GIAO TRINH KY THUAT PHAN UNG DONG THE

Phương trình tính toán thể tích thiết bị phản ứng, thời gian phản ứng, lượng xúc tác là một hàm số với các biến số là phương trình vận tốc phản ứng, độ chuyển hóa.. Phương trình vận tốc

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

CÁC TỪ VIẾT TẮT 3

DANH SÁCH HÌNH 4

DANH SÁCH BẢNG 5

LỜI GIỚI THIỆU 6

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM 7

1.1 Giới thiệu về kỹ thuật phản ứng 7

1.2 Định nghĩa vận tốc phản ứng 8

1.3 Phản ứng sơ đẳng và phản ứng không sơ đẳng 9

1.4 Bậc phản ứng 11

1.5 Hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa 12

1.6 Độ chuyển hóa 15

1.7 Mối quan hệ giữa phương trình vận tốc riêng và hệ số phương trình lượng hóa 15 1.8 Thiết bị phản ứng 16

1.9 Bài tập 20

CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH LƯỢNG HÓA HỌC 23

2.1 Hệ thống hoạt động gián đoạn 23

2.2 Hệ thống hoạt động liên tục 24

2.3 Hệ thống phản ứng có thể tích không đổi 26

2.4 Hệ thống phản ứng có thể tích thay đổi 28

2.5 Bài tập 33

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐẲNG NHIỆT 35 3.1 Phương trình cân bằng mol tổng quát 35

3.2 Thiết kế bình phản ứng khuấy, hoạt động gián đoạn (batch) 36

3.3 Bình phản ứng khuấy hoạt động liên tục 41

3.4 Bình phản ứng ống 43

3.5 Thiết bị phản ứng xúc tác tầng cố định (Packed-Bed Reactor, PBR) 46

3.6 Hệ nhiều bình phản ứng mắc nối tiếp 48

3.7 Hệ nhiều thiết bị phản ứng có thể tích bằng nhau mắc song song và nối tiếp 49

3.8 Bài tập chương 3 57

CHƯƠNG 4: THU THẬP VÀ PHÂN TÍCH DỮ LIỆU VẬN TỐC PHẢN ỨNG 65

4.1 Dữ liệu thiết bị phản ứng gián đoạn 65

4.2 Phương pháp dựa vào phương trình thiết kế 77

4.3 Bài Tập 79

CHƯƠNG 5: PHẢN ỨNG ĐA HỢP 81

5.1 Khảo sát định tính sự phân phố sản phẩm của phản ứng song song 81

5.1.1 Tối đa hóa sản phẩm mong muốn trong phản ứng song song, hệ một tác chất 81

5.1.2 Tối đa hóa sản phẩm mong muốn trong phản ứng song song, hệ hai tác chất 85

5.2 Khảo sát định lượng của sự phân phối sản phẩm và tính toán thiết bị phản ứng song song 87

5.3 Phản ứng nối tiếp 89

5.4 Bài toán kinh tế 91

5.5 Bài Tập 93

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHÔNG ĐẲNG NHIỆT ỔN ĐỊNH 99

6.1 Cân bằng năng lượng 99

6.1.1 Định luật thứ nhất của nhiệt động lực học 99

6.1.2 Dòng nhiệt ổn định 100

6.2 Áp dụng phương trình nhiệt vào việc thiết kế thiết bị phản ứng 110

6.2.1 Thiết bị phản ứng khuấy liên tục (CSTRs) 110

6.2.2 Thiết bị phản ứng ống với thiết bị trao đổi nhiệt 111

6.3 Bài Tập 112

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC 117

Phục lục A: Hằng số khí và công thức chuyển đổi đơn vị 117

Phụ lục C: Công thức tích phân gần đúng 119 Phụ lục D: Công thức bình phương cực tiểu tìm đường thẳng tuyến tính 120

