Giáo trình kỹ thuật phản ứng

Ngô thị Nga Kỹ thuật phản ứng Nh xuất khoa học v kỹ thuật H Nội 2002 http://www.ebook.edu.vn Ngô thị Nga Kỹ thuật phản ứng Nh xuất khoa học v kỹ thuật H Nội 2002 http://www.ebook.edu.vn http://www.ebook.edu.vn Lời nói đầu Giáo trình Kỹ thuật phản ứng ny đợc biên soạn theo đề cơng môn học thức tên Viện Khoa học v Công nghệ Môi trờng, trờng Đại học Bách khoa H Nội Nội dung bao gồm: phơng trình tỷ lợng; nhiệt động học phản ứng; động học phản ứng cho hệ đồng thể, dị thể v sinh hoá; mô hình loại thiết bị phản ứng; động lực học v tính ổn định thiết bị phản ứng Trong chơng có trình by chế v mô hình hoá trình, mô tả nguyên lý cấu tạo v lm việc số thiết bị điển hình, phần có kèm theo ví dụ v bi tập liên quan Giáo trình dnh phần để giới thiệu áp dụng kiến thức môn kỹ thuật phản ứng công nghệ môi trờng Giáo trình ny đợc dùng lm ti liệu giảng dạy cho sinh viên ngnh công nghệ môi trờng v đồng thời lm ti liệu tham khảo cho sinh viên ngnh liên quan v bạn đọc có quan tâm tới lĩnh vực ny Do biên soạn lần đầu, giáo trình không tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đợc ý kiến đóng góp bạn đọc v đồng nghiệp để giáo trình đợc hon chỉnh lần tái sau Tác giả http://www.ebook.edu.vn http://www.ebook.edu.vn Mục lục Lời nói đầu Các ký hiệu Chơng I Những khái niệm 11 I.1 Những khái niệm I.2 Phân loại phản ứng hoá học I.3 Phân loại thiết bị phản ứng Chơng II Phơng trình tỷ lợng II.1 Phơng trình tỷ lợng phản ứng đơn giản II.2 Bớc phản ứng, cân mol, quan hệ bớc phản ứng nồng độ cấu tử II.3 Độ chuyển hoá, quan hệ độ chuyển hoá với bớc phản ứng nồng độ cấu tử II.4 Phơng trình tỷ lợng phản ứng phức tạp Chơng III Nhiệt động hoá học III.1 Những nguyên lý nhiệt động học III.2 Thông số nhiệt động phơng trình trạng thái III.3 Thế nhiệt động, đại lợng mol riêng phần hoá học III.4 Biến đổi lợng hệ phản ứng III 4.1 Hiệu ứng nhiệt phản ứng hoá học III 4.2 Quan hệ nhiệt chất phản ứng hoá học III.5 Cân hoá học III 5.1 Điều kiện cân hoá học III 5.2 Định luật tác dụng, số cân III 5.3 Xác định nồng độ cân hỗn hợp khí lý tởng III 5.4 Cân hoá học hệ dị thể http://www.ebook.edu.vn 13 15 16 20 20 21 24 25 30 31 32 35 38 38 40 42 42 44 50 52 Chơng IV Động học phản ứng IV.1 Động học phản ứng hệ đồng thể IV 1.1 Tốc độ phản ứng tốc độ chuyển hoá phản ứng đơn giản IV 1.2 Tốc độ phản ứng tốc độ chuyển hoá phản ứng phức tạp IV 1.3 Các yếu tố ảnh hởng tới tốc độ phản ứng IV 1.4 Một số ví dụ mô hình động học hệ đồng thể IV.2 Động học phản ứng hệ dị thể IV 2.1 Phản ứng hệ khí có xúc tác rắn xốp IV.2.1.1 Xúc tác rắn xốp tác dụng xúc tác rắn xốp IV.2.1.2 Cơ chế phản ứng hệ khí có xúc tác rắn xốp IV.2.1.3 Phơng trình động học phản ứng hệ khí có xúc tác rắn xốp Hougen - Watson (hay Langmuir - Hinshelwood) IV.2.1.4 Phơng trình động học Mars - van Krevelen IV.2.1.5 Kết hợp bớc phản ứng hệ khí có xúc tác IV.2.1.6 Ví dụ: Xây dựng mô hình động học cho trình tổng hợp amoniac IV 2.2 Phản ứng hệ khí lỏng IV.2.2.1 Các thuyết số khái niệm thờng dùng phản ứng hệ khí - lỏng IV.2.2.2 Miền phản ứng ý nghĩa miền xác định động học phản ứng IV.2.2.3 Phơng pháp thực nghiệm khảo sát phản ứng hệ khí