NGUYÊN TẮC CỦA NỀN SẢN XUẤT HÓA HỌC

+ Nếu phản ứng hóa học giai đoạn 2 có tốc độ chậm nhất phản ứng được tiến hành trong vùng động học Muốn tăng tốc độ quá trình thì phải tăng những yếu tố ảnh hưởng mạnh lên tốc độ phản ứn

Chương I: NGUYÊN TẮC CỦA NỀN SẢN XUẤT

HÓA HỌC

Môn kỹ thuật hóa học đại cương có nhiệm vụ trang bị cho sinh viên nhưng kiến thức cơ bản của các ngành Công nghệ Hóa học nói chung

I Khái niệm về quá trình Kĩ Thuật Hóa Học:

Một quá trình hóa học gồm có 3 giai đoạn:

+ Đưa tác nhân vào vùng phản ứng:

• Khuếch tán phân tử (đối lưu);

• Hấp phụ, hấp thụ;

• Ngưng tụ, nấu chảy;

• Hóa hơi;

• Hòa tan;

+ Phản ứng hóa học:

• Các phản ứng nối tiếp;

• Các phản ứng song song;

• Phản ứng tạo ra sản phẩm chính và sản phẩm phụ (những sản phẩm có giá trị kinh tế) và chất thải

+ Dẫn sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng:( ngược với các biện pháp đưa tác nhân vào)

• Khuếch tán đối lưu;

• Chuyển chất từ pha này sang pha khác (khí, lỏng, rắn)

Tốc độ chung của quá trình công nghệ hóa học được giới hạn bằng tốc độ của giai đoạn chậm nhất trong 3 giai đoạn thành phần

+ Nếu phản ứng hóa học (giai đoạn 2) có tốc độ chậm nhất phản ứng được tiến hành trong vùng động học

Muốn tăng tốc độ quá trình thì phải tăng những yếu tố ảnh hưởng mạnh lên tốc

độ phản ứng hóa học như nồng độ chất ban đầu, nhiệt độ, chất xúc tác

+ Nếu phản ứng chung được quyết định bởi quá trình dẫn ngyuên liệu hay sản phẩm ra phản ứng hóa học xảy ra trong vùng khuếch tán

Tăng tốc độ phản ứng phải dùng các phương pháp khuấy trộn, chuyển hệ từ nhiều pha thành một pha

+ Nếu tốc độ của 3 giai đoạn xấp xỉ bằng nhau tăng sự khuếch tán, tăng nồng

độ các chất ban đầu, nhiệt độ

II Một số định nghĩa cơ bản

1 Năng suất P

Năng suất (thiết bị, phân xưởng, nhà máy) là lượng sản phẩm tạo ra hay lượng nguyên liệu chế biến trong một đơn vị thời gian

P = hay P =

Với : G - Trọng lượng (T, kg)

Vs - Thể tích sản phẩm (nguyên liệu) (m )

- Thời gian (ng, h)

3 Cường độ làm việc I

Cường độ làm việc của thiết bị là năng suất của thiết bị tính theo một đại lượng đặc trưng (thể tích, diện tích bề mặt…)

I = =

4 Tiêu phí

Tiêu phí nguyên liệu, nước, năng lượng…cho đơn vị sản phẩm

Tnguyên liệu/Tsản phẩm; m3 nước/T; Kwh/m 3…

5 Độ chuyển hóa

Độ chuyển hóa của nguyên liệu A là tỉ lệ A đã chuyển hóa so với ban đầu

G0 – lượng nguyên liệu ban đầu

G – lượng nguyên liệu còn lại (chưa phản ứng)

6 Hiệu suất sản phẩm tỉ lệ lượng sản phẩm thực tế thu được Gs trên lượng tối đa thu được nếu chuyển hóa hoàn toàn

Lượng A đã tác dụng / Lượng A ban đầu

III Đối tượng và nhiệm vụ của Hóa học công nghiệp

1. Đối tượng của Hóa học công nghiệp

Sản phẩm của công nghệ hoá học đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển của một quốc gia Từ những sản phẩm sử dụng trong sinh hoạt đến các sản phẩm công nghệ cao đều được sản xuất từ những nhà máy hoá học

Quá trình sản xuất hoá học ở qui mô công nghiệp phụ thuộc rất nhiều yếu tố Ngoài việc nghiên cứu động học các chuyển hoá hoá học cơ bản để chọn lựa cấu tạo thiết

bị, xác định các tính chất như độ bền hoá, bền nhiệt, bền cơ học của thiết bị, nó còn giúp lựa chọn nguyên liệu và tổ chức lực lượng lao động phù hợp

Tổ chức một quá trình sản xuất phải tính đến yếu tố kinh tế, tính kinh tế phụ thuộc:

- Chất lượng và giá thành của nguyên liệu,

- Năng lượng tiêu tốn cho một đơn vị sản phẩm

- Trình độ cơ khí hoá, tự động hoá quá trình sản xuất

2. Nhiệm vụ chủ yếu của Công nghệ Hóa học:

- Từ nguyên liệu đầu điều chế, tổng hợp thành các chất có giá trị khác nhau

- Nghiên cứu quá trình sản xuất hoàn chỉnh để đạt hiệu quả tốt nhất mà không gây

ô nhiễm môi trường Không ngừng cải tiến thiết bị để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của sản phẩm

- Xác định các chế độ kỹ thuật để tăng năng suất, chất lượng sản phẩm ổn định

- Xác định hiệu quả kinh tế và giải quyết hàng loạt các vấn đề kinh tế, kỹ thuật

Những chỉ tiêu quan trọng đặc trưng cho hiệu quả kinh tế của một quá trình

CN hoá học:

- Tiêu hao nguyên liệu, nhiên liệu cho một đơn vị sản phẩm thấp nhất

- Hiệu suất và chất lượng sản phẩm cao nhất

- Giá thành hạ

Phương hướng hiện nay của ngành hoá học thế giới: giải quyết, p/ triển các mối

liên quan:

- Đạt tối đa năng suất với một thiết bị sản xuất;

- Cơ khí hoá các quá trình lao động;

- Tự động hoá và điều khiển từ xa, thay các quá trình gián đoàn thành quá trình liên tục;

- Sử dụng tổng hợp nguyên liệu;

- Liên hiệp các xí nghiệp sản xuất hoá học liên quan

Để đáp ứng các nhu cầu đặt ra ở trên, thực tế sản xuất hoá học phải tuân theo một

số các nguyên tắc cơ bản sau:

Tăng tốc độ phản ứng hóa học;

Thực hiện các quá trình liên tục tuần hòa kín;

Liên hiệp giữa các xí nghiệp và nhà máy;

Nâng cao cường độ và hiệu suất làm việc của thiết bị;

Cơ khí hóa và tự động hóa quá trình sản xuất;

Sử dụng các nguyên liệu rẻ tiền và phức hợp Tiết kiệm năng lượng;

Tận dụng các phế thải công nghiệp (chống ô nhiễm môi trường)

A. Tăng tốc độ phản ứng hóa học

**Cân bằng trong quá trình hóa học

1.Định nghĩa

* Phản ứng 1 chiều (phản ứng thuận): là phản ứng mà các chất tham gia phản ứng

tác dụng với nhau tạo thành các sản phẩm, còn các sản phẩm không tác dụng với nhau theo phản ứng ngược để tạo lại các chất ban đầu (phản ứng chỉ xảy ra theo 1 chiều)

Ví dụ: 2N2O(k) 2N2(k) + O2(k)

Khi đun nóng đến khoảng 3000C khí N2O phân hủy thành N2 và O2 , còn khí N2 và O2 không phản ứng với nhau tạo thành N2O được

* Phản ứng thuận nghịch: phản ứng xảy ra theo 2 chiều trái ngược nhau trong

cùng một điều kiện

Ví dụ: N2O4(k) 2NO2(k)

* Cân bằng hóa học:

Khi lượng chất mất đi theo phản ứng thuận bằng lượng của chúng mất đi theo phản ứng nghịch thì ta nói phản ứng đã đạt đến trạng thái cân bằng hóa học

=> lượng của chất trong phản ứng không biến đổi nữa

Đây là “cân bằng động“ vì phản ứng thuận và phản ứng nghịch vẫn xảy ra nhưng với tốc độ bằng nhau

=> Trạng thái cân bằng hóa học là trạng thái của phản ứng thuận nghịch khi tốc độ của phản ứng thuận bằng tốc độ phản ứng nghịch

Ví dụ: phản ứng thuận nghịch

Fe3O4(r) + 4H2(k) 3Fe(r) + 4H2O(k) CH3COOH(l) + C2H5OH(l) CH3COOC2H5(l) + 4H2O(l)

2.Vận tốc phản ứng hóa học

Sản xuất hóa học là làm biến đổi thành phần hóa học của nguyên liệu để tạo ra các sản phẩm nhờ các phản ứng hóa học Vì vậy, tốc độ của quá trình sản xuất phụ thuộc vào tốc độ của các phản ứng hóa học

Tăng tốc độ của các phản ứng hóa học tác động đến giá thành sản phẩm

Giả sử trong một hệ xảy ra phản ứng hóa học giữa hai chất A, B ta có phương trình:

aA + bB  dD + Q Phương trình tổng quát biểu thị tốc độ phản ứng:

Đó là sự biến thiên nồng độ của các chất tham gia phản ứng/đơn vị thời gian Với phản ứng một chiều diễn ra trong hệ đồng thể:

• tốc độ phản ứng thuận:

• tốc độ phản ứng nghịch:

Trong đó: k1, k2 – hằng số tốc độ của phản ứng thuận và nghịch;

[A], [B], [D] – nồng độ mol của các chất tham gia phản ứng và sản phẩm tại thời điểm xét;

a, b, d: Hệ số tỉ lượng của các chất tương ứng

Phản ứng thuận nghịch và diễn ra trong hệ đồng thể:

Nếu phản ứng hóa học xảy ra trong hệ dị thể: thì ngoài yếu tố nồng độ, tốc độ phản ứng hóa học còn phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc các pha (K-L, K-R, L-R)

: các yếu tố nồng độ;

F : diện tích tiếp xúc các pha.

Ngoài các yêu tố trên trong phương trình tốc độ còn có các yếu tố khác như chiều chuyển động của các chất tham gia phản ứng trong thiết bị (ngược chiều, cùng chiều )

Tăng vận tốc phản ứng hóa học:

a/ Sử dụng xúc tác thích hợp

Dùng xúc tác làm giảm năng lượng hoạt hóa E nên tăng hằng số tốc độ k vì vậy làm tăng vận tốc phản ứng Trong thực tế, hầu hết các quá trình sản xuất hóa học đều sử dụng các chất xúc tác để làm tăng tốc độ Rất nhiều quá trình nếu thiếu chất xúc tác, trong điều kiện bình thường phản ứng hóa học xảy ra rất chậm, thậm chí hầu như không xảy ra, nhưng khi có mặt xúc tác thích hợp, ở nhiệt độ thích hợp thì phản ứng xảy ra nhanh gấp hàng triệu lần

Công nghiệp sản xuất các hợp chất hữu cơ càng cần có xúc tác Ngoài các xúc tác hóa học còn có các xúc tác vi sinh

Chất xúc tác có tác dụng làm thay đổi tốc độ của phản ứng hoặc (tăng, giảm) kích động các chất tham giaphản ứng mà không làm thay đổi tính chất hóa học và không tham gia vào thành phần sản phẩm phản ứng

Ví dụ: Khi đun nóng chảy KClO3 bị phân hủy chậm theo phản ứng sau:

2 KClO3 = 2KCl + 3O2

=> Nếu cho thêm một ít bột MnO2 thì phản ứng xảy ra rất nhanh Lượng MnO2 thêm vào và tính chất MnO2 sau phản ứng không biến đổi

=> MnO2 được gọi là chất xúc tác

*Hệ đồng thể: hệ mà các thuộc tính của nó hoặc không đổi, hoặc thay đổi liên tục

từ điểm này qua điểm kia, hoàn toàn không có bề mặt phân chia trong hệ

* Hệ dị thể: có bề mặt phân chia trong hệ (là bề mặt vật lí)

Phân loại

Xúc tác đồng thể

Chất xúc tác và các chất tham gia phản ứng tạo thành hệ đồng thể (nằm trong cùng một pha)

Ví dụ: 2ClO- 2Cl- + O2 (dd H2O); ion ClO- bị phân hủy nhanh trong nước khi có mặt ion Co2+

Sự oxy hóa khí CO CO2 khi có mặt một lượng nhỏ hơi nước thì phản ứng tăng mạnh

Xúc tác dị thể => Chất xúc tác và các chất tham gia phản ứng tạo thành hệ không đồng thể (khác pha nhau)

Thường chất xúc tác ở pha rắn, chất phản ứng pha khí hay pha lỏng

=> Sản xuất axit sunfuric, tổng hợp NH3, tổng hợp methanol

VD: 2H2O2 2H2O + O2

( MnO2 không tan trong nước nên tạo với nước hệ dị thể)

Xúc tác men (enzym): là chất xúc tác sinh học có tính chọn lọc cao

• Mỗi loại enzym chỉ xúc tác cho một phản ứng sinh học

• Xúc tác men xảy ra trong cơ thể sinh vật, được sử dụng trong công nghệ thực phẩm

Ví dụ: Phản ứng lên men thành rượu etylic và phản ứng lên men đường thành axít lactic cần có những men khác nhau

*Chú ý:

1 Chất xúc tác chỉ có thể làm tốc độ của phản ứng hóa học khi mà phản ứng có thể xảy ra về phương diện nhiệt động hóa học ( <0) Chất xúc tác không thể làm cho phản ứng có >0 xảy ra

Ví dụ: 2H2(k) + O2(k) = 2H2O(l) kCal < 0

Phản ứng không diễn ra ở nhiệt độ phòng dù rất âm do tốc độ phản ứng vô cùng nhỏ Khi có mặt bột Platin (Pt) thì phản ứng diễn ra với tốc độ tức thời

2 Chất xúc tác làm tăng vận tốc phản ứng => chất xúc tác thuận (dương) Chất xúc tác làm giảm vận tốc phản ứng => chất xúc tác nghịch (âm)

Ví dụ: 2H2(k) + O2(k) 2H2O(l)

2Na2SO3 + O2 2Na2SO4 : đường và rượu là chất xúc tác âm của phản ứng

3 * Hệ đồng thể => là hệ trong đó tất cả các chất phản ứng nằm trong cùng một pha

• Phản ứng hóa học xảy ra nhanh hơn

• Cơ chế phản ứng đơn giản, điều khiển dễ dàng hơn

Ví dụ: Hỗn hợp khí bất kì, hỗn hợp không khí, hỗn hợp O2 và N2 trong H2O, hệ gồm các chất tan trong dung môi nào đó

* Hệ dị thể => là hệ chứa 2 pha hay nhiều hơn: K-L*; K-R*; L-R*; L-L; R-R

Ví dụ: nước và nước đá;

than và lưu huỳnh trong không khí

Để tăng tốc độ của phản ứng ta phải tăng hệ số tốc độ k Hệ số này phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tác của phản ứng

Cơ chế của xúc tác đồng thể thường được giải thích bằng hợp chất trung gian

A + B AB Khi có mặt xúc tác X, phản ứng xảy ra rất nhanh

 Đầu trên A (hoặc B) tác dụng với chất xúc tác X tạo ra hợp chất trung gian AX

 AX tác dụng với B tạo phức chất hoạt động (AB)*X

 Sự phân hủy phức chất hoạt động tạo sản phẩm

A + X AX : hợp chất trung gian

AX + B (AB)*X : phức chất hoạt động (AB)*X AB + X : sản phẩm AB và xúc tác X Bản chất của xúc tác là biến quá trình hóa học một giai đoạn cần năng lượng hoạt hóa E thành nhiều giai đoạn thành phần cần năng lượng e1, e2 nhỏ

=> Trong điều kiện thường phản ứng không xảy ra được nhưng khi có xúc tác phản ứng lại xảy ra với tốc độ lớn

Do

k0: thừa số trước số mũ (thừa số tần số); k0 không thay đổi khi có mặt chất xúc tác, hệ số thực nghiệm, đặc trưng cho xúc tác, không phụ thuộc nhiệt độ; E - Năng lượng hoạt động hóa học của phản ứng; T - Nhiệt độ tuyệt đối; R - Hằng số khí

=> Năng lượng hoạt hóa càng nhỏ thì tốc độ phản ứng càng lớn Nhiệt độ tăng cũng làm tăng hệ số tốc độ phản ứng

* Hoạt độ A tỉ lệ của mức độ tác dụng nhanh của xúc tác trên tốc độ thường của phản ứng

k0: thừa số trước số mũ hay thừa số tần số; k0 không thay đổi khi có mặt chất xúc tác

b/ Ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất khí, nồng độ các chất tham gia phản ứng:

Nguyên lí Le Châtelier: Với một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi bất kì một yếu tố nào xác định điều kiện cân bằng (áp suất khí, nồng độ, nhiệt độ), thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều chống lại sự thay đổi đó.

* Ảnh hưởng của nhiệt độ:

Phản ứng tỏa nhiệt (nhiệt tỏa ra ngoài môi trường phản ứng theo chiều thuận): khi nhiệt độ tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều nghịch

Phản ứng thu nhiệt (nhiệt được hấp thụ khi phản ứng xảy ra theo chiều thuận): khi nhiệt độ tăng, cân bằng chuyển dịch theo chiều thuận

VD: Phản ứng tổng hợp NH3:

N2 + 3H2 2NH3(k) (pứ tỏa nhiệt) Như trên đã giải thích khi tăng nhiệt độ sẽ tăng hằng số tốc độ của phản ứng Trong sản xuất hóa học hầu hết các phản ứng đều diễn ra ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ thường, có khi rất cao.Về mặt lí thuyết nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng tăng, nhưng ở nhiệt

độ cao nhiều chất bị phân hủy, sự ăn mòn thiết bị rất nhanh, tiêu hao nhiều năng lượng cho quá trình sản xuất nên sự tăng nhiệt độ cần phù hợp với tình hình thực tế sản xuất

