Chuong 3 phuong trinh thiet ke

8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 3.1 Cân vật chất & lượng tổng quát Cân vật chất cho phân tố thể tích (Lượng tác chất nhập vào) - (Lượng tác chất khỏi) - (Lượng tác chất phản ứng) = Lượng tác chất tích tụ (biến đổi) PHẢN ỨNG VÀO 8/24/2017 PHÂN TỐ THỂ TÍCH (TÍCH TỤ) RA Chuong - Phuong trinh thiet ke O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition2 Cân lượng (Năng lượng dịng nhập vào) (Năng lượng dịng khỏi) (Năng lượng trao đổi với mơi trường ngịai) = (Năng lượng tích tụ (biến đổi)) TRAO ĐỔI VÀO 8/24/2017 PHÂN TỐ THỂ TÍCH (TÍCH TỤ) Chuong - Phuong trinh thiet ke RA Các dạng bình phản ứng khuấy trộn 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke Các dạng bình phản ứng khuấy trộn 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 3.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng Hoạt động ổn định  Với: XA0 , XAf độ chuyển hóa dòng nhập liệu dòng sản phẩm  v lưu lượng dòng nhập liệu, m3/s O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 3.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng Hoạt động ổn định FA0 (  X A0 )t  FA0 (  X Af )t    rAf  V t  V FA0 hay  V  V   CA0  X Af  X A0 (  rAf ) (3.3) : Thoi gian the tich X  X A0 C (X  X A0 ) V V    Af    A0 Af FA0  CA0 CA0 (  rAf ) (  rAf )  Với: XA0 , XAf độ chuyển hóa dòng nhập liệu dòng sản phẩm  v lưu lượng dòng nhập liệu, m3/s 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 3.2 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke Xác định nhiệt độ dòng sản phẩm để tính vận tốc phản ứng – cân nhiệt lượng m t (T0  Tf ) Cp  (XAf  X A0 )H r FA0  KS(Tn  Tf )  hay m t (T0  Tf ) Cp  (  rA ) V H r  K.S.(Tn  Tf )   mt : suaát lượng dòng nhập liệu, kg/s  Cp : nhiệt dung riêng dòng nhập liệu (sản phẩm), J/kg.0C ΔHr: nhiệt phản ứng, J/mol K : hệ số truyền nhiệt, W/m2.0C S : diện tích bề mặt truyền nhiệt, m2 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke Thí dụ 3.1: Xác định lưu lượng dòng nhập liệu Phản ứng thuận nghịch pha lỏng sơ đẳng A + B = R + S với k1= l/mol.ph , k2 = l/mol.ph V = 120 lít Hai dòng nhập liệu riêng biệt có lưu lượng nhau:  Dòng có nồng độ 2,8 mol A/ lít  Dòng có nồng độ 1,6 mol B/ lít Độ chuyển hóa tác chất giới hạn đạt 75% V=120lite O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 10 Thí dụ 3.3: a) Tính thời gian phản ứng b) Thể tích bình phản ứng khuấy gián đọan CH3COOH + C4H9OH→CH3COOC4H9 + H2O 1000C, xúc tác H2 SO4 nồng độ 0,032%k.l Nhập liệu: 4,97 mol butanol/mol axit Phương trình vận tốc (-rA)= k.CA2 với k = 17,4 ml/ mol.ph XAf = 50% Khối lượng riêng cấu tử 100°C  Acid acetic = 0,958g/ml  Butanol = 0,742g/ml  Acetal butyl = 0,796g/ml Mặc dầu khối lượng riêng hỗn hợp phản ứng thay đổi theo độ chuyển hóa sử dụng lượng thừa butanol nên làm giảm thay đổi Do giả sử khối lượng riêng không đổi lấy 0,75 g/ml 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 17 Thí dụ 3.3: a) Phương trình vận tốc phản ứng là: (  r A )  k C 2A  k C 2A o (1  X A ) Áp dụng phương trình thiết kế (3.11) với thể tích hỗn hợp phản ứng không đổi: X X 0,50 t  CA o o A dX A kC2A (1  X A )2 o  kCA o o  A dX A (1  X A )2 Lấy tích phân được: t kCAo  1  1  (2  1)    kCAo 1  X A   kCAo Nồng độ ban đầu acid acetic là: CAo  m ol  0, 00175 m ol / m l ( , ) ( )  (1 ) ( ) 0,75 g / m l thay vào biểu thức tính t, ta được: t  32, ph  0, 55 h (17, ml / mol.ph )(0, 00175 mol / ml ) 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 18 Thí dụ 3.3: b) Gọi mA khối lượng acid acetic cho vào bình mẻ, ta có phương trình cân sau: 100  (m A / 60)(0, 50)(116) kg ester / h 0, 55  0, 50 mA== 108,6 kg acid acetic/mẻ Khối lượng nhập liệu tổng cộng cho mẻ:  108,  mt  108,    (4, 97)(74)  774, kg / mễ  60  Vậy thể tích hỗn hợp phản ứng chứa bình là: 774, kg V  1032, l 0, 75 kg / l 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 19 3.3 Thiết bị phản ứng dạng ống lý tưởng 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 20 3.3 Thiết bị phản ứng dạng ống lý tưởng FA (  X A )t  FA (  X A  X A )t   rA  V t  hay FA X A   rA  V  Chia V, V  dX A ( rA )  dV FA0 V  FA0 8/24/2017 X Af  dX A ( rA ) Chuong - Phuong trinh thiet ke 21 3.3 Thieát bị phản ứng dạng ống lý tưởng Nếu enthalpy hỗn hợp phản ứng tính cho đơn vị khối lượng so với trạng thái chuẩn đầu vào H đầu khỏi phân tố thể tích H+ΔH , cân lượng cho: m t Ht  m t (H  H) t  KS(Tn  T)t  m t H  KS( Tn  T)  (3.26) với mt suất lượng tổng cộng dòng Sự biến đổi enthalpy ΔH phân tố thể tích tùy thuộc nhiệt phản ứng vận tốc phản ứng Sự biến đổi enthalpy biến đổi nhiệt độ Cp ΔH nhiệt phản ứng ΔHrΔXA : H  Cp T  Hr X A (3.26) → 8/24/2017 FAo mt mt Cp T  Hr X A FAo  KS(Tn  T)  Chuong - Phuong trinh thiet ke 22 3.3 Thiết bị phản ứng dạng ống lý tưởng chia tất cho ΔV lấy giới hạn ΔV→0 dX A dT dS m t Cp  K (Tn  T)  FAo (Hr ) dV dV dV (3.29) Kết viết theo phương trình vận tốc thay độ chuyển hóa cách thay dXA/dV (-rA)/FAo dS d(D.L)   dV d(D / L) D (3.30) với L chiều dài thiết bị phản ứng Phương trình (3.29) biểu thức tính nhiệt độ phân tố thể tích thiết bị phản ứng Để giải tốn khơng đẳng nhiệt, kết hợp (3.29) với (3.24) 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 23 Thí dụ 3.7: Tính thể tích bình phản öùng oáng 4PH3(k) → P4(k) + 6H2(k)  (-rPH3) = (10 h-1) CPH3  Họat động nhiệt độ 6500C, áp suất 4,6 atm  Xaf = 80%  Nhập liệu có suất lượng kmol/h phosphin nguyên chất 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 24 Thí dụ 3.5: CH4 + 2S2 → CS2 + 2H2S Bình phản ứng ống có V = 35,2ml Thí nghiệm 6000C, 1atm thu 0,10g CS2 10 ph Suất lựơng ổn định S2 0,238 mol/h, mêtan 0,119 mol/h    a) Xác định rCS2 b) Tìm k với (-rA)=kpCH4.pS2 phương pháp 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 25 Bài tập 3.5 Cho phản ứng tạo thành etilen glycol sau: CH2OH-CH2Cl + NaHCO3 (CH2OH)2 + NaCl + CO2 Phản ứng sơ đẳng k = 5,2 l/ mol.h 820C  Có dòng nguyên liệu có sẵn sau:  Dd 15% k.l bicarbonat sodium  Dd 30% k.l etilen clorhidrin nước Khối lượng riêng hỗn hợp xem khơng đổi 1020 kg/m3:  8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 26 Câu hỏi cho tập 3.5 a) b) c) 8/24/2017 Tính thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định để sản xuất 50kg/h etilen glycol với dòng hỗn hợp nhập liệu đẳng mol đạt độ chuyển hóa 95%? Tính thể tích bình phản ứng ống để phản ứng điều kiện trên? Tính thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đọan để sản xuất 50kg/mẻ etilen glycol với hỗn hợp nhập liệu ban đầu đẳng mol đạt độ chuyển hoùa 95%? Chuong - Phuong trinh thiet ke 27 Bài tập 3.1 Phản ứng pha khí đồng thể A 3R xảy theo bậc   Với lưu lượng nhập liệu 1.000 l/h A nguyên chất atm 3500C thiết bị phản ứng thí nghiệm ống có đường kính 25mm, dài 1.800mm cho độ chuyển hóa đạt 60% Thiết bị phản ứng dùng sản xuất để phản ứng 80m3/h hỗn hợp nhập liệu gồm 50%A 50% khí trơ 25 atm 3500C đạt độ chuyển hóa 80% a) b) Cần sử dụng ống đường kính 25mm, dài 1.800mm Các ống mắc song song hay nối tiếp? Giả sử ống lý tưởng, độ giảm áp, khí lý tưởng 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 28 O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 29 O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3rd edition 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 30 8/24/2017 Chuong - Phuong trinh thiet ke 31