TCT PHÂN BÓN VÀ HÓA CHẤT DẦU KHÍ-GIÁO TRÌNH LÝ THUYẾT HÓA HỌC CƠ BẢN

I.3.7 Nguyên lý Lechatelier Khi một phản ứng hóa học thiết lập trạng thái cân bằng động, nếu ta tác động một yếu tố từ bên ngoài vào thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất, thể tích thì

TCT PHÂN BÓN VÀ HÓA CHẤT DẦU KHÍ - CTCP

CN TCT PHÂN BÓN VÀ HÓA CHẤT DẦU KHÍ – CTCP

NHÀ MÁY ĐẠM PHÚ MỸ ĐƠN VỊ: P.CNSX

GIÁO TRÌNH LÝ THUYẾT HÓA HỌC CƠ BẢN ( DÙNG CHO CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO NỘI BỘ ĐỘI NGŨ VẬN HÀNH NHÀ

MÁY ĐẠM PHÚ MỸ)

PHÚ MỸ, THÁNG 6/2012

Áp suất chân không = áp suất khí quyển – áp suất tuyệt đối Pck= Pa- P 8

3 Định luật Gayluyxac (chỉ áp dụng với khí lý tưởng) 13

4 Định luật Sac lơ Quá trình đẳng tích: (V=const) 14

5 Định luật Bôimariốt ( Chỉ áp dụng cho khí lý tưởng) 14

9 Một số lưu ý khi áp dụng công thức trong tính toán 19 III Bài tập ứng dụng 19

Chương 2 CHUYỂN ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT 5

1 Sự chuyển thể từ rắn sang lỏng và ngược lại: 20

1.1 Nhiệt độ nóng chảy (đông đặc): 21

1.2 Nhiệt nóng chảy: 21

2 Sự chuyển thể từ pha lỏng sang pha khí (hơi): 21

2.1 Sự bay hơi: 21

2.2 Áp suất hơi bảo hòa (Pbh): 22

3 Quá trình sôi của chất lỏng 22

3.1 Định nghĩa: 22

3.2 Tính chất của quá trình sôi: 22

3.3 Nhiệt hoá hơi 23

4 Hơi quá nhiệt 23

5 Câu hỏi và bài tập ứng dụng: 27

6 Phụ lục đính kèm: 29

Chương 3 ĐỘNG HÓA HỌC CÂN BẰNG PHẢN ỨNG 5

1 Động hóa học 20

1.1 Vận tốc trung bình và vận tốc tức thời 21

1.2 Ảnh hưởng của nồng độ chất tham gia phản ứng đến vận tốc phản ứng – Định luật tác dụng khối lượng 21

1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng 21

1.3 Ảnh hưởng của xúc tác đến tốc độ phản ứng 21

2 Cân bằng hóa học 22

2.1 Phản ứng một chiều, phản ứng thuận nghịch, trạng thái cân bằng 22

2.2 Phương trình hằng số cân bằng 22

2.3 Sự chuyển dịch cân bằng – Nguyên lý Lơsatơlie 23

3 Câu hỏi và bài tập ứng dụng: 23

4 Phụ lục đính kèm 27

CHƯƠNG IV: THỦY ĐỘNG LỰC HỌC 38

4.1 Thủy tĩnh học 39

4.1.1 Phương trình cân bằng Euler (Ơ le) 39 4.1.2 ứng dụng của phương trình cơ bản: 39 4.1.3 Điều kiện cân bằng giữa 02 bình thông nhau: 40 4.1.4 Áp lực của chất lỏng lên thành bình và đáy bình: 42 4.2 Thủy động lực học 43

4.2.1 Độ nhớt của chất lỏng và các yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt 43 4.2.2 Chế độ chuyển động của chất lỏng 43 4.2.3 Lưu lượng, vận tốc của chất lỏng chuyển động 44 4.2.4 Phương trình cơ bản về chuyển động 45 4.2.5 Trở lực của thủy lực trong ống dẫn chất lỏng 46 BÀI TẬP ỨNG DỤNG 47

Chương V: VẬN CHUYỂN CHẤT LỎNG

5.1 Các thông số cơ bản của bơm

5.1.1 Năng suất: ký hiệu Q, đơn vị m3/h 5.1.2 Áp suất toàn phần của bơm (chiều cao đẩy của bơm): 5.1.3 Công suất của bơm: 5.1.4 Hiệu suất của bơm: 5.2 Áp suất toàn phần, chiều cao hút và NPSH của bơm

5.2.1 Áp suất toàn phần của bơm 5.2.2 Chiều cao hút của bơm 5.2.3 NPSH và NPSHa của bơm 5.2.4 Hiện tượng xâm thực của bơm chất lỏng 5.3 Bơm ly tâm

5.3.1 Nguyên lý làm việc của bơm ly tâm 5.3.2 Định luật tỷ lệ của bơm ly tâm 5.3.3 Đường đặc tuyến của bơm ly tâm 5.4 Bơm piston

5.4.1 Nguyên lý làm việc của bơm Piston

5.4.2 Đặc điểm của bơm piston

5.4.3 Một số chú ý khi vận hành bơm piston

Chương VII: CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT 49

I– Khái niệm chung 68

II – Dẫn nhiệt 68

1 Định luật dẫn nhiệt Phuriê 68

2 Độ dẫn nhiệt của các chất rắn, lỏng , khí: 69

III – Nhiệt đối lưu 69

1 Định luật về cấp nhiệt 69

2 Cấp nhiệt khi hơi ngưng tụ 70

IV – Truyền nhiệt 71

1 Khái niệm 71

2 Truyền nhiệt qua tường phẳng 71

3 Truyền nhiệt biến nhiệt 72

4 Phương pháp chung để tính thiết bị truyền nhiệt 74

V – Một số điểm cần lưu ý trong vận hành các thiết bị trao đổi nhiệt 75 Chương VIII: CHUYỂN KHỐI 1 ĐỊNH NGHĨA VÀ PHÂN LOẠI 77 1.2 Định nghĩa: 77

1.3 Phân loại: 77

2 CÁC PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN QUÁ TRÌNH TRUYỀN KHỐI 78 2.1 Thu hồi dung chất và phân đoạn: 78 2.2 Quá trình gián đoạn (không ổn định) và quá trình ổn định: 78

2.3 Quá trình tiếp xúc theo đoạn và quá trình tiếp xúc liên tục: 78

3 HỆ SỐ TRUYỀN KHỐI 78 4 TRUYỀN KHỐI GIỮA HAI PHA 78 4.1 Khái niệm về cân bằng pha và đường cân bằng 78

4.2 Các định luật cân bằng pha: 80

4.2.1 Định luật Herry: 80

4.2.2 Định luật Raul: 81

4.3 Quá trình hấp thụ 81

4.3.1 Khái niệm 81

4.3.2 Yêu cầu đối với chất hấp thụ 82

4.3.3 Hấp thụ vật lý và hấp thụ hóa học 83

a Hấp thụ vậy lý 83

b Hấp thụ hóa học 83

4.3.4 Các yếu tố ảnh hửơng đến quá trình hấp thụ 83

a Lượng dung môi 83

b Ảnh hưởng của áp suất 84

c ảnh hưởng của nhiệt độ 84

4.4 Thiết bị hấp thụ và chế độ làm việc 85

4.4.1 Thiết bị hấp thụ 85

4.4.2 Chế độ làm việc của tháp đệm 85

4.4.3 Một số điểm cần chú ý khi vận hành tháp hấp thụ 86

4.5 Quá trình chưng luyện 86

4.5.1 Định nghĩa 86

4.5.2 Phân loại các phương pháp chưng 86

a Chưng đơn giản 86

b Chưng chân không 87

c Chưng luyện 87

4.5.3 Phân loại hỗn hợp dung dịch 2 cấu tử 87

a Dung dịch lý tưởng 87

b Dung dịch thực 87

4.5.4 Cân bằng lỏng hơi của hỗn hợp 2 cấu tử 88

a Giản đồ đẳng nhiệt : P-x-y 88

b Giản đồ đẳng áp : T-x-y 88

4.5.5 Tháp chưng luyện 89

a Nguyên tắc hoạt động của tháp chưng luyện 89

b Các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của tháp 90

4.6 Cân bằng vật chất:

4.6.1 Phương trình cân bằng vật liệu

 F – là lực tác dụng (N)

 S- diện tích bề mặt lực tác dụng (m2)

Bảng chuyển đổi các đơn vị đo áp suất

b Áp suất tương đối :

Áp suất tương đối còn gọi là áp suất đồng hồ đo, hay áp suất dư thường được ký hiệu

là Pdư

Công thức : Pdư= P-Pa

Trong đó :

 P : là áp suất tuyệt đối

 Pa: là áp suất khí quyển bình thường Pa= 1 at = 1 kg/cm2

Trong tính toán ta thường dùng giá trị áp suất tuyệt đối P

Áp suất chỉ thị của đồng hồ đo là áp suất tương đối Pdu

c Áp suất chân không:

Khi môi trường đang khảo sát có áp suất nhỏ hơn áp suất của khí quyển thì ta gọi độ chênh lệch giữa áp suất khí quyển Pa và áp suất môi trường đó là độ chân không Pck

Áp suất chân không = áp suất khí quyển – áp suất tuyệt đối

P ck = P a - P

Ví dụ: áp suất chân không tại thiết bị cô đặc V-1015 xưởng urea là 0.97 at hỏi áp suất

tuyệt đối P của thiết bị V-1015 là bao nhiêu?

Giải: áp suất tuyệt đối trong thiết bị V-1015 là

Nhiệt độ là đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng thái nhiệt của vật chất

Đơn vị thường dùng cho thang đo nhiệt độ bách phân là 0C được biểu thị bằng chữ C Đơn vị thang đo kenvil: đơn vị dùng là 0K được biểu thị bằng chữ K, còn thường được gọi là nhiệt độ tuyệt đối , dùng trong tính toán công thức chuyển đổi :

T = 273+ t

Ngoài ra theo hệ đo lường của Anh , Mỹ dùng thang đo độ Độ Fahrenheit, ký hiệu (độ

F hay °F), là một thang nhiệt độ được đặt theo tên nhà vật lý người Đức Gabriel Fahrenheit (1686–1736) - người đã đề xuất ra nó năm 1724

Hệ anh thường dùng là feet , galong …

Trong tính toán thường dùng đơn vị là m3

Chuyển đổi đơn vị 1 m3= 6,11 thùng =219,98 galong

I.1.4 Khối lượng và khối lượng riêng

Khối lượng được hiểu phổ thông nhất là sức nặng của vật trên mặt đất hay là thước đo

về lượng ( nhiều hay ít) của vật chất Thường được ký hiệu là M, m đơn vị đo cơ bản (kg) hoặc ( Pao – đơn vị Anh, Mỹ ), 1kg = 2.2046 Pao

Khối lượng riêng của một vật là khối lượng của một đơn vị thể tích vật đó

V

m



Trong đó:

 m – khối lượng của vật, [kg] ;

 V – thể tích của vật, [m3]

I.1.5 Công Suất

Công suất P (Power) là một đại lượng cho biết công do máy móc thiết bị tiêu thụ hay sản ra ΔW hay năng lượng biến đổi ΔE trong một khoảng thời gian T = Δt

Đơn vị: W

Công suất cơ

Trong chuyển động đều, thời gian Δt, khoảng cách ΔS, chuyển dộng với vận tốc v dưới tác dụng của lực F thì công suất được tính:

Trong chuyển động quay, thời gian Δt, góc quay Δφ, vận tốc góc ω dưới tác dụng của mômen M thì công suất là:

Bảng chuyển đổi đơn vị đo công, năng lượng:

Đơn vị của J=N.m= kg.m2/s2.Btu=1,055j=0,252 calo

Chuyển đổi đơn vị đo độ dài

1 m 1inch 1 foot 1 mile 1 nautical

I.1.6 Năng suất

Năng suất (phụ tải ) là đại lượng đặc trưng chỉ rõ lượng vật liệu vào hoặc sản phẩm ra khỏi hệ thống thiết bị, dây truyền sản xuất trong một đơn vị thời gian Đơn vị thường

là m3/h, tấn/h …

I.1.7 Lưu lượng ( đối với hợp khí thường được gọi là tốc độ không gian)

Lưu lượng ( tốc độ không gian) là lượng vật chất ( khối lượng hoặc thể tích ) chuyện động qua tiết diện ngang của đường ống, thiết bị trong một đơn vị thời gian thường ký hiệu là v đơn vị đo là m3/h, …

I.1.8 Vận tốc

Là lượng vật chất ( khối lượng hoặc thể tích) chuyển động qua đơn vị diện tích đường ống thiết bị trong một đơn vị thời gian ký hiệu W , đơn vị là m/s m/ h , kg/m2s Công thức:

𝑊 = 𝑉𝑓Trong đó :

 V là lưu lượng m3/s …

 F : tiết diện ngang của đường ống, thiết bị m2

I.1.9 Hiệu suất

Hiệu suất là tỷ lệ phần trăm giữa lượng sản phẩm thu được so với nguyên liệu vào

I.2.1 Nội Năng

Là lượng biến đổi năng lượng của hệ thống nhiệt động khi không xét đến các biến đổi động năng và thế năng của toàn bộ hệ thống

Nội năng phụ thuộc vào nhiệt độ và thể tích riêng U = f(T,v) Nội năng của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

Nội năng là thông số trạng thái không trực tiếp đo được mà phải tính toán

Đơn vị: kJ, kcal và kWh

Nếu trạng thái của chất môi giới là cân bằng, ta luôn luôn có:

U = G.u

Trong đó:

 U (kJ) – Nội năng tương ứng với khối chất môi giới có khối lượng G (kg)

 u (kJ/kg) – Nội năng tính theo 1kg chất môi giới

Entanpi của khí lý tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

Tương tự nội năng, ta không đo được entanpi mà phải tính toán

Đơn vị của entanpi giống đơn vị của nội năng

Đơn vị : kJ/kg.K đối với s ; kJ/K đối với S

I.3 Một số định luật cơ bản

I.3.1 Định luật Avôgadrô

Ở cùng một nhiệt độ và cùng một áp suất, các thể tích như nhau của các chất khí lí tưởng chứa cùng một số phân tử Số phân tử trong 22,4 lít chất khí lí tưởng ở điều kiện chuẩn (T = 00 C, P= 760mmHg) bằng số Avôgađrô

Số Avogadro: (thường kí hiệu NA) bằng số phân tử, nguyên tử hoặc ion trong một mol vật chất: NA = 6,02298.1023 /mol

Và 1kmol chứa thể thích là v = 22.4 m3, thường ký hiệu thể tích khí ở điều kiện tiêu chuẩn là Vo đơn vị là Hm3( ở Po = 760 mmHg) hoặc Nm3 ( điều kiện chuẩn quy định)

Hệ quả:Nồng độ thể tích của các cấu tử trong hỗn hợp khí chính là nồng độ mol của các cấu tử đó trong hỗn hợp khí

I.3.2 Định luật ĐanTơn

Trong điều kiện không có phản ứng hóa học xảy ra, áp suất của một hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của các cấu tử trong hỗn hợp khí đó

đó áp suất trong bình là P=0.7 bara đó chính là áp suất riêng phần của H2 là 0.7 bara

I.3.3 Định luật Gayluyxac (chỉ áp dụng với khí lý tưởng)

Quá trình đẳng áp: (P=const)

Trong quá trình đẳng áp thể tích của một khối khí tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối của nó

Từ đồ thị ta có hệ thức:

2 2 1

1

T

V T

Hoặc V/T= const (1.2)

Vt , V0 : thể tích của khối khí ở t0 C va 00 C

T, T0 : Nhiệt độ của khối khí.(T = t+2730 K, T0 = 2730 K)

I.3.4 Định luật Sac lơ

Quá trình đẳng tích: (V=const): trong quá trình đẳng tích, áp suất của một khối khí tỷ

lệ thuận với nhiệt độ

Từ đồ thị ta có: const

T

P T

P





2 2 1 1

(1.3)

Hay:

o

o t

T

T P

Pt và P0 - áp suất của khối khí ở toC và 0oC

T và T0 - nhiệt độ của khối khí.(T = t+2730 K, T0 = 2730 K)

I.3.5 Định luật Bôimariốt ( Chỉ áp dụng cho khí lý tưởng)

Với một lượng khí không đổi ở nhiệt độ không đổi, áp suất của một khối khí tỉ lệ nghịch với thể tích của nó

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa áp suất và thể tích khí khi nhiệt độ không đổi:

Từ đồ thị ta có:

P1.V1 = P2.V2= const (1.4)

Hay:

1 2 2

1

V

V P

P



1

2 2

1

V

V P

P

𝑉 3 = ⋯𝑃𝑛

𝑉 𝑛Trong đó P1,P2 Pn là áp suất hỗn hợp khí tương ứng với các thể tích V1,V2…Vn

I.3.6 Phương trình trạng thái khí lý tưởng

Các định luật Bôimariốt, Gayluyxắc, Saclơ chỉ áp dụng với khí lý tưởng Khí lý tưởng được quy ước như sau: kích thước phân tử không đáng kể có thể bỏ qua, không có lực liên kết giữa các phân tử khí

Trong thực tế thường cả 3 thông số P, V, T đều thay đổi vì vậy kết hợp cả ba định luật

 P1,V1,T1 ; là áp suất, thể tích, nhiệt độ của hỗn hợp khí ở trạng thái 1

 P2,V2,T2; là áp suất, thể tích, nhiệt độ của hỗn hợp khí ở trạng thái 2

Tổng quát với 1 mol khí ta có P.V/T = R = hằng số khí lý tưởng

Đối với hỗn hợp khí n mol ta có P.V/T= n.R ,

phương trình 1.5 là phương trình trạng thái khí lý tưởng trong đó

 R – là hằng số khí, thứ nguyên đơn vị và giá trị của R tùy thuộc vào thứ nguyên ( đơn vị) của P,V,T giá trị của nó như sau : R= 8,315 (m3.Pa/mol.K) khi đơn vị của P, V,T thay đổi ta phải tính toán chuyển đổi để xác định giá trị của R

Ví dụ : khi đơn vị P là at, V là l , T là K và đơn vị đo n là mol khi đó R=0.0821 ( l.at /mol.K)

Như vậy ta chỉ cần nhớ giá trị của R=8,315 (m3.Pa/mol.K) khi thứ nguyên của P,V,T

mà thay đổi ta tính được R tương ứng với thứ nguyên thay đổi bằng chuyển đổi đơn

vị

Phương trình (6.1) chỉ gần đúng cho khí thực, nó chỉ chính xác hơn nếu khi thực nằm trong trạng thái gần với khí lí tưởng tức là ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp trong vận hành có thể dùng nó để tính toán gần đúng với khí thực

Đối với tính toán thiết kế cần độ chính xác cao hơn đối với khí thực người ta dùng phương trình Vandecvan

Đối với 1 mol khí:

(P + a/v2).(V-b) = R.T

Đối với n mol khí:

𝑃 + 𝑎 (𝑛

𝑉)2(𝑉 − 𝑛 𝑏) = 𝑛 𝑅 𝑇 (1.6) Trong đó: a, b là các hằng số phản ánh tính chất của từng loại khí, nó là những giá trị

có được bằng nghiên cứu thực nghiệm, thường được tra từ các bảng, các đồ thị có sẵn trong sổ tay hóa học

I.3.7 Nguyên lý Lechatelier

Khi một phản ứng hóa học thiết lập trạng thái cân bằng động, nếu ta tác động một yếu

tố từ bên ngoài vào (thay đổi nồng độ, nhiệt độ, áp suất, thể tích) thì phản ứng sẽ dịch chuyển theo chiều để chống lại sự tác động đó

Nếu ta đưa thêm Cacbamat vào thì phản ứng có xu hướng dịch chuyển theo chiều tạo NH3 và CO2

2 Thay đổi nhiệt độ:

4 Ảnh hưởng của việc thêm khí trơ:

Giả sử thêm khí He vào bình chứa mà xảy ra phản ứng (1) Mặc dù nó không liên quan trực tiếp đến phản ứng, nhưng làm tăng áp suất của hệ hoặc tăng thể tích

- Nếu thể tích được giữ không đổi, thì áp suất riêng phần cũng không đổi mặc dù áp suất của hệ đã tăng khi thêm He vào Điều này có nghĩa là hằng số cân bằng cũng không đổi vì vậy cân bằng vẫn được duy trì không xảy ra sự dịch chuyển

- Nếu thể tích được phép tăng, nồng độ cũng như áp suất riêng phần của các cấu tử đều giảm Phản ứng sẽ dịch chuyển sang trái cho đến khi cân bằng được thiết lập trở lại

I.3.8 Ứng dụng của các định luật về trạng thái khí

Trong tính toán thiết kế dây chuyền sản xuất , vì hỗn hợp khí luôn thay đổi áp suất, thể tích, nhiệt độ , nên để thể hiện cân bằng vật chất giữa các thiết bị và các công đoạn trong dây chuyền một cách thống nhất, người ta quy hỗn hợp khí về điều kiện chuẩn P0=760 mmHg và

t0= 00c (T=2730 K) ký hiệu thể tích là Nm3, Hm3 song trong tính toán thiết kế thiết bị máy móc và chế độ hoạt động của nó phụ thuộc trạng thái P,V,T thực tế Vì vậy chúng ta phải nắm vững cách tính chuyển đổi từ số liệu ở điều kiện chuẩn sang điều kiện thực tế để có cơ sở đánh giá thực trạng công nghệ ở điều kiện đó Dựa vào các công thức chuyển đổi như sau:

Ta tính theo V theo V0(thường có sẵn trong PFD):

t là nhiệt độ bách phân của khí ở điều kiện thực tế

Tính thể tích lưu lượng ở điều kiện áp suất và t thực tế , từ phương trình (1.6)

Ta có 𝑉 =𝑃0

𝑃 𝑉0(1 + 𝑡

273) Như vậy nếu biết được P, V0, t ta có thể tính được thể tích ,lưu lượng ở điều kiện thực

tế

Ví dụ căn cứ vào số liệu thực tế PFD tính tốc độ không gian của hỗn hợp khí qua tháp T-3002 tại xưởng NH3 khi áp suất vận hành giảm còn P =20 barg tốc độ không gian tăng bao nhiêu phần trăm

Giải: Theo PFD ta có V0= 199980 Nm 3/h ( ở điều kiện P0=750 mm Hg= 1 bar to=00c )

Nhiệt độ khi vào tháp là t=75 0C , áp suất vận hành Pa= 27.5 barg

Thường trong sản xuất khi năng suất ( phụ tải ) thay đổi thì lưu lượng , vận tốc thựa tế thay đổi tỷ lệ thuận lợi với phụ tải ví dụ khi chạy máy với phụ tải 90% thiết kế, khi các điều kiện áp suất , nhiệt độ ít thay đổi thì lưu lượng vận tốc thực tế cùng là 90% so với lưu lượng , tốc độ thiết kế, khi phụ tải sản xuất không đổi , nhiệt độ ít thay đổi thì lưu lượng vận tốc thực tế tỷ lệ nghịch với sự thay đổi của áp suất vận hành ví dụ : khi chạy máy với phụ tải 100% thiết kế nếu áp suất vận hành chỉ bằng 90% áp suất thiết kế khi đó lưu lượng và vận tốc thực tế tăng là 1/0.9=1,11 lần

I.3.9 Một số lưu ý khi áp dụng công thức trong tính toán

Khi tính toán một thông số vật lý nào thường ta phải dùng công thức để áp dụng tính toán , để tránh sai sót cần chú ý:

 Các đơn vị dùng cho các đại lượng dùng trong công thức

 Các thông số của các đại lượng cho trước

 Chuyển đổi các đơn vị của các đại lượng về đơn vị đơn vị dùng trong công thức

Ví dụ: tính thể tích m3 5 kmol khí H2 ở điều kiện Pdu= 5 barg nhiệt độ t= 300c

và điều kiện thực tế (bar), t là nhiệt độ khí ở 0C

1) Chuyển đổi 500F sang thang đo 0C, 0K

2) Độ chân không của thiết bị ngưng tụ máy nén là 0.92 barg hỏi áp suất trong thiết bị là bao nhiêu bar?

3) Tính giá trị của hằng số lý tưởng R khi đơn vị của nó là J/k.mol ; cal/mol K : ml.atm/mol./k;

m3.bar/mol.K

4) Tính số mol hỗn hợp khi vào tháp hấp thụ 10T3002 xưởng NH3 và tính áp suất riêng phần của cá khí trong hỗn hợp, số liệu lấy trong PFD của xưởng NH3

5) Tính lưu lượng (tốc độ không gian) m3/s, vận tốc (m/s) hỗn hợp khí trong đường ống cửa

ra tháp chuyển hóa nhiệt độ cao; số liệu lấy trong PFD xưởng NH3(đường kính ống ra là

24 inch)

Chương 2 CHUYỂN ĐỔI TRẠNG THÁI CỦA VẬT CHẤT

Khi điều kiện tồn tại (nhiệt độ, áp suất) thay đổi các chất có thể chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác, sự chuyển đổi đó gọi là sự chuyển pha Sơ đồ chuyển pha của các chất như sau:

II.1 Sự chuyển thể từ rắn sang lỏng và ngược lại:

Quá trình chuyển từ thể rắn sang thể lỏng của các chất gọi là sự nóng chảy Quá trình chuyển ngược từ thể lỏng sang thể rắn của các chất gọi là sự đông đặc

II.1.1 Nhiệt độ nóng chảy (đông đặc):

Nhiệt độ nóng chảy là nhiệt độ mà chất rắn chuyển sang dạng lỏng nó sẽ không thay đổi trong suốt quá trình nóng chảy của vật chất Nhiệt độ nóng chảy của các chất thường tăng khi áp suất bên ngoài tăng Khi nóng chảy thì thể tích của chất đó tăng Ngược lại, đối với các chất có thể tích giảm khi nóng chảy, nhiệt độ nóng chảy của chúng giảm khi áp suất bên ngoài tăng

II.1.2 Nhiệt nóng chảy:

Nhiệt lượng cung cấp cho vật rắn trong quá trình nóng chảy gọi là nhiệt nóng chảy của

vật rắn Nhiệt nóng chảy Q tỉ lệ với khối lượng m của vật rắn:

- M: Khối lượng nóng chảy (kg)

Từ công thức trên suy ra: Nhiệt nóng chảy riêng của một chất có độ lớn bằng nhiệt lượng cần cung cấp để làm nóng 1 kg chất đó ở nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt nóng chảy riêng của 1 chất phụ thuộc vào bản chất của chất đó thường được tra trong các bảng có sẳn trong các sổ tay hóa lý

II.2 Sự chuyển thể từ pha lỏng sang pha khí (hơi):

II.2.1 Sự bay hơi:

Sự chuyển từ thể lỏng sang thể khí (hơi) ở mặt thoáng chất lỏng gọi là sự bay hơi Quá

trình chuyển ngược lại từ thể khí (hơi) sang thể lỏng gọi là sự ngưng tụ

Nguyên nhân của quá trình bay hơi là do một số phân tử chất lỏng ở mặt thoáng có động năng chuyển động nhiệt lớn nên chúng có thể thắng được công cản do lực hút của các phận tử chất lỏng nằm trên mặt thoáng để thoát ra khỏi mặt thoáng và trở thành phân tử hơi của chính chất ấy Đồng thời khi đó cũng xảy ra cũng xảy ra quá trình ngưng tụ do

một số phân tử hơi của chất này chuyển động nhiệt hỗn loạn va chạm vào mặt thoáng và

bị các phân tử chất lỏng nằm trên mặt thoáng hút vào pha lỏng

Như vậy sự ngưng tụ luôn xảy ra kèm theo sự bay hơi Sau mỗi đơn vị thời gian, nếu số phân tử chất lỏng thoát khỏi mặt thoáng nhiều hơn thì ta nói chất lỏng bị "bay hơi" Ngược lại ta nói chất lỏng bị ngưng tụ

II.2.2 Áp suất hơi bảo hòa (P bh ):

a Định nghĩa:

Áp suất hơi bảo hòa của một chất là áp suất riêng phần của chất đó trên bề mặt thoáng của chất lỏng ấy mà khi đó xẩy ra quá trình bay hơi và ngưng tụ bằng nhau

b Tính chất của áp suất hơi bảo hòa:

- Phụ thuộc vào bản chất của chất đó

- Phụ thuộc vào nhiệt độ Khi nhiệt độ thay đổi thì Pbh thay đổi theo và khi nhiệt độ tăng thì Pbh tăng

- Không phụ thuộc vào thể tích mặt thoáng

Áp suất hơi bảo hòa của chất lỏng thường được tra cứu tại bảng số liệu có sẳn trong các

Ví dụ: Ở to – 100 oC áp suất hơi bão hoà của nước là Pbh = 1 at bằng với áp suất của khí quyển trên bề mặt thoáng của nước, dẫn đến nước sôi; ở trên núi cao áp suất khí quyển giảm đi thì nhiệt độ sôi của nước cũng giảm theo

b Tính chất của quá trình sôi:

- Ở mỗi điều kiện áp suất, mỗi chất lỏng sôi ở một nhiệt độ xác định và nhiệt độ sôi không thay đổi trong quá trình sôi

- Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng đó

- Nhiệt độ sôi phụ thuộc vào áp suất trên bề mặt thoáng của chất lỏng đó, áp suất càng cao thì nhiệt độ sôi càng cao và ngược lại

- Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào áp suất thường được tra cứu trong các sổ tay hoá học

c Nhiệt hoá hơi:

Định nghĩa: Nhiệt hoá hơi là nhiệt cung cấp cho khối chất lỏng trong quá trình sôi của chất lỏng đó ở nhiệt độ sôi

Công thức: Q = r.m

Trong đó: Q: nhiệt hoá hơi (J);

m: lượng chất lỏng đã biến thành hơi (kg);

r: nhiệt hoá hơi riêng (J/kg); là nhiệt lượng cung cấp để bay hơi 1 kg chất lỏng ở nhiệt

độ sôi

Tính chất của nhiệt hoá hơi riêng:

- Phụ thuộc vào bản chất của chất lỏng

- Phụ thuộc vào nhiệt độ Thường thì khi nhiệt độ tăng thì r giảm Nhiệt hoá hơi của các chất có thể được tra cứu ở các bảng có sẵn trong các sổ tay hoá học

II.2.4 Hơi quá nhiệt

Ở một áp suất nhất định, khi nhiệt độ của hơi lớn hơn nhiệt độ hơi bão hoà của chất đó thì hơi được gọi là hơi quá nhiệt (hơi khô)

Ví dụ: hơi nước ở điều kiện P = 5 at và nhiệt độ to = 160 oC; tra bảng ta có ở P =5 at, nhiệt

độ hơi bão hoà (nhiệt độ chất lỏng sôi) là to bh = 151 oC; ta có to =160 oC > tobh = 151 oC vậy hơi ở đây là hơi quá nhiệt (khô)

Đối với một chất trong quá trình đun nóng hoặc làm nguội nó thì lượng nhiệt cung cấp (hoặc làm mát) trong quá trình chuyển pha (nóng chảy, bốc hơi, đông kết, ngưng tụ) là lớn hơn rất nhiều so với khi không có chuyển pha Điều này rất có ý nghĩa trong thực thế cần lưu ý

Ví dụ: Đối với nước và hơi nước, khi cần nâng thêm hoặc nguội đi 1 oC chỉ cần khoảng 1 kcal cho 1 kg, nhưng khi cần đun sôi hoặc ngưng tụ thì cần lượng nhiệt khoảng 500 kcal cho 1 kg; gấp 500 lần

Nhà máy Đạm Phú Mỹ, trong dây chuyền sản xuất có hai chất dễ bay hơi là H2O và NH3 tham gia hầu hết vào các quá trình công nghệ:

Đối với H2O, dùng để làm lạnh, hơi nước quá nhiệt được sản xuất để làm động lực vận hành các máy nén và các bơm lớn, được dùng làm nguyên liệu để sản xuất NH3 và cấp nhiệt cho một số thiết bị Hơi nước bão hoà được dùng cấp nhiệt cho các thiết bị đun sôi tại xưởng Urea… Hơi nước bão hoà trong các dòng khí công nghệ có mặt tại hầu hết các quá trình

Đối với NH3 là sản phẩm của xưởng NH3, nó cũng có mặt ở rất nhiều thiết bị, và quá trình công nghệ trong nhà máy…

Vì vậy cần hiểu biết rất sâu về tính chất hoá lý đặc biệt là áp suất hơi bão hoà, hơi quá nhiệt, các thông số hoá lý như nhiệt dung, áp suất bão hoà, ẩn nhiệt hoá hơi… đối với H2O

và NH3 là rất cần thiết đối với kỹ sư và công nhân vận hành nhà máy Bảng về các thông

số hoá lý của 2 chất này được đưa ra trong phụ lục đính kèm giáo trình này để học viên cập nhật, xử dụng khi cần thiết trong công việc vận hành

Để minh hoạ, chúng ta cùng xét một số vận dụng kiến thức của chương này với công nghệ của nhà máy

- Áp suất dư ở đỉnh: Pdư đỉnh = 0.34 barg => Ptuyệt đối = 1.34 bar

- Lưu lượng khí ra khỏi đỉnh: Go = 17826 Nm3/h

Thực trạng của thiết bị này đã có hiện tượng bung, sập bộ phân ly đỉnh tháp và có hiện tượng cuốn đệm sang thiết bị 10 – V 3001 Nguyên nhân là do lưu lượng dòng khí ra khỏi đỉnh tháp quá lớn Thực tế trong thao tác công nghệ có nhiều thời điểm vận hành để nhiệt

độ tao tác tại đỉnh tháp đạt 97 – 98 oC Ta thử tính toán khi tđo = 97 oC thì khí ra khỏi đỉnh tháp lớn hơn khi thao tác ở chỉ tiêu tđ = 90.7 oC là bao nhiêu

Tra sổ tay: áp suất bão hoà của nước ở nhiệt độ 90.7 oC là 0.74 bar; ở 97 oC là 0.93 bar Khí ra khỏi đỉnh tháp chỉ có CO2 và H2O nên thành phần của chúng tỉ lệ với áp suất riêng phần của chúng

PCO2= P - PH2O = 1.34 – 0.93 =0.41 bar

Như vậy lượng hơi nước sẽ là

GH2O = GCO2 x 0.93/0.41 = 18106 Nm3/h

Tổng lượng khí ra khỏi đỉnh tháp 10 – T 3001 ở điều kiện nhiệt độ đỉnh tđỉnh = 97 oC là:

Do ảnh hưởng lớn của nhiệt độ đỉnh 10T3001 khi tăng cao đối với thiết bị, phòng CNSX

đã có bảng tính toán cụ thể cho từng mức nhiệt độ khác nhau để vận hành tại cương vị này nắm vững để phòng ngừa

Công thức tính:

PH2O = P GH2 O

GK+ GH2O = CH2 O P Trong đó: PH2O – là áp suất riêng phần của hơi nước trong dòng khí công nghệ;

GH2O – lượng hơi nước trong dòng khí công nghệ

GK – là dòng khí công nghệ khô;

CH2O – thành phần của hơi nước trong dòng khí công nghệ vào 10R – 2005 (%V)

P – áp suất vận hành của R – 2005, bar

Như vậy PH2O (tương ứng tbh của H2O) hoàn toàn phụ thuộc vào áp suất của hệ thống và

tỉ lệ Steam/Cacbon tại đầu dây chuyền sản xuất

Thử tính toán theo số liệu tại PFD:

P = 30.1 bar; GK = 191587 Nm3/h ; GH2O = 64720 Nm3/h ;

nhiệt độ khí vào 10 R – 2005 là 190 oC ;

Ta có :

PH2O = 30.1 x 64720

191587 + 64720 = 30.1 x 0.2525 = 7.6 bar Tra bảng: tại PH2O = 7.6 bar thì nhiệt độ bão hoà của hơi nước là 167 oC so với nhiệt độ của dòng khí công nghệ là: 190 – 167 = 23 oC như vậy là an toàn cho xúc tác

Nhận xét: Trong điều kiện chạy lại máy, tỷ lệ hơi nước lúc thấp tải có thể cao hơn bình thường, làm tăng Pbh của hơi nước dẫn đến tăng nhiệt độ bão hoà hơi nước, để an toàn nên vận hành ban đầu ở áp suất thấp hơn thì áp suất riêng phần của hơi nước sẽ giảm, tức là nhiệt độ hơi bão hoà của hơi nước sẽ giảm

Minh hoạ 3:

Tính lượng NH3 từ tháp 20T1005 sang tháp hấp thụ 20T1003 xưởng Ure Điều kiện theo PFD:

P = 20.5 bar; t = 30 oC ; lượng khí trơ: GK = 624 Nm3/h

Giải: tra bảng tại t = 30 oC , áp suất hơi bão hoà của NH3 là PNH3 = 11.895 bar

Ta có: P = PNH3 + PK trong đó PK là áp suất riêng phần của khí trơ ( N2, O2, H2, CH4, …)

 PK = 20.5 – 11.895 = 8.605 bar

GNH3 = GK PNH3

PK = 624

11.8958.605 = 862.6

Nm3

h = 862.6

1722.4 = 655 kg/h Nhận xét: lượng NH3 từ 20T1005 sang 20-T1003 càng lớn thì phải dùng nước hấp thụ NH3 tại 20-T1003 tăng => nước quay lại hệ thống tổng hợp tăng, không có lợi cho cân bằng toàn hệ thống => vì vậy trong vận hành giảm lượng NH3 này tương ứng với giảm lượng nước đưa vào 20-T1003 để hấp thụ NH3 càng thấp càng tốt

Lượng NH3 từ 20-T1005 sang 20-T1003 giảm trong các trường hợp sau:

- Tăng áp suất vận hành trung áp, khi đó tỷ lệ áp suất riêng phần NH3 trên áp suất chung

sẽ giảm song tăng áp suất hệ trung áp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất phân giải hệ trung áp, thường trong vận hành giảm áp suất trung áp càng thấp càng tốt

- Giảm nhiệt độ khí NH3 ra khỏi T1005 là cách tốt nhất để giảm lượng NH3 từ T1005 sang 20-T1003 bằng cách: giảm nhiệt độ NH3 từ xưởng NH3 cấp sang, tăng cường hiệu quả làm lạnh ngựng tụ NH3 tại 20-E1009

20-Minh hoạ 4:

Xem xét nguyên nhân sự cố ngày 18/02/2012 tại cương vị nồi hơi phụ trợ để xảy ra nước mang theo vào hệ hơi quá nhiệt trung áp thời giai dài dẫn đến sự cố nghiêm trọng tại xưởng NH3 Qua sự việc chứng tỏ công nhân và trưởng ca xưởng không hiểu biết về kiến thức hơi bão hoà và hơi quá nhiệt

Nồi hơi phụ trợ có nhiệm vụ sản xuất hơi trung áp quá nhiệt có P = 38 barg và t = 380 oC

; ở áp suất 38 barg ( 39 bar tuyệt đối) tra bảng ta có nhiệt độ hơi nước bão hoà là 250 oC Nguyên lý làm việc của hệ thống này như sau: hơi nước bão hoà ở P = 38 barg, 250 oC sinh ra tại bộ trao đổi nhiệt tại buồng đốt được đưa về mặt thoáng của thùng 10B8001/V1, tại đây giữ mức nước ổn định để tự chảy xuống trao đổi nhiệt buồng đốt để sinh hơi Hơi bão hoà sinh ra được đưa qua 2 trao đổi nhiệt SH1 và SH2 để tiếp tục gia nhiệt thành hơi quá nhiệt ở nhiệt độ 380 – 390 0C Khi để mức tại V1 cao quá sẽ có hiện tượng cuốn nước theo hơi bão hoà sang bộ quá nhiệt SH1, SH2 Trong sản xuất bình thường nếu nhiệt độ hơi sau bộ quá nhiệt có xu hướng giảm dần không đạt chỉ tiêu là biểu hiện có mang nước

từ V1 theo hơi bão hoà, vì khi đó các bộ quá nhiệt SH1, SH2 không chỉ cấp nhiệt làm quá nhiệt hơi bão hoà mà còn phải làm bay hơi lượng nước mà hơi bão hoà mang theo do đó không cấp đủ nhiệt để đạt nhiệt độ quá nhiệt theo yêu cầu, khi có hiện tượng đó người vận hành phải kiểm tra và điều chỉnh mức của V1 Trường hợp nhiệt độ hơi nước sau bộ quá nhiệt SH2 giảm xuống nhiệt độ bão hoà t = 250 oC, tức là hiện tượng mạng nước theo hơi bão hoà tại V1 đã rất nghiệm trọng gây nguy hiểm cho các bộ quá nhiệt SH1, SH2; người vận hành phải ngay lập tức cắt giảm mạnh lượng nước cấp vào nồi hơi, thậm chí phải ngừng khẩn cấp hệ thống nồi hơi phụ trợ Sự cố ngày 18/02/2012 để xảy ra kéo dài 20 phút thật là không đáng có

Trên đây chỉ là 4 ví dụ minh hoạ, còn rất nhiều vấn đề kỹ thuật trong nhà máy liên quan đến kiến thức bão hoà và quá nhiệt của H2O và NH3, hiểu biết về vấn đề này sẽ giúp cho vận hành an toàn và hiệu quả hơn Phần bài tập sẽ đề cập những vấn đề này

Câu hỏi và Bài tập ứng dụng Chương 2

1 Tại sao các bộ trao đổi nhiệt dùng hơi nước để cấp ngưng tụ nhiệt phải có đường ven khí trơ?

2 Tại sao khi cấp lại mạng hơi nước phải tiến hành sấy mạng hơi từ từ và phải thải nước liên tục trong suốt quá trình sấy?

3 NH3 lỏng chứa trong 2 bình có áp suất khác nhau, có nhiệt độ bằng nhau, hỏi áp suất bão hoà của NH3 lỏng ở hai bình có bằng nhau không? Tại sao lại có sự khác nhau về

áp suất?

Xưởng phụ trợ:

4 Nêu và giải thích các nguyên nhân gây nên áp suất bồn chứa NH3: 40-TK5001 tăng cao?

5 Áp suất vận hành của thùng chứa nước nồi hơi 10-V-8001 phụ thuộc vào yếu tố nào?

Có nên duy trì áp suất vận hành cao không?

6 Áp suất ngưng tụ NH3 tại 40-PK-5001/E/V2 phụ thuộc vào yếu tố nào?

- Áp suất tại 1009 theo thiết kế là: P=20,5bar nhiệt độ NH3 ngưng tụ tại

20E-1009 là 42 oC, lượng khí trơ (O2, N2…) là 494 Nm3/h

- Áp suất tại E-1009 ở điều kiện sản suất hiện tại là P=17,5 bar, nhiệt độ ngưng tụ NH3 là 37 oC, lượng khí trơ là 494 Nm3/h

So sánh ý nghĩa của hai kết quả đối với sản suất

9 Khi ngừng máy chạy tuần hoàn bơm P1005, P1001 thời gian dài áp suất tại V1005 tăng và bơm 20-P1005 dễ bị xâm thực?giải thích

20-10 Lượng nước thải tại các phân li máy nén CO2 phụ thuộc vào yếu tố nào? Tính lượng nước thải từ các phân li tại máy nén CO2, theo các thông số có tại PFD

Xưởng NH3:

11 Tại sao trong sản phẩm NH3 sản xuất tại xưởng NH3 lại có nước? Tính hàm lượng nước có trong sản phẩm NH3, theo các số liệu có tròng PFD Đề xuất biện pháp tăng chất lượng sản phẩm

12 Tính lượng nước thải tại các phân li trung gian giữa các đoạn của máy nén 10-K4021, 10-K4031 theo số liệu có trong PFD

13 Tính lượng nước trong dòng khí công nghệ vào và ra tháp 10-T3002, các số liệu theo PFD

14 Giải thích trên PFD công đoạn tổng hợp NH3: Tại sao khi trộn dòng khí từ đoạn 3 máy nén 10K4031 có nhiệt độ là 22 0C với dòng khí công nghệ sau 10-E5007 có nhiệt độ

là 12,7 0C ta lại được dòng khí hỗn hợp có nhiệt độ thấp là 9,2 0C

15 Tại sao cùng nhiệt độ làm lạnh tại phân li 10-V5001 là -5 0C thì khi tăng áp suất hệ thống tổng hợp thì hàm lượng NH3 vào tháp tổng hợp lại giảm?

Tính cho 02 trường hợp:

+ P =125 bar , to = -5 oC + P =135 bar , to = -5 oC

16 Tính toán lượng NH3 ngưng tụ tại: 10-E-5004 xưởng NH3 Số liệu lấy từ PFD Khi khí công nghệ ra 10-E5004 giảm từ 41 oC xuống từ 37 oC thì lượng NH3 ngưng tụ tăng thêm bao nhiêu %? Công suất của 10-K4041 giảm được bao nhiêu %

17 Nêu các hiện tượng xảy ra khi có sự cố cuốn NH3 lỏng theo khí NH3 vào máy nén K4031: Áp suất vào ra các đoạn, lưu lượng, nhiệt độ ra vào các đoạn, công suất máy nén… Giải thích các hiện tượng đó

10-18 Tính lượng nước ngưng tụ trong khi công nghệ tại các thiết bị 10-E3002, 10-E3005

số liệu lấy trong PFD

Phụ lục đính kèm:

1 Bảng số liệu hoá lý của nước (xem chi tiết ở Phụ lục)

2 Bảng số liệu hoá lý của NH3 (xem chi tiết ở Phụ lục)

Chương III ĐỘNG HÓA HỌC – CÂN BẰNG PHẢN ỨNG

III.1 Động hóa học:

Các phản ứng khác nhau, trong những điều kiện nồng độ, nhiệt độ như nhau nhưng lại tiến hành với những tốc độ khác nhau Động hóa học nghiên cứu về tốc độ diễn tiễn của các phản ứng hóa học và nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng vào các yếu tố như nồng độ, nhiệt độ, xúc tác…

III.1.1 Vận tốc trung bình và vận tốc tức thời:

Định nghĩa: Vận tốc của một phản ứng được xác định bằng độ biến thiên nồng độ

của chất phản ứng trong 1 đơn vị thời gian

- Vận tốc trung bình là sự biến thiên nồng độ của chất phản ứng cho khoảng thời gian phản ứng xảy ra

VTB = ± ∆C/∆t Trong đó:

∆t = t2- t1: biến thiên thời gian từ thời điểm t1 đến thời điểm t2

∆C = C2- C1: C1, C2 là nồng độ các chất phản ứng tại thời điểm t1 đến thời điểm t2

Dấu (+) khi biến thiên đơn vị mol/l của chất tạo thành sản phẩm Dấu (-) khi biến thiên của chất tham gia phản ứng

- Vận tốc thời là vận tốc trung bình tính cho biến thiên thời gian vô cùng nhỏ:

- Định luật tác dụng khối lượng: Trong một môi trường đồng thể (một pha) ở

nhiệt độ không đổi, vận tốc của một phản ứng tỷ lệ thuận với tích số nồng độ của chất tham gia phản ứng, nồng độ mỗi chất được lũy thừa lên 1 số lần bằng

hệ số tỷ lượng của các chất trong phương trình phản ứng

Trong đó k gọi là hằng số tốc độ, k phụ thuộc vào từng loại phản ứng và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng, hằng số k thường được tra trong các bảng, đồ thị có sẵn trong các sổ tay

Công thức (1) thể hiện tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ của các chất tham gia phản ứng

III.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến vận tốc phản ứng

Khi tăng nhiệt độ tốc độ phản ứng tăng lên rất nhiều, tức là theo công thức (1) thì khi nhiệt độ tăng thì hằng số tốc độ tăng rất cao

Qua nghiên cứu người ta thấy rằng khi tăng thêm 100C thì vận tốc phản ứng tăng

từ 2-4 lần Số lần vận tốc phản ứng tăng khi nhiệt độ tăng lên 100C người ta gọi là

hệ số nhiệt độ, thường ký hiệu là ω

Chất xúc tác là chất khi nó có mặt trong phản ứng thì làm biến đổi vận tốc phản ứng (tăng hoặc giảm) hoặc nó kích thích phản ứng, sau khi phản ứng đã kết thúc thì nó vẫn không bị thay đổi về lượng và về phương diện hóa học

Chất xúc tác có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phản ứng, nó có thể làm tăng hoặc giảm vận tốc phản ứng đến hàng trăm, hàng nghìn thậm chí hằng triệu lần Nó cũng

có thế kích thích nhiều phản ứng mà nếu không có nó thì thực tế phản ứng không xảy ra trong điều kiện khảo sát Mức độ làm tăng vận tốc phản ứng của chất xúc tác người ta gọi là hoạt tính của xúc tác

Hoạt tính của xúc tác dị thể phụ thuộc vào:

- Thành phần, cấu tạo của xúc tác

- Độ lớn của bề mặt xúc tác: bề mặt càng lớn hoạt tính càng cao, thường thì hạt xúc tác có nhiều lỗ nhỏ (mao quản) để tăng bề mặt xúc tác

- Tính chất của bề mặt xúc tác: thành phần hóa học của bề mặt, cấu tạo và trạng thái của bề mặt xúc tác

Trong quá trình sử dụng, hoạt tính của xúc tác thường bị suy giảm do những nguyên nhân sau:

- Xúc tác bị ngộ độc do có chất lạ trong hỗn hợp chất tham gia phản ứng, chất lạ được hấp phụ hoặc phản ứng với chất xúc tác làm biến đổi cấu tạo, hoặc giảm bề mặt của xúc tác

Ví dụ như xúc tác tổng hợp NH3, khi có mặt của hợp chất có lưu huỳnh nó sẽ hấp thụ và phản ứng với Fe trong xúc tác tạo thành hợp chất trên xúc tác gây ngộ độc vĩnh viễn xúc tác Khi có mặt của O2, xúc tác sẽ phản ứng với Fe trong xúc tác tạo thành Fe2O3 không có tác dụng hoạt tính Khi không có mặt của O2, oxit sắt sẽ được hoàn nguyên dần thành Fe hoạt tính,trường hợp này gọi là ngộ độc tạm thời Đối với mỗi loại xúc tác, có 1 số chất lại gây ngộ độc khác nhau, được nhà chế tạo xúc tác khuyến cáo

+ Xúc tác bị già cỗi bị kết khối do nhiệt độ vận hành cao gây giảm bề mặt của xúc tác hoặc do bụi sản phẩn phụ nào đó tích tụ trên bề mặt, bịt các mao quản dẫn đến làm giảm bề mặt tiếp xúc của xúc tác

III.2 CÂN BẰNG HÓA HỌC

III.2.1 Phản ứng 1 chiều, phản ứng thuận nghịch, trạng thái cân bằng

a Phản ứng 1 chiều: phản ứng 1 chiều là phản ứng tiến hành cho đến lúc một

hoặc tất cả các chất ban đầu (chất phản ứng) đã tác dụng hết

Ví dụ 2H2 + O2 = 2 H2O + Q

Nó sẽ tiến hành đến lúc hết O2, hoặc hết H2 hoặc hết cả hai

Trong phản ứng 1 chiều 2 vế của phương trình phản ứng được nối với nhau bằng dấu = Phản ứng 1chieeuf còn được gọi là phản ứng hoàn toàn

b Phản ứng thuận nghịch(Phản ứng không hoàn toàn): là phản ứng tiến hành

đồng thời theo hai chiều ngược nhau

Ví dụ: CO + H2O ⇌ CO2 + H2 + Q

N2 +3 H2 ⇌ 2 NH3 + Q Hai vế của phương trình phản ứng thuận nghịch được nối liền bằng 2 mũi tên ngược chiều nhau

