao đổi nhiệt bên ngoài nếu nhiệt độ dòng axit không quá 30oC thì nhiệt độ trong vùng phản ứng cũng không vượt quá 30oC - 50oC.

Nếu sử dụng dung dịch kiềm trung hòa có nồng độ đậm đặc hơn sẽ làm tăng mạnh nhiệt độ trong vùng phản ứng. Để giải quyết vấn đề này, trong công nghệ hóa học đã sử dụng một kiểu thiết bị mới, thiết bị phản ứng dòng rối dạng ống kích thước nhỏ có cấu dạng hình trụ hoặc cấu dạng khuếch tán hình trụ thắt dần có thể điều khiển trường nhiệt của vùng phản ứng theo một vài kiểu: thay đổi bán kính thiết bị và tốc độ chuyển dịch của dòng phản ứng; ứng dụng mô hình vùng để thực hiện quá trình hóa học nhanh; sử dụng thiết bị  ống vỏ với chùm N ống có bán kính nhỏ. Khi xử lý dòng nước thải công  nghiệp  cần tránh  sự thừa hoặc thiếu axit hay kiềm và nói chung nước thải  không có nồng độ quá cao vì vậy tốt nhất nên sử dụng thiết bị có cấu dạng khuếch tán hình trụ thắt dần với đường kính ống khuyếch tán 0,05 - 0,4 m, chiều dài 2 m, thể tích thiết bị 0,016 - 0,12 m3 tương ứng với công suất 7- 460 m3/giờ ở tốc độ dòng 1m/giây. Cửa vào của dòng kiềm phải bảo đảm đưa vào vùng phản ứng với tốc độ V1 > 1,1m/ giây tương ứng với tỷ số V1/V2 1,2.

Các loại thiết bị nói trên đã được sử dụng trong công nghệ sản xuất cao su isopren mác CKI-3 và CKI-5 ở công đoạn phân giải sản phẩm hyđro - clo hóa isopren hay phân hủy có xúc tác trong công nghệ Sigle - Natta.

Ưu điểm lớn của thiết bị loại này là đạt hiệu quả cao với kích thước bé lại không cần tải nhiệt và luôn đạt được chế độ phản ứng tối ưu nhất. Chính vì vậy, chúng đã được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp.

BÌNH MINH

Theo Công nghiệp Hóa chất (tiếng Nga), 3/2003

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,