lỏng IV.2.2.4 Ví dụ khảo sát phản ứng hệ khí - lỏng IV 2.3 Phản ứng hệ khí - rắn IV.2.3.1 Phản ứng chất rắn xốp khí IV.2.3.2 Ví dụ phản ứng khí hoá than IV.2.3.3 Phản ứng chất rắn mịn khí, sản phẩm tạo thành chất rắn xốp IV 2.4 Phản ứng sinh học IV.2.4.1 Thành phần chế hoạt động vi sinh vật IV.2.4.2 Phơng trình động học Michaelis - Menten Monod IV.2.4.3 Phơng pháp xác định số v max , max , k m k s http://www.ebook.edu.vn 54 55 55 56 59 62 68 69 69 71 84 86 89 92 95 96 100 108 109 114 116 120 123 124 124 128 131 IV.2.4.4 Mô hình động học thiết bị phản ứng sinh hoá IV.2.4.5 Quan hệ phân huỷ sinh khối vi sinh vật IV.2.4.6 Các thiết bị phản ứng sinh học Chơng V Mô hình loại thiết bị phản ứng V.1 Thiết bị phản ứng lý tởng cho hệ đồng thể V 1.1 Thiết bị khuấy trộn gián đoạn V 1.2 Thiết bị khuấy trộn liên tục V 1.3 Thiết bị đẩy lý tởng V 1.4 So sánh loại thiết bị phản ứng V.2 Chế độ nhiệt thiết bị phản ứng lý tởng cho hệ đồng thể V 2.1 Cân nhiệt thiết bị phản ứng V 2.2 Các chế độ nhiệt thiết bị khuấy trộn làm việc gián đoạn V.2.2.1 Chế độ đẳng nhiệt V.2.2.2 Chế độ đoạn nhiệt V.2.2.3 Chế độ đa biến nhiệt V 2.3 Các chế độ nhiệt thiết bị khuấy trộn làm việc liên tục V.2.3.1 Chế độ đẳng nhiệt V.2.3.2 Chế độ đoạn nhiệt V.2.3.3 Chế độ đa biến nhiệt V 2.4 Các chế độ nhiệt thiết bị đẩy lý tởng V.2.4.1 Chế độ đẳng nhiệt V.2.4.2 Chế độ đoạn nhiệt V.2.4.3 Chế độ đa biến nhiệt V.3 Các dãy thiết bị phản ứng V.3.1 Dãy thiết bị nối tiếp V.3.2 Hệ thiết bị mắc song song V.3.3 Thiết bị phản ứng có dòng tuần hoàn V.4 Chế độ thuỷ động thực thiết bị phản ứng hệ đồng thể V.4.1 Mô hình thiết bị khuấy trộn liên tục với dòng chết V.4.2 Mô hình thiết bị khuấy trộn liên tục với dòng chảy qua (đoản dòng) V.4.3 Mô hình kết hợp http://www.ebook.edu.vn 134 136 141 148 148 148 154 157 160 165 166 171 171 174 175 176 176 177 178 179 179 181 183 187 187 194 195 198 202 202 205 Chơng VI Động học độ ổn định thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục VI.1 Cân vật chất cân nhiệt thiết bị khuấy trộn liên tục bất ổn định VI.2 Điểm làm việc ổn định thiết bị khuấy trộn liên tục VI.3 Tính ổn định thiết bị khuấy trộn liên tục VI.4 Ví dụ động học phản ứng độ ổn định thiết bị khuấy trộn liên tục 207 208 211 214 220 Chơng VII ứng dụng kỹ thuật phản ứng công nghệ môi trờng 224 VII.1 Phơng pháp hoá học xử lý nớc thải VII 1.1 Phơng pháp trung hoà VII 1.2 Phơng pháp kết tủa VII.1.2.1 Trung hoà kết tủa kim loại dung dịch loãng VII.1.2.2 Trung hoà kết tủa kim loại dung dịch đậm đặc VII 1.3 Khử độc nớc thải chứa xyanua VII.1.3.1 Khử độc xyanua với natri hypoclorit NaOCl VII.1.3.2 Oxy hoá xyanua với oxy hợp chất chứa oxy VII.1.3.3 Khử độc xyanua phơng pháp kết tủa với muối sắt II VII 1.4 Khử độc hợp chất crôm nớc thải VII.1.4.1 Khử độc cromat với oxit lu huỳnh sunfit VII.1.4.2 Khử độc cromat với hợp chất sắt II VII.1.4.3 Khử độc cromat phơng pháp kết tủa VII.2 Phơng pháp sinh học xử lý nớc thải VII 2.1 Phơng pháp bùn hoạt tính VII 2.2 Tính COD sở phản ứng oxy hoá VII 2.3 Ví dụ tính luợng khí (biogas) tạo thành trình phân huỷ yếm khí 224 225 228 229 232 232 233 236 238 239 240 241 241 242 242 251 252 Bài