Phản ứng theo chiều từ trái sang phải gọi là phản ứng thuận, phản ứng theo chiều ngược lại gọi là phản ứng nghịch

c Trạng thái cân bằng: Phản ứng thuận nghịch gồm 2 phản ứng tiến hành đồng

thời ngược nhau nên vận tốc v của phản ứng thuận nghịc được xác định bằng hiệu số giữa vận tốc vth của phản ứng thuận và vng của phản ứng nghịch

Ví dụ: tại thời điểm t nồng độ của các chất tham gia phản ứng:

mA + nB = pC + qD Lần lượt là CA, CB, CC, CD hằng số tốc độ của phản ứng thuận là k1 của phản ứng nghịch là k2 thì ta có

V = vth – vng = k1.CAm CB = k2.CCp CDqTrong quá trình phản ứng nồng độ của các chất A, B ngày càng giảm, nồng độ các chất sản phẩm C, D ngày càng tăng, do đó vth ngày càng giảm và vng ngày càng tăng đến 1 lúc nào đó vận tốc thuận và vận tốc nghịch bằng nhau:

Vth = vng

V = vth – vng = 0 Lúc đó ta gọi phản ứng đạt đến trạng thái cân bằng

Trạng thái cân bằng của phản ứng thuận nghịch là trạng thái cân bằng động, vì lúc đó phản ứng không phải đã dừng hẳn mà trái lại vẫn tiến hành liên tục theo hai chiều ngược nhau nhưng vận tốc bằng nhau, nồng độ các chất ngừng biến đổi nên bên ngoài ta tưởng như phản ứng đã kết thúc

III.2.2 Phương trình hằng số cân bằng

Đối với phản ứng thuận nghịch ta có:

V = vth – vng = k1.CAm CBn - k2.CCp CDqKhi ở trạng thái cân bằng v = 0 thì

𝐾 = 𝐶𝑐

𝑝

𝐶𝑑𝑞

𝐶𝐴𝑚𝐶𝐵𝑛 (II) Phương trình (II) được gọi là phương trình hằng số cân bằng

Vì hằng số tốc độ k1, k2 chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không phụ thuộc vào nồng độ của các chất tham gia và tạo thành sau phản ứng nên Hằng số cân bằng K không phụ thuộc vào nồng độ các chất tham gia và tạo thành sau phản ứng và K chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ Đối với phản ứng tỏa nhiệt K giảm khi nhiệt độ tăng, đối với phản ứng thu nhiệt thì K tăng khi nhiệt tăng Hằng số cân bằng theo nhiệt độ của các phản ứng hóa học thường được tra cứu trong các sổ tay hóa học hoặc tài liệu chuyên ngành

Chú ý: Khi chất tạo thành là chất rắn, thì trong phương trình hằng số cân bằng

không có mặt nồng độ chất rắn

III.2.3 Sự chuyển dịch cân bằng – nguyên lý Lơsatơliê

Hiện tượng do tác động của bên ngoài, trạng thái cân bằng cũ bị phá vỡ để chuyển đến một trạng thái cân bằng mới gọi là sự chuyển dịch cân bằng

Chiều chuyển dịch cân bằng của một hệ cân bằng khi có tác động của bên ngoài (như nhiệt độ, áp suất, nồng độ) được gọi là nguyên lý Lơsatơlie, được phát biểu

như sau: “khi một hệ đang ở trạng thái cân bằng, nếu ta thay đổi nồng độ, hoặc

thay đổi nhiệt độ, áp suất của hệ thì cân bằng sẽ bị chuyển dịch theo chiều có tác dụng chống lại sự thay đổi vừa nói trên”

Áp dụng nguyên lý Lơsatơlie khi có các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển dịch cân bằng:

a) Nồng độ các chất: Khi tăng nồng độ của một chất trong hệ phản ứng sẽ làm cân

bằng chuyển dịch theo chiều làm giảm chất đó, ngược lại sự giảm nồng độ của một chất trong hệ phản ứng sẽ làm cho cân bằng chuyển dịch theo hướng tăng nồng độ chất đó Vì vậy:

- Muốn phản ứng cho nhiều sản phẩm có thể tăng nồng độ chất ban đầu hoặc giảm nồng độ chất sản phẩm

- Muốn ngăn ngừa không cho phản ứng xảy ra có thể thêm vào hệ phản ứng một lượng dư chất sản phẩm

- Khi muốn một chất ban đầu tham gia phản ứng một cách tối đa phải dùng thật dư chất ban đầu khác

- Một sự tăng áp suất bất kỳ sẽ làm chuyển dịch cân bằng theo chiều làm giảm

áp suất nghĩa là theo chiều làm giảm số phần tử khí Có nghĩa là đối với các

phản ứng tăng thể tích thì khi tăng áp suất phản ứng sẽ xảy ra theo chiều nghịch để giảm thể tích, chống lại sự tăng áp suất

- Một sự giảm áp suất bất kỳ sẽ chuyển dịch cân bằng theo chiều làm tăng áp suất, nghĩa là theo hướng làm tăng số phân tử khí Có nghĩa là đối với phản ứng tăng thể tích thì khi tăng áp suất phản ứng sẽ xảy ra theo chiều thuận để tăng thể tích chống lại sự giảm áp suất

- Đối với phản ứng không thay đổi thể tích, thì sự tăng hay giảm áp suất không làm chuyển dịch cân bằng

(Ghi chú: phản ứng tăng thể tích là phản ứng có số mol chất tạo thành nhiều hơn

số mol chất tham gia phản ứng Ví dụ:

N2 + 3H2 ⇄ 2 NH3 ( là phản ứng giảm thể tích) CH4 + 2H2O ⇄ CO2 + 4H2 ( là phản ứng giảm thể tích)

Ví dụ: minh hoạ các nhân tố ảnh hưởng đến chuyển dịch cân bằng:

Xét phản ứng tổng hợp NH3 : N2 + 3H2 ⇄ 2 NH3 + Q Đặc điểm của phản ứng này là:

- Phản ứng toả nhiệt;

- Giảm thể tích: số mol chất tham gia là 4, số mol sản phẩm là 2 Xét về sự thay đổi nồng độ của các chất: giả sử ở cùng nhiệt độ không thay đổi, phản ứng đang ở trạng thái cân bằng vth = vng ; nếu ta tăng nồng độ của N2 hoặc H2 ta có

vth = kth CH32 CN2 sẽ tăng, tức là vth > vng => phản ứng xảy ra theo chiều thuận tức

là nồng độ N2 hoặc H2 sẽ giảm để chống lại việc tăng nồng độ H2 hay N2 ban đầu Xét về sự thay đổi áp suất: Giả sử phản ứng đang ở trạng thái cân bằng, ta có:

Xét về sự thay đổi nhiệt độ: phản ứng tổng hợp NH3 là phản ứng toả nhiệt, nên phản ứng nghịch tạo thành H2 và N2 là phản ứng thu nhiệt Khi tăng nhiệt độ thì tốc độ vth

và vng đều tăng, song đối với phản ứng toả nhiệt thì vận tốc tăng thấp hơn, và vận tốc của phản ứng thu nhiệt tăng nhanh hơn, do vậy cân bằng chuyển dịch theo chiều thu nhiệt tức là phản ứng nghịch để chống lại sự tăng nhiệt độ

Nắm vững nguyên lý Lơsatơlie có một ý nghĩa rất thiết thực trong thực tiễn cuộc sống,

nó không chỉ áp dụng cho trạng thái cân bằng của các phản ứng hoá học thuận nghịch

mà cho rất nhiều quá trình thuận nghịch khác như sự nóng chảy, bay hơi, hoà tan, sự cân bằng của chất lỏng trong hai bình kín thông nhau có áp suất trên mặt thoáng khác nhau, trong quá trình hấp thụ, hấp phụ, chưng luyện … Nắm vững nguyên lý này ta có thể biết được chiều chuyển dịch cân bằng của nhiều quá trình khi có tác động từ bên ngoài vào hệ cân bằng

III.2.4 Đồ thị đường cân bằng và đường nhiệt độ thích hợp

a) Đường cân bằng

Đối với phản ứng thuận nghịch tỏa nhiệt, khi tăng nhiệt độ để tăng tốc độ phản ứng thì cân bằng lại chuyển dịch theo chiều nghịch làm giảm nồng độ chất sản phẩm, tức là làm giảm hiệu suất chuyển hóa của phản ứng Để giải quyết được vấn đề hiệu suất chuyển hóa người ta phải nghiên cứu sản xuất xúc tác đáp ứng phản ứng xảy ra ở tốc độ lớn ở nhiệt độ càng thấp càng tốt

