thiết bị phản ứng

Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung Mục lục Mở đầu Nội dung I Cơ sở lý thuyết Phản ứng thủy phân ester môi trường kiềm ( xà phòng hóa) .3 Thiết bị phản ứng dạng ống 3 Phương trình cân vật chất cân lượng .4 3.1 Phương trình cân vật chất .4 3.2 Phương trình cân lượng II Thực tiễn tính toán cấu tạo thiết bị .7 Phân tích liệu Xác định phương trình vận tốc phản ứng 700C Thể tích cấu tạo thiết bị III Kết luận 12 Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung MỞ ĐẦU Để thực phản ứng theo điều kiện cho trước, dùng nhiều hệ thống bình phản ứng khác nhau, bao gồm bình khuấy trộn hoạt động gián đoạn, liên tục thiết bị dạng ống hoạt đông ổn định hệ thống phức tạp gồm nhiều bình phản ứng mắc nối tiếp mắc song song… Các thông số ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương án thiết kế : loại phản ứng sản phẩm chi phí thiết bị tính ổn định hoạt động, tuổi thọ thiết bị… nhiên kết thiết kế cuối hoàn toàn dựa tính kinh tế toàn trình Một ảnh hưởng lớn đến tính kinh tế trình thể tích thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng thiết bị trọng tâm đa số trình biến đổi hóa học Người ta định nghĩa thiết bị phản ứng thiết bị mà xảy phản ứng hóa học, nghĩa thiết bị để chuyển hóa chất tham gia phản ứng thành sản phẩm hóa học Thiết bị phản ứng có nhiều dạng dạng ống áp dụng thực tiển lớn dùng nhiều vào quy trình sản xuất đặc biệt lọc hóa dầu Trong tiểu luận nhóm chúng em xét phản ứng thủy phân ester thực thiết bị dạng ống hoạt động ổn định ta thấy sơ lược việc lựa chọn thể tích thiết bị tối ưu để đạt suất sản phẩm mong muốn … Chúng em chân thành cảm ơn đến thầy Nguyễn Hữu Trung tận tình giúp đỡ chúng em hoàn thành tốt tiểu luận Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung NỘI DUNG I Cơ sở lý thuyết Phản ứng thủy phân ester môi trường kiềm ( xà phòng hóa) RCOOR’ + NaOH → RCOONa + R’OH Phản ứng xảy nuleophin mạnh với cacbonyl phân cực nghĩa nuleophin mạnh electrophin yếu Thực (OH-) phản ứng thủy phân tham gia vào phản ứng dung dịch phản ứng có nuleophin (OH-) H2O có (OH-) mạnh đủ khả công vào nhóm cacbonyl phân cực proton hóa Sau giai đoạn cộng giai đoạn tách OCH3 tách thành dạng ancolat lại axit cacbonxylic Axit cacbonxylic axit yếu , anion etoxy bazo mạnh nên phản ứng trao đổi nhanh tính axit khác lớn giai đoạn không cân nên phản ứng thủy phân môi trường kiềm ester không thuận nghịch Thiết bị phản ứng dạng ống Trong thiết bị phản ứng dạng ống, nguyên liệu nhập vào đầu ống hình trụ dòng sản phẩm đầu Do thiết bị thường hoạt động trạng thái ổn định, khuấy trộn theo phương dọc trục nên tính chất dòng chảy thay đổi từ điểm đến điểm khác trình phản ứng Vì vậy, người ta giả thiết thiết bị dạng này, tính chất phần tử tiết diện không thay đổi theo thời gian Chúng ta có sơ đồ đơn giản thiết bị phản ứng dạng ống hình vẽ bên Từ biểu diễn phụ thuộc nồng độ tác chất xét vào chiều dài thiết bị phản ứng đường cong liên tục giảm dần từ đầu vào đến đầu thiết bị Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung Hình Sơ đồ đơn giản thiết bị phản ứng dạng ống Thiết bị phản ứng dạng thường sử dụng loại tầng xúc tác sau : tầng xúc tác cố định, di động kéo theo Phương trình cân vật chất cân lượng 3.1 Phương trình cân vật chất Về phương diện động học, mô tả thiết bị phản ứng dạng ống theo sơ đồ sau : Hình Bình phản ứng dạng ống Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung Phương trình cân vật chất - Số hạng thứ là: FAo.(1 - XA).∆t - Nếu độ chuyển hóa khỏi phân tố thể tích XA + ∆XA số hạng thứ hai : FAo.(1 - XA - ∆XA).∆t - Số hạng thứ ba : (- rA ) ∆V ∆t - Số hạng thứ tư trình trạng thái ổn định Phương trình có dạng: FA0 (1 − X A )∆t − FA0 (1 − X A − ∆X A )∆t − (−rA )∆V ∆t = hay FA0 ∆X A − (−rA )∆V = chia hai vế cho ∆V lấy giới hạn ∆V → : dX A (−rA ) = dV FA0 Vì FA không đổi, tích phân phương trình có dạng: V = FAo X2 dX X1 A ∫ −r (*) 3.2 Phương trình cân lượng Nếu enthalpy hổn hợp phản ứng tính cho đơn vị khối lượng so với trạng thái chuẩn đầu vào H đầu khỏi phân tố thể tích là: H + ∆H Số hạng thứ : mt H ∆t Số hạng thứ hai : mt ( H + ∆H )∆t Số hạng thứ ba : K ∆S (Tn − T )∆t Số hạng thứ tư = Phương trình có dạng: mt H ∆t - mt ( H + ∆H )∆t + K ∆S (Tn − T )∆t =0 Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung −mt ∆H + K ∆S (Tn − T ) = hay (**) mt suất lượng tổng cộng dòng Sự biến đổi enthalpy ∆H phân tố thể tích tùy thuộc nhiệt phản ứng vận tốc phản ứng ∆H = C p ∆T + ∆H r ∆X A FAo mt Thay vào (**) ta có −mt ∆C p ∆T − ∆H r ∆X A FAo + K ∆S (Tn − T ) = Chia tất cho ∆V lấy giới hạn ∆V → mt C p dT dS dX A = K (Tn − T ) + FAo (−∆H r ) dV dV dV (***) Ta có : dX A −rA = dV FAo dS d (π DL) = = với L chiều dài ống D đường kính ống dV d (π D / 4.L) D Vậy (***) trở thành: mt C p dT −r = K (Tn − T ) + FAo (−∆H r ) A dV D FAo ⇔ mt C p dT = K (Tn − T ) + (−∆H r )(−rA ) dV D II Thực tiễn tính toán cấu tạo thiết bị Phân tích liệu Phản ứng phân hủy etyl axetat 40oC: CH3COOC2H5 + NaOH = CH3COONa + C2H5OH có số liệu động học sau: k=1,72.10-1 lit/mol.phút Xác định phương trình vận tốc phản ứng 74oC Lựa chọn hệ thống phàn ứng dạng ống Tính cấu tạo thiết bị phản ứng suất 75kg etanol/h, độ chuyển hóa 83% Nồng độ thông số khác tự chọn Nhiệt tạo thành chất điều kiện tiêu chuẩn 25oC sau: 0 = −73,35Kcal / mol ∆H NaOH = −102 Kcal / mol , ∆H CH 3COOC H Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung ∆H CH = −91,3Kcal / mol , ∆H C0 H 5OH = −66,35Kcal / mol 3COONa Nhiệt dung riêng chất nhiệt độ 74oC sau: C p (C2 H 5OH ) = 3157 J / Kg K ; Cp(CH3COOC2H5 )=2119J/Kg.K Cp(NaOH)=3207J/Kg.K; Cp(CH3COONa)=2980J/Kg.K ∆C p = C p (CH3COONa) + C p (C2 H5OH) − C p (NaOH) − C p (CH3COOC2H5 ) =2980+3157-3207-2119=811 (J/Kg.K) Tiến hành phản ứng điều kiện đẳng nhiệt t=74oC Giả sử lưu lượng dòng nhập liệu lưu lượng dòng sản phẩm dòng lưu lượng NaOH CH3COOC2H5 Khối lượng riêng hỗn hợp phản ứng không đổi 0 Nồng độ C CH3COOC2H5 = 2( M ) , C NaOH = 2( M ) 0 Ta có : ∆H PU = ∑ ∆H SP − ∑ ∆H TC ∆H PU = −66,35 + ( −91,3) − (−102 − 73,35) = 17,7 kcal / mol (phản ứng tỏa nhiệt ) Ta có suất C2H5OH 75kg/h 75.103 = 27,174 (mol/l.phút) 46.60 => FC H OH = mà FC2 H 5OH = CC2 H 5OH υ F 0CH3COOC2 H5 = C oCH3COOC2 H5 υ CC2 H 5OH = CCH X 3COOC2 H => F 0CH COOC H = F 0CH3COOC2 H5 = F (CC0 H 5OH = 0) C2 H 5OH X 27,174 = 32, 74 (mol/phút) 0,83 Khối lượng CH3COO C2H5 nhập liệu 2,881 kg/phút Xác định phương trình vận tốc phản ứng 740C Gọi A CH3COOC2H5, B NaOH a b a +b (1 − X ) a C Ao ( R − X )b = kC Ao (1 − X ) a ( R − X )b Ta có : − rA = kC Aa CBb = kC Ao n − rA = kC Ao (1 − X ) a ( R − X ) b , với R = CBo , n=a+b (a,b ∈ N ) C Ao Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng ⇔ GVHD: Nguyễn Hữu Trung mol l mol n mol n = ( ) ⇔ mol =( ) l phút mol phút l l l ⇒ n = nên a=1, b=1 n=a+b (a,b ∈ N ) Vậy phương trình vận tốc -rA= k C A CB Hằng số vận tốc phản ứng theo Arrhenius: ln k2 ∆H 1 =− ( − ) k1 R T2 T1 (1) Trong đó: k2 số tốc độ 74oC k1 số tốc độ 40oC từ (1) ta có k = k e − ∆H 1 ( − ) R T2 T1 ⇔ k = 1, 72.10−1 e −17,7.103 1 ( − ) 1,987 347 313 = 2,796 ( l ) mol phút Vậy phương trình vận tốc phản ứng 740C: − rA = k2C A CB = 2, 796C A CB Thể tích cấu tạo thiết bị Áp dụng phương trình cân vật chất từ (*) ta có: V = FAo X2 dX X1 A ∫ −r (2) Tốc độ phản ứng: (− rA ) = kC ACB = kC A20 (1 − X A )( R − X A ) (3) Thay (3) vào (2) : V = FAo X2 ∫ KC X1 Ao dX A (1 − X A )( R − X A ) * Trường hợp R=1: V = FAo X2 ∫ KC X1 dX A (1 − X A ) 2 Ao X A2 − X A1 V = FAo kC A0 (1 − X A )(1 − X A1 ) (4) Thay FA = FCH COOC H = 27, 74(mol / phút ) X A2 = 0,83 Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung X A1 = k2 = 2, 796(l / mol phút ) vào (4) ta được: V = 27, 74 Ta có : 0,83 − = 12,11 (lít) 2, 796.22.(1 − 0,83) F 0CH 3COOC2 H5 = C o CH 3COOC2 H υ ⇒υ = F 0CH3COOC2 H5 C CH 3COOC2 H Thời gian lưu: τ = = 27, 74 = 13,87(l / phút) V 12,11 = = 0,873( phút ) υ 13,87 Chọn đường kính ống D=7 cm ta tính chiều dài ống 4V 4.12,11 L= = = 3,15( m) 1000π D 3,14.0, 07 2.1000 *Cân lượng ta có phương trình cân lượng cho thiết bị dạng ống dT = K (Tn − T ) + (−∆H r )(− rA ) (3) dV D dT Với phản ứng đẳng nhiệt mt C p =0 dV mt C p Nên (3) trở thành K (Tn − T ) + ( −∆H r )(− rA ) = (4) D Ta có (− rA ) = kC Ao (1 − X )(1 − X ) Thay vào (4) ta Tn = (−∆H r ) kC Ao (1 − X )(1 − X ) D +T 4K Với: - ∆ H r = -17,7(Kcal/mol)=-74056,8J/mol k=2,796(lít/mol.phút)=0,0466(lit/mol.s) X=0,83 D=0,07(m) Chọn K=5(W/m.K) Tn = −74056,8.0, 0466.(1 − 0,83) 0, 07 + 347 = 346, 65( K ) 4.5 Trang Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung Ta có : lượng CH3COO C2H5 nhập liệu F 0CH 3COOC2 H5 M CH3COOC2 H5 = 32, 74.88 = 2,88kg / phút 1000 lượng NaOH nhập liệu F NaOH M NaOH = F 0CH 3COOC2 H M NaOH = 34, 74.40 = 1,39kg / phút 1000 lúc đầu ta giả thiết khối lượng riêng hổn hợp không đổi nên Hổn hợp khối lượng dung dịch thiết bị 2,88+1,39=4,27(kg/phút)=0,0712(Kg/s) Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị giây Q1 = mhh ∆C p (Tn − T ) = 0,0712.811.(346,65-347)=-20,2(J) Vậy Q= Q1τ =-20,2.0,873.60=-1058,076(J) Q[...]... thiết kế tính toán thiết bị phản ứng, cần giải quyết bài toán tính toán tỉ lệ nồng độ ban đầu sao cho hợp lí để thiết kế thiết bị vẫn đạt được năng suất như mong muốn nhưng chi phí cho giá thành nguyên liệu, giá thiết bị phản ứng, nhiệt năng cung cấp với giá thành tối ưu Thông qua bài tiểu luận này giúp ta hình dung cơ bản nhiêm vụ tính toán thiết kế thiết bị để thực hiện phản ứng để sao cho mang tính... tạo thiết bị để thực hiện phản ứng thủy phân ester để đạt được năng suất như mong muốn cho chúng ta thấy thể tích thiết bị phản ứng cũng như nhiệt lượng cung cấp ảnh hưởng rất lớn đến năng suất Qua đó cũng giúp ta chọn thiết bị phản ứng với chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo năng suất như mong muốn đó, đồng thời ta thấy tỉ lệ nồn độ tác chất ban đầu cũng ảnh hưởng rất lớn đến việc thiết kế tính toán thiết. .. ở trong thiết bị là 2,88+2,619=5,499 (kg/phút)=0,092(Kg/s) Nhiệt lượng cần cung cấp cho thiết bị trong 1 giây Q2 = mhh ∆C p (Tn − T ) = 0,092.811.(341,5-347)=-410,366(J) Vậy Q= Q2 τ = -410,366.0,21.60=-5170,6 (J) Trang 11 Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung KẾT LUẬN Để đưa qui trình ra qui mô công nghiệp thì cần rất nhiều việc phải tính toán trong đó chi phí giá thành thiết bị là khâu...Tiểu Luận: Kỹ Thuật Phản Ứng GVHD: Nguyễn Hữu Trung Vậy nếu ta lấy nồng độ NaOH= 2.2= 4M thì để đạt cùng một năng suất etanol (75kg etanol/h) thì thể tích thiết bị là V2=2,9064(lít) (τ C Ao ) R = 2 ≈ 0, 24 ⇒ τ R = 2 ≈ 0, 24.τ R =1 ≈ 0, 24.0,873 ≈ 0, 21( phút) (τ C Ao ) R =1 Nhiệt độ bên ngoài ... hóa học Người ta định nghĩa thiết bị phản ứng thiết bị mà xảy phản ứng hóa học, nghĩa thiết bị để chuyển hóa chất tham gia phản ứng thành sản phẩm hóa học Thiết bị phản ứng có nhiều dạng dạng ống... mạnh nên phản ứng trao đổi nhanh tính axit khác lớn giai đoạn không cân nên phản ứng thủy phân môi trường kiềm ester không thuận nghịch Thiết bị phản ứng dạng ống Trong thiết bị phản ứng dạng... việc thiết kế tính toán thiết bị phản ứng, cần giải toán tính toán tỉ lệ nồng độ ban đầu cho hợp lí để thiết kế thiết bị đạt suất mong muốn chi phí cho giá thành nguyên liệu, giá thiết bị phản ứng,