bài tập lớn số 3 môn kỹ thuật phản ứng

BÀI TẬP CHƯƠNG 4 SÁCH KỸ THUẬT PHẢN ỨNG – VŨ BÁ MINH Phản ứng được thực hiện liên tục bằng một trong các bình phản ứng sau với lưu lượng 150 L/ph nhập liệu có nồng độ ban đầu CAo, CRo =

ĐẠI HỌC QUỐC GIA ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH



L ỚP L04 - NHÓM 05 - HK212 NGÀY N ỘP: 08/05/2022

Gi ảng viên hướng dẫn: PGS.TS Lê Thị Kim Phụng

Thành ph ố Hồ Chí Minh – 2022

BÁO CÁO K ẾT QUẢ LÀM VIỆC NHÓM

1 Nguyễn Ngọc Hạnh Bài 4.2; 4.7; 4.8 và Tổng hợp

2 Đinh Quốc Kiệt Bài 4.1; 2 và 4

3 Lê Nguyễn Hương Quỳnh Bài 1 và 8

4 Nguyễn Quốc Thái Bài 3 và 5

5 Nguyễn Thị Hoài Thương Bài 4.5; 4.6; 6 và 7

6 Phạm Quốc Việt Bài 4.3; 9 và 10

M ỤC LỤC

BÁO CÁO KẾT QUẢ LÀM VIỆC NHÓM 2

MỤC LỤC 3

PHẦN 1 BÀI TẬP CHƯƠNG 4 SÁCH KỸ THUẬT PHẢN ỨNG – VŨ BÁ MINH 4 Câu 4.1 4

Câu 4.2 6

Câu 4.7 10

Câu 4.8 13

PHẦN 2: BÀI TẬP CÔ GIAO 15

Câu 2 15

Câu 4 17

Câu 8 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 28

PH ẦN 1 BÀI TẬP CHƯƠNG 4 SÁCH KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Phản ứng được thực hiện liên tục bằng một trong các bình phản ứng sau với lưu lượng

150 L/ph nhập liệu có nồng độ ban đầu CAo, CRo = CSo = 0

a) Bình khuấy trộn hoạt động liên tục có V = 300 L

b) Hai bình khuấy trộn hoạt động liên tục mắc nối tiếp mỗi bình có V = 150 L

c) Hai bình khuấy hoạt động liên tục mắc song song, mỗi bình có V = 150 L và lưu lượng nhập liệu vào mỗi bình bằng nhau

=> CA = 1+𝑘1

1 𝜏CAo = 1013CAoCân bằng vật chất đối với R: vCRo = vCR + (– k1CA + k2CR)V

=> CR1 = 𝐶𝑅𝑜 +𝑘1𝜏𝐶𝐴1

(1+𝑘2𝜏) =0+0.15×2023 𝐶𝐴𝑜

1+0.05 =0,124CAoBình 2:

Cân bằng vật chất đối với A: vCA1 = vCA2 + k1CA2V

=> CA2 = 1+𝑘1

1 𝑡CA1 = 2023CA1 =400529CAoCân bằng vật chất đối với R: vCR1 = vCR2 + (– k1CA2 + k2CR2)V

=> CA = 1+𝑘1

1 𝜏CAo = 1013CAoCân bằng vật chất đối với R: vCRo = vCR + (– k1CA + k2CR)V

Phương pháp đồ thị:

- Ta phải có nồng độ ban đầu CA0, Đường cong tốc độ tức thời của tác chất A theo nồng độ tại thời điểm đó

- Từ L ta vẽ đoạn thẳng có hệ số góc là -1/t1 cho đến khi cắt đường cong tại M cho

ta CA1 Tương tự từ N ta vẽ đoạn thẳng có hệ số góc -1/t2 cắt đường cong tại P cho

Câu 4.5

Dòng nhập liệu có năng suất là 50 kmolA/h dưới dạng dung dịch có nồng độ 0,16 gmol/h Dòng này được cho phản ứng với B để cho R và S Phản ứng xảy ra trong pha lỏng như sau:

