Cân bằng vật chất cho một phân tố thể tích Lượng tác chất nhập vào - Lượng tác chất ra khỏi - Lượng tác chất phản ứng = Lượng tác chất tích tụ biến đổi PHẢN ỨNG PHÂN TỐ THỂ TÍCH TÍCH T
Trang 23.1 Cân bằng vật chất & năng lượng tổng quát
1 Cân bằng vật chất cho một phân tố thể tích
(Lượng tác chất nhập vào) - (Lượng tác chất
ra khỏi) - (Lượng tác chất phản ứng) = Lượng tác chất tích tụ (biến đổi)
PHẢN ỨNG
PHÂN TỐ THỂ TÍCH
(TÍCH TỤ)
Trang 32 Cân bằng năng lượng
(Năng lượng các dịng nhập vào )
-(Năng lượng các dịng ra khỏi )
-(Năng lượng trao đổi với mơi trường ngịai )
= (Năng lượng tích tụ (biến đổi))
PHÂN TỐ THỂ TÍCH
(TÍCH TỤ)
TRAO ĐỔI
Trang 4Các dạng bình phản ứng khuấy trộn
Trang 5Các dạng bình phản ứng khuấy trộn
Trang 63.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng
1 Hoạt động ổn định
Với: XA0 , XAf là độ chuyển hóa của dòng nhập liệu và dòng sản phẩm
v là lưu lượng của dòng nhập liệu, m3/s
O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition
Trang 73.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng
1 Hoạt động ổn định
Với: XA0 , XAf là độ chuyển hóa của dòng nhập liệu và dòng sản phẩm
v là lưu lượng của dòng nhập liệu, m3/s
Trang 83.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng
O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition
Trang 9Xác định nhiệt độ của dòng sản phẩm để tính vận tốc phản ứng – cân bằng nhiệt lượng
m t : suất lượng dòng nhập liệu, kg/s
C p : nhiệt dung riêng dòng nhập liệu (sản phẩm), J/kg 0 C
ΔH r : nhiệt phản ứng, J/mol
K : hệ số truyền nhiệt, W/m 2 0 C
S : diện tích bề mặt truyền nhiệt, m 2
0 )
T K.S.(T
H V.
).
r (
C ).
T (T
m hay
0 )
T KS(T
F H
) X
(X C
) T (T
m
f n
r A
p f
0 t
f n
A0 r
A0 Af
p f
0 t
Trang 10Thí dụ 3.1 : Xác định lưu lượng mỗi dòng nhập liệu
Phản ứng thuận nghịch pha lỏng sơ đẳng
A + B = R + S với k1= 7 l/mol.ph , k2 = 3 l/mol.ph
V = 120 lít Hai dòng nhập liệu riêng biệt có lưu lượng bằng nhau:
Dòng có nồng độ 2,8 mol A/ lít
Dòng có nồng độ 1,6 mol B/ lít
Độ chuyển hóa của tác chất giới hạn đạt 75%
V=120lite
O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition
Trang 11Thí dụ 3.2 : Xác định phương trình vận tốc cho phản
ứng phân hủy pha khí A → R + S xảy ra đẳng nhiệt trong bình khuấy trộn họat động ổn định
Trang 12Thí nghiệm
A
1- X 1+ X
Trang 13Với quá trình được thực hiện ở điều kiện đẳng áp với εA=1 ta có:
lấy log hai vế:
Trang 153.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng
2 Hoạt động gián đọan
dt
dX N
V ) r (
dt
dX N
dt
)]
X 1
( [N
d V
) r (
dt
dN
V ) r (
0 t
; N
t V.
