Đang tải... (xem toàn văn)
Phản ứng bậc một, không thuận nghịch ; Độ chuyển hóa đạt 80% ; Thiết bị phản ứng đẳng nhiệt vận hành ở 1100oC và 6 at ; Ở 1000K, hằng số vận tốc k = 0,072 s1 và năng lượng hoạt hoá của phản ứng là 82 kcalgmol. II.1.b Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng • Có 3 cách vận hành : liên tục (ổn định) , gián đoạn và bán liên tục. a Liên tục b Gián đoạn c Bán liên tục • Được đặc trưng bằng quá trình khuấy trộn là hoàn toàn, do đó hỗn hợp phản ứng đồng nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các phần của thiết bị và giống dòng ra của sản phẩm. Điều này có ý nghĩa là phân tố thể tích ∆V trong các phương trình cân bằng có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết bị. • Người ta giả thiết rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng, nồng độ của tác chất giảm một cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn thể tích của thiết bị và nồng độ của dòng sản phẩm ra. Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng độ của tác chất từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc như sau : Nồng độ của tác chất Đầu vào Đầu ra Thể tích thiết bị CAo CAfì Kỹ thuật Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 27 II.1.b.1 Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định
Néi dung m«n häc ĐỘNG HÓA HỌC VÀ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG TS. La ThÕ Vinh Bé m«n: C«ng nghÖ c¸c chÊt v« c¬ Khoa: C«ng nghÖ Hãa häc Tel: (04)/38692943; 0912540041 Email: thevinh@mail.hut.edu.vn Website: www.sonchiunhiet.vn Nội dung môn học Phần I : Những khái niệm cơ bản (Lý thuyết 3 tuần) Phần II : Kỹ thuật phản ứng (Lý thuyết 3 tuần, bài tập 2 tuần) Phần III: Động học một số quá trình cụ thể (3 tuần) Bài tập lớn 1 tuần Thi học kỳ Phần IV: Động học quá trình kết tinh và xử lý bề mặt (1 tuần) Phần V: Cân bằng nhiệt (1 tuần) Phần I: Những khái niệm cơ bản Tiêu chuẩn phân loại Các loại phản ứng hóa học Theo cơ chế - Phản ứng một chiều - Phản ứng hai chiều (thuận nghịch) - Phản ứng song song, nối tiếp - Phản ứng đơn giản, phức tạp Theo số phân tử tham gia - Phản ứng đơn phân tử, hai phân tử Theo bậc phản ứng - Phản ứng bậc 1, 2, bậc số nguyên, bậc phân số Theo điều kiện thực hiện - Phản ứng đẳng V, T, P, đa biến - Phản ứng gián đoạn, liên tục, bán liên tục, có hồi l- u Theo trạng thái pha của hệ - Phản ứng trong hệ đồng nhất (khí, lỏng), không đồng nhất (khí-lỏng, rắn-lỏng, khí-rắn) Phân loại phản ứng hóa học Một số kiểu cơ bản và nguyên tắc làm việc của thiết bị phản ứng 4- Thiết bị phản ứng kiểu dòng chảy lý tởng (Plug flow reactor - PFR) 5- Thiết bị phản ứng kiểu tầng xúc tác (Packed bed reactor - PBR) 1- Thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn (Batch reactor) 2- Thiết bị phản ứng làm việc bán liên tục (Semibatch reactor) 3- Thiết bị phản ứng làm việc liên tục (Continuously stirred tank reactor - CSTR) Mô hình thiết bị phản ứng a) Thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn (Batch reactor) b) Thiết bị phản ứng làm việc bán liên tục (Semibatch reactor) c) Thiết bị phản ứng làm việc liên tục (Continuously stirred tank reactor - CSTR) d) Thiết bị phản ứng kiểu dòng chảy lý tởng (Plug flow reactor - PFR) e) Thiết bị phản ứng kiểu tầng xúc tác (Packed bed reactor - PBR) a) b) c) d) e) Nguyên liệu vào