𝐴 + 𝐵 → 𝑅 + 𝑆 với k = 30 l/gmol.h 𝑘Năng suất R cần đạt là 47,5 kmolR/h Trong quá trình tách R ra khỏi hỗn hợp chưa phản ứng, A và B bị phân hủy do đó không có dòng hoàn lưu A và B chưa phản ứng Tính thể tích bình phản ứng, loại bình và thành phần nhập liệu ở điều kiện tối ưu để thực hiện phản ứng trên

Cho biết: B giá 12,5 $/kmol ở dạng tinh thể và rất dễ hòa tan trong dung dịch với nồng

độ lớn Chi phí điều hành, khấu hao cho bình ống là 2,5 $/h.l, cho bình khuấy trộn hoạt động liên tục là 0,65 $/h.l

Gi ải

Cho biết: 𝐹𝐴0 = 50 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ, 𝐶𝐴0 = 0,16 𝑔𝑚𝑜𝑙/𝑙, 𝐹𝑅 = 47,5 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ, $bố = 2,5

$/h.l, $B = 12,5 $/kmol, $bk = 0,65 $/h.l

Đặt 𝑀 = 𝐶𝐵0

𝐶𝐴0, giả sử A là tác chất giới hạn (điều kiện M>1)

Để lựa chọn loại bình phản ứng, đã có thông tin về lưu lượng nguồn nguyên liệu vào

và lưu lượng sản phẩm R tạo thành, ta cần tính đến tổng chi phí khi vận hành thiết bị sao cho chi phí đạt được tối thiểu Ở đây đề bài đã cho khấu hao của 2 loại bình: bình ống và bình khuấy liên tục nên ta cũng chỉ so sánh giữa 2 loại bình này lựa chọn bình

Ở hai bình sử dụng (𝐹𝐴0 $𝐴) cố định như nhau nên khi so sánh tổng chi phí ở 2 TH bên dưới có thể bỏ qua

- TH1: Bình khuấy hoạt động liên tục

Khi đó, $Tổng min của bình khuấy = 2012 $

Khi đó, $Tổng min của bình ống = 1567 ($)

Vậy, để tối thiểu tổng chi phí (điều kiện tối ưu) cho phản ứng nên chọn bình ống,

có thành phần nhập liệu 𝐹𝐴0 = 50 𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ và 𝐹𝐵0 = 1,645 𝐹𝐴0, thể tích bình ống bằng:

𝑉ố = 50.0.768 (𝑀 − 1) 𝑙𝑛1 𝑀 − 0,950,05𝑀 = 𝟐𝟏𝟓, 𝟒 (𝑳)

Câu 4.6

Một nhà máy sản xuất 20 kmolR/h bằng phản ứng thủy giải thực hiện trong bình phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định với dòng nhập liệu có nồng độ 0,7 gmolA/l Do sử

dụng lượng thừa nước nên phản ứng A → 2R được xem như phản ứng bậc 1 Dòng ra

khỏi bình phản ứng được đưa tới thiết bị trích ly để tách R Lượng A không phản ứng trong thiết bị là 2% Chi phí điều hành và khấu hao là 10.000 $/h, giá mua tác chất là

2000 $/kmol và R được bán với giá là 1320 $/kmol Người ta nghi ngờ nhà máy không hoạt động ở điều kiện tối ưu, do đó cần tìm hiểu quá trình hoạt dộng nhằm mục đích tối ưu nó

a) Lợi nhuận hiện tại cho mỗi giờ hoạt động?

b) Quá trình nên hoạt động như thế nào (suất lượng A, độ chuyển hóa của A, năng suất của R) để tối đa hóa lợi nhuận cho mỗi đơn vị R? Số lợi nhuận này?

c) Quá trình hoạt động như thế nào để tối đa hóa lợi nhuận trên cơ sở 1h hoạt động? Số lợi nhuận này?

Chú ý: Tất cả R sản xuất được bán hết thiết bị trích ly thích nghi được với một khoảng năng suất lớn

𝐹𝐴0(𝑎) =𝐹2 𝑋𝑅(𝑎)

𝐴 =2.0,98 = 10,2 (𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ)20Lợi nhuận hiện tại cho mỗi giờ:

𝐿ợ𝑖 𝑛ℎ𝑢ậ𝑛 = 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑏á𝑛 𝑠ả𝑛 𝑝ℎẩ𝑚 − 𝑇ổ𝑛𝑔 𝑐ℎ𝑖 𝑝ℎí

𝐿 = 𝐹𝑅(𝑎) $𝑅 − 𝐹𝐴0(𝑎) $𝐴 − $𝑐

𝐿 = 20.1320 − 10,2.2000 − 10000 = −4000 $ Công ty hiện đang lỗ vốn

b)

Giả sử suất lượng dòng nhập liệu ở câu b gấp N lần suất lượng dòng nhập liệu câu a

Do thể tích bình phản ứng không đổi, lưu lượng dòng ổn định không đổi =>

Thời gian lưu: 𝜏𝑏 = 𝜏𝑎/𝑁

𝐹𝐴0(𝑏) = 10,2.4,85 = 49,47 (𝑘𝑚𝑜𝑙/ℎ)

Độ chuyển hóa của A:

𝑋𝐴(𝑏) =4,85 + 49 = 0,9149Năng suất R:

Tìm suất lượng và độ chuyển hóa của tác chất để đạt lợi nhuận tối đa Giá trị lợi nhuận

đó trên căn bản 1h hoạt động?

Cho biết: nhập liệu A có nồng độ 16 mol/L giá 2000$/gmol, sản phẩm R bán với giá

10.000$/gmol và S không có giá trị Tổng chi phí điều hành thiết bị phản ứng là

25.000$/h và chi phí phân tách sản phẩm là 2500$/gmolA xử lý A không phản ứng

không được hoàn lưu

trộn hoạt động ổn định Tìm suất lượng của A và B và thể tích cần thiết của bình phản

ứng Số liệu: Tác chất được cho vào bình bằng 2 dòng riêng biệt có nồng độ CA0 = CB0

= 0,1 gmol/L và cả hai giá là 500$/gmol Chi phí cho bình phản ứng là 10$/h.L

PH ẦN 2: BÀI TẬP CÔ GIAO

Khi sắp thêm 2 bình phản ứng cùng loại, cùng kích cỡ nối tiếp ta được hệ 3 bình:

Vì có cùng thời gian lưu 𝜏, nên ta có:

Gi ải

Nồng độ A trong dòng sản phẩm ra:

𝐶𝐴= 𝐶𝐴𝑜(1 − 𝑋𝐴) = 40(1 − 0,9) = 4𝑚𝑜𝑙/𝑚3

Tỉ lệ giữa nồng độ đầu ra của S và R:

𝐶𝑅

𝐶𝑆 = 𝑘𝑘1𝐶𝐴2

2𝐶𝐴= 𝑘1𝑘𝐶𝐴

2 = 0,4 × 42 = 0,8 Cân bằng vật chất: 𝐶𝑅+ 𝐶𝑆 = 𝐶𝐴𝑜− 𝐶𝐴= 40 − 4 = 36

= 𝟎, 𝟑𝟒𝟔𝟔 𝒑𝒉𝒖́́𝒕

Câu 4

Độ chuyển hóa của phản ứng không thuận nghịch bậc 1, pha lỏng trong thiết bị phản ứng dạng ống thể tích 500 L là 50% Nhằm tăng độ chuyển hóa, người ta bố trí thêm 1 thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định thể tích là 300 L được đặt trước thiết

bị dạng ống Tìm độ chuyển hóa cuối cùng của hệ các thiết bị phản ứng này

→ 𝑘𝜏ô = 𝑙𝑛( 2)

Từ đó, ở bình khuấy: 𝑘𝜏𝑘 =35𝑘𝜏ô =35𝑙𝑛( 2)

Độ chuyển hóa sau khi qua thiết bị khuấy:

Giải

Giả sử dòng nhập liệu chỉ chứa tác chất A nguyên chất → CR0 = 0

Do phản ứng là thuận nghịch bậc 1 nên có thể tính độ chuyển hóa cân bằng dựa vào hằng số cân bằng KC:

