Chuong 7 mo dau pu di the

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG DỊ THỂ Heterogenous Chemical Reaction Engineering Mục lục 8/24/2017 Chương 7: Giới thiệu phản ứng dị thể Chương 8: Phản ứng rắn – lưu chất Chương 9: Phản ứng lưu chất – lưu chất Chương 10: Phản ứng xúc tác rắn Tài liệu tham khảo Vũ Bá Minh, “Quá trình thiết bị, tập 4, Kỹ thuật phản ứng” nxb Đại học Quốc gia TP.HCM Octave Levenspiel, “Chemical Reaction Engineering”, John Wiley&sons, 1999 H Scott Fogler, “Elements of Chemical Reaction Engineering”, Int Student edition, 1989 J.M Smith, “Chemical Reaction Kinetics”, McGraw Hill, 1970 Stanley M Walas, “Reaction Kinetics for Chemical Engineers”, Int Student edition, 1969 8/24/2017 Chương 7: Giới thiệu phản ứng dị thể Phân loại phản ứng dị thể: 1- Phản ứng khí - rắn : Pha rắn chất xúc tác : cracking, đồng phân hóa, reforming ; pha rắn tác chất: nung quặng FeS, ZnS, 2- Phản ứng lỏng - rắn : chất xúc tác pha rắn: phản ứng alkyl hóa với chất xúc tác AlCl3 3- Phản ứng khí - lỏng - rắn: phản ứng polime hóa (polyme hóa etylen: etylen hịa tan dung môi với hạt xúc tác thể rắn); hydrogen hóa chất lỏng dầu ăn với chất xúc tác thể rắn 4- Phản ứng lỏng - lỏng: tổng hợp hữu (phản ứng alkyl hóa hydrocarbon với dung dịch acid sulfuric làm chất xúc tác) 5- Phản ứng khí - lỏng: q trình hấp thu chất khí vào chất lỏng có kèm theo phản ứng hóa học (phản ứng hấp thu etanolamin, hấp thu dung dịch KOH) → Hệ khí (lỏng) - lỏng, hệ khí - rắn khơng xúc tác hệ khí - rắn có xúc tác 8/24/2017 Sơ đồ nguyên lý trình lọc dầu 8/24/2017 Phản ứng Cracking 8/24/2017 Chất xúc tác sử dụng cho trình Cracking Reforming 8/24/2017 Fluid Catalyst Cracking (FCC) 8/24/2017 Chương 1: Giới thiệu phản ứng dị thể 1.1 Hai vấn đề phát sinh: Sự phức tạp phương trình vận tốc phản ứng (The complication of Rate Equation) Phương pháp tiếp xúc pha (Contacting Patterns for Two-Phase Systems) 8/24/2017 Sự phức tạp phương trình vận tốc phản ứng Thí dụ 1.1 Có giai đọan (steps) phản ứng C + O2 → CO2 Bỏ qua phản ứng tạo thành CO Phản ứng cháy than với lượng khơng khí khơng đủ C( r )  O2( k)  CO2( k ) 2C( r )  O2( k)  2CO( k ) C( r )  CO2( k )  2CO( k) Khí than ướt từ nước C(r)  H2O(k)  CO(k)  H2 (k) C(r)  2H2O(k)  CO2(k)  2H2(k) ûáng khấc àố hẩt rùỉn thay àưíi kđch thûúác nhû sau 8/24/2017 10 Có giai đọan (steps) phản ứng 8/24/2017 11 Thí dụ 1.2 Có giai đọan cho q trình hấp thu bọt O2 vi khuẩn phân tán lơ lững dung dịch q trình lên men hiếu khí (Aerobic Fermentation) để sinh sản phẩm 8/24/2017 12 Biểu thức vận tốc phản ứng V ( rA )dV  Vb ( r 'A )dVb  S ( rA'' )dS  W ( rA''' )dW  Vr ( rA'''' )dVr (–rA) vận tốc phản ứng dựa đơn vị thể tích tác chất (–rA’)là vận tốc phản ứng dựa đơn vị thể tích bình phản ứng (–rA’’) vận tốc phản ứng dựa đơn vị diện tích bề mặt chất rắn (–rA’’’) vận tốc phản ứng dựa đơn vị khối lượng chất rắn (–rA’’’’) vận tốc phản ứng dựa đơn vị thể tích chất rắn 8/24/2017 13 Định nghóa vận tốc phản ứng dN i  Dựa đơn vị thể ri  , mol/ m h tích hỗn hợp phản ứng V dt dN i ri  , mol/m h V b dt dN i '' r  , mol/ m h  Dựa đơn vị diện i S dt tích bề mặt tiếp xúc pha dN i  Dựa đơn vị ''' ri  , mol/ kg h khối lượng chất xúc tác W dt  Dựa đơn vị dN i ''' thể tích chất xúc tác ri  , mol/ m3 h Vr dt  Dựa đơn vị thể tích bình phản ứng 8/24/2017 ' 14 Biểu thức vận tốc Nguyên tắc kết hợp  Quá trình thành phần xảy song song Các trình thành phần xảy song song vận tốc tổng quát lớn vận tốc thành phần Nếu trình xảy độc lập với vận tốc tổng quát – rt  n  (  ri ) i 1  Quá trình thành phần xảy nối tiếp Quá trình thành phần xảy nối tiếp trạng thái ổn định vận tốc trình thành phần phải nhau, ( rt )  ( r1 )  ( r2 )   ( rn ) 8/24/2017 15 Biểu thức vận tốc Những điểm cần lưu ý kết hợp  Cần qui đổi phương trình vận tốc • Q trình truyền khối : định nghĩa dựa đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc pha: 1 dNA Qt.k  S dt • Phản ứng :phải định nghĩa dựa đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc pha Qph.