tập môn kỹ thuật phản ứng 254 Tài liệu tham khảo 259 http://www.ebook.edu.vn Các ký hiệu A A aj B BB BOD C C Cp cj D dk Chất tham gia phản ứng Công thể tích Hoạt độ cấu tử j Chất tham gia phản ứng Tải trọng bùn Nhu cầu oxy sinh học Chất tham gia phản ứng Nhiệt dung Nhiệt dung riêng Nồng độ cấu tử j Hệ số khuếch tán Đờng kính hạt xúc tác KD k ko L M m m NA NL n n n Hệ số truyền nhiệt Hằng số tốc độ phản ứng Thừa số va chạm Chiều dài Phân tử lợng Khối lợng Dòng khối lợng Tốc độ hấp phụ hoá học Số Loschmidt Số mol Bậc phản ứng Dòng mol E [E] Năng lợng hoạt hoá Nồng độ enzym P áp suất toàn phần áp suất riêng phần cấu tử [ES] F FD Phức enzym - chất Năng lợng tự Bề mặt truyền nhiệt pj j Q Nhiệt lợng Q Dòng nhiệt f fj Bề mặt phân chia pha Năng lợng tự riêng phần R Hằng số khí G G R Entanpi tự Entanpi tự phản ứng R Rj j Tỷ số tuần hoàn bùn Tốc độ chuyển hoá cấu tử g gj Hàm phân bố Năng lợng tự riêng phần r Tốc độ phản ứng r Số phản ứng không phụ thuộc H H Hằng số Henri Entanpi S Entropi S R Entropi phản ứng H B H R h Entanpi liên kết Entanpi phản ứng Chiều cao thiết bị S Nồng độ chất SV Thể tích bùn hj K Entanpi riêng phần Hằng số cân SVI sj j Chỉ số bùn Entropi riêng phần cấu tử http://www.ebook.edu.vn Thay phơng trình 7.46, 7.47a 7.47b vào phơng trình (7.45) ta có: max BOD5 V.Y = ( BOD5,0 BOD5 ) (7.48) kS + BOD5 VR TSS B Đối với sinh khối vi sinh vật X (= TSS sinh khối bùn tính hàm lợng bùn khô) ta có: với V.TSS o + V R .TSS B = V e TSS e + V D TSS D BOD5 S = max k D = max kD kS + BOD5 kS + S (7.49) (7.50) Mặt khác hàm lợng bùn thông qua hàm lợng chất rắn lơ lửng dòng vào TSS o dòng TSS e nhỏ so với hàm lợng bùn khô bể TSS B hàm lợng bùn khô bùn d TSS D nên ta bỏ qua Nh phơng trình (7.49) đơn giản lại là: = VD TSS D VR TSS B (7.51) hay: max BOD5 V TSS D = D + kD kS + BOD5 VR TSS B (7.52) Kết hợp với phơng trình (7.48) ta có: VD TSS D V.Y = ( BOD5,0 BOD5 ) k D VR TSS B VR TSS B (7.53) Do TSS e nhỏ so với TSS D nên lợng bùn d lấy đơn vị thời gian V D TSS D nh theo định nghĩa phơng trình (7.43) thì: VD TSS D = VR TSS B t b Mặt khác: V = nên phơng trình (7.53) có dạng: VR t 1 ( BOD5,0 BOD5 ) Y = kD tb t TSS B (7.54) (7.55) với phơng trình (7.55) ta tính đợc nồng độ bùn khô bể TSS B thông qua thông số nh tuổi thọ bùn t b thời gian lu thuỷ lực t * : t b Y ( BOD5,0 BOD5 ) (7.56) TSS B = t (1 + k D t b ) http://www.ebook.edu.vn 243 Phơng trình phơng trình (4.252) mục IV.2.4.5 Hệ số đồng hoá Y phơng pháp bùn hoạt tính thờng có giá trị: Y = 0,6 kg TSS/kg BOD Tốc độ phân huỷ vi sinh vật k D phụ thuộc vào nhiệt độ làm việc bể nhiệt độ 15 o C k D = 0,08 ngày tăng o C mức phân huỷ tăng 7,2% ả nh hởng nhiệt độ tới tốc độ phân huỷ k D đợc mô tả thông qua thừa số Ft: F t = 1,072 (T 15) (7.57) k D = 0,08.F t (7.58) T nhiệt độ thiết bị phản ứng Tải lợng bùn d B D lợng bùn d lấy khỏi thiết bị tính cho đơn vị thể tích thiết bị phản ứng đơn vị thời gian (kg/m ngày) Giá trị B D đợc tính từ phơng trình (7.53): V TSS D Y BD = = ( BOD5,0 BOD5 ) k D TSS B VR t (7.59) Thay giá trị Y kết hợp với phơng trình (7.57) (7.58) ta có phơng trình (7.60): (7.60) B D = 0,6 ( BOD5,0 BOD5 ) 0,08.1,072 T 