) r (
A A0
A
A A0
A A0
A
A A
A A
Trang 16Sắp xếp lại và lấy tích phân
A
X
A A0
A 0
Trang 17Thí dụ 3.3:
a) Tính thời gian phản ứng
b) Thể tích bình phản ứng khuấy gián đọan
CH 3 COOH + C 4 H 9 OH→CH 3 COOC 4 H 9 + H 2 O
1000C, xúc tác H2 SO4 nồng độ 0,032%k.l
Nhập liệu: 4,97 mol butanol/mol axit
Phương trình vận tốc (-rA)= k.CA2 với k = 17,4 ml/ mol.ph
Trang 18Lấy tích phân được:
Nồng độ ban đầu của acid acetic là:
thay vào biểu thức tính t, ta được:
Trang 19b) Gọi m A là khối lượng acid acetic cho vào bình trong mỗi
mẻ, ta có phương trình cân bằng sau:
m A == 108,6 kg acid acetic/mẻ
Khối lượng nhập liệu tổng cộng cho mỗi mẻ:
Vậy thể tích hỗn hợp phản ứng chứa trong bình là:
Trang 203.3 Thiết bị phản ứng dạng ống lý tưởng
Trang 213.3 Thiết bị phản ứng dạng ống lý tưởng
A A
A
A A
A A
A A
) r (
dX
F
V
F
) r
( dV
dX
0 V
V, Chia
0 V r
X F
hay
0
t V.
r
t )
X X
1 ( F
t )
X 1
(
F
Trang 223.3 Thiết bị phản ứng dạng ống lý tưởng
Nếu enthalpy của hỗn hợp phản ứng được tính cho mỗi đơn vị khối lượng so với trạng thái chuẩn tại đầu vào là H và tại đầu ra khỏi phân tố thể tích là H+ΔH , cân bằng năng lượng cho:
với m t là suất lượng tổng cộng của dịng
Sự biến đổi enthalpy ΔH trong phân tố thể tích sẽ tùy thuộc
trên nhiệt phản ứng và vận tốc phản ứng Sự biến đổi enthalpy
do sự biến đổi nhiệt độ C p ΔH và do nhiệt phản ứng ΔH r ΔX A :
Trang 233.3 Thiết bị phản ứng dạng ống lý tưởng
chia tất cả cho ΔV và lấy giới hạn khi ΔV→0
Kết quả trên cĩ thể viết theo phương trình vận tốc thay vì độ chuyển hĩa bằng cách thay dXA/dV bằng (-rA)/FAo
với L là chiều dài của thiết bị phản ứng.
Phương trình (3.29) là biểu thức tính nhiệt độ tại một phân tố thể tích bất kỳ trong thiết bị phản ứng Để giải các bài tốn khơng đẳng nhiệt, kết hợp
(3.29) với (3.24).
(3.29)
(3.30)
Trang 24Thí dụ 3.7 : Tính thể tích bình phản ứng ống
phosphin nguyên chất.
Trang 25Thí dụ 3.5: CH 4 + 2S 2 → CS 2 + 2H 2 S
Bình phản ứng ống có V = 35,2ml
Thí nghiệm ở 600 0 C, 1atm thu được 0,10g CS 2 trong 10
Trang 26Bài tập 3.5.
Cho phản ứng tạo thành etilen glycol như sau:
CH 2 OH-CH 2 Cl + NaHCO 3 (CH 2 OH) 2 + NaCl + CO 2
Phản ứng sơ đẳng k = 5,2 l/ mol.h ở 82 0 C
Có 2 dòng nguyên liệu có sẵn như sau:
Dd 15% k.l bicarbonat sodium
Dd 30% k.l etilen clorhidrin trong nước
Khối lượng riêng hỗn hợp xem như khơng đổi và bằng
1020 kg/m3:
Trang 27Câu hỏi cho bài tập 3.5
a) Tính thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động
ổn định để sản xuất 50kg/h etilen glycol với dòng
hỗn hợp nhập liệu đẳng mol đạt độ chuyển hóa
95%?
b) Tính thể tích bình phản ứng ống để phản ứng ở
cùng điều kiện trên?
c) Tính thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động
gián đọan để sản xuất 50kg/mẻ etilen glycol với
hỗn hợp nhập liệu ban đầu đẳng mol đạt độ chuyển hóa 95%?
Trang 28Bài tập 3.1 Phản ứng pha khí đồng thể
A 3R xảy ra theo bậc 2
Với lưu lượng nhập liệu là 1.000 l/h A nguyên chất ở 5
atm và 350 0 C thiết bị phản ứng thí nghiệm là ống có
đường kính 25mm, dài 1.800mm cho độ chuyển hóa đạt 60%.
Thiết bị phản ứng dùng trong sản xuất để phản ứng
80m 3 /h hỗn hợp nhập liệu gồm 50%A và 50% khí trơ ở
25 atm và 350 0 C đạt độ chuyển hóa 80%
Trang 30O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition