Chuong 4 ap dung phuong trinh thiet ke

 Có thể sử dụng một trong nhiều dạng bình phản ứng Thay đổi tỷ lệ nồng độ tác chất trong nhập liệu ban đầu  Yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn:  Lọai phản ứng  Chi phí thiết bị và dụng c

Chương 4:

Áp dụng phương trình thiết kế

 Có thể sử dụng một trong nhiều dạng bình phản ứng

 Thay đổi tỷ lệ nồng độ tác chất trong nhập liệu ban đầu

 Yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn:

 Lọai phản ứng

 Chi phí thiết bị và dụng cụ đo

 Tính ổn định khi họat động

 Tính linh động của thiết bị khi thay đổi điều kiện họat động

Hai thông số thiết kế ảnh hưởng đến tính kinh tế của quá trình:

1 Thể tích thiết bị phản ứng

2 Sự phân phối sản phẩm chính trong

phản ứng đa hợp

4.1 So sánh kích thước thiết bị phản ứng đơn (1) Bình phản ứng khuấy trộn họat động ổn định & Bình ống

 Sử dụng trực tiếp phương trình thiết kế

 Sử dụng giản đồ (hình 4.1)

Hình 4.4 Biểu diễn sự so sánh hoạt động của hai loại thiết bị phản ứng

A 0

ö ö

X F

4.1 So sánh kích thước thiết bị phản ứng đơn

(2) Sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của 2 tác chất trong phản ứng bậc hai – Bình ống, hình 4.2

1 M

,

) X (1

X C

k

1 F

V C

1 M

,

) X M(1

X

M ln

1) M

( C

k

1 F

V C

1

C

C

M A0

A0 1

M

A

A

A0 1

M A0

A0 1

M

A0 B0

(2) Sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của 2 tác

chất trong phản ứng bậc hai – Bình khuấy liên tục,

hình 4.3

1 M

,

) X M

( ) X 1

( C

k

X F

V C

A A

A0

A

1 M A0

A0 1

,

) X (1

X C

k

1 F

V

C

2 A

A

A0 1

M A0

A0 1

Thí dụ 4.1 Phản ứng A + B → sản phẩm

Phản ứng pha lỏng sản phẩm với phương trình vận tốc

là (-rA) = (500 l/ mol.ph) CA CB

 Bình ống Vo = 0,1 lít; v = 0,05 l/ph

 CA0 = CB0 = 0,01 gmol/ lít

a) Xác định XAf ?

b) Cùng năng suất và XAf , tìm Vk ?

c) Cùng năng suất, tìm XAf nếu có Vk = Vo

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

d) Với cùng v, tìm XAf cho bình ống ?

e) Với cùng XAf ban đầu, tìm tỷ lệ gia tăng năng suất? f) Tìm v cho bình phản ứng có Vk= 100lít, XAf=99%

CA0 = CB0 = 0,01 gmol/ lít

b) Cùng năng suất và XAf , tìm Vk ?

Thể tích bình khuấy trộn hoạt động ở cùng điều kiện

Với cùng điều kiện , tung độ (H.4.1) cho ta tỉ số thể tích của hai bình Vk/Vố

X  X  0 91

k ư

c) Cùng năng suất, tìm XAf nếu có Vk = Vo

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

d) Với cùng v, tìm XAf cho bình ống ?

Độ chuyển hĩa trong thiết bị phản ứng dạng ống cĩ M = 1,5 Với cùng

v, V, CAo, nhĩm số kτCAo giữ khơng đổi cho cả hai dịng nhập liệu

,

A

X  0 994

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

e) Với cùng XAf ban đầu, tìm tỷ lệ gia tăng năng suất?