CÁC TỪ VIẾT TẮT

HRx nhiệt phản ứng

CA0 nồng độ ban đầu của A

CpA nhiệt dung riêng của A

CSTR continuous-strirred tank reactor

D sản phẩm mong muốn

FA0 suất lượng mol ban đầu của A

E năng lượng hoạt hóa

DANH SÁCH HÌNH

Hình 1-1 Các công đoạn xử lý cơ bản của một nhà máy sản xuất hóa chất 7

Hình 1-2 Đồ thị biểu thị phương trình tuyến tính xác định năng lượng hoạt hóa và thừa số tần số 13

Hình 1-3 Các dạng thiết bị phản ứng phân theo phương thức hoạt động: (a) hoạt động gián đoạn, (b) hoạt động liên tục (thiết bị dạng ống), (b) hoạt động liên tục (thiết bị khuấy) 16

Hình 1-4 Thiết bị phản ứng khuấy hoạt động gián đoạn 17

Hình 1-5 Thiết bị phản ứng khuấy hoạt động liên tục 18

Hình 1-6 Thiết bị phản ứng ống 19

Hình 1-7 Thiết bị phản ứng xúc tác tầng cố định 20

Hình 3-1 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian t và ln(CA0/(CA0-CC)) 40

Hình 3-2 Bình phản ứng khuấy liên tục 41

Hình 3-3 Bình phản ứng ống 43

Hình 3-4 Bình phản ứng xúc tác tầng cố định 47

Hình 3-5 Hệ nhiều bình phản ứng mắc nối tiếp 48

Hình 3-6 Hệ gồm hai thiết bị khuấy mắc nối tiếp 52

Hình 3-7 Hệ nhiều bình phản ứng mắc song song 53

Hình 4-1 Đồ thị xác định -dCA/dt 70

Hình 4-2 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa ln(3P0-P) và ln(dP/dt) theo phương pháp đồ thị 72

Hình 4-3 Đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa ln(3P0-P) và ln(dP/dt) theo phương pháp đồ thị 72

Hình 4-4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ ln(2P0/(3P0-P)) vào thời gian 76

Hình 6-1 Thiết bị phản ứng khuấy hoạt động liên tục có bộ phận gia nhiệt vỏ áo 110

Hình 6-2 Thiết bị phản ứng ống có gia nhiệt 111

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1-1 Hằng số vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ 12

Bảng 1-2 Mối liên hệ giữa lnKT và 1/T 12

Bảng 3-1 Sự phụ thuộc của nồng độ ethylene glycol và thời gian 38

Bảng 3-2 Số liệu biểu diễn mối quan hệ giữa thời tian t và ln((CA0/(CA0-CC)) 40

Bảng 3-3 Sự phụ thuộc của độ chuyển hóa của phương trình vận tốc 42

Bảng 4-1 Bảng mô tả sự phụ thuộc của nồng độ vào thời gian 67

Bảng 4-2 Sự thay đổi áp suất tổng theo thời gian 68

Bảng 4-3 Biến thiên áp suất theo thời gian 69

Bảng 4-4 Tóm tắt dữ liệu theo theo phương pháp đồ thị và phương pháp số 71

Bảng 4-5 Sự phụ thuộc ln(2P0/(3P0-P)) vào thời gian 76

Bảng 4-6 Nồng độ R trong dòng ra phụ thuộc vào lưu lượng nhập liệu và nhiệt độ 77

Bảng 6-1 Sự liên hệ giữa các đại lượng trong việc tính toán thể tích thiết bị phản ứng ống 105

Bảng 6-2 Kết quả tính toán FA0/(-rA) theo độ chuyển hóa XA 109

LỜI GIỚI THIỆU

Thiết bị phản ứng đóng vai trò trung tâm của nhà máy sản xuất hóa chất để thực hiện nhiệm vụ là tiến hành các phản ứng hóa học nhằm tạo ra sản phẩm trung gian hay sản phẩm cuối Để tiến hành phản ứng, các chất phản ứng được nghiên cứu là có xảy ra hay không? Vận tốc phản ứng như thế nào? Điều kiện phản ứng ra sao? Những câu hỏi này được trả lời trong các môn học hóa lý, xúc tác, hóa vô cơ, hữu cơ … Tuy nhiên, ở qui