Theo đề dòng nhập liệu chứa 0,2 A và 0,8 N2

3A → B 0,2 0,2/3

𝜏 = 𝑉𝑣 = 𝐶𝐴0 ∫ 𝑑𝑋−𝑟𝐴

𝐴

𝑋𝐴0

⇒51 = 0,039 ∫ 𝑑𝑋𝐴

5,32 10−4 1 − 𝑋𝐴

1 − 0,133𝑋𝐴

𝑋𝐴0

⇒ 𝑿𝑨 = 0,07

Nồng độ sản phẩm B ra khỏi bình:

𝐶𝐵 =13 𝐶𝐴0 𝑋𝐴 =13 0,039.0,07 = 𝟗, 𝟏 𝟏𝟎−𝟒(𝑴) Nồng độ chất A ra khỏi bình:

𝐶𝐴 = 𝐶𝐴0 (1 − 𝑋𝐴) = 0,039(1 − 0,07) = 𝟎, 𝟎𝟑𝟔𝟐𝟕 (𝑴)

Câu 7

Phản ứng pha lỏng bậc 1, không thuận nghịch với k1 = k2 = 0,5 min -1 được thực hiện trong 2 bình khuấy hoạt động ổn định với thể tích mỗi bình lần lượt là 100 lít và 200 lít R là sản phẩm mong muốn Nhập liệu có suất lượng mol là 1 kmol/min, không chứa R và S với nồng độ tác chất A là 5 mol/l Xác định nồng độ và suất lượng các chất tại đầu ra của các bình phản ứng

Giải

Theo đề phản ứng song song bậc nhất xảy ra ở pha lỏng như sau:

và lưu lượng dòng không đổi

𝐹𝑆1 = 𝑣 𝐶𝑆1 = 200.0,833 = 167 (𝑚𝑜𝑙/ℎ) Suất lượng A bằng:

𝐹𝐴 = 𝑣 𝐶𝐴 = 200.3,33 = 666 (𝑚𝑜𝑙/ℎ)

- Xét bình 2:

Thời gian lưu trong bình 2:

𝐹𝑅 = 𝑣 𝐶𝑅 = 200.1,67 = 334 (𝑚𝑜𝑙/ℎ) Suất lượng S bằng:

𝐹𝑆 = 𝑣 𝐶𝑆 = 200.1,67 = 334 (𝑚𝑜𝑙/ℎ) Suất lượng A bằng:

𝐹𝐴 = 𝑣 𝐶𝐴 = 200.1,67 = 334 (𝑚𝑜𝑙/ℎ)

Câu 8

Cho phản ứng không thuận nghịch pha lỏng sơ đẳng A + B →R có phương trình tốc

độ phản ứng là

–rA=100CACB được thực hiện trong thiết bị bình khuấy hoạt động liên tục Hai dòng

nhập liệu một dòng chứa 0,2 mol A/lít , một dòng chứa 0,4 mol B/lít được đưa vào bình với lưu lượng mỗi dòng là 100 lít/phút

a Xác định thể tích thiết bị và nồng độ các chất tại đầu ra nếu 99% tác chất giới hạn được chuyển hóa thành sản phẩm

b Nếu lưu lượng dòng tác chất B giảm còn 20 lít/phút, lưu lượng dòng A không đổi, hãy xác định thể tích thiết bị phản ứng nhằm đạt độ chuyển hóa của tác chất giới hạn

Năng suất nhập liệu của dòng B:

𝜏1 =𝑉𝑣 =1 100200 = 0,5 𝑚𝑖𝑛Phản ứng là bậc 1 :

𝑘𝜏1 = 𝑙𝑛1 − 𝑋1

𝐴1 → 𝑋𝐴1 = 0,22 Nồng độ đầu ra ống 1 :

𝑘𝜏2 = 𝑙𝑛1 − 𝑋1

𝐴2 → 𝑋𝐴2 = 0,3934

100 = 100 𝑝ℎú𝑡

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Octave Levenspiel Chemical Reaction Engineering Third Edition Trang 78-81 [2] Vũ Bá Minh Quá trình và thiết bị công nghệ Hóa học & Thực phẩm Tập 4 - Kỹ