(trong thiết bị phản ứng dạng ống )

Lưu lượng nhập liệu khi M = 1,5 : với XA=0,91 → 1-XA=0,09

Giao điểm đường M = 1,5 và (1-XA=0,09) cho tung độ:

Nhưng CAo và V là giống nhau trong

cả hai trường hợp do đĩ lưu lượng dịng nhập liệu mới là:

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

f) Tìm v cho bình phản ứng khuấy trộn có Vk= 100lít, XAf=99%

, A

Thí dụ 4.2 Tìm điều kiện tối ưu A → R

100 gmol R/h được sản xuất từ dd bão hòa A (CA0 =

0,1 gmol/ l)

rR = (0,2 h-1)CA

$A = 500 đ/mol A

$ b = 10 đ/h.l

A không phản ứng được thải bỏ

 Tìm thể tích, suất lượng, độ chuyển hóa, giá thành của R tại điều kiện tối ưu ?

Thí duï 4.2 Tìm ñieàu kieän toái öu A → R

$T= (thể tích bình phản ứng) (chi phí /h thể tích bình) + (suất lượng tác chất) (giá đơn vị của tác chất).

A A

F X V

Thí duï 4.2 Tìm ñieàu kieän toái öu A → R

Như vậy điều kiện hoạt động tối ưu là:

Thí dụ 4.3 Tìm điều kiện tối ưu A → R

Giả sử A không phản ứng trong dòng sản phẩm được tái chế, hòan lưu với chi phí là $r = 125 đ/gmol A hòan lưu.

Tìm thể tích, suất lượng, độ chuyển hóa, giá thành của R tại điều kiện tối ưu ?

A chưa phản ứng được hòan lưu

Lời giải là tìm điều kiện tối ưu giữa bình phản ứng nhỏ và chi phí hồn lưu cao với bình phản ứng lớn cĩ chi phí hồn lưu thấp

Với suất lượng A vào bình phản ứng FAi

i 0

F X V

1-X 50000

Thí duï 4.3 Tìm ñieàu kieän toái öu A → R

Như vậy điều kiện hoạt động tối ưu là:

4.2 Hệ nhiều bình phản ứng

4.2.1 Bình ống mắc nối tiếp và/ hay song song

F

4.2 Hệ nhiều bình phản ứng

4.2.1 Bình ống mắc nối tiếp và/ hay song song

 Với các bình phản ứng ống mắc song song, phân phối dòng nhập liệu sao cho thành phần dòng ra trong mỗi

nhánh là giống nhau, tức là V/F hay τ cho mỗi nhánh là giống nhau.

4.2 Hệ nhiều bình phản ứng

4.2.2 Bình khuấy liên tục bằng nhau mắc nối tiếp

(1) Phản ứng bậc một (hình 4.7)

A

i A

A

jk i

A

C j

ln A0ö

4.2 Hệ nhiều bình phản ứng

4.2.2 Bình khuấy liên tục bằng nhau mắc nối tiếp

(2) Phản ứng bậc hai (hình 4.8)







k C

1

C

C

j 1

i

k C

4 1

2 1

2 1

2

1

k 2

1

C

A0 A

A0

i A0 j

Hình 4.8 So sánh sự hoạt động của bình ống với j bình khuấy trộn bằng nhau

mắc nối tiếp cho phản ứng bậc hai , 2A →R; A+B→R với C Ao =C Bo. .Với cùng điều kiện nhập liệu, tung độ cho V j / V ố

Thí dụ 4.4 Bình khuấy mắc nối tiếp

 Bình phản ứng khuấy liên tục đạt độ chuyển hóa

90% tác chất A → R theo phản ứng bậc 2

 Dự định thay bình này bằng 2 bình có tổng thể tích

bằng bình trước

a) Cùng XAf = 90%, năng súât tăng bao nhiêu?

b) Năng suất như cũ XAf tăng bao nhiêu ?

 Mắc nối tiếp 2 bình, mỗi bình có thể tích bằng bình

trước

c) Cùng XAf = 90%, năng súât tăng bao nhiêu? d) Năng suất như cũ XAf tăng bao nhiêu ?