15.TSS B t t * thời gian lu thuỷ lực tính ngày BOD nhu cầu oxy sinh học tính kg/m3 [B D ] = kg TSS/m ngày TSS B hàm lợng bùn khô bể sinh học, kg/m Theo phơng trình (7.43) ta có quan hệ tải lợng bùn d B D với hàm lợng bùn bể tuổi thọ bùn: TSS B (7.61) tb Theo kinh nghiệm thực tế, trình khử hợp chất hữu hydrocacbon tuổi thọ bùn t b khoảng đến ngày hàm lợng bùn TSS B = 2,5 3,5 kg/m BD = 244 http://www.ebook.edu.vn Đối với hệ thống thiết bị lắng sơ cấp (lắng trớc đa vào bể aeroten) hàm lợng bùn bể cần lựa chọn cao hơn, thờng từ 3,5 đến 4,5 kg/m Còn trình làm lắng sơ cấp nhng có ổn định bùn lựa chọn thông số thiết kế tuổi thọ bùn t b tới 25 ngày TSS B = kg/m Hàm lợng bùn bể aeroten TSS B đợc tính sở phơng trình cân chất rắn (hay cân bùn) Nếu viết phơng trình cân bùn cho bể phản ứng ta có: V.TSS o + V.R.TSS R = V(1 + R).TSS B (7.62) Do TSS o nhỏ so với TSS R TSS B nên bỏ qua Nh vậy: R.TSS R TSS B = (7.63) 1+ R Với R = V R /V tỷ số bùn tuần hoàn Thông thờng: R = 0,5 ữ 0,8 (7.64) Sự phụ thuộc hàm lợng bùn thiết bị phản ứng TSS B vào số tuần hoàn bùn R hàm lợng bùn bùn tuần hoàn TSS R đợc thể hình 7.7 Hàm lợng bùn tuần hoàn TSS R Hàm lợng bùn bể TSS B Hình 7.7 Hàm lợng bùn khô bể aeroten phụ thuộc vào số tuần hoàn bùn R hàm lợng bùn TSS R Hàm lợng bùn khô TSS B ảnh hởng tới trình lắng thiết bị lắng thứ cấp Do trình lựa chọn thông số để tính toán, thiết kế hệ thống bùn hoạt tính cần phải xem xét yếu tố ảnh hởng đến bể sinh học thiết bị lắng bùn Đối với hệ thống bùn hoạt tính, thông số http://www.ebook.edu.vn 245 xét có thông số quan trọng khác liên quan tới trình vận hành nh thiết kế, số bùn, thể tích bùn lắng, tải trọng bùn v.v Chỉ số bùn SVI đợc định nghĩa mililit bùn lắng tính cho g bùn khô đợc tính nh sau: SVI = SV TSS B [ml/g] (7.65) SV thể tích bùn tính ml/ l , đợc xác định cách lấy lít mẫu bể hoạt tính đổ vào bình trụ lắng để lắng thời gian 30 phút Phần bùn lắng đáy bình đợc đọc SV Chỉ số bùn SVI đợc tính công thức (7.65) Nếu số bùn SVI > 150 ml/g bùn tạo thành thờng dạng sợi khó lắng đòi hỏi thời gian lắng dài Do vận hành hệ thống bùn hoạt tính với hàm lợng bùn TSS B = 2,5 3,5 kg/m3 nên khống chế số bùn SVI = 150 ml/g Trong tính toán thể tích bể aeroten V R , ngời ta sử dụng phơng trình (7.44) thông qua tải trọng bùn B B thông số khác tải trọng bùn d B D , B D đợc tính nh sau: BB = VD TSS D + Ve TSS e VR (7.66) Phơng trình phơng trình (7.59), TSS e phải tính lại chọn R nhỏ Mặt khác cần ý số bùn SVI tăng bề mặt lắng tăng Chiều cao bể lắng tổng chiều cao nói trên: h = h1 + h2 + h3 + h4 (7.79) VII.2.2 Tính COD sở phản ứng oxy hoá Thông thờng ngời ta dùng nồng độ để biểu diễn lợng chất tính mg, g hay kg chất có đơn vị thể tích dung dịch Nếu môi trờng có nhiều chất hữu (chẳng hạn nớc thải sinh hoạt, nớc thải công nghiệp), thay nồng độ chất tính cho chất tuý ngời ta dùng khái niệm nhu cầu oxy hoá học COD Nhu cầu oxy hoá học lợng oxy cần thiết để oxy hoá chất hữu tạo thành CO H O Về mặt lý thuyết ta tính COD cho chất biết nồng độ chúng môi trờng phản ứng oxy hoá chúng Đối với môi trờng chứa nhiều chất khác phải lấy mẫu phân tính phòng thí nghiệm theo phơng pháp permanganat hay bicromat để xác định COD Về mặt lý thuyết ta xác định cho phản ứng oxy hoá đờng (gluco) Phản ứng oxy hoá đờng xảy nh sau: C H 12 O + 6O 6CO2 + 6H O + E (7.80) Nh oxy hoá mol C H 12 O (phân tử lợng 180) cần mol oxy (6O = 192 g) Nếu dung dịch có nồng độ đờng 100 mg/ l có tính COD nguyên tắc tính lợng oxy cần thiết để oxy hoá 100 mg đờng lít dung dịch: 192 ì 100 COD = = 107 mg/ l 180 Nếu nồng độ đờng môi trờng 350 mg/ l COD = 375 mg/ l Tơng tự nh ta tính COD cho chất hữu khác biết nồng độ chúng dung dịch 250 http://www.ebook.edu.vn Từ số liệu tính toán lý thuyết, ta có nhu cầu oxy hoá học COD cho số chất nh sau: Đờng C6 H 12 O : 1,07 g COD/g đờng Axit béo : 1,82 g COD/g axit CH CH CH COOH Axit axetic CH COOH : 1,07 g COD/g axit Metan CH : g COD/g metan : g COD/g H Hydro H Nớc sinh hoạt : đến 3,5 g COD/g C Cách tính cho phép định lợng mặt lý thuyết thông số COD dòng thải chứa chất, ví dụ nh nhà máy sản xuất đờng, biết nồng độ đờng dòng thải máy kết tinh 500 mg/ l , có nghĩa COD dòng thải 535 mg/ l VII.2.3 Ví dụ tính lợng khí (biogas) tạo thành trình phân huỷ yếm khí Tính lợng khí tạo thành (biogas) trình phân huỷ yếm khí kg đờng Quá trình xảy gồm bớc sau: Axit hoá đờng thành axit béo nhờ vi khuẩn tuỳ tiện: C H 12 O + 2H O CH CH CH COOH + 2H2 CO + 2H (7.81) Axetat hoá axit béo thành axit axetic nhờ vi khuẩn axetogen: CH CH CH COOH + 2H2 O 2CH COOH + 2H (7.82) Metan hoá axit axetic nhờ vi khuẩn metanogen: 2CH COOH + 2H O 2CH + 2H CO (7.83) Tạo metan phản ứng (H + CO CH ): 4H + H CO hay CH + 3H O C H 12 O + 3H O 3CH + 3H2 CO C H 12 O + 3H O 3CH4 + 3CO + 3H (7.84) (7.85) Theo lý thuyết, mol đờng (tơng ứng 180 g/mol) tạo mol CH mol CO2 Vậy 1000 g đờng (tơng ứng 5,556 mol) tạo 16,7 mol CH 16,7 mol CO 16,7 mol CH4 374 l CH http://www.ebook.edu.vn 251 16,7 mol CO2 374 l CO Nh lên men yếm khí kg đờng, theo lý thuyết sinh 750 l khí biogas với 50% khí metan Tơng tự nh ta có số liệu sau để tính lợng khí biogas sinh số chất: Đờng 750 l khí/1 kg với 50% khí CH Hydrat cacbon 886 l khí/1 kg với 50% khí CH Chất béo (mỡ) 1535 l khí/1 kg với 70% khí CH Protein 587 l khí/1 kg với 84% khí CH Bùn hệ thống xử lý nớc thải 450 l khí/1 kg chất khô với 65 đến 70 % khí CH 252 http://www.ebook.edu.vn bi tập môn kỹ thuật phản ứng Bài Quá trình tổng hợp amoniac xảy theo phản ứng: xúc tác N + 3H 2NH p, T Hỗn hợp khí tham gia phản ứng theo tỷ lệ n H : n N = (coi nh hỗn hợp ban đầu có x NH = 0) a) Hãy tính nồng độ phần mol tất cấu tử khí, độ chuyển hoá tính theo hydro 20% (u H = 0,2) b) Hãy tính độ chuyển hoá u H nồng độ phần mol cấu tử lại, nồng độ phần mol NH3 xNH = 0,15 Bài Quá trình oxy hoá amoniac xảy theo phản ứng sau: 4NH + 5O 2 2NO + O 2NO 4NH + 3O 2N + 6H2 O 4NH + 6NO 5N + 6H2 O N2 + O2 4NO + 6H O 2NO N2 + O2 2NO Biết nồng độ phần mol ban đầu: o x NH = 0,2 x Ho 2O = 0,05 x Oo = 0,2 x No = 0,05 o x NO = 0,15 o x NO = 0,05 lại khí trơ Nồng độ phần mol chất dòng nh sau: x NH3 = 0,086 ; x O2 = 0,043 ; x NO2 = 0,1075 a) Hãy tính nồng độ phần mol cấu tử lại dòng http://www.ebook.edu.vn 253 b) Tính lợng NO (kmol/h) đợc tạo thành công suất ban đầu (tính theo hỗn hợp khí) 2000 Nm /h (N điều kiện chuẩn, hỗn hợp khí đợc coi hỗn hợp khí lý tởng) Bài Tính entanpi H R entropi S R số cân K p cho phản ứng: CO + H Ohơi CO + H điều kiện phản ứng T = 600 o K áp suất làm việc p = at = const, nhiệt dung riêng cấu tử coi nh không thay đổi khoảng nhiệt độ T = 298 600 o K Cho trớc số liệu liên quan đến tính toán nh sau: Cấu tử j CO H2 H O (hơi) CO H S B, j (298o K) C B, j (298o K) o (kcal/kmol) 94,05 57,84 26,42 p, j (298600o K) (kcal/kmol o K) 11,32 7,01 8,64 7,28 (kcal/kmol K) 51,08 31,23 43,13 47,32 H B,j entanpi liên kết cấu tử j; S B,j entropi liên kết cấu tử j; C p,j nhiệt dung riêng cấu tử j Bài Quá trình tổng hợp amoniac xảy theo phản ứng: N + 3H xúc tác (oxit sắt nhôm) 2NH a) Một thiết bị sản xuất 1000 NH3 /ngày, tính: y Lợng nhiệt phản ứng Q R y Lợng nớc bão hoà có lợng nhiệt tơng đơng với lợng nhiệt phản ứng điều kiện nhiệt độ T = T o = 100 o C sử dụng phép tính gần Ulich: j Cpj ( T ) = j=1 254 http://www.ebook.edu.vn b) Khi thực phản ứng với tỷ lệ hỗn hợp khí ban đầu n H : n N = độ chuyển hoá cực đại phản ứng xảy nhiệt độ T = 500 o C áp suất p = 200 at? c) Độ chuyển hoá cân thay đổi nh nhiệt độ phản ứng giảm 100 o C, áp suất làm việc p =200 at phép tính sử dụng phép gần Ulich: j Cpj = const j=1 Số liệu dùng cho tính toán bao gồm thông số nhiệt nhiệt độ T = 298 o K nh sau: Cấu tử j H2 H O (hơi) N2 NH O2 H B, j (298o K) (kcal/kmol) 57,814 11,04 S C B, j (298o K) (kcal/kmol o K) 31,23 43,13 45,767 46,01 49,003 p, j (298600o K) (kcal/kmol o K) 7,01 8,64 6,96 8,52 7,02 Bài Trong thiết bị phản ứng khuấy trộn gián đoạn thực phản ứng: 3A + B C Với phơng trình tốc độ phản ứng r = k.c A , phản ứng đẳng tích VR = const Mỗi ngày tiêu thụ hết 20 m hỗn hợp đầu biết số tốc độ phản ứng k = 3.10 l/mol.s, nồng độ ban đầu chất A c A = mol/l Hãy tính thể tích V R cần thiết để đạt đợc độ chuyển hoá U A = 90% (coi thời gian nạp liệu tháo sản phẩm nhỏ, bỏ qua) Bài Trong thiết bị khuấy trộn lý tởng làm việc liên tục thực phản ứng A B, phản ứng bậc có số tốc độ phản ứng k = 3,76 Lu lợng dòng vào 2,86 l/s; độ chuyển hoá cấu tử A 0,75 (75%) Hãy tính thể tích thiết bị cần thiết để đạt đợc độ chuyển hoá http://www.ebook.edu.vn 255 Bài Thực phản ứng pha lỏng thiết bị khuấy trộn, phản ứng: A + B C + D Với phơng trình tốc độ r = k.cA k = 2,3 h a) Tính thể tích phản ứng V R cần thiết nh phản ứng thực thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục với lu lợng thể tích V (m /h) b) Tính thời gian phản ứng cần thiết nh phản ứng đợc thực thiết bị khuấy trộn gián đoạn (cả hai trờng hợp a) b) đạt độ chuyển hoá U A = 90%) Bài Một nhà máy hoá chất sản xuất sản phẩm C thiết bị khuấy trộn gián đoạn với khối lợng yêu cầu m C = 1.300.000 kg năm Nhà máy làm việc 8000 h năm Phản ứng xảy theo chế: 2A B + C với nồng độ ban đầu cấu tử A: cA = kmol/m , U A = 80% số tốc độ phản ứng k = 0,25 m /kmol.h Phơng trình tốc độ r = k.c A , phân tử lợng M C = 72 kg/kmol Sau mẻ cần h để nạp liệu, tháo sản phẩm làm 1) Tính thời gian phản ứng t R cho mẻ 2) Tính thể tích thùng phản ứng V R Bài Trong thiết bị phản ứng dạng đẩy lý tởng, thực phản ứng song song: A + B C r = k c A A + D E r = k c A Phản ứng xảy với lu lợng thể tích V = m3/h không đổi, độ chuyển hoá tính cho cấu tử A 90% số tốc độ phản ứng k1 = 1,3 h1; k2 = 1,03 h1 Hãy tính thể tích phản ứng cần thiết V R Bài 10 256 http://www.ebook.edu.vn Dãy thiết bị phản ứng khuấy trộn gồm ba lò nối tiếp nhau, thể tích lò nh nhau, thực phản ứng: A Với: B; r = k.cA c A = mol/l; c B = ;UA = 80%; k = 0,2 h Năng suất sản xuất 1000 kg/h, phân tử lợng M A = M B = 80 kg/kmol Hãy tính thể tích phản ứng V R Bài 11 Trong thiết bị khuấy trộn làm việc liên tục thực phản ứng: W + A 2S Với điều kiện: V = m /h = const Phơng trình tốc độ phản ứng có dạng: r = k.C A Nồng độ dòng vào: c A = mol/l Hằng số va chạm: ko = 3.107h1 (trong phơng trình Arrhenius k = ko.eE/RT) Năng lợng hoạt hoá E = 12 kcal/kmol Nhiệt dung riêng hỗn hợp phản ứng C pR = 0,85 kcal/kg.độ đợc coi nh không thay đổi Khối lợng riêng hỗn hợp phản ứng: R = 1,1 kg/l Nhiệt độ dòng vào T o = 20 o C Entanpi phản ứng: H R = 50 kcal/mol Thiết bị phản ứng có vỏ bọc để làm nguội hỗn hợp phản ứng với nớc lạnh có nhiệt độ ban đầu 10 o C nhiệt độ nớc khỏi thiết bị không vợt 20 o C Hệ số truyền nhiệt qua thành thiết bị K = 150 kcal/m h.độ Để tránh hỗn hợp phản ứng trạng thái sôi, trình làm nguội cho nhiệt độ hỗn hợp phản ứng không vợt 90 o C, biết độ chuyển hoá tính theo cấu tử A 90% a) Nếu coi thiết bị có chiều cao đờng kính bề mặt truyền nhiệt có đủ để đảm bảo điều kiện trên? b) Nếu không đủ cần ống xoắn ruột gà với chiều dài để đáp ứng điều kiện yêu cầu, ống có đờng kính 15 mm, nớc làm mát khỏi ống không vợt 20 o C http://www.ebook.edu.vn 257 [...]... phức tạp Phản ứng đơn giản là những phản ứng trong đó quá trình biến đổi hoá học chỉ xảy ra theo một loại trao đổi nguyên tố Phản ứng phức tạp là phản ứng mà trong đó đồng thời xảy ra nhiều phản ứng Phân theo số pha trong hệ ta có phản ứng đồng thể và phản ứng dị thể Phản ứng đồng thể là phản ứng mà tất cả các cấu tử tham gia trong hệ có cùng một trạng thái pha (rắn, lỏng hay khí) Đối với phản ứng hệ... m phản ứng của hệ phản ứng phức tạp có những phản ứng có quan hệ với nhau theo một loại nhất định Số phản ứng đó đợc gọi là số phản ứng phụ thuộc; số phản ứng còn lại gọi là số phản ứng không phụ thuộc Số phản ứng không phụ thuộc đợc xác định bằng hạng của ma trận ij Ma trận ij đợc thành lập gồm hệ số tỷ lợng của các cấu tử trong các phơng trình phản ứng, trong đó hàng của ma trận biểu diễn các phản. .. gia phản ứng có trạng thái pha từ hai trở lên Phân theo phơng thức làm việc ta có phản ứng làm việc theo phơng thức gián đoạn, liên tục hay bán liên tục Phản ứng gián đoạn là phản ứng thực hiện theo từng mẻ, nghĩa là tất cả các thành phần tham gia phản ứng đợc đa vào thiết bị phản ứng, khuấy trộn và thực hiện phản ứng trong một thời gian nhất định, sau đó tháo sản phẩm Phản ứng liên tục là phản ứng. .. cho phản ứng hệ khí - rắn, lò dạng ống hay khuấy trộn cho phản ứng hệ lỏng, v.v Phân chia các thiết bị phản ứng có thể theo số pha tham gia trong phản ứng: - Thiết bị phản ứng cho hệ đồng thể; - Thiết bị phản ứng cho hệ dị thể; hay theo chế độ thuỷ động lực: - Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tởng; - Thiết