Quá trình thiết bị công nghệ sinh học_phan ung

Phản ứng sơ đẳng và phản ứng không sơ đẳngPhản ứng sơ đẳng Là phản ứng xảy ra theo thuyết va chạm và phương trình tốc độ được suy ra từ phương trình lượng hóa học C K... Cân bằng hóa học

Phản ứng hỗn hợp A + B  RR + B  S

1.2 Phản ứng sơ đẳng và phản ứng không sơ đẳng

Phản ứng sơ

đẳng

Là phản ứng xảy ra theo thuyết

va chạm và phương trình tốc độ được suy ra từ phương trình lượng hóa học

C K

Bậc của các chất (a, b, c, d, …) không nhất thiết là hệ số can bằng của phản ứng

Bậc của phản ứng không nhất thiết phài là số nguyên

1.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ lên hằng số cân bằng

Phương trình Arrhénius . .

E

R T o

2 Nhiệt động lực học là một lĩnh vực chuyên nghiên cứu về sự tác động của nhiệt đến phản ứng.

2.1 Nhiệt phản ứng: là nhiệt do phản ứng hấp thụ hay tỏa ra khi phản ứng xảy ra

Phương trình Van’t Hoff  

H: nhiệt phản ứng ở điều kiện chuẩn, H là một hàm theo nhiệt độ

2.2 Cân bằng hóa học: Phản ứng xảy ra trong môi trường lý tưởng thì phương trình tốc độ được tính theo nồng độ hoặc áp suất Thực tế khi hệ phản ứng không xảy ra trong môi trường lý tưởng thì tốc độ phải được tính theo độ hoạt độ của các chất Hoạt độ là một đại lượng lý thuyết, rất khó xác định được giá trị của nó

Ví dụ: Một phản ứng xảy ra ở các nhiệt độ khác nhau với các hằng số cân bằng của

So sánh gữa phương trình thực nghiệm với phương trình trên ta được

Lấy logarit Nepeir hai vế phương trình (5.2) ta có

và 1,9.10-3 và độ biến thiên enthalpy của phản ứng trong khoảng nhiệt độ 100oC đến

500oC được mô tả theo phương trình

Lấy tích phân phương trình (5.3)

3 Vận tốc phản ứng

Có nhiều khái niệm về vận tốc phản ứng tùy thuộc vào đặc tính của phản ứng

o Tốc độ tính trên một thể tích hỗn hợp lưu chất

1 i i

dN r

V dt



o Tốc độ tính trên một đơn vị thể tích bình phản ứng Vb

1 i i

b

dN r

V dt



o Tốc độ tính trên một đơn vị bề mặt tiếp xúc pha

1 i i

dN r

S dt



o Tốc độ tính trên một đơn vị khối lượngchất rắn

1 i i

r

dN r

Tốc độ phản ứng cho những phản ứng thường gặp

Trong thực tế, khi một phản ứng xảy ra thì thể tích của hỗn hợp có thể thay đổi Tuy nhiên, khi xét phản ứng xảy ra trong pha lỏng hay rắn – lỏng thì thể tích của hỗn hợp xem như không đổi Nếu phản ứng xảy ra trong pha khí thì có thể xem hỗn hợp khí là lý

tưởng

Khi thể tích hỗn hợp thay đổi, trong phương trình vận tốc có thêm hệ số biến đổi vận tốc Hệ số này được xác định bằng độ biến đổi thể tích khi phản ứng bắt đầu đến khi một cấu tử chất tham gia chuyển hóa hoàn toàn

Trong phần này chỉ giới thiệu các phản ứng xảy ra trong một thể tích không đổi

Nếu phản ứng xảy ra trong pha lỏng thì

1

i

dN dC r

V dt dt

Nếu phản ứng xảy ra trong pha khí thì

1 i i

dp r

C

3 Phản ứng song song không thuận nghịch

5 Phản ứng thuận nghịch bậc 1

1 2

k k

X

k k t X

Hãy viết phương trình tốc độ theo axit axetic

Ví dụ: Trong một phản ứng lý tưởng pha lỏng giữa axit axetic với chì cacbonat theo

phản ứng CH3COOH + PbCO3  (CH3COO)2Pb + H2O + CO2 Xem như thể tích của hệ không đổi Kết quả phân tích nồng độ mol/lít của axit axetic như sau

CH, COH, CE, CN: nồng độ mol/l của axit, rượu, ester và nước

Nhập liệu ban đầu gồm axit (90% khối lượng, khối lượng riêng 1,5g/ml) và rượu (95% khối lượng, khối lượng riêng 0,87 g/ml) với khối lượng bằng nhau

Viết phương trình thể hiện độ chuyển hóa axit thành ester theo thời gian và xác định

độ chuyển hóa cân bằng

1 2

k

M D



Caxit = 0,01 mol/l ; Cetylic = 0,02 mol/l

Khối lượng hai dòng nhập liệu bằng nhau nên

Biến đổi biểu thức, ta được

k COOH C H OH   CH COOC H H O

Lấy tích phân và thế số vào ta có

Xét phản ứng với nồng độ mol tại các thời điểm như sau

Ban đầu CHo COHo 0 0

Phản ứng z z z z

Cân bằng CHo – z COHo – z z z

Ta có

   

2 1

Thế số và giải được z = 2,976.10–3 mol/l

o

H H

Phương trình thiết kế

1 Thiết bị khuấy trộn lý tưởng

Thiết bị khuấy trộn lý tưởng là thiết bị có thành phần đồng nhất tại mọi điểm trong thiết bị và trong sản phẩm

FAo: lượng nhập liệu của A

XAf: độ chuyển hoá của A sau khi ra khỏi thiết bị

(-rA): tốc độ phản ứng của A

Ví dụ: Xét phản ứng sơ đẳng trong pha lỏng với k1 = 7

lít/mol.ph và k2 = 3 lít/mol.ph xảy ra trong bình phản ứng khuấy trộn lý tưởng có thể tích 120 lít Dòng nhập liệu của A chứa 2,8 mol A/lít và B chứa 1,6 mol B/lít với cùng lưu lượng thể tích Biết độ chuyển hoá của tác chất là 75% Xác định lưu lượng mỗi dòng

1 2

k k

A B     R S 

b Hoạt động gián đoạn

Sự phụ thuộc giữa thời gian và độ chuyển hoá được xác định bằng biểu thức

 

.

A

o o

X

A A

A X

NAo: mol ban đầu của A

Ví dụ: Xét phản ứng tạo thành butyl axetat từ butanol (B) và axit axrtic (A) trong bình

khuấy trộn gián đoạn Nhập liệu ban đầu chứa 4,97 mol butanol/ mol axit axetic

Phương trình tốc độ phản ứng tính theo nồng độ mol/l của axit là với k

= 17,4 ml/mol.ph Biết khối lượng riêng của axit axetic bằng 0,958g/ml; butanol bằng 0,742 g/ml Thể tích bình coi như không đổi

  rA  k C A2

a Tính thời gian cần thiết để đạt độ chuyển hoá giới hạn 50%

b Biết rằng lưu lượng butyl axetat bằng 100kg/h, giữa hai mẻ bị gián đoạn 30 phút Tính thể tích bình phản ứng và khối lượng hỗn hợp ban đầu

a Nồng độ mol/l của A

3

1,79.10 /

o

o o

o

o

A

B A

n n

A

E A

m

M M

Kg/mẻ