Chuong 1 mo dau

Chương 2: Xử lý dữ kiện động học Interpretation of Chemical Kinetics Data Chương 3: Phương trình thiết kế Design Equation Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế Application of Design E

8/24/2017 1

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Chemical Reaction Engineering

8/24/2017 2

Tài liệu tham khảo

1) Vũ Bá Minh, “Quá trình & TB trong công

nghệ hóa học- tập 4” , Nxb Đại học QG

TP.HCM

2) Octave Levenpiels; “Chemical Reaction

Engineering”, John Wiley&sons, 1999

3) H Scot Foggler, “Elements of Chemical

Reaction Engineering”,International

students edition, 1989

3

Tài liệu đọc thêm

1) 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 3”,Elsevier, 1979.

4) Richard M Felder, “Elementary Principles of

Chemical Processes”, John Wiley & sons, 2000.

8/24/2017 4

(Homogeneous chemical reaction eng.)

 Kỹ thuật phản ứng dị thể

(Heterogeneous chemical reaction eng.)

Kỹ thuật phản ứng đồng thể

Chương 1: Khái niệm mở đầu

(Introduction to Chem Reaction Eng.)

Chương 2: Xử lý dữ kiện động học

(Interpretation of Chemical Kinetics Data)

Chương 3: Phương trình thiết kế

(Design Equation)

Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế

(Application of Design Equation)

Chương 5: Hiệu ứng nhiệt độ.

THUẬN NGHÒCH

KHÔNG THUẬN NGHỊCH

TRUYEÀN KHOÁI CÔ, NHIEÄT

CAÂN BAÈNG PHA

8/24/2017 7

Chương 1: Khái niệm mở đầu

Thiết kế thiết bị phản ứng (T.B.P.Ư)

không có khuôn mẫu,

có thể có nhiều bản thiết kế,

bản thiết kế tối ưu về kinh tế

Liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau:

8/24/2017 8

Các quá trình trong qui trình sản xuất công nghiệp

8/24/2017 Chương 1.

Sản xuất phân urê

Sản xuất phân urê

Sản xuất acid nitric

Alkylation processes using hydrofluoric acid

Fuel cell

Chemical Plant for Ethylene Glycol

Glutamate export by YggB (NCgl1221) in bacterial cells

Sano C Am J Clin Nutr 2009;90:728S-732S

Sản xuất acid Lactic

Sản xuất baker’s yeast

 gas like viscosity & diffusivity 0

20 40 60 80 100

Boiling

Point

Dense Gas (Superheated SCW)

Câu hỏi 2: liên quan đến các quá trình vận

tốc như: động hóa học, truyền nhiệt,

truyền khối…

8/24/2017 25

1.1 Động hóa học (Chemical Kinetics)

Nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học và

cơ chế phản ứng

1 Phản ứng đơn và phản ứng đa hợp

(single &multiple reaction)

Phản ứng đơn là phản ứng chỉ cần một phương trình lượng hóa học và một phương trình vận tốc

để biểu diễn quá trình phản ứng

Phản ứng đa hợp là phản ứng phải cần hơn một phương trình lượng hóa học và phương trình vận tốc để biểu diễn quá trình phản ứng

8/24/2017 26

1.1 Động hóa học (Chemical Kinetics)

2 Phản ứng sơ đẳng & không sơ đẳng

(elementary & non elementary reaction)

Phản ứng sơ đẳng là phản ứng xảy ra trong một giai đoạn theo thuyết va chạm và phương trình

vận tốc được suy ra từ phương trình lượng hóa

học

Khi không có sự liên hệ giữa phương trình lượng hóa học và phương trình vận tốc ta gọi là phản

ứng không sơ đẳng

8/24/2017 27

1.1 Động hĩa học (Chemical Kinetics)

3 Cân bằng cho phản ứng thuận nghịch sơ đẳng

( Chemical Equilibrium)

Xết phẫn ûáng thuêån nghõch sú àùèng:

A + B  R + S K K c , Vêån tưëc phẫn ûáng thuêån: ( )  rR th k C C 1 A B

.

R S 1

C

2 A B cên bùnçg

C C k

8/24/2017 28

1.1 Động hĩa học (Chemical Kinetics)

4 Bậc phản ứng (Reaction Order)

với a, b, d khơng nhất thiết là các hệ số của phương trình lượng hĩa học Như vậy phản ứng là:

8/24/2017 29

1.1 Động hóa học (Chemical Kinetics)

(Temperature dependency)

Theo định luật Arrhénius, phương trình vận tốc phản ứng:

với k là hằng số vận tốc phản ứng được biểu diễn theo định luật Arrhénius:

với ko được gọi là thừa số tần số ,

E là năng lượng kích động của phản ứng

30

1.2 Nhiệt động lực học

(Chemical thermodynamics)

1 Nhiệt phản ứng (Heat of reaction)

2 Cân bằng hóa học

(Chemical Equilibrium)

Nhiệt động lực học cho ta biết hai điều cần thiết cho việc thiết kế

Nhiệt phĩng thích/ hấp thu trong quá trình phản ứng

Mức độ phản ứng tối đa cĩ thể đạt được nếu là phản ứng thuận nghịch

8/24/2017 31

1 Nhiệt phản ứng

)T(T

)C(N)

T(T

)C(NH

H

)C(N

)

C(NC

dTC

H

H

0 tc

p i 0

p i T

r, T

r,

p i p

i p

T

T

p 0

T r, T

r,

i i

0

i i

0

0

r, T 2

0

r, T

0 r,T T

8/24/2017 33

1.3 Phân loại phản ứng

Đồng

thể

Không xúc tác Có xúc tác

Phản ứng pha khí Phản ứng pha lỏng

lửa

Phản ứng ở thể keo

Phản ứng cháy của than Nung quặng

Axit + chất rắn Hấp thu + phản ứng

Tổng hợp ammoniac Oxit hóa ammoniac HNO3

Phản ứng cracking, reforming

Tổng hợp metanol

34

1.4 Định nghĩa vận tốc phản ứng

 Dựa trên một đơn vị thể

tích hỗn hợp phản ứng

 Dựa trên một đơn vị thể

tích bình phản ứng

 Dựa trên một đơn vị diện

tích bề mặt tiếp xúc pha

khối lượng chất xúc tác

h m mol/

, dt

dN V

1

h.mol/m

,dt

dNV

8/24/2017 35

Thí dụ 1.1

Một động cơ hỏa tiễn đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu gồm H2 và O2 lỏng Buồng đốt hình trụ có đường kính là 60cm, chiều dài 75cm và quá trình đốt

sinh ra sản phẩm cháy 108 kg/s Nếu quá trình cháy hòan tòan, tìm vận tốc phản ứng của

hydrogen và oxygen

O H

O 2

1

H2  2  2

8/24/2017 36

Thí duï 1.2

Một người nặng 75 kg tiêu thụ khỏang 6.000 kJ

thực phẩm mỗi ngày Giả sử tất cả thực phẩm là glucose và phản ứng tổng quát như sau

 Diện tích bề mặt riêng : a = 200m2/m3 tầng chêm

 Khối lượng riêng xốp: ρB = 2.908 kg/m3 (bulk density)

 Độ rỗng tầng chêm ε = 0,40

 Xác định đơn vị các đại lượng và các dạng phương trình vận tốc khác ?

h kg mol/

C 0,1

dt

dN W

1 - )

dt

dN W

1 - ) (-rA''  A  A

a) Đơn vị của C A là (mol A)/ thể tích rỗng

b) Dựa trên đơn vị thể tích bình phản ứng

Khối lượng chất xúc tác cho mỗi đơn vị thể tích bình phản ứng là

the

, C

ran)(h) chat

(kg

rong tich

the 0,1

) (2,908kg/l )

binh (

rong tich

the 2908

40

)

( dt

dN 1

rong)(h) tich

the (

A mol

dt

dN V

1 - )

d) Dựa trên đơn vị diện tích bề mặt xúc tác

c) Dựa trên đơn vị thể tích lưu chất

Độ rỗng là V/Vb = 0,4 l thể tích rỗng / l thể tích bình

molA/ the ,

)(

727 , 0 ( h1 C A



)

( dt

dN 1

mat)(h) be

(

A mol

dt

dN S

1 - )

the molA/

,

)(

mat)(h) be

(m

rong tich

the m

10 45 , 1

8/24/2017 41

1.5 Phân lọai thiết bị phản ứng

1) Phương pháp vận hành /hoạt động (Mode of Operation)

 Gián đoạn (batch/ unsteady state)

 Liên tục (continuous / steady state)

 Bán liên tục (semi continuous)

2) Hình dạng thiết bị phản ứng

 Khuấy trộn lý tưởng (Ideal Mixing)

 Ống/ Đẩy lý tưởng (Ideal Plug Flow)

3) Số pha của hỗn hợp phản ứng

 Đồng thể

 Dị thể

Các dạng bình phản ứng khuấy trộn

8/24/2017 Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

42

8/24/2017 43

Bình phản ứng khuấy trộn

Thiết bị phản ứng dạng ống lý tưởng

8/24/2017 Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

44

8/24/2017 45

Bình ống

8/24/2017 46

Kết hợp giữa hình dạng và phương pháp vận hành sẽ có bao nhiêu dạng thiết bị phản ứng

?