bị phản ứng dạng đẩy lý tởng; hoặc phân chia theo phơng thức làm việc: - Thiết bị phản ứng. .. hỗn hợp phản ứng đồng thời xảy ra nhiều phản ứng Nếu tham gia phản ứng có j cấu tử, j = 1 đến l và có i phản ứng đồng thời xảy ra, i = 1 đến m Phơng trình bảo toàn khối lợng (hay phơng trình tỷ lợng) đợc viết cho từng phản ứng tham gia trong hệ và có dạng tổng quát: l Phản ứng 1: 1j Aj = 0 (2.23) j=1 l Phản ứng i bất kỳ ij A j = 0 j=1 16 http://www.ebook.edu.vn (2.24) l mj Aj = 0 Phản ứng m: (2.25)... gia phản ứng R - hằng số khí, R = 8,314 J.mol 1 K 1 T - nhiệt độ phản ứng, tính bằng độ Kelvin I.2 Phân loại phản ứng hoá học 6 http://www.ebook.edu.vn (1.12) Có nhiều cách phân loại phản ứng hoá học, có thể theo cơ chế phản ứng, có thể theo số pha tham gia trong hệ, theo phơng thức làm việc hay theo chế độ nhiệt trong thiết bị phản ứng Theo cơ chế phản ứng có thể là phản ứng đơn giản hay phản ứng. .. có quá trình trao đổi nhiệt Đối với những phản ứng hệ dị thể, quá trình trao đổi vật chất giữa các pha tuân theo cơ chế của quá trình chuyển khối cũng ảnh hởng tới tốc độ của phản ứng Ngoài ra, chế độ thuỷ động lực trong thiết bị cũng ảnh hởng tới quá trình phản ứng Nh vậy các quá trình xảy ra trong thiết bị phản ứng là quá trình tổng hợp bao gồm quá trình thuỷ lực, quá trình truyền nhiệt, quá trình. .. cho năng suất thấp Chọn thiết bị phản ứng thích hợp cần dựa trên một số các điều kiện sau: - Số pha trong hệ phản ứng; - Động học hoá học (cân bằng phản ứng, các phản ứng phụ); - Trạng thái cân bằng hoá học; - Entanpi của phản ứng (để tính trao đổi nhiệt); - ả nh hởng của quá trình vận chuyển chất và nhiệt trong quá trình phản ứng Khi thiết kế tính toán thiết bị phản ứng phải dựa trên yêu cầu của sản... Phơng trình tỷ lợng là phơng trình biểu diễn quan hệ tơng tác mang tính định lợng giữa các cấu tử tham gia phản ứng trong hệ II.1 Phơng trình tỷ lợng đối với phản ứng đơn giản Phản ứng đơn giản là những phản ứng xảy ra chỉ theo cùng một loại trao đổi nguyên tố, có nghĩa chỉ có một phản ứng duy nhất Chẳng hạn phản ứng xảy ra giữa hai cấu tử A 1 và A 2 tạo thành A 3 Theo phản ứng, cứ ba phân tử A1 kết... tham gia phản ứng: n j = n j n oj (2.6) là số mol của cấu tử j sau phản ứng n oj là số mol của cấu tử j trớc phản ứng II.2 Bớc phản ứng, cân bằng mol, quan hệ giữa bớc phản ứng v nồng độ của các cấu tử Định nghĩa : Bớc phản ứng X là tỷ số giữa số mol thay đổi của cấu tử bất kỳ trong phản ứng và hệ số tỷ lợng tơng ứng của cấu tử đó: X= n j j = n j n oj j Theo định nghĩa này, bớc phản ứng có đơn vị ... tế rằng, m phản ứng hệ phản ứng phức tạp có phản ứng có quan hệ với theo loại định Số phản ứng đợc gọi số phản ứng phụ thuộc; số phản ứng lại gọi số phản ứng không phụ thuộc Số phản ứng không... nghĩa bớc phản ứng (2.7): X = n ko U k (2.22) II.4 Phơng trình tỷ lợng phản ứng phức tạp Phản ứng phức tạp phản ứng mà hỗn hợp phản ứng đồng thời xảy nhiều phản ứng Nếu tham gia phản ứng có j... chế phản ứng, theo số pha tham gia hệ, theo phơng thức làm việc hay theo chế độ nhiệt thiết bị phản ứng Theo chế phản ứng phản ứng đơn giản hay phản ứng phức tạp Phản ứng đơn giản phản ứng trình