mô công nghiệp, để thiết kế một thiết bị phản ứng, người kỹ sư hóa học phải vận dụng những kiến thức về các môn cơ học lưu chất và thiết bị cơ lưu chất (bơm, quạt, máy nén, khuấy, lắng, lọc, ly tâm, đập, nghiền, sàn …) Để gia nhiệt cho phản ứng hoặc làm nguội cho sản phẩm, chúng ta cần phải biết vận dụng kiến thức truyền nhiệt và thiết bị trao đổi nhiệt Để phân tách sản phẩm sau khi phản ứng, chúng ta cần phải biết vận dụng môn học các quá trình phân riêng Cuối cùng, để thiết kế thiết bị phản ứng, chúng ta cũng phải biết vận dụng kiến thức tổng hợp từ hóa lý, hóa vô cơ, hữu cơ, cơ học lưu chất, truyền nhiệt,

kỹ thuật phân riêng đến kỹ thuật phản ứng Để thiết kế thiết bị phản ứng, phương trình vận tốc phản ứng là yếu tố cần phải xác định trước tiên Giáo trình này, chúng ta sẽ tìm hiểu các vấn đề liên quan đến kỹ thuật phản ứng đồng thể

Giáo trình được biên soạn dành cho sinh viên chuyên ngành kỹ thuật hóa học Giáo trình gồm nhiều ví dụ minh họa sau mỗi phần lý thuyết Cuối mỗi chương, giáo trình có các bài tập giúp người học hiểu sâu hơn phần lý thuyết và nâng cao kỹ năng áp dụng Cuối giáo trình là phần phụ lục nhằm giúp người học tra cứu các thông số vật lý hay các công thức và phương pháp tính toánh Ngoài ra, giáo trình cũng là tài liệu tham khảo hữu ích cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành hóa học, hóa dược, thực phẩm …

Khi biên soạn giáo trình này, chúng tôi đã cố gắng vận dụng kiến thức đã giảng dạy nhiều vòng cho sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, hóa học và tham khảo nhiều tài liệu trong và ngoài nước Tuy nhiên, giáo trình không thể tránh khỏi những thiếu sót Chúng tôi rất mong nhận được những góp ý của bạn đọc để giáo trình hoàn chỉnh hơn Mọi ý kiến góp ý xin gởi về: Bộ môn Công nghệ hóa học, Khoa Công nghệ, Đại học Cần Thơ

CHƯƠNG 1: CÁC KHÁI NIỆM

1.1 Giới thiệu về kỹ thuật phản ứng

Các giai đoạn xử lý cơ bản của một nhà máy hóa chất được thể thiện trong Hình 1-1 Có thể thấy rằng, nguyên liệu thô được xử lý vật lý rồi đưa vào phản ứng hóa học Sau khi phản ứng hóa học, các thành phần của hỗn hợp lại được xử lý vật lý để tạo sản phẩm tinh khiết và phần còn lại được tái chế để cho vào giai đoạn phản ứng hóa học Giai đoạn xử lý vật lý được biết đến như các quá trình đập, nghiền, sàn, lắng, lọc, ly tâm, hấp thu, hấp phụ, chưng cất, trích ly, sấy, trao đổi ion … Như vậy, giai đoạn phản ứng đóng vai trò trung tâm của một nhà máy hóa chất

Nguyên

liệu

thô

Sản phẩm Tái xử lý

Hình 1-1 Các công đoạn xử lý cơ bản của một nhà máy sản xuất hóa chất

Động hóa học nghiên cứu về cơ chế và tốc độ phản ứng Kỹ thuật phản ứng là sự kết hợp giữa động hóa học và thiết bị phản ứng Động hóa học và thiết bị phản ứng giữ vai trò trung tâm trong các nhà máy hóa chất Phương trình tính toán thể tích thiết bị phản ứng, thời gian phản ứng, lượng xúc tác là một hàm số với các biến số là phương trình vận tốc phản ứng, độ chuyển hóa Phương trình vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ, bậc phản ứng …