ûáng  (rA'' )  1 dN A S dt  Khử giá trị nồng độ trung gian 8/24/2017 16 Biểu thức vận tốc Quá trình kiểm sóat vận tốc(Rate controlling Step) Trở lực cho q trình phản ứng → vượt qua trở lực phản ứng xảy Những trình sinh trở lực gọi q trình hay giai đoạn kiểm soát vận tốc tổng quát phản ứng ( rt )  ( rcham ä ) Tuyến tính hóa ( Linearization) 8/24/2017 17 Nhắc lại Biểu thức tính Hệ số truyền nhiệt tổng quát, Hệ số truyền khối tổng quát Hiệu ứng nhiệt độ cho phản ứng 8/24/2017 18 Thí dụ 1.3 Phương trình vận tốc tổng qt cho q trình tuyến tính Tác chất A có nồng độ lỗng khuếch tán qua lớp phim khí lên bề mặt tác chất rắn B, phản ứng xảy bề mặt chất rắn để sinh sản phẩm R khuếch tán ngược trở lại dòng vật liệu Xác định phương trình vận tốc tổng quát cho phản ứng xảy bề mặt chất rắn A(K) + B(R) → R(K) 8/24/2017 19 a) Quấ trịnh tưíng quất xem nhû cố ba quấ trịnh thânh phêìn xẫy nưëi tiïëp nhau: * A khụëch tûâ dông khđ qua lúáp phim àïën bïì mùåt chêët rùỉn B * Tẩi bïì mùåt chêët rùỉn B phẫn ûáng xẫy vâ sinh R * R khụëch qua lúáp phim àïí vâo dông khđ Hình 7.1 8/24/2017 20 Theo định luật Fick, thông lượng A khuếch tán vào bề mặt chất rắn B theo phương x là: Qk  1 dNA dC C D  D  D   Ck  Cr    kk  Ck  Cr  S dt dx x x (A) vúái k k lâ hïå sưë truìn khưëi l / m2 s vâ D lâ hïå sưë khụëch , m2/s   Quấ trịnh phẫn ûáng lâ bêåc mưåt theo A dûåa trïn mưåt àún võ diïån tđch bïì mùåt tiïëp xc pha 1 dNA " Qr   ( rA )  k r Cr S dt vúái k r laâ hựỗng sửở vờồn tửởc phaón ỷỏng dỷồa trùn mửồt ỳn võ diïån tđch bïì mùåt chêët rùỉn ÚÃ àiïìu kiïån ưín àõnh vâ cho nhûäng quấ trịnh nưëi tiïëp: Qk  Qr k k  Ck  Cr   k r Cr hay: 8/24/2017 Cr  kk Ck kk  kr 21 thay vâo biïíu thûác vêån tưëc àïí khûã nưìng àưå tẩi bïì mùåt chêët rùỉn khưng xấc àõnh àûúåc: 1 dN 1 dNA Qk  Qr   Ck  k.Ck 1 S dt  kk kr 1 vaâ laâ nhûäng trúã lûåc truìn khưëi vâ trúã lûåc phẫn ûáng cố tđnh chêët cưång àûúåc vị kk kr lâ quấ trịnh tuën tđnh vâ xẫy nưëi tiïëp k số vận tốc phản ứng tổng quát 8/24/2017 22 Thí dụ 1.4 Phương trình vận tốc tổng quát cho trình tuyến tính Lặp lại thí dụ với giai đọan phản ứng bậc hai theo A rA"  - k " C 2A b) Giẫ sûã phẫn ûáng lâ bêåc 2: Ta coá : Qr  k r C2r , úã trẩng thấi ưín àõnh k k  Ck  Cr   k r C2r Giẫi phûúng trịnh bêåc theo C r ta coá: k k  k2k  4kk k r Ck Cr  2k r thay giấ trõ Cr trïn vâo biïíu thûác vêån tưëc: " Qk  Qr  (rA ) 8/24/2017 kk  1 dN A    2k r k k  k k  k k  4k r k k Ck  S dt 2k r   23 Phương pháp tiếp xúc pha (Contacting Patterns for Two-Phase Systems) Khuấy trộn ống lý tưởng Cùng chiều, ngược chiều, thẳng góc Phương trình vận tốc phù hợp vận tốc phản ứng mơ hình tiếp xúc hai pha 8/24/2017 24 Thí dụ 1.5 Hóa chất A phản ứng tạo thành hóa chất R TBPƯ chêm hạt vật chêm hình cầu khơng rỗng σ = 200 m2/m3 tầng chêm ρb = 2.908kg/m3 tầng chêm ε = 0,40 Phương trình vận tốc có dạng sau, xác định đơn vị cho đại lượng biến đổi dạng biểu thức vận tốc khác dN A r   0,1 C A W dt   '' ' A 8/24/2017 25