Sản phẩm ra TĐN Lp xỳc tỏc dt dV V dt dm m dt dn n Ta ®Þnh nghÜa BiÕn thiªn vÒ thÓ tÝch: [m 3 .h -1 ] BiÕn thiªn khèi lưîng : [kg.h -1 ] BiÕn thiªn vÒ sè mol : [kmol.h -1 ] Hệ số tỷ lợng Trờng hợp phản ứng pha khí có V không đổi: MMLLBBAA MMMM 0 i ii M 0 i i Xét phản ứng: A A + B B = L L + M M i là hệ số tỷ lợng của các chất trong phơng trình. Trong đó hệ số tỷ lợng của các chất tham gia phản ứng đợc quy ớc có giá trị âm còn của sản phẩm đợc quy ớc có giá trị dơng. Nếu gọi M i là khối lợng phân tử của cấu tử i Ta có Hay (Định luật bảo toàn khối lợng) Hiệu suất chuyển hóa U 2. Đối với thiết bị làm việc liên tục: 0, 0, 0,0, 0,0, 0, 0, k kk Rk RkRk k kk k m mm Vc VcVc n nn U 0, 0, 00, 00, 0, 0, k kk k kk k kk k m mm Vc VcVc n nn U Hiệu suất chuyển hóa tính theo một cấu tử nào đó bằng lợng cấu tử đó đã tham gia vào phản ứng để tạo thành sản phẩm so với lợng ban đầu (tính theo %). 1. Đối với thiết bị làm việc gián đoạn: Hiệu suất chuyển hóa của cấu tử i Tơng tự đối với tổng tất cả các cấu tử: kk k i ii Un v nn 0,0, kk k i i i i i i Unnn 0,0, Hiệu suất chuyển hoá đối với các chất đợc xác định thế nào? Trong tính toán ngời ta chọn ra một cấu tử chìa khoá k làm cấu tử chính, hiệu suất chuyển hoá các cấu tử khác theo phơng trình phản ứng sẽ đợc tính trên cơ sở cấu tử k này: kk k i Un 0, là số mol tạo thành hoặc tiêu hao của cấu tử i. Nh vậy lợng cấu tử i còn lại tại thời điểm ứng với U k sẽ là: Khi biết đợc số mol tạo thành hoặc tiêu hao của cấu tử i theo cấu tử chìa khóa k ta có thể tính đợc U i theo U k Pkk kP P vnn vn S )( 0, Pk AP A A P P P vn vn n n A 0, 0, Pk AP A A P P P vn vn n n A 0, 0, HiÖu suÊt tạo sản phẩm P từ chất phản ứng k, ký hiệu A P Trường hợp hệ chỉ có một phản ứng hóa học độc lập, độ chọn lọc S P =1 Xét phản ứng A A + B B P P Với thiết bị gián đoạn Với thiết bị liên tục Nếu trong hệ chỉ có một phản ứng duy nhất thì hiệu suất chuyển hóa U i và A P là đồng nhất Độ chọn lọc của sản phẩm, ký hiệu S P Pkk kP P vnn vn S )( 0, Với thiết bị gián đoạn Với thiết bị liên tục kPP USA . [...]... của phản ứng Từ phản ứng tổng quát và định nghĩa về tốc độ của phản ứng đối với mỗi cấu tử Ta rút ra: ri rA rB rL rM r vi v A vB vL vM ri r.vi Phơng trình động học Tốc độ phản ứng hoá học phụ thuộc - Nồng độ của các chất phản ứng - Nhiệt độ - Xúc tác Dạng tổng quát: r = f1(t).f2(c) Vậy ta định nghĩa: Phơng trình động học xác định mối liên hệ giữa tốc độ phản ứng với nồng độ các cấu tử tham gia phản. .. kr = f(T) kr kr Phản ứng cháy, nổ Phản ứng thông thờng T T0 T kr kr Phản ứng xúc tác men T Phản ứng ôxy hóa các chất hữu cơ T Quan tõm Phần II: Kỹ thuật phản ứng 1 Thiết bị khuấy trộn làm việc gián đoạn (Batch reactor) 2 Thiết bị khuấy trộn làm việc liên tục (CSTR) Tính V, t, S, m, UA, CA, nA, NA 3 Thiết bị dòng chảy lý tởng (PFR) 4 So sánh hai loại thiết bị CSTR và PFR Phơng trình cân bằng vật chất... thể tích trong quá trình phản ứng A VU A 1 VU A 0 VU A 0 Hằng số tốc độ phản ứng rA kC f (Ci ) rA kC f (Ci ) Hằng số tốc độ của phản ứng bằng tốc độ của phản ứng khi nồng độ các cấu tử tham gia phản ứng đều bằng 1 đơn vị Theo Arrhenius: k k0 e E RT Lý thuyết va chạm Giả thiết Hai phân tử A và B là các hạt hình cầu bán kính rA và rB, rắn tuyệt đối, vận động theo cơ học cổ điển, phân bố tốc... qua hệ số tỷ lợng, ví dụ trong phản ứng