Các giai đoạn xử lý vật lý

Các giai đoạn xử lý hóa học

Các giai đoạn xử lý vật lý

1.3 Phản ứng sơ đẳng và phản ứng không sơ đẳng

Thông thường, trong động hóa học người ta chia phản ứng ra làm hai loại: phản ứng

sơ đẳng và phản ứng không sơ đẳng

Phản ứng sơ đẳng: là phản ứng qua một giai đoạn (bước) tạo thành sản phẩm Với

phản ứng sơ đẳng, phương trình vận tốc phản ứng có thể suy ra từ phương trình lượng hóa học

Phản ứng không sơ đẳng: là phản ứng mà phương trình vận tốc không thể suy ra từ

phương trình lượng hóa học mà phải dựa vào cơ chế phản ứng

Ví dụ 1-2: Phản ứng không sơ đẳng

Phản ứng giữa hydrogen và brom tạo ra HBr là phản ứng không sơ đẳng Đây là phản ứng theo cơ chế gốc tự do và phương trình lượng hóa học và phương trình vận tốc phản ứng được biểu diễn như sau:

Như vậy, phương trình vận tốc này không thể suy ra từ phương trình lượng hóa học

Để xác định phương trình vận tốc, cơ chế phản ứng phải được giả thuyết Dựa vào cơ chế phản ứng, người ta có thể dễ dàng tìm được phương trình vận tốc

Với phản ứng trên, cơ chế của phản ứng có thể giả thuyết như sau:

 

 

 

1 1 2 2 3

1/2 3 1

1.4 Bậc phản ứng

Cho phản ứng: A + B  sản phẩm Phương trình vận tốc phản ứng:  r A kC C A B

n   là bậc phản ứng tổng quát  và  là bậc phản ứng riêng với A và B

Ví dụ 1-3: Tìm bậc phản ứng

Cho phản ứng đơn giản: A + 2B  sản phẩm, phương trình vận tốc phản ứng theo

A là:  r A kC C A B2 Từ đó, ta có bậc phản ứng tổng quát là 3, bậc phản ứng riêng theo A

1.5 Hằng số tốc độ phản ứng và năng lượng hoạt hóa

Giả sử ta có phản ứng bậc n với phương trình vận tốc là  r A kC A n Khi nồng độ CA

= 1 mol/L, (-rA) = 1 mol/(L.s), khi đó k = 1 (đơn vị k) Vì vậy, k còn gọi là tốc độ phản ứng riêng

Hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệu độ được biểu diễn theo phương trình Arrhenius:

Ví dụ 1-4: Xác định năng lượng hoạt hóa

Tính năng lượng hoạt hóa cho phản ứng phân hủy benzene diazonium chloride để cho sản phẩm cholorobenzene và nitrogen:

Biết rằng phản ứng là bậc 1 và sự phụ thuộc của hằng số vận tốc phản ứng theo nhiệt độ được cho như Bảng 1-1:

Bảng 1-1 Hằng số vận tốc phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ

Đây là dạng phương trình đường thẳng có dạng y = a + bx với b = -E/R Vì vậy, có nhiều phương pháp để tính toán năng lượng hoạt hóa E Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu hai phương pháp cơ bản nhất: phương pháp đồ thị và phương pháp nội suy đường thẳng

Hình 1-2 Đồ thị biểu thị phương trình tuyến tính xác định năng lượng hoạt hóa và thừa số

tần số

Phương pháp đồ thị: ngày nay, việc vẽ đồ thị hàm số là rất đơn giản khi các phần

mềm máy tính Chúng ta có thể dùng các phần mềm Microsft Excel, Mintab, Orgin … để

vẽ đồ thị và tìm phương trình tuyến tính Hình 1-2 biểu diễn phương trình tuyến tính để xác định năng lượng hoạt hóa (E) và thừa số tần số (ko) Từ các hệ số của phương trình tuyến tính này, năng lượng hoạt hóa và thừa số tần số được xác định Ta có mối liên hệ

như sau: E 14612

R

   Do đó, E = 8,314.14612 = 121559 (J/mol) và lnko = 38,925 hay

ko = 8x1016

Phương pháp bình phương cực tiểu:

