Chuong 4 ap dung phuong trinh thiet ke

Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế  Có thể sử dụng nhiều dạng bình phản ứng  Thay đổi tỷ lệ nồng độ tác chất nhập liệu ban đầu  Yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn: Lọai phản ứng Chi phí thiết bị dụng cụ đo Tính ổn định họat động Tính linh động thiết bị thay đổi điều kiện họat động Hai thông số thiết kế ảnh hưởng đến tính kinh tế trình: Thể tích thiết bị phản ứng Sự phân phối sản phẩm phản ứng đa hợp 4.1 So sánh kích thước thiết bị phản ứng đơn (1) Bình phản ứng khuấy trộn họat động ổn định & Bình ống Sử dụng trực tiếp phương trình thiết kế  Sử dụng giản đồ (hình 4.1)  Hình 4.4 Biểu diễn so sánh hoạt động hai loại thiết bị phản ứng 1) Bình phản ứng khuấy VS Bình ống trộn hoạt động ổn định Dạng phương trình vận tốc tổng quát ( rA )   dNA  kCnA V dt Với thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định: n  CA V  C X X   X Ao A A A A o k      n  n  FA  (  r ) kC A  X   o k  A Ao thiết bị phản ứng dạng ống: XA XA n  CA V    X dX A   dX A A A o ö     CA o  n 1 n  FA   r   kC A  X   o ö  A Ao o o      Cn V  n  A  A X A     X A  n 1    FA0  CA  XA      k  k k    Cn V  XA   X n  CnA1 A A  A0  ö    dX A n  FA     X   A   ö  ö    khối lượng riêng không đổi CnA1    C  k n 1 A0 ö    XA   n  1  X A   k  X A dX  A    1  X A n   4.1 So sánh kích thước thiết bị phản ứng đơn (2) Sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu tác chất phản ứng bậc hai – Bình ống, hình 4.2 C B0 M  1 C A0  C A0 V  M  XA   M     ln , M 1  FA0  M  k C A0 (M  1) M(1  X A )  C A0 V  XA   M     , M 1  FA0  M  k C A0 (1  X A ) (2) Sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu tác chất phản ứng bậc hai – Bình khuấy liên tục, hình 4.3  C A0 V  XA   M     , M 1  FA0  M  k C A0 (1  X A ) (M  X A )  C A0 V  XA   M     ,  FA0  M  k C A0 (1  X A ) M 1 Hình 4.10 Giải đồ thị hệ nhiều bình khuấy mắc nối tiếp Hình 4.11 Dạng đường cong theo bất thường Trên H.4.10 vẽ đường cong (-rA)theo CA (a) Nồng độ dòng vào CAobiết trước (điểm L) (b) CA1 (-rA)1 tương ứng với điểm M đường cong (c) Hệ số góc đoạn LM  MN / NL   rA1  /  CA1  CA0   1 / 1 Từ L vẽ đoạn thẳng có hệ số góc (-1/1) cắt đường cong điểm M cho ta CA1 Tương tự từ N ta vẽ đường thẳng có hệ số góc (-1/2) cắt đường cong P cho ta nồng độ CA2 4.3 Thiết kế cho phản ứng đa hợp 4.3.1 Phản ứng song song (1) Khảo sát định tính phân phối sản phẩm dC R a1 A  R (chính) rR   k1 C A dt dCS k2 a2 A  S (ph ) rS   k CA dt k1 rS dCS k a2  a1   CA rR dC R k1 rS dCS k a2  a1   CA rR dC R k1 CA giữ giá trị thấp suốt trình phản ứng : 1) Dùng bình phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định 2) Dùng dịng hồn lưu để pha lỗng dịng nhập