tổng hợp NH3 N2 + 3H2 = 2NH3 A 24 1 4 2 Quan hệ giữa U và Đối với cấu tử A: CA n A, 0 (1 U A ) nA 1U A C A, 0 V V0 (1 AU A ) 1 AU A CA 1UA C A,0 1 AU A UA 1 C A / C A, 0 1 AC A / C A, 0 Với các phản ứng đẳng tích (A= 0), ta có: UA = 1-CA/CA,0 Tốc độ phản ứng hóa học Xét phản ứng: vAA + vBB = vLL + vMM Trờng hợp phản ứng tiến hành gián đoạn: 1 dni... M Các giá trị này thờng đợc xác định bằng thực nghiệm Tổng đại số các bậc phản ứng theo các cấu tử tham gia phản ứng bằng bậc chung của phản ứng * Đại lợng biểu thị nồng độ của cấu tử i có thể ở dạng Ci, pi, yi Phơng trình động học Ví dụ một phản ứng hệ khí, đồng nhất, gián đoạn: vA Ag vB Bg vL Lg vM M g Phơng trình động học: r dnA dC A a b l m k c C AC B C L C M A V dt A dt hoặc dpA a b l... giây thì tất cả C# phức hoạt động đều vợt qua để tạo thành sản phẩm Nh vậy tốc độ phản ứng: r C# ' Nếu giả thiết sự phân hủy hợp chất trung gian là kết quả của sự trấn động theo chiều trục phản ứng với tần số thì: 1 C # C # ' Theo quy luật thống kê thì chỉ có một số phần tử tồn tại r C ở trạng thái trấn động ấy, xác suất bằng kT/h, nh vậy: #' kT h r C # Xét phản ứng: Có: K # C(#X Y Z ) C XY... vậy: Trong hệ đồng nhất, tốc độ phản ứng tính theo cấu tử nào đó bằng biến thiên về tốc độ lu lợng ứng với một đơn vị thể tích hệ phản ứng (hoặc diện tích tiếp xúc pha, hoặc khối lợng) của cấu tử đó Lu ý Ví dụ Tốc độ phản ứng ri là một số dơng nên: 1 Nếu tính tốc độ phản ứng theo cấu tử tham gia phản ứng thì đằng trớc biểu thức tính tốc độ mang dấu âm - 2 Nếu tính theo chất tạo thành thì đằng trớc... kg.h Nh vậy: Tốc độ phản ứng hóa học tính theo cấu tử nào đó bằng biến thiên về lợng của cấu tử đó trong một đơn vị thời gian trên một đơn vị thể tích (hoặc diện tích tiếp xúc pha, hoặc khối lợng) của cấu tử đó Khi phản ứng tiến hành trong dòng liên tục: dVR Với hệ đồng nhất: ri dN i dVR Với hệ không đồng nhất: ri dNi dS hoặc ri dNi dW Nh vậy: Trong hệ đồng nhất, tốc độ phản ứng tính theo cấu tử... gia phản ứng: K # Q(#X Y Z ) QXY QZ e # E0 RT E E 0 0 kT Q( X Y Z ) RT kr e k0 T e RT h QXY QZ # Với: k Q( X Y Z ) k0 h QXY QZ So sánh? Theo Arrhenius (nhiệt động học) : k r k0 e Ea RT 1 2 Theo lý thuyết va chạm: kr k0 T e Theo lý thuyết hợp chất trung gian: k r k0 T e Nh vậy: kr f (T ) theo quy luật hàm mũ 1 E RT E0 RT kr k0 T e m E RT (0 m 1) Một vài quan hệ kr = f(T) kr kr Phản ứng. .. nồng độ các cấu tử tham gia phản ứng trong điều kiện các thông số khác nồng độ là cố định Với k = f1(t) m r kc1m1 c2 2 k cimi i Phơng trình động học vAA + vBB kt kn v L L + vMM 1 d [ A] 1 d [ B ] 1 d [ L] 1 d [ M ] r A dt B dt L dt M dt r kt [ A] [ B] [ L] [M ] kn [ A] [ B] [ L] [M ] a b l m a' b' l' m' a, b, l, m và a, b, l, m là bậc của phản ứng thuận và nghịch theo các cấu tử A, B, L, . xỳc tỏc dt dV V dt dm m dt dn n Ta ®Þnh nghÜa Bi n thiªn vÒ thÓ tÝch: [m 3 .h -1 ] Bi n thiªn khèi lưîng : [kg.h -1 ] Bi n thiªn vÒ sè mol : [kmol.h -1 ] Hệ số tỷ lợng Trờng. phản ứng theo cấu tử tham gia phản ứng thì đằng trớc bi u thức tính tốc độ mang dấu âm -. 2. Nếu tính theo chất tạo thành thì đằng trớc bi u thức tính tốc độ mang dấu dơng +. dt dn V r A A V . 1 Theo. nghiệm. Tổng đại số các bậc phản ứng theo các cấu tử tham gia phản ứng bằng bậc chung của phản ứng. * Đại lợng bi u thị nồng độ của cấu tử i có thể ở dạng Ci, pi, yi.