Phương trình lnkT = lnko – E/RTcó dạng y = a + bx Vì vậy, chúng ta có thể áp dụng phương pháp bình phương cực tiểu để tìm các hệ số a và b Theo phương pháp bình phương cực tiểu (phục lục D), ta có hệ hai phương trình:

Vì vậy ta có phương phương trình đường thẳng: lnkT = 37,119 –14017.T Từ các hệ

số của phương trình này, ta được năng lượng hoạt hóa E và thừa số tần số ko:

1.6 Độ chuyển hóa

Trong kỹ thuật phản ứng, khái niệm về độ chuyển hóa được đưa vào Độ chuyển hóa cho biết mối liên hệ giữa số mol tác chất đã phản ứng và số mol tác chất ban đầu Tức là để trả lời câu hỏi phản ứng xảy ra được bao nhiêu? Khái niệm này tương tự như hiệu suất mol mà chúng ta đã biết trong các môn hóa học đại cương Với một phản ứng thông thường, người ta thường chọn tác chất giới hạn làm chuẩn Độ chuyển hóa được dựa vào chất chuẩn này Độ chuyển hóa của các tác chất khác và các sản phẩm cũng dựa vào độ chuyển hóa của chất chuẩn

Không mất tính tổng quát, giả sử ta có phản ứng được biểu diễn như sau:

1.7 Mối quan hệ giữa phương trình vận tốc riêng và hệ số phương trình lượng hóa

Với phương trình 1-5, ta có mối liên hệ giữa phương trình vận tốc riêng và hệ số phương trình lượng hóa, được biểu diễn ở phương trình 1-7

Hình 1-3 Các dạng thiết bị phản ứng phân theo phương thức hoạt động: (a) hoạt động gián đoạn, (b) hoạt động liên tục (thiết bị dạng ống), (b) hoạt động liên tục (thiết bị khuấy)

Theo hình dáng thiết bị người ta chia thiết bị phản ứng làm nhiều loại: thiết bị phản ứng khuấy, thiết bị phản ứng ống, thiết bị phản ứng xúc tác tầng cố định, thiết bị phản ứng dạng đĩa …

Thiết bị phản ứng khuấy gián đoạn

Thiết bị phản ứng khuấy gián đoạn thường được dùng trong trường hợp năng suất nhỏ Nhập liệu thường được cho vào các lỗ ở nắp của thiết bị Bộ phận khuấy được đưa vào thiết bị nhằm mục đích tăng khả năng tiếp xúc của tác chất phản ứng Thuận lợi của

dài nhưng nó cũng có nhiều nhược điểm như: chi phí vận hành/mẻ cao, thành phần của sản phẩm không ổn định giữa các mẻ, khó mở rộng ở qui mô lớn (công nghiệp), khó tự động hóa Hình 1-4 mô tả thiết bị khuấy hoạt động gián đoạn

Hình 1-4 Thiết bị phản ứng khuấy hoạt động gián đoạn

Đặc trưng của thiết bị phản ứng khuấy gián đoạn (điều kiện lý tưởng) là nồng độ của tác chất phản ứng thay đổi theo thời gian Tại một thời điểm nhất định, nồng độ của một cấu tử là như nhau tại các vị trí khác nhau trong thiết bị phản ứng Thực tế chúng ta không thể tạo ra được thiết bị khuấy để tạo ra hỗn hợp phản ứng đồng nhất Tuy nhiên, do tính phức tạp của bài toán, chúng ta chỉ giới hạn trong giáo trình này ở điều kiện lý tưởng

