Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Vũ Bá Minh

8/20/2019 Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Vũ Bá Minh

1/181

KYÕ THUAÄT PHAÛN ÖÙNG

2/21/2016 Chuong 1- Khai niem mo dau 1

Chemical Reaction Engineering

Vuõ Baù MinhBm Maùy Thieát bò – ÑH Baùch Khoa TP.HCM


2/181

Taøi lieäu tham khaûo1) Vuõ Baù Minh, “Quaù trình & TB trong coâng

ngheä hoùa hoïc- taäp 4” , Nxb Ñaïi hoïc QGTP.HCM.


Engineering”, John Wiley&sons, 1999.3) H. Scot Foggler, “ Elements of Chemical

Reaction Engineering”,Internationalstudents edition, 1989.


3/181

Taøi lieäu ñoïc theâm1) E.B.Nauman, “Chemical Reactor Design”,

John Wiley & sons, 1987.2) Stanley M. Walas, “Reaction Kinetics for

Chemical Engineers”,Int. Student Edition,


1990.3) Coulson & Richardsons, “Chemical

Engineering – Vol 6”,Elsevier, 1979.

4) Richard M. Felder, “ Elementary Principles ofChemical Processes”, John Wiley & sons, 2000.


4/181

Kyõ thuaät phaûn öùng ñoàng theå

(Homogeneous chemical reaction eng.)Kyõ thuaät phaûn öùng dò theå


(Heterogeneous chemical reaction eng.)


5/181

Kyõ thuaät phaûn öùng ñoàng theå Chöông 1: Khaùi nieäm môû ñaàu(Introduction to Chem. Reaction Eng.)

Chöông 2: Xöû lyù döõ kieän ñoäng hoïc (Interpretation of Chemical Kinetics Data) Chöông 3: Phöông trình thieát keá (Design Equation)


Chöông 4: AÙp duïng phöông trình thieát keá (Application of Design Equation)

Chöông 5: Hieäu öùng nhieät ñoä. (Temperature Effects) Chöông 6: Doøng chaûy thöïc (Real Flow)


6/181

Chöông 1: Khaùi nieäm môû ñaàu

QUAÙ TRÌNH

VAÄT LYÙ HOÙA HOÏC


THUAÄN NGHÒCH K. THUAÄN NGHÒCH TH. NGHÒCHK. THUAÄ

NG

TRUYEÀN KHOÁI CÔ, NHIEÄT

CAÂN BAÈNG PHA

Caân baèng P.Ö


7/181

Chöông 1: Khaùi nieäm môû ñaàu

_ Thieát keá thieát bò phaûn öùng (T.B.P.Ö) khoâng coù khuoân maãu,

coù theå coù nhieàu baûn thieát keá, baûn thieát keá toái öu veà kinh teá.

â á à ù


ï Nhieät ñoäng löïc hoïc, Ñoäng hoùa hoïc, Cô löu chaát,

Truyeàn nhieät; Truyeàn khoái.


8/181

Các quá trình trong qui trình sản xuất công nghiệp



9/181

Tröôùc khi thieát keá caàn traû lôùi hai caâu hoûi sau:1. Phaûn öùng naøo laø phaûn öùng chính ?

2. Toác ñoä phaûn öùng ñoù nhö theá naøo ?

â û â á


ï ï .Caâu hoûi 2 lieân quan ñeán caùc quaù trình vaän

toác nhö: ñoäng hoùa hoïc, truyeàn nhieät,

truyeàn khoái…


10/181

1.1. Ñoäng hoùa hoïc(Chemical Kinetics)

“Ñoäng hoïc laø caùch maø thieân nhieânngaên ngöøa moïi quaù trình xaûy ra cuøng


moät luùc”. S.E. LeBlanc


11/181

1.1. Ñoäng hoùa hoïc

(Chemical Kinetics) Nghieân cöùu toác ñoä phaûn öùng hoùa hoïc vaø cô cheá

phaûn öùng.1. Phaûn öùng ñôn vaø phaûn öùng ña hôïp(single &multiple reaction)

û ù ú â ú


.(elementary & non elementary reaction)

3. Caân baèng cho phaûn öùng thuaän nghòch sô ñaúng( Chemical Equilibrium)

4. Baäc phaûn öùng (Reaction Order) 5. Söï phuï thuoäc nhieät ñoä – ñònh luaät Arrheùnius(Temperature dependency)


12/181

1.2. Nhieät ñoäng löïc hoïc(Chemical thermodynamics)

Nhieät haáp thu hoaëc phoùng thích Möùc ñoä phaûn öùng


1. Nhieät phaûn öùng(Heat of reaction)

2. Caân baèng hoùa hoïc(Chemical Equilibrium)


13/181

1. Nhieät phaûn öùng

dTC HH

T

Tp0Tr,Tr,

0

∆+∆=∆

∫


)T(T)C(N)T(T)C(NHH

)C(N )C(NC

0tcpi0piTr,Tr,

pipip

ii0

ii

−−−+∆=∆

−=∆

∑∑ sp

tcsp


14/181

2. Caân baèng hoùa hoïc

∆=

−=∆

0

Tr,

0

H

lnKd '

KlnRTF

0


−∆−=

=∆

12

0Tr,

T

T

0

Tr,

2

T

1

T

1

R

H

K

Kln

constant HTR

dT

0

1

2

0


15/181

1.3. Phaân loïai phaûn öùng

Ñoàng

theå

Khoâng xuùc taùc Coù xuùc taùc

Phaûn öùng pha khí Phaûn öùng pha loûng

Dò theå Phaûn öùng chaùy cuaû ngoïn û

Phaûn öùng ôû theå keo


Phaûn öùng chaùy cuûa thanNung quaëngAxit + chaát raén

Haáp thu + phaûn öùng

Toång hôïp ammoniacOxit hoùa ammoniac

HNO3

Phaûn öùng cracking,reformingToång hôïp metanol


16/181

1.4. Ñònh nghóa vaän toác phaûn öùng Döïa treân moät ñôn vò theå

tích hoãn hôïp phaûn öùng

Döïa treân moät ñôn vò theåtích bình phaûn öùng

h.mmol/,dt

dN

V

1 r 3ii =

h.mol/m,dt

dN

V

1 r 3i

b

'

i =


Döïa treân moät ñôn vò dieäntích beà maët tieáp xuùc pha

Döïa treân moät ñôn vò

khoái löôïng chaát xuùc taùc

h.mmol/,dtdN

S1 r 2i''i =

h.kgmol/,dt

dN W

1 r

i'''

i =


17/181

Thí duï 1.1 Moät ñoäng cô hoûa tieãn ñoát chaùy hoãn hôïp

nhieân lieäu goàm H2 vaø O2 loûng. Buoàng ñoáthình truï coù ñöôøng kính laø 60cm, chieàu daøi75cm vaø quaù trình ñoát sinh ra saûn phaåm


chaùy 108 kg/s. Neáu quaù trình chaùy hoøantoøan, tìm vaän toác phaûn öùng cuûa hydrogenvaø oxygen.

• OH O2

1 H 222 →+


18/181

Thí duï 1.2 Moät ngöôøi naëng 75 kg tieâu thuï khoûang

6.000 kJ thöïc phaåm moãi ngaøy. Giaû söû taátcaû thöïc phaåm laø glucose vaø phaûn öùng toångquaùt nhö sau


C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O- ∆Hr = 2.816 kJ Tính toác ñoä bieán döôõng theo soá mol

oxygen söû duïng treân m3 cô theå trong moätgiaây. Cho bieát 2.816 KJ / mol glucose


19/181

Caùc yeáu toá aûnh höôûng ñeán vaän toác phaûn öùng

Phaûn öùng ñoàng theå AÙp suaát

Nhieät ñoä Noàng ñoä


Phan öùng dò the ….Truyeàn khoái giöõa hai pha

Truyeàn nhieätGiai ñoïan kieåm soùat vaän toác ( rate controlling step )


20/181

Thí duï 1.3 Hoùa chaát A → 2R, thieát bò cheâm baèng haït caàu

khoâng roãng:

a = 200m2

/m3

ρB = 2.908 kg/m3 (bulk density) ε = 0,40


Xaùc ñònh ñôn vò caùc ñaïi löôïng vaø caùc daïng phöông trình vaän toác khaùc ?

h.kgmol/,C0,1 dt

dN

W1 -r Aii'''' ==


21/181

1.5. Phaân loïai thieát bò phaûn öùng

1) Phöông phaùp vaän haønh /hoïat ñoäng (Mode of Operation)

Giaùn ñoïan (batch/ unsteady state)

Lieân tuïc (continuous / steady state) Baùn lieân tuïc (semi continuous)

2 ình dan thieát b haûn öùn


ï

Khuaáy troän lyù töôûng (Ideal Mixing-Stirred Tank) OÁng/ Ñaåy lyù töôûng (Ideal Plug Flow Reaactor)

3) Soá pha cuûa hoãn hôïp phaûn öùng

Ñoàng theå (Homogeneous) Dò theå (Heterogeneous)


22/181

Bình phản ứ ng khuấy trộn



23/181

Bình ống

Thiïët bõphaãn ûáng


Naphtha vaâkhñ hoaân lûu


24/181

Keát hôïp giöõa hình daïng vaø phöông phaùp vaän haønh seõ coù bao nhieâu

daïng thieát bò phaûn öùng



25/181

Chöông 2: Xöû lyù döõ kieän ñoäng hoïc(Interpretation of Kinetic Data)

