ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Khoa Kỹ thuật hoá học
Bộ môn Kỹ thuật hoá dầu
*****
Đề cương luận văn Thạc sĩ
Đề tài
MÔ PHỎNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐẢO DÒNG
SỬ DỤNG XÚC TÁC Ni/Al
2
O
3
ĐỂ SẢN XUẤT KHÍ TỔNG HỢP
BẰNG PHƯƠNG PHÁP OXY HOÁ RIÊNG PHẦN KHÍ METHANE
(MODELLING REVERSE FLOW REACTOR USING Ni/αAl2O3
AS CATALYST FOR PRODUCTION OF SYNGAS
BY PARTIAL OXIDATION OF METHANE)
Giảng viên hướng dẫn: TS. THÁI NGUYỄN HUY CHÍ
ThS. TRẦN HẢI ƯNG
Học viên: Phan Thị Dạ Thảo
Chuyên ngành: Kỹ thuật hoá dầu
Khoá: 2010
Thời gian thực hiện: 2/2011 – 6/2011

TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2011
Phần 1. MỞ ĐẦU
1.1- Cơ sở khoa học và thực tiễn
Việc khai thác khí tự nhiên hiện nay đang được chú trọng bởi nhiều lý do.
Trong tự nhiên, khí tự nhiên khá dồi dào, chứa chủ yếu là khí methane (90%) đã trở
thành nguồn tài nguyên đầy tiềm năng như một loại nguyên liệu thô cho rất nhiều quá
trình sản xuất hóa chất, bởi nó có sẵn và rất khả thi về mặt kinh tế. Những nghiên cứu

Điều quan trọng trong khi thực hiện phản ứng Fisher-Tropsch là điều chỉnh tỉ lệ
H
2
/CO. Khi sản xuất khí tổng hợp thực tế, những quá trình reforming như reforming
khí methane dùng hơi nước – Steam-reforming of methane (SRM) hoặc reforming khí
methane dùng khí CO
2
– Carbon dioxide reforming of methane (CRM) đều gặp những
trở ngại lớn vì cả hai phản ứng reforming trên đều cần phải qua quá trình điều chỉnh tỉ
lệ H
2
/CO. Trong khi đó, phương pháp oxy hoá riêng phần methane – partial oxidation
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 2
of methane (POM) là một quá trình tỏa nhiệt nhẹ, lại có ưu thế hơn nhờ tạo ra H
2
và
CO có tỷ lệ phù hợp cho phản ứng Fisher-Tropsch. Do đó, quá trình oxy hóa riêng
phần methane thành syngas có thể giảm đáng kể phí cho quá trình thiết kế, chế tạo và
vận hành của thiết bị khi so sánh với syngas sản xuất từ các quá trình khác. Tuy nhiên,
khó khăn ở đây là việc điều khiển quá trình oxy hoá riêng phần methane để khắc phục
hiện tượng quá nhiệt cục bộ và nguy cơ cháy nổ.
Trong phản ứng oxy hoá riêng phần methane, dòng nhập liệu gồm khí tự nhiên
và không khí cần phải gia nhiệt sơ bộ đến nhiệt độ vận hành của thiết bị để đạt được
hiệu suất thu khí tổng hợp cao hơn do đó bộ phận trao đổi nhiệt sử dụng nhiệt thu hồi
được đánh giá là cần thiết cho quá trình oxy hoá riêng phần. Việc bổ sung một thiết bị
truyền nhiệt có chi phí khá cao, do đó bộ trao đổi nhiệt thu hồi sẽ thích hợp hơn để
thực hiện ngay bên trong bình phản ứng, và điều này hoàn toàn có thể đạt được khi sử
dụng thiết bị phản ứng đảo dòng – reverse flow reactor (RFR).
Từ quan điểm này, quá trình oxy hóa riêng phần khí thiên nhiên thực sự có tính
khả thi trong việc áp dụng cho các thiết bị tự điều nhiệt (Autothermal reactor), đặc

và đầy hứa hẹn, thích hợp cho việc áp dụng cho khí thiên nhiên có hàm lượng
methane cao như ở Việt Nam.
Chúng ta nên khảo sát nghiên cứu quá trình sản xuất syngas theo hướng oxy
hóa riêng phần khí thiên nhiên bởi sản phẩm của quá trình này có giá trị cao và có thể
áp dụng vào nhiều mảng sản xuất sau như là tổng hợp ammonia/urea, pin nhiên liệu,
sản xuất methanol, những hydrocacbon dạng lỏng bằng quá trình tổng hợp Fischer-
Tropsch.
Có khá nhiều lợi ích kinh tế và cả về mặt kĩ thuật nếu thiết bị phản ứng đảo
dòng tự điều nhiệt được áp dụng thành công. Quá trình sản xuất khí tổng hợp sẽ nhận
được nhiều thuân lợi nếu loại thiết bị này được phát triển. Đầu tiên, thiết bị này sẽ tiết
kiệm nhiều năng lượng vận hành hơn những thiết bị hiện dùng bởi không cần cung
cấp nhiệt để duy trì nhiệt độ cao trong thiết bị phản ứng. Do đó, việc đầu tư cho toàn
bộ hệ thống sẽ giảm xuống đáng kể. Nhìn từ quan điểm của chi phí vận hành, các thiết
bị được giảm bớt, tiết kiệm được nhiều chi phí hơn. Bằng việc sử dụng xúc tác thích
hợp, hiệu quả sản xuất có thể được tăng lên bằng cách tăng lưu lượng dòng tăng bởi vì
loại thiết bị này có độ giảm áp thấp và thời gian tiếp xúc ngắn.
Vì thế, nghiên cứu này sẽ đóng góp cho kiến thức về sản xuất khí tổng hợp
bằng cách nghiên cứu, làm rõ những điều kiện thích hợp cho các quá trình đặc biệt:
ứng dụng của xúc tác Ni/αAl
2
O
3
với những điều kiện nhiệt độ thuận lợi, việc sử dụng,
việc sử dụng thiết bị phản ứng đảo dòng tự điều nhiệt, đặc biệt trong quá trình oxy hóa
riêng phần. Kết quả của nghiên cứu này được mong đợi là có thể áp dụng và phát triển
trong công nghiệp để sản xuất khí tổng hợp từ nguồn nguyên liệu dồi dào là khí thiên
nhiên. Các sản phẩm lỏng có giá trị được chuyển hoá từ khí thiên nhiên với giá rẻ hơn
khi sử dụng thiết bị phản ứng đảo dòng so với công nghệ hiện giờ là đang sử dụng quá
trình steam reforming.
Kết quả của quá trình nghiên cứu được hy vọng sẽ thúc đẩy cả kĩ thuật và hiệu

trình đồng thể hay dị thể. Động học của quá trình oxy hóa riêng phần được xem xét
trong báo cáo này chỉ áp dụng những xúc tác tương tự như xúc tác Ni/αAl
2
O
3
vì cho
đến bây giờ chưa có một công bố nào về động lực học của một loại xúc tác cụ thể.
Việc mô phỏng được nghiên cứu để tìm ra thông số thích hợp của thiết bị, điều kiện
vận hành cho thiết kế, chế tạo, và vận hành thiết bị thực tế.
2.2- Phương pháp nghiên cứu
MATLAB là một môi trường tính toán số và lập trình, được thiết kế bởi công
ty MathWorks. MATLAB cho phép tính toán số với ma trận, vẽ đồ thị hàm số hay
biểu đồ thông tin, thực hiện thuật toán, tạo các giao diện người dùng và liên kết với
những chương trình máy tính viết trên nhiều ngôn ngữ lập trình khác. Với thư viện
Toolbox, MATLAB cho phép mô phỏng tính toán, thực nghiệm nhiều mô hình trong
thực tế và kỹ thuật.
Với các tính năng nổi bật đó, MATLAB được đánh giá là công cụ hữu ích cho
việc mô phỏng nói chung và thiết bị đảo dòng tự nhiều nhiệt nói riêng, dựa trên cơ sở
lý thuyết của cân bằng vật chất, lý thuyết động học và nhiệt động học của quá trình
oxy hoá riêng phần methane.
Để giải hệ phương trình vi phân riêng phần mô phỏng cho thiết bị đảo dòng,
chúng ta có thể sử dụng hàm số và chương trình có sẵn của phần mềm MATLAB là
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 5
pde (partial differential equation) hoặc pede (parabollic elliptic partial differential
equation)
Phần 3. DỰ KIẾN KẾT QUẢ VÀ KẾ HOẠCH NGHIÊN CỨU
Các nội dung chính dự kiến thực hiện:
Chương 1: GIỚI THIỆU
1.1- Cơ sở của nghiên cứu
1.2- Bàn luận vấn đề

3.2.2.2- Thông số thiết kế (chiều dài xúc tác, đường kính thiết bị…)
3.2.2.3- Thông số vận hành thiết bị (thời gian đảo dòng,
3.3- Một số mô hình thiết bị đảo dòng và giải pháp
3.3.1- Mô hình đồng thể
3.3.2- Mô hình dị thể
3.3.3- Các giải pháp
3.3.3.1- Phương pháp vi phân hữu hạn
3.3.3.2- Giải các phương trình vi phân riêng phần bằng phần mềm
MATLAB
Chương 4: PHƯƠNG PHÁP LUẬN
4.1- Các bước thực hiện trong quá trình mô phỏng
4.2- Mô tả quá trình bên trong thiết bị phản ứng
4.3- Mô phỏng bằng Matlab
4.3.1- Giới thiệu Matlab
4.3.2- Áp dụng Matlab để giải các phương trình mô phỏng
Chương 5: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN
5.1- Kết quả mô phỏng bằng Matlab
5.2- Ảnh hưởng của một số yếu tố đến thiết bị đảo dòng
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 7
5.2.1- Tỷ lệ H
2
/CO trong dòng nhập liệu
5.2.2- Lưu lượng dòng nhập liệu
5.2.3- Tỷ lệ của Oxy/Methane
5.2.4- Áp suất riêng phần Methane trong dòng nhập liệu
5.2.5- Nhiệt độ tối đa ban đầu
5.2.6- Chiều dài xúc tác
5.2.7- Thông số thiết kế (chiều dài, đường kính thiết bị)
5.2.8- Thời gian đảo dòng
5.3- Tương tác giữa các yếu tố

