1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG o0o MÔN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG BÀI GIẢNG Biên Hòa, ngày 30 tháng 06 năm 2011 2 CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN Mục đích – yêu cầu: Sau khi học xong sinh viên nắm được các kiến thức sau: - Hỗn hợp phản ứng - Độ chuyển hóa, hiệu suất - Bước phản ứng - Phương trình tỷ lượng và tính toán Số tiết lên lớp: 02 tiết Bảng phân chia thời lượng STT Nội dung Số tiết 1 Tổng quan về kỹ thuật phản ứng Hỗn hợp phản ứng 1 2 Độ chuyển húa, hiệu suất Bước phản ứng Phương trình tỷ lượng và tính toán 1 Trọng tâm bài giảng: - Tổng quan về kỹ thuật phản ứng - Những kiến thức cơ bản về kỹ thuật phản ứng Nội dung bài giảng: 1.1. Tổng quan về kỹ thuật phản ứng (Xem [1], trang 11-13) Kỹ thuật phản ứng gắn liền với quá trình trong đó có phản ứng hóa học xãy ra Trong công nghệ môi trường, quá trình xử lý chất thải thông thường có 3 phương pháp cơ bản: phương pháp cơ học, hóa học, sinh học Phương pháp hóa học là phương pháp sử dụng hóa chất đưa vào hệ thống xử lý để chuyển các chất ô nhiểm thành các không hay ít ô nhiễm hơn 3 Phương pháp hóa học đòi hỏi chi phí cao, nên chỉ sử dụng khi các phương pháp khác không xử lý được 1.2. Hỗn hợp phản ứng (Xem [1], trang 15) Hỗn hợp tham gia phản ứng gồm: các chất tham gia phản ứng (các chất ban đầu và sản phẩm phản ứng) và các chất trợ phản ứng (dung dịch đệm, khí trơ, xác tác). Các chất tham gia phản ứng: là chất trực tiếp tham gia vào phản ứng để tạo thành sản phẩm Các chất trợ phản ứng: không tham gia vào phản ứng mà chỉ làm thay đổi tốc độ phản ứng hay thúc đẩy quá trình 1.3. Độ chuyển hóa và hiệu suất (Xem [1], trang 24) Độ chuyển hóa của một cấu tử là tỷ số giữa số mol cần thiết cho phản ứng hóa học của cấu tử tham gia phản ứng và số mol ban đầu của cấu tử đó. Người ta thường chọn cấu tử dễ đo đạc k để xác định độ chuyển hóa X: X = (n 0 – n k )/n 0 Hiệu suất chuyển hóa tính theo một cấu tử nào đó - thường cho nguyên liệu, bằng phần trăm lượng cấu tử đó đã tham gia vào phản ứng hóa học tạo sản phẩm 1.4. Bước phản ứng (Xem [1], trang 21) Bước phản ứng U là tỷ số giữa số mol thay đổi của cấu tử bất kỳ trong phản ứng và hệ số tỷ lượng tương ứng của cấu tử đó: U = ∆nj/γj, bước phản ứng có đơn vị là mol Đối với phản ứng liên tục, bước phản ứng tính trên lưu lượng dòng mol, khi đó đơn vị là mol/h, kmol/h 1.5. Phương trình tỷ lượng và tính toán (Xem [1], trang 25) Phương trình tỷ lượng là phương trình biểu diễn quan hệ tương tác mang tính định lượng giữa các cấu tử tham gia phản ứng trong hệ Giao bài tập làm theo nhóm cho sinh viên, mỗi nhóm gồm 3 sinh viên. 4 Bài tập trên lớp: Câu hỏi lý thuyết: 1. Thế nào là phản ứng hóa học? 2. Trong công nghiệp để thực hiện phản ứng ta phải tực hiện như thế nào 3. Những công đoạn vật lý nào cần thực hiện để tạo thành dạng thích hợp cho công đạon phản ứng hóa học. 4. Hãy liệt kê các công đoạn xử lý vật lý 5. Thế nào là phân tách 6. Thế nào là tinh chế 7. Hãy trình bày Qui trình thực hiện phản ứng hoá học trong công nghiệp 