Như phần trên đã đề cập, Hằng số cân bằng K không phụ thuộc vào nồng độ các chất tham gia và tạo thành của phản ứng mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ phản ứng

Vì vậy đối với mỗi phản ứng thuận nghịch, bằng nghiên cứu thực nghiệm người ta xây dựng được công thức tính hằng số cân bằng K theo nhiệt độ, dựa vào đó ta có thể tính được hằng số cân bằng K theo các nhiệt độ khác nhau Căn cứ vào hằng số cân bằng K và nồng độ phối liệu ban đầu ta tính được nồng độ của các chất ở trạng thái cân bằng và hiệu suất phản ứng ở các nhiệt độ khác nhau Vì vậy ta có thể lập được đồ thị biểu diễn quan hệ giữa nhiệt độ với nồng độ sản phẩm tạo thành hoặc với hiệu suất phản ứng ở trạng thái cân bằng Đường cong đó được gọi là đường cong cân bằng của phản ứng

b) Đường cong nhiệt độ thích hợp:

Đối với một phản ứng thuận nghịch, hệ số tốc độ thuận k1 và hệ số tốc độ phản ứng nghịch k2 phụ thuộc vào nhiệt độ Bằng nghiên cứu thực nghiệm, với các điều kiện xúc tác, áp suất và nồng độ phối liệu ban đầu của các chất người ta tính toán được đối với một hiệu suất chuyển hóa hay nồng độ của chất sản phẩm sẽ có 1 giá trị nhiệt mà ở đó vận tốc phản ứng v=vth-vng là lớn nhất, nhiệt độ đó gọi là nhiệt độ thích hợp Thay đổi hiệu suất chuyển hóa hay nồng độ chất sản phẩm ta có các giá trị nhiệt độ thích hợp tương ứng

Đồ thị đường cong biểu diễn quan hệ giữa hiệu suất phản ứng hay nồng độ chất sản phẩm với nhiệt độ có tốc độ phản ứng cao nhất gọi là đường cong nhiệt độ thích hợp Đường cong nhiệt độ thích hợp thường nằm phía dưới đường cân bằng

Ý nghĩa của đồ thị biểu diễn đường cân bằng và đường cong nhiệt độ thích hợp: Căn cứ vào đường cân bằng ta sẽ xác định được nồng độ của các chất ở trạng thái phản ứng cân bằng

Ví dụ: đối với phản ứng chuyển hóa CO

độ cao nồng độ Cco <3.23% ta phải tiến hành hạ nhiệt độ khí xuống khoảng 190oC,

sử dụng xúc tác có hoạt tính ở nhiệt độ thấp để chuyển hóa tiếp CO để đạt được nồng

độ Cco < 0.23% (nhiệt độ đầu ra của LTS khi t=213oC, Cco=0.18%)

Căn cứ vào đường cong nhiệt độ thích hợp người ta tính toán thiết kế kích thước thiết

bị , lượng xúc tác, giải pháp rút nhiệt phản ứng… sao cho nhiệt độ thao tác gần với đường cong nhiệt độ thích hợp nhất để có tốc độ phản ứng tối ưu nhất Đối với công tác vận hành căn cứ vào đường cong nhiệt độ thích hợp ta có thể tham khảo để điều chỉnh nhiệt độ thao tác sao cho hiệu suất chuyển hóa là cao nhất có thể

Ví dụ: ta có thể điều chỉnh nhiệt độ vào tầng xúc tác từ 340-370oC, căn cứ vào deltaT (nhiệt độ ra-nhiệt độ vào R2004), giá trị delta T nào lớn nhất tức là ta đang thao tác ở nhiệt độ thích hợp nhất

Câu hỏi và Bài tập Ứng Dụng Chương 3

1: Đường cong cân bằng 2: Đường cong nhiệt độ thích hợp

1

2

% nồng độ sản phẩm hoặc hiệu suất chuyển hóa

0

T

Câu 1: Áp dụng nguyên lý chuyển dịch cân bằng Lơsatơlie giải thích các hiện tượng sau:

1 Trong 2 bình kín có chứa chất lỏng thông nhau, có áp suất mặt thoáng là p1, p2 ( p1 > p2) Độ chênh lệch mặt thoáng của 2 bình sẽ thay đổi như thế nào khi

- Tăng P1

- Tăng P2

2 Giải thích hiện tượng khi tăng nhiệt độ thì áp suất hơi bão hoà của chất lỏng tăng

3 Khí nén khí thì áp suất tăng

4 Hằng số vận tốc K phụ thuộc vào yếu tố nào? Đối với phản ứng thuận nghịch toả nhiệt,

có phải cứ tăng nhiệt độ thì tốc độ phản ứng sẽ tăng không? Giải thích

Câu 2: Xưởng NH3:

1- Xét ảnh hưởng của áp suất và nhiệt độ đến cân bằng các phản ứng sau:

- Công đoạn Reforming:

4- Đối với công đoạn reforming và chuyển hoá CO, tăng tỷ lện S/C sẽ tăng hiệu suất chuyển hoá CH4 và CO ?giải thích

5- Đối với công đoạn Reforming: để có hàm lượng CH4 ra khỏi 10R2003 thấp nhất, cần phải quan tâm đến các yếu tố gì trong vận hành?

Câu 3: Xưởng Urê:

1- Nhiệt độ, áp suất có ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất phân giải tại hệ trung áp và thấp áp? Giải thích?

2- Độ chân không tại công đoạn cô đặc ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả cô đặc? giải thích?

Equilibrium of Ammonia Synthesis

Chương IV: THỦY ĐỘNG LỰC HỌC

Trong quá trình sản xuất của ngành hóa chất có quan hệ nhiều đến sự chuyển động của các chất lỏng, khí, hơi, vận tốc chuyển động của các chất này được quyết định bởi các định luật

về thủy cơ học Vì vậy , đối tượng của thủy lực học là nghiên cứu về chất lỏng và các quy luật tác động lên chất lỏng Thủy lực học gồm hai phần chính:

- Thủy tĩnh học: nghiên cứu các định luật cân bằng của chất lỏng và tác dụng của chất lỏng lên vật tiếp xúc với nó ở trạng thái tĩnh

- Thủy động lực học chất lỏng: nghiên cứu các định luật chuyển động và tác động của chất lỏng đang chuyển động lên các vật rắn tiếp xúc với nó khi vật rắn đứng yên hoặc cùng chuyển động với nó

IV.1 Thủy tĩnh học

Khi vận tốc chuyển động nhỏ hơn vận tốc âm thanh (khoảng 344 m/s) thì sự chuyển động của các chất lỏng, hơi và khí cùng tuân theo một quy luật Vì vậy trong thủy lực học dùng danh

từ chất lỏng là bao gồm chất lỏng, chất khí hoặc hơi

IV.1.1 Phương trình cân bằng Euler (Ơ le)

Qua nghiên cứu và giải phương trình toán, nhà bác học Euler đã thiết lập được phương trình

cơ bản của thủy tĩnh học như sau: (xem hình IV-01)

+ zA, zB : chiều cao hình học của hai điểm A, B so với mặt chuẩn O-O , [m]

+ pA, pB : áp suất tác dụng lên mặt thoáng của chất lỏng tương ứng với điểm A, B, [barg] + ρ: khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)

IV.1.2 Ứng dụng của phương trình cơ bản

Định luật Pascal (Định luật truyền áp suất)

Từ phương trình (IV-1) suy ra: PB = PA + ρ.g(ZA – ZB)

Định luật Pascal: Trong chất lỏng không bị nén ép ở trạng thái đứng yên, nếu tăng áp suất

PA tại điểm A thêm một lượng nào đó thì áp suất PB tại điểm B nào đó trong chất lỏng cũng tăng thêm một lượng đúng bằng như vậy

Định luật Pascal được ứng dụng để chế tạo các máy nén thủy lực Nếu tác dụng lên piston 1 (xem hình IV- 02) có tiết diện là f1 một lực là F1 nó sẽ truyền vào chất lỏng một áp suất 1 1

1

F p f

, áp suất p1 sẽ truyền trong chất lỏng sang piston 2 có tiết diện f2 >> f1 tạo nên một lực F2 tác dụng lên piston 2

Ta có: F2 = P2*f2 = P1*f2 = F1/f1 *f2  F2/F1 = f2/f1

Nhận xét: nếu ta tác động một lực F1 tương đối nhỏ lên piston 01, sẽ nhận được lực F2 rất lớn so với lực F1 tác động lên piston 02 Tỉ lệ giữa F2 và F1 càng lớn khi tỉ lệ giữa f2 và f1 càng lớn Lực F2 sẽ nén ép vật cần nén giữa piston 02 và giá cố định

IV.1.3 Điều kiện cân bằng giữa 02 bình thông nhau