liệu 3) Giảm áp suất hay tăng lượng khí trơ phản ứng pha khí CA giữ giá trị cao: 1) Dùng bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đoạn thiết bị phản ứng dạng ống 2) Khơng dùng dịng hồn lưu 3) Tăng áp suất hay giảm lượng khí trơ phản ứng pha khí rS dCS k a2  a1   CA rR dC R k1  a1a2 bậc phản ứng lớn bậc phản ứng phụ → sử dụng bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đoạn thiết bị phản ứng dạng ống a1= a2 → phân phối sản phẩm phụ thuộc vào k1, k2 không phụ thuộc vào loại thiết bị phản ứng Mô hình cho thấy nồng độ tác chất cao hay thấp cho trình ổn định Ví dụ 4.5 Giả sử có phản ứng pha lỏng k A  B  R  T (chñnh) k A  B  S  U (phuå) với phương trình vận tốc thành lập sản phẩm sau dCR dCT   k1CA C0B,3 dt dt dCS dCU   k2C0A,5C1B,8 dt dt (A) (B) Chi phí tác chất tương đối cao, nhiên chi phí phân tách tác chất khỏi sản phẩm thấp Ngồi kìm hãm thành lập S, U quan trọng có bình phản ứng nhỏ chi phí phân tách S, U cao chi phí tác chất lớn Đề nghị mơ hình hệ thống để sản xuất R,T Ví dụ 4.5 Giả sử có phản ứng pha lỏng 1,5 dCS k2 0,51,0 1,80,3 k2 CB  CA CB  dCR k1 k1 C0,5 A •Để [dCS/dCR] đạt cực tiểu phải lớn nhỏ Ngồi ảnh hưởng lớn số mũ lớn Sơ đồ phù hợp với hai điều kiện bình phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định với lượng thừa A Chi phí phân tách A rẻ giá A đắt nên A hoàn lưu Sơ đồ trình bày hình vẽ 4.3 Thiết kế cho phản ứng đa hợp 4.3.1 Phản ứng song song (2) Khảo sát định lượng phân phối sản phẩm  : phần tác chất A phản ứng thời điểm để tạo thành R, gọi hiệu suất thời tạo thành R a r dCR dCR  R   (rA ) dCA dCR  dCS  k1CA1 a a k1CA1  k2CA2  a a1  (k / k1 )CA2 CA thay àưíi nïn  thay àưíi theo Àõnh nghơa , lâ phêìn ca têët cẫ A àậ phẫn ûáng tẩo thânh R, àûúåc gổi lâ hiïåu sët tưíng quất tẩo thânh R  CRf  CR    CA0  CA f  CR  CS f CRf lâ nưìng àưå ca R tẩi dông khỗi bịnh phaãn ûáng CRf  CR f  dCR   CA f  CA dCA Thiết bị phản ứng dạng ống ö  CR f C A  CA f  1 CA  CA f CA f  dCA ö  CA0 1 CA  CA f CA f  C A0 dCA a a1  (k / k1 )CA2 bình khuấy trộn hoạt động ổn định, hiệu suất thời số nên k =  k  a a1  (k2 / k1 )CA2 j bình khuấy trộn mắc nối tiếp nồng độ tác chất A khỏi bình CA1, CA2, … CAj hiệu suất tổng quát C1 k  a a  (k2 / k1 )CA2 1  C2 a a  (k2 / k1 )CA2 CA  CA j   C j a a1  (k2 / k1 )CA2 j 4.3 Thiết kế cho phản ứng đa hợp 4.3.1 Phản ứng nối tiếp (1) Khảo sát định tính phân phối sản phẩm Khảo sát định lượng: thiết bị dạng ống bình khuấy hoạt động gián đoạn CA  e k1t CA CR k1  e k1t  e k2t CA0 k2  k1  CR max  k1    CA k  2 k2 /  k2  k1   CS  CA0  CA  CR t max  ln  k2 / k1  k2  k1 Khảo sát định lượng: bình khuấy trộn hoạt động ổn định k1 k2 Hình 4.18 Nồng độ tương đối cấu tử phản ứng nối tiếp A   R  S