2/21/2016 Chuong 2-Xu ly du kien dong hoc 25


26/181

Phöông trình vaän toác: Ñaëc tröng cho phaûn öùng

Ñöôïc xaùc ñònh töø: lyù thuyeát, moâ hình cho tröôùc


thöïc nghieäm Hai giai ñoïan:

phuï thuoäc noàng ñoä vaø söï phuï thuoäc nhieät ñoä


27/181

Thieát bò phaûn öùng thí nghieäm coù theå hoïat ñoäng

giaùn ñoïan hoaëc lieân tuïc

Theo doõi möùc ñoä phaûn öùng:1. Noàng ñoä cuûa moät caáu töû


2. Tính chaát vaät lyù cuûa hon hôïp3. AÙp suaát toång cuûa heä ñaúng tích4. Theå tích cuûa heä ñaúng aùp.


28/181

Caùc phöông phaùp xöû lyù soá lieäu ñoäng hoïc

1. Phöông phaùp tích phaân2. Phöông phaùp vi phaân ù ø ù


(half-life time)

4. Phöông phaùp toác ñoä phaûn öùng banñaàu (Intial reaction rate)


29/181

2.1. Thieát bò phaûn öùng giaùn ñoïan coù theå tích

khoâng ñoåi (theå tích hoãn hôïp phaûn öùng) V = const

(2.1) dt

dC

dt

dCVdVC

V

1

dt

)Vd(C

V

1

dt

dN

V

1 r iiiiii =

+===


(2.2) dt

dp

RT

1 r ii =


30/181

Trong thöïc teá, thöôøng ño aùp suaát toång hoãn hôïp

phaûn öùng trong pha khí ñeå theo doõi phaûn öùng

V

NN

n

a

V

N

V

xa.N

V

N

RT

p

C0A0A0AA

A

−

∆−=

−

===


(2.4) )P(Pnr p RTC p R cho

(2.3) )P(Pna p RTC p hay

0R0RR

0A0AA

−∆

+==

−∆

−==


31/181

2.1.1. Phöông phaùp tích phaân1) Giaû thieát cô cheá vaøphöông trình vaän toáctöông öùng

2) Saép xeáp laïi

ù ù

f(kC) dt

dC r AA =−=−

kf(C) dt

dC r AA =−=−


F(CA)theo thöïc nghieäm

4) Veõ F(CA) theo t

5) Neáu khoâng thaúng, giaûthieát laïi

kdt )f(C AA =−

ktdtk)(CF)f(C

dC

t

0

A

C

C A

AA

A0

===− ∫∫


32/181

Hình 2.1



33/181

(1) Phaûn öùng khoâng thuaän nghòch baäc 1

loïai moät phaân töû A saûn phaåmCk

dt

dC

C

AA =−


kt C

Cln

dtk C

A0

A

0C A

A

A0

=−

=− ∫∫


34/181

Ñoä chuyeån hoùa (conversion), XA laø phaàn taùc chaát

ñaõ chuyeån hoùa thaønh saûn phaåm

)X1(CV

)X(1N VN C

)X(1N N

AA0AA0A

A

AA0A

−=−==

−=


kt )X(1lndtkX1

dX

)Xk(1 dt

dX dXCdC

A

t

00 A

A

AA

AA0A

=−−⇒=−

−=⇒=−

∫∫ A X


35/181

- dCA /dt = kCA0,6.. CB

0,4 laø baäc moät nhöng

khoâng aùp duïng ñöôïc

Hình 2.2. Phaûn öùng baäc moät



36/181

(2) Phaûn öùng khoâng thuaän nghòch baäc 2

loïai hai phaân töû A + B saûn phaåm

BB0AA0

BABA

A

XCXC

(2.12) C.Ckdt

dC

dt

dC r

=

=−=−=−


A0

B0

AA0B0AA0A0A

A0A

C

C M

)X.C)(CX.CC(kdt

dX Cr

=

−−==−


37/181

−−==− AA2

A0A

A0A )X.M)(X.1(Ckdt

dX Cr


∫∫ =−−t X A

0

A0

0 AA

A dtkC )X)(MX(1

dX


38/181

1 M kt)C(Ckt1)(MC

M.C

Cln

C.C

C.Cln

)X(1M

XMln

X1

X1ln

A0B0A0

A

B

AB0

A0B

A

A

A

B

≠−=−=

==−

−=

−

−


Neáu CB0 >> CA0 thì CB gaàn nhö khoâng ñoåi,phaûn öùng xem nhö giaû baäc moät


39/181

Hình 2.3



40/181

Löu yù

a) 2A → saûn phaåm

(2.14) )X(1kC Ckdt

dC r 2AA022

AA

A −==−=−


kt X1

X.

C

1

C

1

C

1

A

A

A0A0A

=−

=−

(3) Phöô t ì h ä t á thö hi ä ù b ä


41/181

(3) Phöông trình vaän toác thöïc nghieäm co baäc

n

.Ck

dt

dC r

n1n1

n

AA

A =−=−

−−


( )[ ] 1)kt(n1X1Chay

,

n1

A

n1

A0

A0

A

−=−−

−−

−−


42/181

(4) Phöông trình vaän toác thöïc nghieäm coù baäc 0

1n kt, XCC C

kdt

dC r

AA0AA0

AA

≠==−

=−=−



43/181

(5) Phaûn öùng khoâng thuaän nghòch baäc toång quaùttheo thôøi gian baùn sinh t1/2aA + bB → saûn phaåm


C.Ckdt rb

B

a

A

A

A =−=−

N á t ù h át hi ä di ä th t û l ä löô h ù h


44/181

Neáu taùc chaát hieän dieän theo tyû leä löôïng hoùa hoïc,

chuùng seõ giöõ tyû leä ñoù trong suoát quaù trình phaûnöùng. Nhö vaäy taïi thôøi ñieåm baát kyø CB / CA = b/a

....a

b

k ...)Ca

b

.(Ckdt

dC

r

..ba

b

b

A

a

A

A

A

++

==−=− AC


C1)(nk

12 t

Ck dtdC hay

n1

A0'

1n

1/2

nA

'A

−−

−

−=

=−

an ng song song ong uan ng cll l


45/181

(parallel reaction)

A → R, k1 A → S, k 2

A21A2A1

A

A C)k (k Ck Ck dt

dC

r +=+=−=−


A2S

S

A1R

R

Ck dt

dC r

Ck dtdC r

=+=+

=+=+


46/181

CA + CR + CS = const21

A0

A t)k k (

C

Cln +=−


2

1

SS

RR

2

1

S

R

S

R

k

k

CC

CC

k dC r

0

0 =−

−

==

Hì h hả


47/181

Hình phảnứ ng songsong


(7) Phaûn öùng noái tieáp khoâng thuaän nghòch


48/181

(7) Phan öng noi tiep khong thuaän nghòch(consecutive reaction)A → R → S , k1 vaø k2

A1

A

Ck dt

dC

−=


R2S

R2A1R

Ck dtdC

Ck Ck dtdC

+=

−+=


49/181

Phöông trình tính==− − kt

0AA1

0A

A eCChaytk

C

Cln


−

−=

=+

−−

−

12

tk tk

A01R

k

A01R2R

k k

e e Ck C

eCk Ck dt

21

1t


50/181

Taïi thôøi ñieåm baát kyø CA0 = CA + CR + CS

tk

12

1tk

12

2A0S21 ek k

k ek k

k 1C C

−−

−+−−=


( )

( )tk

A0S21

tk

A0S12

2

1

e 1C C k k

e 1C C k k

−

−

−=〉〉

−=〉〉

å à


51/181

Thôøi ñieåm noàng ñoä R ñaït cöïc ñaïi

12

1

2

tblog

maxk k k

k ln

k 1 t

−

==


( )122 k k /k

2

1

A0

maxR,

k

k

C

C −

=

(8) Ph û öù th ä hò h b ä 1


52/181

(8) Phaûn öùng thuaän nghòch baäc 1

A R KC = K = haèng soá caân baèng

AA0R02AA0A01

R2A1A

A0AR

)XC(Ck )XC(Ck

Ck Ck

dt

dXC

dt

dC

dt

dC

+−−=

−==−

=


2

1

AA0A0

AA0R0

Ae

Re

C

C

A0

R0C

AeA

k k

XCCXCC

CC K

1K

CK X 0

dt

dC

=−+==

+

−=⇒=

−

e

e

dX


53/181

( )( )

( )tk k tK

1

1k CC

C C

lnX

X

1ln

XXk k

dt

dX

21C

1Ae0A

eAA

Ae

A

AAe21A

+=

+=

−

−

−=

−−

−+=


Veõ ñöôøng bieåu dieãn – ln (1 – XA /XAe) theo t tañöôïc ñöôøng thaúng coù heä soá goùc laøk1(1 + 1/KC).

Phaûn öùng thuaän nghòch ñöôïc xem laø khoângthuaän nghòch neáu noàng ñoä döïa treân CA0 - CAe


54/181

2.1.2. Phöông phaùp vi phaânGiaû thieát cô cheá (-rA) = - dCA /dt = k.f(C)

Töø ñöôøng cong C theo t xaùc ñònh (-dCA /dt) taïinhöõng thôøi ñieåm khaùc nhauLaäp baûng giaù trò CA, (-dCA /dt) theo t vaø tính giaù


tr am so .Veõ (-dCA /dt) theo f(C), neáu laø ñöôøng thaúng thì

phöông trình vaän toác ban ñaàu phuø hôïp vôùi thöïcnghieäm.

Neàu khoâng ñöôïc ñöôøng thaúng qua goác toïa ñoä, giaûthieát laïi cô cheá khaùc (haøm soá f(C)).

2 2 Thieát bò phaûn öùng giaùn ñoan coù theå tích


55/181

2.2. Thiet bò phan öng gian ñoïan co the tích

(theå tích hoãn hôïp phaûn öùng) thay ñoåi

ii

iiii

i

dVC

dC

dt

dVCVdC

dt

V)d(C

V

1

dt

dN

V

1 r

=

+===


( )

0X

0X1XA

AA0

A

AA

V

VV

X1VVdtV

dt

=

==

−=

+=

ε

ε

Vieát lai caùc bieåu thöùc


56/181

Viet laïi cac bieu thöc

( )( )

X1dN1

dN1

X1

X1C

X1V

X1N

V

N C

AA

AA0

AA0

AA0AA

ε ε

−

+

−=

+

−==


( )

dtdX

X1C

dt

X1V

dtV r

A

AA

A0

AA0A

ε

ε

+=

+−=−=−


57/181

2.3. Nhieät ñoä vaø toác ñoä phaûn öùng Ñònh luaät Arrheùnius

k = k0 e- E / RT vôùi: ø á à á


0 E : naêng löïông hoïat hoùa ( activation

energy), J/mol

R: haèng soá khí = 8,27 J/mol.K T: K

Û


58/181

AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä leân toác ñoä phaûn öùng


AÛnh höôûng cuûa nhieät ñoä leân toác ñoä phaûn öùng


59/181

Anh höông cua nhieät ñoä len toc ñoä phan öng

a) Bình thöôøngb) Phaûn öùng dò theå do quaù trình truyeàn khoái kieåm

soùat, (-r) taêng chaäm theo T.c) Phaûn öùng noå, (-r) taêng nhanh taïi nhieät ñoä boác

chaùy.


d) Phaûn öùng xuùc taùc do toác ñoä haáp phuï kieåm soùat (Ttaêng laøm giaûm haáp phuï) hay phaûn öùng enzym.e) Phaûn öùng phöùc taïp coù phaûn öùng phuï vaø taêng ñaùng

keå taïi nhieät taêng.f) Phaûn öùng thuaän nghòch phaùt nhieät


60/181


Quaù trình truyeàn nhieät cho bình phaûn öùng


61/181

Q y ä p g



62/181


Thí duï 2.1.


63/181

Xaùc ñònh toác ñoä phaûn öùng cho phaûn öùng sau:(CH3)3COO(CH3)3 C2H6 + 2CH3COCH3

Phaûn öùng ñöôïc thöïc hieän trong bình kín, giaùn ñoïan,ñaúng nhieät vaø ghi nhaän aùp suaát toång thay ñoåi


theo thôøi gian nhö sau vôùi di-tert-butil-peroxid laønguyeân chaát

Thôøi gian, ph 0,0 2,5 5,0 10,0 15,0 20,0AÙp suaát toång, mmHg 7,5 10,5 12,5 15,8 17,9 19,4

pA, mmHg

Câ hỏi ô tậ


64/181

Câu hỏi ôn tập

1. Các phươ ng pháp theo dõi phản ứ ng?

2. Phươ ng pháp xử lý số liệu động học?3. Xử lý số liệu động học cho pha khí



65/181

Chöông 3: Phöông trình thieát keá

2/21/2016 Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke 65

3.1. Caân baèng vaät chaát & naêng löông toång quaùt


66/181

3.1. Can bang vaät chat & nang löôïng tong quat

1. Caân baèng vaät chaát cho moät phaân toá theå

tích(Löôïng taùc chaát nhaäp vaøo) - (Löôïng taùc


c at ra o - öôïng tac c at p an öng= (Löôïng taùc chaát tích tu (bieán ñoåi)ï)


67/181

PHAÂN TOÁTHEÅ TÍCH(TÍCH TUÏ)

VAØO RA

PHAÛN ÖÙNG


2 Caân baèng naêng löông


68/181

2. Can bang nang löôïng

(Naêng löôïng caùc doøng nhaäp vaøo) -

(Naêng löôïng caùc doøng ra khoûi) +(Naêng löôïng trao ñoåi vôùi moâi tröôøng ngoøai)


= (Naêng löôïng tích tu (bieán ñoåi)ï)


69/181

PHAÂN TOÁTHEÅ TÍCH(TÍCH TUÏ)

VAØO RA

TRAO ÑOÅI


Các dạng bình phản ứ ng khuấy trộn


70/181


3.2. Thieát bò phaûn öùng khuaáy troän lyù töôûng


71/181

1. Hoaït ñoäng oån ñònh( )

XX

V

V

0 tV.rt)X1(Ft)X1(F

A0Af

Af Af AA0A 00

−

=∆ Χ−−∆−−∆−


Vôùi: XA0 , XAf laø ñoä chuyeån hoùa cuûa doøng nhaäp

lieäu vaø doøng saûn phaåm v laø löu löôïng cuûa doøng nhaäp lieäu, m3 /s

)r(

Cv.

F

Af A0A0 −

Xaùc ñònh nhieät ñoä cuûa doøng saûn phaåm ñeå tính vaän


72/181

toác phaûn öùng – caân baèng nhieät löôïng

0 )TK.S.(T HV.).r(C).T(Tmhay

0 )TKS(TFH)X(XC)T(Tm

f nrApf 0t

f nA0rA0Af pf 0t

=−+∆−−−

=−+∆−−−


mt : suaát löôïng doøng nhaäp lieäu, kg/s Cp : nhieät dung rieâng doøng nhaäp lieäu (saûn phaåm), J/kg.

0C

∆Hr: nhieät phaûn öùng, J/mol

K : heä soá truyeàn nhieät, W/m2.0C

S : dieän tích beà maët truyeàn nhieät, m2

Thí duï 3.1: Xaùc ñònh löu löôïng moãi doøng nhaäp lieäu


73/181

Phaûn öùng thuaän nghòch pha loûng sô ñaúngA + B = R + S

vôùi k1= 7 l /mol.ph , k2 = 3 l /mol.phV = 120 lít


a ong n ap eu r eng et co öu öôïngbaèng nhau:

Doøng coù noàng ñoä 2,8 mol A/ lít

Doøng coù noàng ñoä 1,6 mol B/ lítÑoä chuyeån hoùa cuûa taùc chaát giôùi haïn ñaït 75%

Thí duï 3.2: Xaùc ñònh phöông trình vaän toác cho phaûnöùng phaân huûy pha khí A → R + S xaûy ra ñaúng nhieät


74/181

öng phan huy pha khí A → R + S xay ra ñang nhieättrong bình khuaáy troän hoïat ñoäng oån ñònh

Soá TN 1 2 3 4 5τ =V/v h 0,423 5,10 13,5 44,0 192


XA (vôùi CA0=0,002 mol/l

0,22 0,63 0,75 0,88 0,96

Bảng 3.1


75/181

Thínghiệm

sốXA

1 0,423 0,22 0,639

2 5,10 0,63 0,227

V = ,ph v

ττττ A

A

1- X

1+ X

C o A A

A

X =(-r )

ττττ

, . ,

..

5 0 002 0 22

104 10 0 423

−

=

, . ,, .

5 0 002 0 63 24 7 10 −=


3 13,5 0,75 0,143

4 44,0 0,88 0,064

5 192 0,96 0,021

,

, . ,, .

,

5 0 002 0 75 111 10 13 5

−=

, . ,. 5

0 002 0 88 4 10

44

−=

, . ,. 5

0 002 0 96 1 10

192

−=

3.2. Thieát bò phaûn öùng khuaáy troän lyù töôûng


76/181

2. Hoaït ñoäng giaùn ñoïan

dtdN V)r(

0t ; N tV.)r(

AA

AA

=−−

→∆∆=∆−−


dtdX N V)r(

dt Ndt

V)r(

AA0A

A

A0

AA0

A

=−

−=

−

=−−

Saép xeáp lai vaø laáy tích phaân


77/181

p p ï y p

( )

∫∫

∫

−−=

−==

−=

AA

A

C

A

X

AA0

X

0 A

AA0

dC

dX C tconstV *

Vr

dX N t


( ) ( )∫∫ +−=+−=

+=

AA

A0

X

0 AAA

AA0

X

0 AA0A

AA0

AA0

C A0 A

)X(1rdX C

)X(1VrdX N t

)X(1V V *

ε ε

ε

Thí duï 3.3:


78/181

a) Tính thôøi gian phaûn öùngb) Theå tích bình phaûn öùng khuaáy giaùn ñoïan

CH3COOH + C4H9OH→CH3COOC4H9 + H2O 1000C, xuùc taùc H2 SO4 noàng ñoä 0,032%k.l


,

Phöông trình vaän toác (-rA)= k.CA2 vôùi k =17,4 ml/ mol.ph ρ = 0,75 g/ml = const

XAf = 50%

3.3. Thieát bò phaûn öùng daïng oáng lyù töôûng


79/181

ò p g ï g g y g

( )

( )→∆∆

=∆−−∆

=∆∆−−∆∆−−−∆−

0

00

AAA

AAAAAA

0V V,Chia0 VrXF hay

0 tV.rt)XX1(Ft)X1(F


∫ −=

−

=

Af X

0 A

A

A0

A0

AA

)r(

dX

F

V

F

)r(

dV

dX

Thí duï 3.4: Tính theå tích bình phaûn öùng oáng


80/181

4PH3(k) → P4(k) + 6H2(k)

(-rPH3) = (10 h-1) CPH3 Hoat ñon ôû nhiet ño 6500C aù suaát 4 6 atm


Xaf = 80% Nhaäp lieäu coù suaát löôïng 2 kmol/h phosphin

nguyeân chaát.