* Ảnh hưởng của áp suất khí:

Khi tăng áp suất của hệ cân bằng, cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều giảm số phân tử (khí)

VD: Phản ứng tổng hợp NH3:

N2 + 3H2 2NH3(k)

* Ảnh hưởng của việc thêm một lượng tác chất hoặc sản phẩm

Khi thêm một lượng tác chất hoặc sản phẩm vào hệ cân bằng, cân bằng chuyển dịch theo hướng tiêu thụ bớt chất thêm đó

Khi thêm một lượng NH3, ở V = const, áp suất riêng của NH3 tăng, cân bằng phải chuyển dịch theo hướng tiêu thụ NH3 => theo chiều thuận

Khi thêm một lượng N2 vào hệ, ở V = const, áp suất riêng của N2 tăng, để trở lại cân bằng, phản ứng phải xảy ra theo hướng giảm áp suất N2 => cân bằng dịch chuyển theo chiều thuận

* Các nguyên liệu ban đầu cần phải làm giàu, tức là loại bỏ bớt tạp chất

* Khuếch tán sản phẩm ra khỏi vùng phản ứng

Làm giảm tốc độ phản ứng nghịch, hoặc hạ thấp nồng độ cân bằng để tăng chênh lệch giữa nồng độ thực và nồng độ cân bằng

Các phương pháp thường được dùng như sau:

- Sản phẩm ở thể khí: Dùng phương pháp ngưng tụ hấp thụ s/phẩm ra khỏi vùng p/ ứng

- Sản phẩm ở thể lỏng: Tuỳ theo tính chất của sản phẩm mà có thể thực hiện tách sản phẩm bằng phương pháp kết tinh, cho bay hơi hoặc hấp thụ vào chất rắn

- Sản phẩm ở thể rắn: Tháo sản phẩm ra liên tục để tăng nồng độ các cấu tử ban đầu

Chú ý: Nguyên lí Le Châtelier chỉ được áp dụng cho những hệ có thể tích không

đổi

VD: Khi P = const; khi thêm NH3 , áp suất NH3 tăng, còn áp suất H2 và N2 giảm vì

áp suất chung của hệ là không đổi => cân bằng dịch chuyển theo chiều nghịch

Khi P = const; khi thêm N2 , áp suất N2 tăng, còn áp suất H2 và NH3 giảm vì áp suất chung của hệ là không đổi

c/ Động lực của quá trình

Đối với phản ứng hệ đồng thể, động lực của quá trình xác định theo định luật tác dụng khối lượng là tích các nồng độ tác nhân phản ứng tại thời điểm đang xét

• Phản ứng một chiều, đơn giản: aA Dd

=> ;

Tốc độ quá trình

• Phản ứng aA + bB dD

• Phản ứng aA + bB dD

C A ,C B ,C D – nồng độ thực;

– nồng độ cân bằng của các chất A, B.

d/ Ảnh hưởng của diện tích tiếp xúc:

Nhiều quá trình hóa học diễn ra trong hệ dị thể, trong trường hợp đó phản ứng diễn ra trên ranh giới tiếp xúc giữa hai pha,vì vậy tăng diện tích tiếp xúc giữa chúng sẽ làm tăng mạnh tốc độ của quá trình

- Chất rắn thường được đập, nghiền

- Chất lỏng đưa vào thiết bị dưới dạng dòng chảy hoặc tưới chảy tràn trên các vật đệm

- Khuấy trộn

Tổng kết: Các phương pháp tăng tốc độ của quá trình

Tốc độ chung của quá trình công nghệ hóa học được giới hạn bằng tốc độ của giai đoạn chậm nhất trong 3 giai đoạn thành phần

+ Nếu phản ứng hóa học (giai đoạn 2) có tốc độ chậm nhất phản ứng được tiến hành trong vùng động học

Muốn tăng tốc độ quá trình thì phải tăng những yếu tố ảnh hưởng mạnh lên tốc

độ phản ứng hóa học như nồng độ chất ban đầu, nhiệt độ, chất xúc tác

+ Nếu phản ứng chung được quyết định bởi quá trình dẫn ngyuên liệu hay sản phẩm ra phản ứng hóa học xảy ra trong vùng khuếch tán

Tăng tốc độ phản ứng phải dùng các phương pháp khuấy trộn, chuyển hệ từ nhiều pha thành một pha

+ Nếu tốc độ của 3 giai đoạn xấp xỉ bằng nhau tăng sự khuếch tán, tăng nồng

độ các chất ban đầu, nhiệt độ