Thiết bị phản ứng khuấy liên tục

Thiết bị phản ứng khuấy hoạt động liên tục được mô tả ở Hình 1-5 Giống với thiết

bị phản ứng khuấy gián đoạn, thiết bị phản ứng khuấy liên tục cũng bao gồm thiết bị phản ứng chính là bình phản ứng, cánh khuấy … Tuy nhiên, bộ phận nhập liệu và tháo sản phẩm được thiết kế sao cho vận hành liên tục Thời gian khi lưu chất vào và ra khỏi thiết

bị là như nhau và được gọi là thời gian lưu Ở điều kiện thực tế, thời gian lưu bị thay đổi nên ta dùng đại lượng thời gian lưu trung bình

Đặc trưng của bình khuấy liên tục (điều kiện lý tưởng) là tính chất (nồng độ, nhiệt

độ, tốc độ phản ứng …) của hỗn hợp trong thiết bị phản ứng không phụ thuộc vào thời gian và vị trí hỗn hợp phản ứng

Hình 1-5 Thiết bị phản ứng khuấy hoạt động liên tục

Thiết bị phản ứng ống

Thiết bị phản ứng ống được mô tả như Hình 1-6 Thiết bị phản ứng ống là thuộc dạng thiết bị vận hành liên tục Nó được cấu tạo bao gồm ống hình trụ Thiết bị phản ứng ống thường dùng cho phản ứng pha khí

Thiết bị phản ứng ống là một mô hình thiết bị phản ứng dựa trên hai giả thuyết: (1) vận hành liên tục ổn định; (2) tính chất (nồng độ và niệt độ) của một cấu tử là như nhau ở bất kỳ một vị trí nào thuộc mặt cắt ngang do nồng độ của các cấu tử thay đổi dọc theo chiều dài ống

Hình 1-6 Thiết bị phản ứng ống

Thiết bị phản ứng xúc tác tầng cố định

Hình 1-7 mô tả thiết bị phản ứng xúc tác tầng cố định Dòng khí được vào từ bên dưới qua các ống xúc tác Tại đây, phản ứng sẽ xảy ra và sản phẩm sau phản ứng được lấy ra ở đỉnh thiết bị

Hình 1-7 Thiết bị phản ứng xúc tác tầng cố định

1.9 Bài tập

Bài tập 1-1:

Cho phản ứng sơ đẳng như sau: 2A + 3B 3C + 4D

a/ Viết phương trình vận tốc cho A, B, C, và D

b/ Tìm mối liên hệ giữa các phương trình vận tốc

c/ Biết độ chuyển hóa XA = 0,9 Tính độ chuyển hóa XB biết rằng hỗn hợp ban đầu

có 1 mol A và 2 mol B

Bài tập 1-2:

Tính toán năng lƣợng hoạt hóa của phản ứng phân hủy benzene diazoium chloride

để cho sản phẩm là chlorobenzene và nitrogen Biết rằng hằng số tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ đƣợc cho ở Bảng bài tập 1-4

CHƯƠNG 2: ĐỊNH LUẬT TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ PHƯƠNG TRÌNH LƯỢNG HÓA HỌC

2.1 Hệ thống hoạt động gián đoạn

Cho phương trình phản ứng với các thông số như sau: NA0, NB0, NC0, ND0 lần lượt là nồng độ ban đầu của tác chất phản ứng A, B và sản phẩm tạo thành C, D Giả sử A là tác chất giới hạn với độ chuyển hóa là XA Lượng tác chất phản ứng (A, B) và sản phẩm tạo thành (C, D) lần lượt là NA0.XA, b/aNA0XA,c/aNA0XA,d/aNA0XA Như vậy, lượng tác chất còn lại (A, B) ở thời điểm t sẽ bằng lượng tác chất ban đầu trừ đi lượng tác chất đã phản ứng Mặt khác, lượng sản phẩm sinh ra (C, D) sẽ bằng lượng sản phẩm ban đầu cộng với lượng sản phẩm tạo thành do phản ứng Tất cả các thông số này được biểu diễn như bên dưới

A

c C

d D a

0 0 0

0 0 0

  i  i  i i

2-1

Nồng độ ban đầu của một chất thường được biểu diễn là CA0 Với pha khí, CA0thường được tính theo phương trình khí lý tưởng với nhiệt độ và áp suất lúc nhập liệu

0 0 0

0

0 0

A T

   

       

//

A A

F C

Ví dụ 2-1: Tính suất lượng mol của chất khí

Một khí A tinh khiết ở 830 kPa (8,2 atm) được cho vào thiết bị phản ứng với lưu lượng thể tích là 2 dm3/s ở 500 K Tính nồng độ và suất lượng mol của A ban đầu

Giải

Giả sử A là khí lý tưởng ta có phương trình tính nồng độ mol ban đầu của A:

0

A0 A

T0 nhiệt độ ban đầu = 500 K

Từ đó ta có thể tìm ra mối liên hệ của nồng của A, B, C và D các phương trình sau: Nồng độ của chất B, được xác định

0

0 0

Ví dụ 2-2: Tìm sự phụ thuộc của nồng độ vào độ chuyển hóa

Xà phòng bao gồm mối natri và kali của nhiều acid nhƣ: axit oleic, steric, palmitic, lauric, và myristic Phản ứng xà phòng hóa để tạo thành xà phòng từ xút (dung dịch) và glyceryl stearate đƣợc viết nhƣ sau:

3NaOH (l) + (C17H35COO)3C3H5 3C17H35COONa + C3H5(OH)3

Đặt XA là độ chuyển hóa của xút Hãy thiết lập bảng mô tả sự phụ thuộc của nồng

độ các cấu tử tham gia phản ứng và sản phẩm vào độ chuyển hóa và nồng độ đầu

2.4 Hệ thống phản ứng cĩ thể tích thay đổi

Xét phản ứng pha khí: N2 3H22NH3

Theo phương trình phản ứng trên, 4 mol của tác chất phản ứng sẽ cho ra 2 mol sản phẩm Vì vậy, thể tích hỗn hợp phản ứng thay đổi (giảm) Với phản ứng như trên, khi thiết kế thiết bị phản ứng, chúng ta phải đưa thêm hệ số thay đổi thể tích vào Trước hết, chúng ra biết rằng mối liên hệ giữa áp suất, nhiệt độ, và thể tích được biểu diễn dưới dạng phương trình trạng thái khí:

T T

Biến thiên số mol tổng khi A phản ứng hoàn toàn

Biến thiên số mol tổng khi A chưa phản ứng

A

 

0 0 0

Hệ số thay đổi thể tích có thể đƣợc xác định theo công thức

0 0

Trong hệ thống với pha khí, nhiệt độ và áp suất thường thay đổi không đáng kể, Z0

Z Do đó, phương trình trên được viết lại:

0 0

Với hệ thống liên tục: lưu lượng, nồng độ A, B, C, D và I lần lượt biểu diễn như các

công thức bên dưới

0 0

a/ Lấy SO2 là cấu tử chính để tính toán, chúng ta chia phương trình phản ứng cho hệ

số lượng hóa học của SO2 là 2 ta có phương trình:

Không khí có chứa 21% O2 và 79% N2, trong đó N2 đƣợc xem là khí trơ (I) Suất lƣợng mol ban đầu của O2 (B) là F B0 0,72 0, 21   F T0 0,1512.F T0

F F

F F

Nhập liệu gồm 15% mol amoniac trong không khí ở 8,2 atm và 227 oC

a/ Tính toán nồng độ tổng ban đầu

b/ Tính toán nồng độ ammoniac ban đầu

c/ Thiết lập bảng biểu diễn các thông số lƣợng hóa dựa trên ammoniac

ĐS:

a/ 0,2 M; b/ 0,03 M

a/ Dựa trên H2, tính toán và lập bảng lƣợng hóa học

b/ Nếu áp suất tổng nhập liệu là 16,4 atm, nhiệt độ nhập liệu là 1727 oC, tính toán nồng độ của hydro và ammoniac khi đạt độ chuyển hóa của hydro là 60%