Thí duï 3.5: CH4 + 2S2 → CS2 + 2H2S


81/181

Bình phaûn öùng oáng coù V = 35,2ml

Thí nghieäm ôû 6000C, 1atm thu ñöôïc 0,10gCS2 trong 10 ph.


Suat löïông on ñònh cua S2 la 0,238 mol/h,meâtan laø 0,119 mol/h

a) Xaùc ñònh rCS2

b) Tìm k vôùi (-rA)=kpCH4.pS2 baèng 2 phöôngphaùp

Baøi taäp 3.5.


82/181

Cho phaûn öùng taïo thaønh etilen glycol nhö sau:CH2OH-CH2Cl + NaHCO3 (CH2OH)2 + NaCl + CO2 Phaûn öùng sô ñaúng k = 5,2 l/ mol.h ôû 820C Coù 2 doøng nguyeân lieäu coù saün nhö sau:

Dd 15% k.l bicarbonat sodium


Dd 30% k.l etilen clorhidrin trong nöôùc

Caâu hoûi cho baøi taäp 3.5


83/181

a) Tính theå tích bình phaûn öùng khuaáy troänhoaït ñoäng oån ñònh ñeå saûn xuaát 50kg/hetilen glycol vôùi doøng hoãn hôïp nhaäp lieäu ñaúng mol ñaït ñoä chuyeån hoùa 95%?

b Tính theå tích bình haûn öùn oán ñeå haûn


öùng ôû cuøng ñieàu kieän treân?c) Tính theå tích bình phaûn öùng khuaáy troänhoaït ñoäng giaùn ñoïan ñeå saûn xuaát 50kg/meû

etilen glycol vôùi hoãn hôïp nhaäp lieäu banñaàu ñaúng mol ñaït ñoä chuyeån hoùa 95%?

Baøi taäp 3.1. Phaûn öùng pha khí ñoàng theå A 3R xaûy ratheo baäc 2


84/181

Vôùi löu löôïng nhaäp lieäu laø 1.000 l/h A nguyeân chaát ôû 5atm vaø 3500C thieát bò phaûn öùng thí nghieäm laø oáng coùñöôøng kính 25mm, daøi 1.800mm cho ñoä chuyeån hoùa ñaït

60%. Thieát bò phaûn öùng duøng trong saûn xuaát ñeå phaûn öùng

ã à ø û


ï

25 atm vaø 3500

C ñaït ñoä chuyeån hoùa 80% a) Caàn söû duïng bao nhieâu oáng ñöôøng kính 25mm, daøi1.800mm

b) Caùc oáng naøy ñöôïc maéc song song hay noái tieáp?

Giaû söû laø oáng lyù töôûng, khoâng coù ñoä giaûm aùp, khí lyù töôûng


85/181

Chöông 4:

AÙp duïng phöông trình thieát keá

2/21/2016 Chuong 3 Ap dung phuong trinh

thiet ke

85

Coù theå söû duïng moät trong nhieàu daïng bình


86/181

phaûn öùng Thay ñoåi tyû leä noàng ñoä taùc chaát trong nhaäp

lieäu ban ñaàu Yeáu toá aûnh höôûng ñeán löïa choïn:

û ù


thiet ke

86

ï

Chi phí thieát bò vaø duïng cuï ñoTính oån ñònh khi hoïat ñoängTính linh ñoäng cuûa thieát bò khi thay ñoåi

ñieàu kieän hoïat ñoäng

Hai thoâng soá thieát keá aûnh höôûng ñeán


87/181

tính kinh teá cuûa quaù trình:

1) Theå tích thieát bò phaûn öùng2) Söï phaân phoái saûn phaåm chính


thiet ke

87

trong phaûn öùng ña hôïp

4.1. So saùnh kích thöôùc thieát bò phaûn öùng ñôn(1) Bình phaûn öùng khuaáy troän hoïat ñoäng oån


88/181

ñònh & Bình oáng

û á


thiet ke

88

ï ï

thieát keá Söû duïng giaûn ñoà ( hình 4.1)


89/181


thiet ke

89

4.1. So saùnh kích thöôùc thieát bò phaûn öùng ñôn


90/181

(2) Söï bieán ñoåi tæ leä noàng ñoä ban ñaàu cuûa 2 taùcchaát trong phaûn öùng baäc hai – Bình oáng, hình 4.2

1 C

C

MA0

B0

−

〉=


thiet ke

90

1M , )X(1

X Ck1

FVC

1M ,

)XM(1

ln

1)M(CkF

A

A

A01MA0

A01M

A

A

A01MA0

A01M

=−

=

=

≠

−−

=

=

=

=

≠

≠

τ


91/181


thiet ke

91

(2) Söï bieán ñoåi tæ leä noàng ñoä ban ñaàu cuûa 2


92/181

taùc chaát trong phaûn öùng baäc hai – Bình khuaáy lieân tuïc, hình 4.3

1M , X

VC

AA01M ≠−−

=

=≠τ


thiet ke

92

1M ,

)X(1

X

Ck

1

F

VC

2

A

A

A01MA0

A0

1M

AAA01MA0

=

−

=

=

=

=

≠

τ


93/181


thiet ke

93

Thí duï 4.1. Phaûn öùng A + B → saûn phaåm

A l A B


94/181

(-rA) = (500 l / mol.ph) CA. CB Bình oáng Vo = 0,1 lít; v = 0,05 l/ph CA0 = CB0 = 0,01 gmol/ lít

a) Xaùc ñònh XAf ?b) Cuøng naêng suaát vaø XAf , tìm Vk ?


thiet ke

94

c) Cuøng naêng suaát, tìm XAf

neáu coù Vk

= VoNeáu CB0 = 0,015 gmol/ lít, CA0 = 0,010 gmol/ lít

d) Vôùi cuøng v, tìm XAf cho bình oáng ?

e) Vôùi cuøng XAf ban ñaàu, tìm tyû leä gia taêng naêng suaát?f) Tìm v cho bình phaûn öùng coù Vk= 100lít, XAf =99%

Thí duï 4.2. Tìm ñieàu kieän toái öu A → R


95/181

100 gmol R/h ñöôïc saûn xuaát töø dd baõo hoøa

A (CA0 = 0,1 gmol/ l). r R = ( 0,2 h-1)CA


thiet ke

95

$ b = 10 ñ/h.l A khoâng phaûn öùng ñöôïc thaûi boû Tìm theå tích, suaát löôïng, ñoä chuyeån hoùa,

giaù thaønh cuûa R taïi ñieàu kieän toái öu ?

Thí duï 4.3. Tìm ñieàu kieän toái öu A → R


96/181

Giaû söû A khoâng phaûn öùng trong doøng saûnphaåm ñöôïc taùi cheá, hoøan löu vôùi chi phí laø ø


thiet ke

96

r = gmo oan u.

Tìm theå tích, suaát löôïng, ñoä chuyeån hoùa,giaù thaønh cuûa R taïi ñieàu kieän toái öu ?

Thí dụ 4.3: A chư a phản ứ ng đượ c hoøan lư u


97/181


thiet ke

97

4.2. Heä nhieàu bình phaûn öùng

4 2 1 Bình oáng maéc noái tieáp vaø/ hay song song


98/181

4.2.1. Bình ong mac noi tiep va/ hay song song

j bình phaûn öùng oáng

maéc noái tieáp coù toångtheå tích V seõ cho ñoä( )∫ −=AjX

0 A

A

A0 rdX

FV


thiet ke

98

chuyen hoùa bang ñoä

chuyeån hoùa trongmoät bình phaûn öùngcoù theå tích V

4.2. Heä nhieàu bình phaûn öùng

4 2 1 Bình oáng maéc noái tieáp vaø/ hay song song


99/181

4.2.1. Bình ong mac noi tiep va/ hay song song

Vôùi caùc bình phaûn öùng oáng maéc songsong, phaân phoái doøng nhaäp lieäu sao


thiet ke

99

c o t an p an ong ra trong monhaùnh laø gioáng nhau, töùc laø V/F hay τcho moãi nhaùnh laø gioáng nhau.

4.2. Heä nhieàu bình phaûn öùng 4.2.2. Bình khuaáy lieân tuïc baèng nhau maéc noái

tieáp


100/181

tiep(1) Phaûn öùng baäc moät (hình 4.7)

/ 1

A0

i 1 C

j j − ==

j

jk τ τ


thiet ke

100

A

A0

Aj

C

Clnk

1 =oτ

4.2. Heä nhieàu bình phaûn öùng 4.2.2. Bình khuaáy lieân tuïc baèng nhau maéc noái

tieáp


101/181

tiep(2) Phaûn öùng baäc moät (hình 4.8)

1

−−−


thiet ke

101

τ

τ

k C 1 C

C

...k2

A0

A

A0

iA0

j

Aj

+=

Thí duï 4.3. Bình khuaáy maéc noái tieáp Bình phaûn öùng khuaáy lieân tuc ñat ñoä chuyeån hoùa


102/181

Bình phan öng khuay lien tuïc ñaït ñoä chuyen hoa90% taùc chaát A → R theo phaûn öùng baäc 2

Döï ñònh thay bình naøy baèng 2 bình coù toång theå tích baèng bình tröôùc

a Cuøn X = 90% naên suùaât taên bao nhieâu?


thiet ke

102

b) Naêng suaát nhö cuõ X Af taêng bao nhieâu ? Maéc noái tieáp 2 bình, moãi bính coù theå tích baèng bình

tröôùc

c) Cuøng X Af = 90%, naêng suùaât taêng bao nhieâu? d) Naêng suaát nhö cuõ X Af taêng bao nhieâu ?


103/181

Moâ hình cho thaáy noàng ñoä cuûa caùc taùc chaát

cao hay thaáp cho quaù trình oån ñònh


104/181

cao hay thap cho qua trình on ñònh

2/21/2016 Chuong 3 Ap dung phuong trinhthiet ke

104

4.3. Thieát keá cho phaûn öùng ña hôïp4.3.1. Phaûn öùng noái tieáp

(1) Khaûo saùt ñònh tính sö phaân phoái saûn phaåm


105/181

(1) Khao sat ñònh tính söï phan phoi san pham


105


106/181


106


107/181


107


108/181

Chöông 5: Hieäu öùng nhieät ñoäTemperature Effect


109/181

Temperature Effect5.1. Khaùi nieäm

5.2. Bình khuaáy lyù töôûng hoaït ñoäng oån ñònh5.3. Bình khuaáy lyù töôûng hoaït ñoäng giaùn

2/21/2016 Chuong 5-Hieu ung nhiet do 109

ñoaïn

5.4. Bình oáng lyù töôûng hoaït ñoäng oån ñònh5.5. Khoaûng nhieät ñoä toái öu

5.1. Khaùi nieäm veà hieäu öùng nhieät

ñoä


110/181

ñoäPhaûn öùng khoâng thuaän nghòchThu nhieätPhaùt nhieät

û ù


Thu nhieätPhaùt nhieät

Vaän toác phaûn öùng theo ñoä chuyeån hoùa trong

bình phaûn öùng ñoan nhieät


111/181

bình phan öng ñoïan nhieät


Ñoä chuyeån hoùa – nhieät ñoä cho phaûn öùng thuaän nghòch

baäc 1 trong bình khuaáy hoïat ñoäng ñoïan nhieät


112/181

ä g y ï ä g ï ä


5.2. Bình khuaáy lyù töôûng hoaït ñoäng oån ñònh


113/181

Bình khuaáy lyù töôûng hoaït ñoäng oån ñònh neânnhieät ñoä khoâng ñoåi vaø do ñoù vaän toác phaûn öùng laøhaèng soá.

û


1) Toác ñoä phaûn öùng;2) Caân baèng vaät chaát (phöông trình thieát keá)3) Caân baèng naêng löôïng

Ñieàu kieän hoaït ñoäng oån ñònh cho bình khuaáylyù töôûng hoaït ñoäng oån ñònh-

Phả n ứ ng bậ c 1


114/181

(5.2) ek 1ek X E/RT0

E/RT

0Af

f

f

+= −

−

τ

τ


( ) (5.3) TT)H(F

Cm X

0f rA0

pt

Af

−∆−

=


115/181


5.3. Bình khuaáy lyù töôûng hoaït ñoäng giaùn ñoaïn

Phươ ng trình caân bằ ng nhiệ t l ượ ng vaø quaù trình ñoïan nhieät


116/181

(5.4) )TKS(T

dt

dX)NH(

dt

dTCm i0

AA0rPt −+∆−=


( ) (5.6) XXCm

NH

TT

(5.5) dXN)H(dTCm

A0APt

A0r

0

AA0rPt

−

∆−

=−

∆−=

5.4. Bình oáng lyù töôûng hoaït ñoäng oån ñònh Ñoïan nhieät


117/181

( ) (5.13) dX∆HFdTCm ArA0Pt −=


(5.14) )XX(Cm

F)H( TT A0A

Pt

A0r0 −

∆−=−

5.5. Khoaûng nhieät ñoä toái öu V, FA0, XAf

T ái ñ h ù ê át


118/181

Toái ña hoaù naêng suaát

Khoaûng nhieät ñoä toái öu coù theå:a) ñaúng nhieät


b) thay ñoi theo thôi gian

c) thay ñoåi theo chieàu daøid) töø bình khuaáy naøy sang bình khuaáy khaùc

Phaûn öùng khoâng thuaän nghòch / thu & phaùt

nhieätå


119/181

Ñoä chuyeån hoaù toái ña khoâng phuï thuoäc nhieät ñoä

Toác ñoä phaûn öùng taêng theo nhieät ñoäNaêng suaát toái ña ñaït ñöôïc taïi nhieät ñoä cao nhaát ù å


co e.

Nhieät ñoä bò giôùi haïn do vaät lieäu cheá taïo vaø phaûnöùng phuï neáu coù.

Phaûn öùng thuaän nghòch thu nhieät

Taêng nhieät ñoä laøm taêng ñoä ch eån hoaù caân


120/181

Tang nhieät ñoä lam tang ñoä chuyen hoa canbaèng vaø vaän toác

Söû duïng nhieät ñoä cao nhaát coù theå


Phaûn öùng thuaän nghòch phaùt nhieät

Taêng nhieät ñoä seõ taêng toác ñoä phaûn öùng


121/181

Tang nhieät ñoä se tang toc ñoä phan öngnhöng laøm giaûm ñoä chuyeån hoaù caân baèng,vaø ngöôïc laïi.

û ù ù


ï ï

giaûm daàn töø luùc baét ñaàu ñeán khi chaám döùt. Xaùc ñònh khoaûng nhieät ñoä toái öu (V, F A0 ,

X Af )

Vaän toác phaûn öùng laø haøm soá theo XA vaø T

cho phaûn öùng thuaän nghòch phaùt nhieät


122/181


Thí duï 5.4: Phaûn öùng thuaän nghòch baäc moät

A R) Töø 00C ñ á 1000C ù ñò h ñ ä h å h ù â b è X


123/181

a) Töø 00C ñeán 1000C xaùc ñònh ñoä chuyeån hoaù caân baèng XAetheo nhieät ñoä cho phaûn öùng treân. F0298K = - 1.744 cal/mol,

Hr,298K= - 18.000 cal/mol.b) Phaûn öùng thöïc hieän trong bình oáng t = 10 phuùt. Xaùc ñònh


ñoä chuyen hoaù neu thiet bò phan öùng hoaït ñoäng ñang nhieät

laàn löôït ôû 250

C, 650

C vaø nhieät ñoä toái öu.Thí nghieäm ñoäng hoïc trong bình giaùn ñoaïn:

X A = 0,793 sau 19 phuùt ôû 250C

X A

= 0,691 sau 8 phuùt ôû 350C

c) Laëp laïi caâu b vôùi bình khuaáy hoaït ñoäng oån ñònh

Thí duï 5.4: Phaûn öùng thuaän nghòch baäc moät

A Rd) Söû d kh û hi ät ñ ä t ái ö h bì h á ôùi


124/181

d) Sö duïng khoang nhieät ñoä toái öu cho bình oáng vôiCA0=1mol/lít, tính t ñeå ñaït XA = 0,76 vaø xaùc ñònh tyû leä

taêng naêng suaát so vôùi hoaït ñoäng ñaúng nhieät. Tmax =650C.


e) Sö duïng khoang nhieät ñoä toi öu cho heä hai b nh khuay

maéc noái tieáp, tính t ñeå ñaït XA = 0,60 vaø xaùc ñònh tyû leätaêng naêng suaát so vôùi hoaït ñoäng ñaúng nhieät vaø nhieät ñoä,ñoä chuyeån hoaù ñaït ñöôïc trong moãi bình.


125/181


Vaän toác phaûn öùng theo XA taïi nhöõng nhieätñoä khaùc nhau


126/181



127/181



128/181



129/181

Chöông 6: Doøng chaûy thöïc

Chương 6 - Dòng chảy thực 1292/21/2016

Nhữ ng sai lệch so vớ i moâ hình lyù tưở ng coù theå laø:

Doøng chaûy taét cuûa löu chaát Söï tuaàn hoøan cuûa löu chaát

C ù ø ø ñ hi á bò


130/181

Caùc vuøng tuø ñoïng trong thieát bò

Trong taát caû caùc loïai thieát bò thöïc hieän quaù trình

2/21/2016 Chương 6 - Dòng chảy thực 130

truyen nhieät, truyen khoi, kyõ thuaät phaûn öùng… neu

coù caùc hieän töôïng treân seõ laøm giaûm khaû naêng hoïat ñoäng (hieäu suaát) cuûa thieát bò.

Muïc ñích cuûa chöông naøy laø ñaùnh giaù ñònh löôïng

aûnh höôûng cuûa caùc sai soá treân leân ñoä chuyeån hoùa.

Nhöõng sai leäch so vôùi moâ hình lyù töôûng


131/181


1. KHAÙI NIEÄM VEÀ KHUAÁY TROÄN VAØ MOÂ HÌNH

3 phöông phaùp öôùc tính caùc sai soá so vôùi lyù töôûng:1) Xaùc ñònh sö phaân phoái thôøi gian löu thöc teá (thích


132/181

1) Xac ñònh söï phan phoi thôi gian löu thöïc te ( thích hôïp cho thieát bò phaûn öng daïng oáng, chaûy doøng vaø phaûn öùng baäc moät).

â â ù


ï ï cho thieát bò phaûn öùng coù cheá ñoä chaûy roái)

3) Moâ hình heä nhieàu bình khuaáy baèng nhau maéc noáitieáp

Moät moâ hình khaùc laø thieát bò phaûn öùng daïng oáng coùdoøng hoøan löu.

Thieát bò phaûn öùng daïng oáng coù doøng hoøan löu


133/181


2. SÖÏ PHAÂN BOÁ THÔØI GIAN LÖU CUÛA LÖUCHAÁT TRONG BÌNH

a) haøm phaân boá thôøi gian löu cuûa löu chaát ôû trong bình


134/181

1dI∫ =∞

θ


dI1dI1

10

∫∫ −=∞

θ

θ

θ θ

Haøm phaân boá thôøi gian löu cuûa löu chaát ôû trong

bình


135/181


b) haøm phaân boá thôøi gian löu trong bình cuûa löu chaát trong doøng ra


136/181

1dE∫ =∞

θ


dE1dE2

2 0

∫∫ −=∞

θ

θ

θ θ

3. CAÙC PHÖÔNG PHAÙP THÖÏC NGHIEÄMCaùc daïng tín hieäu kích thích (stimulation) – ñaùp öùng (response)

thöôøng söû duïng


137/181


4. SÖÛ DUÏNG CAÙC THOÂNG TIN PHAÂN PHOÁI THÔØI

GIAN LÖU1) Heä phi tuyeán khoâng coù moâ hình doøng chaûy2) Heä phi tuyeán vôùi moâ hình doøng chaûy


138/181

2) Heä phi tuyen vôi mo hình dong chay

3) Heä tuyeán tính vôùi moâ hình doøng chaûy: Moâ hình doøngchaûy ñöôïc söû duïng ñeå tieân ñoùan ñoä chuyeån hoùa cho heä á


Caû hai moâ hình cho tín hieäu ñaùp öùng gioáng nhau vaøtaùc ñoäng töông töï cho phaûn öùng baäc 1, nhöng coù taùc

ñoäng khaùc nhau vôùi phaûn öùng coù toác ñoä khoâng tuyeántính theo noàng ñoä


139/181


Thí duï 6.1: Baûng 6.1: Keát quaû ñaùp öùng cuûa tín hieäu xung

Thôøi gian t, phThôøi gian t, ph Noàng ñoä chaát chæ thò, g/lít Noàng ñoä chaát chæ thò, g/lít


140/181

00 00

55 33


1515 552020 442525 22

3030 113535 00

Ñöôøng bieåu dieãn E theo t ( traùi) vaø theo èèèè ( phaûi)


141/181


Thí duï 6.2


142/181


Moái quan heä giöõa D/uL vaø ñöôøng cong C voâ thöùnguyeân cho möùc ñoä phaân taùn nhoû, ph.tr (6.15)


143/181


Ñöôøng cong C trong bình kín cho caùc möùc ñoä khuaáy troän khaùcnhau theo moâ hình phaân taùn


144/181


Keát quaû thöïc nghieäm söï phaân taùn cuûa löu chaát cuûadoøng chaûy qua thaùp cheâm vôùi vaän toác trung bình

theo phöông truïc u


145/181


Ñaùnh giaù hoïat ñoäng cuûa bình phaûn öùng oáng baøng ñöôøng cong C:Moät soá daïng sai soá cuûa bình oáng: (a) khoâng sai leäch; (b) coù doøng

chaûy taét vaø vuøng tuø; (c) coù hieän töôïng tuaàn hoøan; (d) löu löôïng ño sai,

theå tích chaát loûng, tín hieäu khoâng thöïc sö laø trô; (e) hai doøng chaûy song song trong thieát bò


146/181


Ñaùnh giaù hoïat ñoäng cuûa bình phaûn öùng khuaáy troänbaøng ñöôøng cong C:

Moät soá daïng sai soá cuûa bình khuaáy


147/181


CÂN BẰNG HOÁ HỌCCÂN BẰNG HOÁ HỌCCÂN BẰNG HOÁ HỌCCÂN BẰNG HOÁ HỌC


148/181

CÂN BẰNG HOÁ HỌCCÂN BẰNG HOÁ HỌCCHƯƠNG 8CHƯƠNG 8CÂN BẰNG HOÁ HỌCCÂN BẰNG HOÁ HỌCCHƯƠNG 8CHƯƠNG 8

Copyright © 1999 by Harcourt Brace & Company

All rights reserved.

Requests for permission to make copies of any part

of the work should be mailed to: Permissions

Department, Harcourt Brace & Company, 6277

Sea Harbor Drive, Orlando, Florida

• Phản ứng thuận nghịch (phản ứng không hoàn toàn): ⇌

Ở ù đk ả đồ thời th h i hiề h

•Phản ứng một chiều (phản ứng hoàn toàn): = hay →

Ví dụ - KClO3 = KCl (r) + 3/2O2(k)


149/181

Ở cùng đk, pư xảy ra đồng thời theo hai chiều ngược nhau

Ví dụ - H2 (k) + I2 (k) ⇌⇌⇌⇌ 2HI (k)

Phản ứng đồng thể - pư trong thể tích 1 phaHCl(dd) + NaOH(dd) = NaCl (dd) + H2O(l)

Phản ứng dị thể - pư diễn ra trên bề mặt phân chia phaZn (r) + 2HCl (dd) = ZnCl2(dd) + H2(k)


150/181

( ) ( ) 2( ) 2( )

Phản ứng đơn giản - pư diễn ra qua 1 giai đoạn

(1 tác dụng cơ bản) Ví dụ: H2(k) + I2(k) = 2HI (k)

Phản ứng phức tạp – pư diễn ra qua nhiều giai đoạn

( nhiều tác dụng cơ bản)

Các giai đoạn : nối tiếp , song song, thuận nghịch…

Phân tử số - là số tiểu phân của chất phản ứngtương tác gây nên biến đổi hoá học trong 1 tác

dụng cơ bản.(nguyên dương, ≤ 3)Đối với pư đơn giản


151/181

PTS=1 → pư đơn phân tử I2 (k) = 2I(k)PTS=2 → ư lưỡn hân tử H k + I k = 2HI k

Định luật tác dụng khối lượng (M.Guldberg và P. Waage )

Ở nhiệt độ không đổi, pư đồng thể, đơn giản:

aA + bB = cC + dD

Tốc độ phản ứng : v = k.CaA.Cb

B

PTS=3 → pư tam phân tử 2NO (k) + O2(k) = 2NO

2(k)

Cân bằng hóa học

Phản ứng của hệ khí lý tưởng (pư đơn giản ):aA (k) + bB(k) ⇌⇌⇌⇌ cC(k) + dD(k)

τ 0 C0 C0 0 0 (mol/l )


152/181

τ = 0 C0A

C0B

0 0 (mol/l )

τ ↑ CA ↓ Cb ↓ Cc ↑ CD ↑

b

B

a

Att CCk v =

d

D

c

Cnn CCk v =

vt = vn

τ0

v

vt

vn

t = n A cb= B cb= c cb= D cb =∆G=0 (PA)cb=const (PB)cb=const (PC)cb=const (PD)cb =const

ττττcb

Nh n xét v tr ng thái cân b ng hoá h c

• Trạng thái cbhh là trạng thái cân bằng động.• Trạng thái cân bằng ứng với ∆Gpư= 0 . (A’=0)


153/181

• Dấu hiệu của trạng thái cân bằng hoá học:

Tính linh động

Tính hai chiều.

Examples ofExamples ofChemicalChemicalEquilibriaEquilibria


154/181

EquilibriaEquilibria

Sự

tạo thành th

ạch nh

ũ S

ự tạo thành th

ạch nh

ũ

CaCOCaCO33(r) + H(r) + H22O(l) + COO(l) + CO22(k)(k)

CaCa2+2+(dd) + 2 HCO(dd) + 2 HCO33--(dd)(dd)

Hằng số cân bằng cho phản ứng đồng thể

aA(k) + bB(k) ⇌ cC(k) + dD(k) (pư đơn giản )

( ) ( ) ( ) ( )b

d

Db

c

Cnb

b

Bb

a

At C.C.k C.C.k =

Hằng số cân bằng cho phản ứng đồng thể

Hệ khí lý tưởng


155/181

Khi trạng thái đạt cân bằng: vt = vn

( ) ( ) ( ) ( )cbDcbCncbBcbAt

C.C.C.C.

• K – hằng số ở nhiệt độ xác định: hằng số cân bằng.

( )cbb

B

a

A

DC

n

tC

CCk K ==

( ) (

( ) ( )

( ) ( ) ) ( ) ( )

( )badc

cbbB

aA

d

D

c

C

cbbB

aA

d

D

c

C

cbbB

aA

d

D

c

C

p RTCC

CC

RTCRTC

RTCRTC

pp

pp

K

−−+

===

( ) nC p RT K K ∆

=

Xác định KXác định KXác định KXác định K

2 NOCl(K)2 NOCl(K) 2 NO(k) + Cl2 NO(k) + Cl22(k)(k)[NOCl][NOCl] [NO] [Cl[NO] [Cl22]]


156/181

Ban đầuBan đầu 2.002.00 00 00Phản ứnPhản ứn +0.33+0.33--Cân bằngCân bằng

K ====[NO]2[Cl2]

[NOCl]2

K ====[NO]2[Cl2 ]

[NOCl]2 =

(0.66)2(0.33)

(1.34)2 = 0.080

1.341.34 0.660.66 0.330.33

Hằng số cân bằng cho phản ứng đồng thể(Dung dịch lỏng , loãng)

aA(dd) + bB(dd) ⇌ cC(dd) + dD(dd)


157/181

aA(dd) + bB(dd) ⇌ cC(dd) + dD(dd)

d

D

c

CCCcbb

B

a

A

CCC

Phản ứng dị pha

CaCO3(r) ⇌ CaO(r) + CO2(k)


158/181

( )cb

COCaO

p2

ppK =′ ( )

cbCO

CaCO3 pp

KK =′=

RTKK cP =

CaCO 3 CaOp

cbCOc 2CK =

Trong biểu thức của hằng số cân bằng K không xuấthiện các thành phần sau: chất rắn nguyên chất, chấtlỏng nguyên chất, dung môi.

Mg(OH)2(r) ⇌⇌⇌⇌ Mg2+(dd) + 2OH-(dd)K = [Mg2+]cb .[OH-]2cb = T Mg(OH)2 - Tích số tan

CH3COOH(dd) + H2O ⇌⇌⇌⇌ CH3COO- (dd) + H3O+

[ ][ ]COOCHOH 33 −+


159/181

[ ][ ][ ]COOHCHK 3

33

a = Hằng số điện ly của axit

NH4OH (dd) = NH4+ (dd) + OH-(dd)

[ ][ ][ ]OHNH

OHNHK4

4b

−+= Hằng số điện ly của baze

CH3COO- (dd) + 2H2O ⇌ CH3COOH (dd) + OH- (dd)

[ ][ ]−

−

=COOCH

OHCOOHCHK

3

3t Hằng số thuỷ phân

CH3COONa (dd) + 2H2O ⇌ CH3COOH (dd) + NaOH(dd)

NHẬN XÉT về Kp và Kc Là hằng số ở nhiệt độ nhất định, chỉ phụ thuộc vào

bản chất pư và nhiệt độ, chứ không phụ thuộc vàonồng độ hoặc áp suất riêng phần của chất pư


160/181

Phụ thuộc vào cách thiết lập các hệ số trong ptpư.

Hằng số cân bằng Kp ,Kc không có thứ nguyên.

Hằng số cân bằng không phụ thuộc vào chất xúc tác

Hằng số cân bằng có giá trị càng lớn thì hiệu suất pư càng cao.

Viết biểu thức hằng số cân bằngViết biểu thức hằng số cân bằngViết biểu thức hằng số cân bằngViết biểu thức hằng số cân bằng

S(r) + OS(r) + O22(k)(k) SOSO22(k)(k)


161/181

== [SO 2 ] [O

2]

NHNH33(dd) + H(dd) + H22O(l) NHO(l) NH44++(dd) + OH(dd) + OH--(dd)(dd)


162/181

+ -

K ==== [NH3]

S(r) + OS(r) + O22(k) SO(k) SO22(k)(k) KK11 = [SO= [SO22] / [O] / [O22]]SOSO22(k) +1/2 O(k) +1/2 O22(k)(k) SOSO33(k)(k)KK22 = [SO= [SO33] / [SO] / [SO22][O][O22]]1/21/2


163/181

S(r) + 3/2 OS(r) + 3/2 O22(k)(k) SOSO33(k)(k) K = ????K = ????

Knet ==== [SO3][O2 ]

3/2 = K1 • K2

Thay đổi hệ số tỉ lượngThay đổi hệ số tỉ lượngThay đổi hệ số tỉ lượngThay đổi hệ số tỉ lượng

S(r) + 3/2 OS(r) + 3/2 O22(k)(k) SOSO33(k)(k)K ====

[SO3 ]3/2


164/181

( )( ) 22( )( ) 33( )( )[O2 ]

2 S(r) + 3 O2 S(r) + 3 O22(k)(k) 2 SO2 SO33(k)(k) Knew ==== [SO3 ]

2

[O2 ]3

Knew ==== [SO3 ]

2

[O2 ]

3 = (Kold)

2

Đổi chiều phản ứngĐổi chiều phản ứngĐổi chiều phản ứngĐổi chiều phản ứng

S(r) + OS(r) + O22(k)(k) SOSO22(k)(k)K ====

[SO2 ]


165/181

[O2 ]

SOSO22(k)(k) S(r) + OS(r) + O22(k)(k) Knew ==== [SO2

]

Kthuận = 1/Knghịch

Quan hệ giữa hằng số cân bằng và ∆∆∆∆GPHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ

Khí lý tưởng

aA + bB ⇌ cC + dD

c

c

P

PP

0

Tb

B

a

A

d

D

c

C0

TTK

QlnRT

K

QlnRTQlnRTG

pp

pplnRTGG ==+∆=

+∆=∆

τ


166/181

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: ∆GT = 0d

D

c

C p p0 p

cb

b

B

a

A

T p p

−=

−=

Dungdịchlỏng,loãng cc

c0Tb

B

a

A

d

D

c

C0TT

KQlnRTQlnRTG

CCCClnRTGG =+∆=

+∆=∆

τ

Khi phản ứng đạt trạng thái cân bằng: ∆GT = 0

C

cb

b

B

a

A

d DcC

T K RT C C

C C RT G lnln0 −=

−=∆

⇒ Kp = f(bc pư, T) Kp ≠ f(C)

Quan hệ giữa hằng số cân bằng và ∆∆∆∆GPhản ứng dị pha : aA + bB ⇌ cC + dD

QlnRTQlnRTGG

0

TT =+∆=∆


167/181

Kdc dc

[ ] [ ] τ

=ba

BA

Q

[ ] [ ] cbbacb

BA

QK

==

Chất khí [] → P (atm)

Dung dịch loãng [] → C (mol/l)

Rắn nc, lỏng nc, dung môi (H2O) → 1

K

QlnRTGT =∆

• Nếu Q < K → ∆G < 0 → phản ứng xảy ra theo chiều thuận

• Nếu Q > K → ∆G > 0 → phản ứng xảy ra theo chiều nghịch


168/181

• Nếu Q = K → ∆G = 0 → hệ đạt trạng thái cân bằng

: n ng s c n ng c a p n ng:

2 NO2(k) ↔

N2O4(k)ở 298K khi biết

Giải:

K J vàkJ H pu / 6,176S040,580

298pu

0

298 −=∆−=∆

-5412.3J176,629858040- =×+=∆−∆=∆ 02980

298

0

298 S T H G

185,2298314,8

3,5412ln

0

=×

=∆

−= RT

GK p 9,82

2

42 == NO

O N

p p

pK

Quan h ệ c ủa K p v ớ i nhi ệt độ và nhi ệt ph ản ứ ng oooS T H G ∆−∆=∆

po K RT G ln−=∆

∆+

∆−=

00

1ln R

S

RT

H K


169/181

∆+

∆−=

00S H

1

−∆=

21

0

1

2 11lnT T R

H

K

K

2 R RT

Ví dụNO(k) + ½ O2(k) ⇌ NO2(k) Tính Kp ở 3250C?

• Biết: ∆H0 = -56,484kJ và Kp = 1,3.106 ở 250C

11ln

0

598

−∆

= H K


170/181

598298298 T T RK

02.14325 =K

64.2ln 325 =K

437,11

598

1

298

1

314,8

56484

10.3,1

ln6

598 −=

−−=K

Nguyên lý chuyển dịch cân bằng Le Chatelier

Phát bi ểu: M ột h ệ đ ang ở

tr ạng thái cân b ằng mà ta

ổ


171/181

thay đổi m ột trong các thông

s tr ạng t c a n ng

độ, nhi ệt độ, áp su ất) thì cânb ằng s ẽ d ị ch chuy ển theo

chi ều có tác d ụng ch ống l ại

s ự thay đổi đ ó.Henri LeChâtelier (1850-1936)Henri LeChâtelier (1850-1936)

∆n =0 áp suất chung không ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng.