Puzhilovam, V.I. Teor. Osn. Khim. Technol. Theoretical Fundamentals of Chemical
Engineering, 18, 328 (1984).
10. Bakemeier, H., Huberich, T., Krabetz, R., Liebe, W., Schunck, M.,& Mayer, D.
(1985). Ammonia. In: Ulmann's encyclopedy of industrial chemistry vol. A2 (pp.
143}242). Weinheim: VCH Verlag.
11. De Smet, C. R. H., de Croon, M. H. J. M., Berger, R. J., Marin, G. B., Schouten, J.
C. (2001). Design of adiabatic fixed-bed reactors for the partial oxidation of methane
to synthesis gas. Application to production of methanol and hydrogen-for-fuel-cells.
Chemical Engineering Science. Vol.56, p.4849–4861.
12. Dommeti, S.M.S., Balakotaiah, V., 1999. Analytical Criteria for Validity of
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 9
pseudohomogeneous Models of Packed Bed Catalytic Reactors. Industrial &
Engineering Chemistry Research. Vol. 38, p.767-777.
13. Drayton, M.K., Saveliev, A.V., Kenedy, L.A., Friman, A.A. (1998). Syngas
production using superadiabatic combustion of “ ultra-rich’ methane air mixtrures. in
twenty-seventh symposium (international) on combustion/ The combustion institute.
Conference. p.1361-1367. University of Colorado at Boulder USA.
14. Edwards, J.H., Maitra, A. M. (1995). The chemistry of methane reforming with
carbon dioxide and its current and potential application. Fuel processing technology.
Vol. 42, p. 269-289.
15. Froment, G.F., K.B. Bischoff, Chemical Reactor Analysis and Design. Wiley, New
York, 1979, 110 pp.
16. Gustafson, Karl E. 1980. Partial differential Equations and Hilbert Space methods.
John Wiley and Sons, New york.
17. Hickman, D. A. and Schmidt, L. D. (1992). Synthesis gas formation by direct
oxidation of methane over Pt monoliths. Journal of catalysis. Vol. 138, p. 267–282.
18. Hochgesand, G., Hiller, H., Reimert, R., Renner, H J., Marschner, F.,& Brejc, M.
(1989). Gas production. Ulmann's encyclopedia of industrial chemistry vol. A12 (pp.
169-306). Weinheim: VCH Verlag.
19. Hoffmann, U., & Sundmacher, K. (1997). Multifunktionale Reaktoren. Chemie-

31. Xu X., H. Vonk, A.C.J.M van de Riet (1996) Catal. Today 30:91
32. Hickman, D. A. and Schmidt, L. D., AIChE J. 39:1164–1177 (1993).
33. Hickman D.A. and Schmidt L.D. (1992) Synthesis gas formation by direct
oxydation of methane over Pt monolith J catal. 138 267-282
34. Hickman D.A. and Schmidt L.D. 1993 production of Synthesis gas by direct
catalytic oxydation of methane over. Science 259.343-346
35. De Smet, C. R. H., de Croon, M. H. J. M., Berger, R. J., Marin, G. B., Schouten, J.
C. (2001). Design of adiabatic fixed-bed reactors for the partial oxidation of methane
to synthesis gas. Application to production of methanol and Hydro-for-fuel-cells.
Chemical Engineering Science. Vol.56, p.4849–4861.
36. Froment, G.F., K.B. Bischoff, Chemical Reactor Analysis and Design. Wiley, New
York, 1979, 110 pp.
37. Hickman, D. A. and Schmidt, L. D. (1992). Synthesis gas formation by direct
oxidation of methane over Pt monoliths. Journal of catalysis. Vol. 138, p. 267–282.
Đề cương luận văn Thạc sĩ trang 11
38. Xu, J., & Froment, G. F. (1989a). Methane steam reforming, methanation and
water-gas shift: I. Intrinsic kinetics. A.I.Ch.E. Journal, 35, pp.88-96.
39. Xu, J., & Froment, G. F. (1989b). Methane steam reforming: II. Diffusional
limitations and reactor simulation. A.I.Ch.E. Journal, 35,pp.97-103
40. Zhu J.N. (2001). A feasibility study of CH
4
reforming by partial oxidation. PhD.
Thesis, Curtin University of Technology.
41. Zhu, J., M.S.M. Mujeebur Rahuman, J.G. van Ommen, L. Lefferts. (2003). Dual
catalyst bed concept for catalytic partial oxidation of methane to synthesis gas.
Applied Catalysis A: General.
42. Recupero, H., Pino, L., Leonardo, R.D., Lagana, M. Maggio, G.(1998).
Hydrogen generator, via catalytic partial oxidation of methane for fuel cell. Journal of
power sources. Vol. 71, p.208-214.
43. Renate S., Steffen T., Chrys C., Olaf D. (2003). Experimental and numerical study