8. Tại sao phải hoàn lưu trong phản ứng hóa học 9. Công đọan hóa học là gì 10. Công đoạn hóa học thực hiện những công việc gì 11. Tại sao phải có 2 công đoạn vật lý 12. Vai trò của công đoạn vật lý sau công đoạn hóa học 13. Tại sao thiết kế thiết bị phản ứng không theo khuôn mẫu có sẳn 14. Thế nào là thiết kế tối ưu 15. Để thiết kế thiết bị phản ứng ta cần những kiến thức gì? 16. Tại sao thiết kế thiết bị phản ứng ta cần những kiến thức đó? 17. Các câu hỏi được đặt ra trong thiết kế thiết bị phản ứng. Tài liệu tham khảo: [1], [2], [3]. 5 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC Mục đích – yêu cầu: Sau khi học xong sinh viên nắm được các kiến thức sau: - Định nghĩa nhiệt phản ứng - Các nguyên lý và định luật nhiệt động học - Cân bằng hóa học Số tiết lên lớp: 03 tiết Bảng phân chia thời lượng TT Nội dung Số tiết 1 Định nghĩa nhiệt phản ứng Các nguyên lý và định luật nhiệt động học 1 2 Cân bằng hóa học 1 3 Hướng dẫn tự học, thảo luận Kiểm tra hiểu bài và sửa bài tập 1 Trọng tâm bài giảng: - Định nghĩa nhiệt phản ứng - Các nguyên lý và định luật nhiệt động học - Cân bằng hóa học Nội dung Nhiệt động lực học cho ta biết hai điều cần thiết cho việc thiết kế là nhiệt phóng thích hoặc hấp thu trong quá trình phản ứng và mức độ phản ứng tối đa có thể đạt được nếu phản ứng khĩng thuận nghịch. 2.1. Nhiệt phản ứng (Xem [1], trang 30 ) Nhiệt phản ứng được định nghĩa là nhiệt phóng thích hoặc hấp thu bởi phản ứng khi phản ứng được qui về nhiệt độ của tác chất. 6 2.2. Các nguyên lý và định luật nhiệt động học (Xem [1], trang 31-32) 2.2.1. Nguyên lý I Là trường hợp riêng của nguyên lý bảo toàn và chuyển hóa năng lượng: “Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác” 2.2.2. Nguyên lý II Với : S - Entropy và dS = dSe + dSi Entropy được coi là thước đo trạng thái trật tự của hệ, hệ càng trật tự thì entropy càng nhỏ. Trong trạng thái vật lý lý tưởng như trạng thái vật rắn ở dạng tinh thể không có cưỡng bức nhiệt ở bất kỳ điểm nào thì entropy của hệ đạt giá trị cực tiểu bằng 0. 2.2.3. Phương trình trạng thái Đối với khí lý tưởng - Khí lý tưởng là khí mà lực tác dụng liên kết giữa các phân tử bằng không - Phương trình đơn giản được viết bởi Claperon - Mendeleep cho một mol chất : Pv = RT Trong đó: P - áp suất tác dụng T - nhiệt độ, K v - thể tích của một mol khí ở điều kiện P, T R - hằng số khí lý tưởng R = 8,314 J/mol.K = 1,9 Cal/mol.K 2.3. Cân bằng hóa học (Xem [1], trang 42-50) Khi phản ứng ở trạng thái cân bằng, nhiệt độ và áp suất của hệ giữa không 7 đổi và sự biến đổi năng lượng tự do bằng không. Từ đó ta có sự liên hệ giữa sự biến đổi năng lượng tự do chuẩn ° ∆ F và hằng số cân bằng K: F ∆ ° = – RT lnK Sự biến đổi năng lượng tự do chuẩn F ∆ ° là hiệu số giữa năng lượng tự do của sản phẩm và tác chất ở điều kiện chuẩn. Trạng thái chuẩn được chọn sao cho tính năng lượng tự do đơn giản nhất. Phương trình Van’t Hoff biểu diễn sự biến thiên của hằng số cân bằng theo nhiệt độ. , (ln ) ∆ = o o r T 2 H d K dT RT với , ∆ o o r T H là sự biến thiên enthalpy của phản ứng ở điều kiện chuẩn. Sửa bài Luyện tập trên lớp: Câu hỏi lý thuyết: 1. Nhiệt động lực cho ta biết điều gì? 2. Hãy định nghĩa nhiệt phản ứng 3. Thế nào là nhiệt độ của tác chất 4. Nếu áp suất không đổi thì nhiệt phản ứng được tính như thế nào 5. Thế nào là nhiệt cấu tạo? 6. Hãy trình bày công thức tính nhiệt phản ứng tại nhiệt độ T theo nhiệt phản ứng ở nhiệt độ T 0 7. Thế nào là nhiệt dung riêng trung bình 8. Ảnh hưởng của áp suất lên nhiệt phan ứng như thế nào 9. Hãy trình bày mối liên hệ giữa năng lượng tự do chuẩn và hằng số cân bằng 10. Sự biến đổi năng lượng tự do chuẩn được tính như thế nào 11. Hãy trình bày cách tính hằng số cân bằng theo hoạt độ 8 Bài tập trên lớp: 1. Oxide ethylen được sản xuất bằng cách oxi hóa trực tiếp ethylen với chất xúc tác (bạc và chất mang thích hợp) trong dòng không khí. Giả sử dòng nhập liệu vào thiết bị phản ứng ở 200°C và chứa 5%mol ethylen, 95% mol không khí. Nếu nhiệt độ dòng ra không được vượt quá 260°C thì độ chuyển hóa của ethylen thành oxit là 50% và 40% ethylen bị cháy hoàn toàn thành dioxide carbon. Hỏi phải truyền nhiệt ra môi trường ngoài là bao nhiêu cho mỗi mol ethylen trong nhập liệu để nhiệt độ không vượt quá nhiệt độ giới hạn. Nhiệt dung riêng mol trung bình của ethylen là 18cal/gmol°C giữa 25 và 200°C và 19cal/gmol°C giữa 25 và 260°C, tương tự cho oxide ethylen là 20 và 21cal/gmol°C. Áp suất bằng áp suất khí quyển. Giải Vì hiệu ứng nhiệt ở áp suất không đổi bằng với sự biến đổi enthalpy nên quá trình thực được thay bằng các quá trình sau: - Làm nguội tác chất và không khí từ 200°C xuống 25°C - Thực hiện phản ứng ở 25°C - Đun nóng sản phẩm và không khí từ 25°C lên 260°C Tổng số sự biến đổi enthalpy của ba giai đoạn cho ta hiệu ứng nhiệt. Giai đoạn 1: Trên căn bản 1 mol ethylen, sẽ có (1) 95/5 = 19 mol không khí đi vào thiết bị phản ứng. Nhiệt dung riêng trung bình của không khí từ 25 đến 200°C là 7,0 cal/gmol°C. Vậy: ( )( ) ( , )( ) /∆ = − + − = 1 H 1 18 200 25 19 7 0 200 25 26425 cal mol Giai đoạn 2. Hiệu ứng nhiệt do ở hai phản ứng: / ( ) 2 4 2 2 4 C H 1 2O C H O k + → ( ) + → + 2 4 2 2 2 C H 3O 2CO H O k Dùng số liệu nhiệt cấu tạo cho ở bảng 1.2 tính cho phản ứng 1: 1 r H ∆ = – 12190 – 12496 – 0 = – 24686 cal/mol 9 phản ứng thứ 2: 2 r H ∆ = 2(-57798) + 2 (– 94052) – 12496 – 0 = – 316.196 cal/mol Với mỗi mol ethylen có 0,5 mol phản ứng tạo thành oxide ethylen và 0,4 mol cháy hoàn toàn nên: o T H ∆ = 0,5 (- 24.686) + 0,4 (-316.196) = – 138.821,4 cal/mol Giai đoạn 3. Sản phẩm gồm những cấu tử Ethylen = 1 – 0,5 – 0,4 = 0,1 mol Oxide ethylen = 0,5 mol Hơi nước = 2.0,4 = 0,8mol ( p C = 8,25 cal/mol°C) Dioxide carbon = 2.0,4 = 0,8 mol ( p C = 9,4 cal/mol°C) Nitrogen = 19 (0,79) = 15 mol ( p C = 7,0 cal/mol°C) Oxygen = 19(0,21) – ½(0,5) – 3 (0,4) = 2,6 mol ( p C = 6,25 cal/mol°C) Các giá trị nhiệt dung riêng trung bình lấy giữa 25 và 260°C: 3 H ∆ = [0,1 (19) + 0,5 (21) + 0,8 (8,25) + 0,8 (9,4) + 15 (7,0) + 2,6(7,25)] (260 – 25) = 150 (260 – 25) = 35250 cal/mol. Vậy tổng lượng nhiệt liên hệ là: Q = 26425 – 138821,4 + 35250 = – 77146,4 cal/mol Lượng nhiệt phải lấy ra khỏi hệ là 77146,4 cal/mol ethylen đưa vào thiết bị phản ứng. Bài tập về nhà 1. Ước tính độ chuyển hóa tối đa của ethylen thành etanol bằng phản ứng hidrat hóa trong pha hơi tại nhiệt độ 250°C và áp suất 34 at. Dùng số liệu cân bằng trong ví dụ 2 và giả sử tỉ số ban đầu của hơi nước và ethylen bằng 5. ĐS: x = 0,15. Tài liệu tham khảo: [1], [2], [3], [4]. 10 CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG Mục đích – yêu cầu: Sau khi học xong sinh viên nắm được các kiến thức sau: - Khái niệm - Các thuyết về tốc độ phản ứng - Các loại phản ứng - Các yếu tố ảnh hưởng. Số tiết lên lớp: 02 tiết Bảng phân chia thời lượng STT Nội dung Số tiết 1 Khái niệm Các thuyết về tốc độ phản ứng 1 2 Các loại phản ứng Các yếu tố ảnh hưởng. 1 Trọng tâm bài giảng: Động học phản ứng Nội dung 3.1. Khái niệm (xem [1], trang 54-55) Động hóa học là môn học nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học và cơ chế mà theo đó một phản ứng hóa học xảy ra. Trong việc thiết kế thiết bị phản ứng ta cần biết đến phương trình vận tốc phản ứng thích hợp. Cơ chế phản ứng chỉ cần thiết khi ta suy diễn các số liệu vận tốc vượt quá các thí nghiệm ban đầu và trong việc khái quát hóa động học phản ứng. 3.2. Các thuyết về tốc độ phản ứng (xem [2], trang 14) Xét cấu tử i trong phản ứng hóa học. Dựa trên các căn bản khác nhau, ta có các định nghĩa khác nhau vận tốc biến đổi của cấu tử i lần lượt như sau: [...]... ng TT N i dung S ti t 1 Thi t b ph n ng gián o n có th tích không 2 Thi t b ph n ng gián o n có th tích thay 3 Nhi t i i 2 1 và v n t c ph n ng 2 Hư ng d n t h c, th o lu n Ki m tra hi u bài và s a bài t p Tr ng tâm bài gi ng: Các phương pháp xác nh các thông s ng h c N i dung: Phương trình v n t c trình v n t c có th c trưng cho v n t c ph n ng D ng c a phương ư c xác nh t kh o sát lý thuy t m t mô... Monod Mô hình 4 ng h c trong các thi t b ph n ng 1 sinh h c 5 Quan h gi a phân h y và sinh kh i vi sinh v t 1 6 Các thi t b ph n ng sinh h c 1 Hư ng d n t h c, th o lu n 7 Ki m tra hi u bài và s a bài t p 1 Tr ng tâm bài gi ng: - Lên men do enzym - Lên men do vi sinh v t N i dung 5.1 ng h c t o s n ph m Michealis – Menten (xem [1], trang 128-129) Enzyme là ch t xúc tác sinh h c có thành ph n cơ b n... S ti t 1 Phân lo i h ph n ng d th 1 2 Phương trình v n t c cho ph n ng d th 1 3 Các mô hình ti p xúc pha 1 ng h c Lang Muyr 4 1 ng h c Temkim Hư ng d n t h c, th o lu n 5 1 Ki m tra hi u bài và s a bài t p Tr ng tâm bài gi ng: - i cương v ph n ng d th - ng h c Langmuir - ng h c Temkim N i dung Khi thi t k thi t b ph n ng cho m t h ph n ng d th thư ng g p hai khó khăn chính mà trư c ây không g p trong... th c nghi m xác nh hàm phân b 2 th igian Cơ s toán h c 2 S d ng thông tin phân ph i th i gian lưu Xác nh chuy n hóa tr c ti p t th c nghi m Hư ng d n t h c, th o lu n 3 1 Ki m tra hi u bài và s a bài t p 1 Tr ng tâm bài gi ng: - S phân b th i gian lưu c a lưu ch t trong bình - Xác nh chuy n hóa tr c ti p t th c nghi m N i dung 32 7.1 Khái ni m (xem [2], trang 167-168) Có ba phương pháp ư c tính các... Thi t b khu y gián o n 5 Thi t b khu y liên t c 6 Thi t b khu y n i ti p 7 Thi t b khu y song song 8 Thi t b khu y có dòng tu n hoàn S ti t 9 Hư ng d n t h c, th o lu n Ki m tra hi u bài và s a bài t p 1 1 1 1 1 1 Tr ng tâm bài gi ng: 35 - Cân b ng v t ch t và năng lư ng - Thi t b ph n ng N i dung: Trong chương này ta s tìm hi u hai v n chính: - Các khía c nh t ng quát c a phương trình thi t k các lo... RT Vì e −E / RT bi n v n t c theo nhi t i nhi u hơn Τm theo nhi t thư ng ư c xác nên s bi n i c a h ng s nh theo phương trình Arrhénius k = k o e −E / RT B ng cách v lnK theo 1/T Làm bài ki m tra t i l p (l n 1) và s a bài Luy n t p trên l p: Câu h i lý thuy t: 1 Phương trình v n t c ph n ng c trưng cho y u t gì ? 2 D ng c a phương trình v n t c ư c xác 3 Xác 4 Các d ng ho t 5 Có m y phương pháp 6 Phương... (1,12 – 1,08) mol/l.ph = 0,04 mol/l.ph Vì kh i lư ng riêng không v= V ( −rB ) f CBo X B = i nên ε A = 0 , ta có (120l )(0, 04mol / l ph) = 8 l / ph (0, 6mol / l ) như v y lưu lư ng m i dòng là 4 l/ph Bài t p v nhà: 1 Ti n hành ph n ng b c 1 trong thi t b ph n ng khu y tr n ho t ng gián o n: A → R, v i phương trình v n t c ph n ng là rA = kCA Xác n ng nh c a A (CA) là hàm c a th i gian ph n ng (t);... bình Do ó d a trên m t ơn v th tích lưu ch t Di n tích b m t riêng ch t xúc tác cho m t ơn v th tích bình ph n ng S/ Vb = 200 m 2 / m 3 bình ph n ng Do ó d a trên m t ơn v di n tích b m t ch t xúc tác Bài t p v nhà: 1 Hóa ch t A ư c bi n i thành hóa ch t R trong m t thi t b ư c chêm 15 b ng các h t v t chêm hình c u không r ng Di n tích b m t riêng c a ch t xúc tác là 200 m 2 / m 3 t ng chêm, kh i lư... n s V i nh ng ph n ng có phát nhi t ho c thu nhi t, t c truy n nhi t nh hư ng n quá trình ph n ng Do ó quá trình truy n nhi t và truy n kh i óng vai trò quan tr ng quy t nh v n t c ph n ng d th S a bài Luy n t p trên l p: Câu h i lý thuy t: 1 Hãy nh nghĩa ph n ng ng th 2 Hãy nh nghĩa ph n ng d th 3 Hãy nh nghĩa v n t c ph n ng d a theo th tích h n h p 13 4 Hãy nh nghĩa v n t c ph n ng d a theo th... p ph n ng 29 Trình bày nh nghĩa v n t c ph n ng d a trên th tích bình ph n ng 14 30 Trình bày nh nghĩa v n t c ph n ng d a trên m t ơn v di n tích ti p xúc pha 31 Các y u t nh hư ng n v n t c ph n ng Bài t p trên l p: 1 Hóa ch t A ư c bi n i thành hóa ch t R trong m t thi t b ư c chêm b ng các h t v t chêm hình c u không r ng Di n tích b m t riêng c a ch t xúc tác là 200 m 2 / m 3 t ng chêm, kh i lư . kiến thức cơ bản về kỹ thuật phản ứng Nội dung bài giảng: 1.1. Tổng quan về kỹ thuật phản ứng (Xem [1], trang 11-13) Kỹ thuật phản ứng gắn liền với quá trình trong đó có phản ứng hóa học xãy. về kỹ thuật phản ứng Hỗn hợp phản ứng 1 2 Độ chuyển húa, hiệu suất Bước phản ứng Phương trình tỷ lượng và tính toán 1 Trọng tâm bài giảng: - Tổng quan về kỹ thuật phản ứng - Những. Hầu hết phản ứng ở pha lỏng Các phản ứng cháy của ngọn lửa Các phản ứng ở thể keo Dị thể Phản ứng cháy của than Nung quặng Phản ứng của acid với chất rắn Hấp thu khí – lỏng có phản ứng Tổng