N2(k) + 3H2(k) ⇌ 2NH3(k) ; ∆H


172/181

[NH3] ↓ cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

P ↑ cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

T ↓ cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

Chuyển dịch cân bằngChuyển dịch cân bằngChuyển dịch cân bằngChuyển dịch cân bằng

Co(HCo(H22O)O)66 2+2+ + 4Cl+ 4Cl-- ⇌⇌⇌⇌ CoClCoCl4422-- + 6 H+ 6 H22OO ∆∆∆∆∆∆∆∆HHpư pư >0>0


173/181

Làm lạnh

Đun nóng


174/181

ma : l ng không khí khô sử d ng trong 1 giờ (kg không khí khô/giờ)

Cân bẳng vật chất quá trình sấy

Sấy

ma Ta1 wa1

mp Tp1 wp1Vật liệu Vật liệu

Không khíma Ta2 wa2

mp Tp2 wp2

Không khí


175/181

ma : lượ ng không khí khô sử dụng trong 1 giờ (kg không khí khô/giờ )mp : khối lượ ng chất khô nguyên liệu đượ c sấy/giờ wa2: m uy ng v o g 2 g ng

wa1: độ ẩm tuyệt đối không khí ra (kg H2O/kg không khí khô)

wp1: độ ẩm nguyên liệu vào theo% khối lượ ng khô kg (H2O/kg chất khô)wp2: độ ẩm nguyên liệu ra theo% khối lượ ng khô (kg H2O/kg chất khô)Cân bằng vật chất đối vớ i H2O hệ thống đườ ng biên giớ i hạnmpwp1 + mawa2 = mpwp2 + mawa1

⇒ ma(wa2 – wa1) = mp(wp2-wp1)

Thí dụMột thiết bị sấy liên tục đượ c sử dụng để sấy thực phẩm có độ ẩm banđẩu là 80% (theo % khối lượ ng ướ t). Tác nhân sấy là không khí nóng

có độ ẩm tuyệt đối là 0,0094 kg H2O/kg không khí khô. Sau khi sấy,sản phẩm ra khỏi máy sấy có độ ẩm là 20% (theo % khối lượ ng ướ t),không khí ra khỏi máy sấy có độ ẩm tuyệt đối là 0,0186 kg H2O/kgkhông khí khô Tính khối lượ ng sản phẩm đượ c sấy (tính theo kg chất

khô/giờ) và tính l ng n ớc thoát ra so với 1kg chất khô (kg H2O/kg


176/181

khô/giờ ) và tính lượ ng nướ c thoát ra so vớ i 1kg chất khô (kg H2O/kgchất khô.giờ ). Cho biết lượ ng không khí sử dụng là 1000 kg không khí g . ơ q a r n s y c r n y eo n v n ư sau :

Sấyma Ta1 wa1


Không khí ma Ta2 wa2

mp Tp2 wp2

Không khí

Phươ ng trình cân bằng vật chất đối vớ i nướ c trong quá trình sấymawa1+ mpwp1 = mawa2+ mpwp2 ⇒ ma(wa2-wa1) = mp(wp1 - wp2)⇒ mp= [ma(wa2-wa1)]/ (wp1 - wp2)

ma =1000kg không khí khô/giờ là lượ ng không khí khô sử dụngtrong 1 giờ mp = khối lượ ng chất khô/giờ nguyên liệu đượ c sấywa1 = 0,0094kg H2O/kg không khí khô là độ ẩm tuyệt đối không

khí vào


177/181

khí vàowa2 = 0,0186 kg H2O/kg không khí khô là độ ẩm tuyệt đối khôngkhí ra

wp1 = 0,8/(1-0,8) = 4 kg H2O/kg chất khô là độ ẩm nguyên liệu

vào (theo% khối lượ ng khô)wp2 = 0,2/(1-0,2) = 0,25 kg H2O/kg chất khô là độ ẩm nguyên liệura (theo% khối lượ ng khô)⇒ Khối lượ ng chất khô/giờ nguyên liệu đượ c sấy

mp = 1000*(0.0186-0.0092)/(4-0,25) = 2,4533 kg chất khô/giờ Khối lượ ng nướ c tách ra so vớ i 1kg chất khô4 - 0,25 = 3,75 kg H2O/kg chất khô.giờ

Cân bẳng năng lượ ng

Sấyma Ta1 wa1


Không khíma Ta2 wa2

mp Tp2 wp2

Không khí

Phươ ng trình cân bằng năng lượ ng : mpHp1 + maHa2 = mpHp2 + maHa1 + q

Hp1 Hp2 nhiệt do vật liệu sấy mang vào và mang ra hệ thống (kJ/kg chất khô)


178/181

Hp1 Hp2 nhiệt do vật liệu sấy mang vào và mang ra hệ thống (kJ/kg chất khô)Ha1 Ha2 nhiệt do không khí mang vào và mang ra hệ thống (kJ/kg kkhí khô)

q nhiệt tổn thất trong hệ thống

Ha = Cs(Ta – T0) +waHLCs nhiệt dung riêng của không khí ẩm (kJ/kgkkhí khô

0K) = 1,005 + 1,88wa

Ta nhiệt độ không khí (0C)

T0 nhiệt độ qui ướ c (00C)

wa độ ẩm tuyệt đối không khí (kgH2O/kgkkhí khô)

HL ẩn nhiệt bốc hơ i của nướ c (kJ/kgH2O)

Hp = Cpp(Tp – T0) + wpCpw(Tp – T0)

Cpp nhiệt dung riêng của vật liệu (kJ/kg0C)

TP nhiệt độ của vật liệu (00

C)T0 nhiệt độ qui ướ c (0

0C)

Cpw nhiệt dung riêng của H2O (kJ/kg0C)

Thí dụ :

ẩ ẩ ố


179/181

Một loại thực phẩm có độ ẩm là 75% (theo % khối lượ ng ướ t), nhiệt độ

khối lượ ng ướ t). Không khí nóng sử dụng để sấy có nhiệt độ là 1200Ccó độ ẩm tuyệt đối là 0,009 kg H

2

O/kg không khí khô. Sau khi sấykhông khí sấy có nhiệt độ là 480C trong khi nhiệt độ của sản phẩm saukhi sấy là 390C. Tính lượ ng không khí cần thiết để sấy một lượ ng vậtliệu là 40 kg chất khô/giờ . Cho biết ẩn nhiệt bốc hơ i của nướ c ở 480C là2387,56 kJ/kg H2O và ở 120

0C là 2202,59 kJ/ kg H2O, nhiệt dung riêng

của vật liệu sấy là 2 KJ/Kg0C và nhiệt dung riêng của nướ c là 4,180 KJ/ Kg0C. Mất mát nhiệt trong quá trình xem như không đáng k ể (q=0). Sơ đồ qúa trình sấy có thể trình bày theo hình vẽ như sau

Sấyma Ta1 wa1


Không khí ma Ta2 wa2

mp Tp2 wp2

Không khí

Phươ ng trình cân bằng vật chất đối vớ i nướ c :mawa1+mpwp1=mawa2+mpwp2 (1) ⇒ 0,009ma + 3*40 = mawa2 + 0.19*40

⇒ 120-7 6 = m *(w 2 – 0 009) ⇒ m *w 2 0 009 m = 112 4 (1)


180/181

⇒ 120 7,6 = ma (wa2 0,009) ⇒ ma*wa2 – 0,009 ma = 112,4 (1)Phươ n trình cân bằn năn lư n : m H + m H = m H + m H 2ma là khối lượ ng không khí khô cần thiếtmp = 40kg chất khô/giờ là khối lượ ng vật liệu đượ c sấywa1 = 0,009 kgH2O/kg không khí khô là độ ẩm tuyệt đối của không khí vàowa2 là độ ẩm tuyệt đối của không khí rawp1=0,75/(1-0,75)=3kgH2O/kg chất khô là độ ẩm tuyệt đối của vật liệu vàowp2=0,16/(1-0,16)=0,19kgH2O/kg chất khô : độ ẩm tuyệt đối của vật liệu ra

Ha1 là nhiệt hàm của không khí vào Ha1=(1,005+1,88wa1)(Ta1-0) + wa1HL1Ha1 = (1,005+1,88*0.009)(120) + 0.009*2202,59=142,45 kj/kg kkhí khô

Ha2 là nhiệt hàm của không khí ra Ha2=(1,005+1,88wa2)(Ta2-0) + wa2*HL2Ha2 = (1,005+1,88wa2)(48) + wa22387,56 = 2477.8 wa2 + 48,24

Hp1 là nhiệt hàm của sản phẩm vào Hp1 = Cps(Tp1-0) + wp1Cpw( Tp1-0)Hp1 = 2*24 + 3*4.18*24 = 348.96 kj/kg chất khôHp2 là nhiệt hàm của sản phẩm r a Hp2 = Cps(Tp2-0) + Wp2*Cpw( Tp2-0)Hp2 = 2*39 + 0,19*4,18*39 = 108,9738 kj/kg chất khô

⇒ Phương trình cân bằng năng lượng :


181/181

⇒ Phươ ng trình cân bằng năng lượ ng :ma142,45 + 40*348.96 = ma(2477,8 wa2 + 48,24)+ 40*108,9738, ma + , = ma , wa2 + , + ,

13958,4 - 4358,952 = 2477,8 mawa2 + 48,24 ma - 142,45ma

2477,8 mawa2 - 94,21 ma = 9599.448 (2)Giải hệ thống phươ ng trình (1) và (2)mawa2 – 0,009 ma = 112.4 (1)2477,8 mawa2 - 94,21 ma = 9599.448 (2)

⇒ Khối lượ ng không khí khô cần thiết là ma = 3739,48 kg không khí khô/giờ

Documents

Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Vũ Bá Minh