Giải bằng đồ thị hệ nhiều bình khuấy trộn mắc nối tiếp

viết cho cấu tử A cho bình phản ứng thứ i:  

Hình 4.10 Giải bằng đồ thị hệ nhiều

bình khuấy mắc nối tiếp

Hình 4.11 Dạng đường cong

theo bất thường

Trên H.4.10 vẽ đường cong (-rA)theo CA

(a) Nồng độ dòng vào CAobiết trước (điểm L)

(b) CA1 và (-rA)1 tương ứng với điểm M trên đường cong (c) Hệ số góc của đoạn

Từ L vẽ đoạn thẳng có hệ số góc (-1/1) cho đến khi cắt

đường cong tại điểm M cho ta CA1 Tương tự từ N ta vẽ

đường thẳng có hệ số góc (-1/2) cắt đường cong tại P cho

ta nồng độ CA2

/ A1 / A1 A0 / 1

LM MN NL    r C  C   1 

4.3 Thiết kế cho phản ứng đa hợp

4.3.1 Phản ứng song song

(1) Khảo sát định tính sự phân phối sản phẩm

a1 a2 A 1

S S

k

a1 A 1

R R

k

C k

k

dC

dC

r

r

C k

dt

dC

r )

(ph

S

A

C k

dt

dC

r (chính)

R

A

2 1

CA được giữ ở giá trị thấp trong suốt quá trình phản ứng : 1) Dùng bình phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định.

2) Dùng dòng hoàn lưu để pha loãng dòng nhập liệu.

3) Giảm áp suất hay tăng lượng khí trơ trong phản ứng pha khí.

CA được giữ ở giá trị cao:

1) Dùng bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đoạn

hoặc thiết bị phản ứng dạng ống

2) Không dùng dòng hoàn lưu.

3) Tăng áp suất hay giảm lượng khí trơ trong phản ứng pha khí.

a1 a2 A 1

k

dC

dC

r





 a1<a2 phản ứng chính có bậc nhỏ hơn phản ứng phụ,

→tạo thuận lợi cho phản ứng chính: CA thấp trong bình

phản ứng lớn.→ chi phí phân tách sản phẩm phụ S

 a1>a2 bậc phản ứng chính lớn hơn bậc của phản ứng phụ

→ sử dụng bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đoạn hoặc thiết bị phản ứng dạng ống.

 a1= a2 → sự phân phối sản phẩm chỉ phụ thuộc vào k1, k2không phụ thuộc vào loại thiết bị phản ứng.

a1 a2 A 1

k

dC

dC

r





Mô hình cho thấy nồng độ của các tác chất cao hay thấp cho quá trình ổn định

Ví dụ 4.5 Giả sử có phản ứng pha lỏng.

1 2

k k

U là quan trọng hơn là có bình phản ứng nhỏ vì chi phí phân tách

S, U cao và chi phí tác chất lớn Đề nghị mô hình hệ thống để

sản xuất R,T

Ví dụ 4.5 Giả sử có phản ứng pha lỏng.

, , , , ,

,

4.3 Thiết kế cho phản ứng đa hợp

4.3.1 Phản ứng song song

(2) Khảo sát định lượng sự phân phối sản phẩm

 : là phần tác chất A phản ứng tại thời điểm bất kỳ để tạo thành R, được gọi là hiệu suất nhất thời tạo thành R

Thiết bị phản ứng dạng ống

Af f

0 f 0 f

A0

C R

4.3 Thiết kế cho phản ứng đa hợp

4.3.1 Phản ứng nối tiếp

(1) Khảo sát định tính sự phân phối sản phẩm

Khảo sát định lượng: thiết bị dạng ống hoặc bình khuấy hoạt động gián đoạn

1 0





Khảo sát định lượng: bình khuấy trộn hoạt động ổn định

Hình 4.18 Nồng độ tương đối của các cấu tử trong phản ứng nối tiếp A  k 1 R  k 2 S