c/ Nếu dựa trên N2 làm chuẩn tính toán, có thể đạt độ chuyển hóa của N2 là 60%

ĐS:

b/ [H2] = 0,025 M; [NH3] = 0,025 M; c/ 0,33%

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐẲNG NHIỆT

Trong chương 1 và 2 chúng ta đã tìm hiểu các khái niệm cơ bản của kỹ thuật phản ứng cũng như làm thế nào để xác định được bậc phản ứng Trong chương 3 này, chúng ta

sẽ tìm hiểu về cách tính toán thời gian phản ứng với thiết bị hoạt động gián đoạn hay thể tích thiết bị phản ứng với phương thức hoạt động liên tục Yếu tố cơ bản nhất của chương này là dựa vào phương trình cân bằng vật chất Vì vậy, trước hết chúng ta sẽ tìm hiểu về phương trình cân bằng mol tổng quát

3.1 Phương trình cân bằng mol tổng quát

Thời gian lưu

Thời gian lưu () là tỷ số giữa thể tích thiết bị phản ứng (V) và lưu lượng thể tích của dòng nhập liệu (v0) Thời gian lưu được xác định theo công thức 3-4

0

V v

3.2 Thiết kế bình phản ứng khuấy, hoạt động gián đoạn (batch)

Sơ đồthiết bị phản ứng khuấy hoạt động gián đoạn được biểu diễn như Hình 3-2 Nhập liệu được cho vào bình phản ứng và hỗn hợp phản ứng sau phản ứng được lấy ra một lần Như vậy, suất lượng mol ban đầu và sau khi phản ứng được xem là bằng không

FA0 = 0 mol/h và FA = 0 mol/h

Trong chương này, chúng ta xét điều kiện phản ứng có thể tích không đổi (V = const); phương trình 3-1 trở thành:

Hình 3-2 Bình phản ứng khuấy gián đoạn

Mặt khác, ta có biểu thức biểu diễn mối liên hệ giữa số mol ban đầu và số mol ở thời điểm t như sau: NA = NA0(1-XA) Vì vậy, phương trình 3-6 được viết lại như sau

A A

Ví dụ 3-1: Tính thời gian phản ứng của thiết bị phản ứng khuấy gián đoạn

Phản ứng ethylene glycol như sau:

A + B  C

Để xác định hằng số vận tốc phản ứng k, người ta cho phản ứng trong thiết bị phản ứng khuấy hoạt động gián đoạn Chúng ta biết rằng phản ứng trên sẽ tạo thành sản phẩm phụ ở nhiệt độ cao Vì vậy, phản ứng được tiến hành ở 55 oC vì tốc độ phản ứng sẽ rất thấp nếu được tiến hành ở nhiệt độ thấp hơn 40 oC Nước được sử dụng dư nên nồng độ nước xem như không đổi Với điều kiện như trên, phản ứng được xem là bậc 1 với ethylene oxide

Số liệu tiến hành ở phòng thí nghiệm như sau: 500 mL dung dịch 2 M ethylene oxide trong nước được trộn với 500 mL nước chứa 0,9% khối lượng sulfuric acid làm xúc tác Nhiệt độ được giữ ở 55 oC Nồng độ của ethylene glycol được ghi nhận là một hàm

số theo thời gian được liệt kê ở Bảng 3-1

a/ Tính hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ 55 oC

b/ Tính thời gian phản ứng để đạt độ chuyển hóa XA là 85%

Bảng 3-1 Sự phụ thuộc của nồng độ ethylene glycol và thời gian

Thời gian (phút)

Nồng độ ethylene glycol (kmol/m 3 )

Theo đề bài ta có phương trình vận tốc: r A kC A Do phản ứng pha lỏng nên thể tích hỗn hợp phản ứng xem như không đổi Nồng độ các chất A, B, C được xác định như sau:

dC

kdt k dt C

Bảng 3-2 Số liệu biểu diễn mối quan hệ giữa thời tian t và ln((C A0 /(C A0 -C C ))