Đề cương bài giảng động học và thiết bị phản ứng

MỘT SỐ KÝ HIỆU CHỦ YẾU A: thường tên cấu tử tham gia phản ứng (tương tự với B, C, M…) ai: hoạt độ cấu tử i, a - diện tích riêng hay diện tích tự Ci: nồng độ cấu tử i Cp: nhiệt dung riêng đẳng áp Di: hệ số khuếch tán phân tử cấu tử dp: đường kính hạt thể rắn dtd: đường kính tương đương E, Ea: lượng hoạt hoá phản ứng hoá học h: số Planck K: số cân phản ứng kr: số tốc độ phản ứng L: chiều dài thiết bị phản ứng Mi: phân tử lượng phân tử i Ni: tốc độ lưu lượng cấu tử i ni: lượng cấu tử i p: tổng áp suất hệ pi: áp suất riêng phần cấu tử i Q: hiệu ứng nhiệt phản ứng, lượng nhiệt trao đổi Qi: hàm phân bố i R: bán kính hạt cầu r: tốc độ phản ứng ri: tốc độ phản ứng theo cấu tử i V: thể tích hệ, tốc độ lưu lượng tính theo thể tích VR: thể tích thùng phản ứng xi: hiệu suất chuyển hoá theo cấu tử i λ: hệ số dẫn nhiệt μ: độ nhớt động lực ρ: khối lượng riêng σ: sức căng bề mặt U: nội ν: tần số chấn động phân tử νi: hệ số tỷ lượng i phản ứng hoá học Các số: o: trạng thái đầu f: trạng thái cuối g: pha khí l: pha lỏng s: pha rắn i: thông số bề mặt Đơn vị đo lường: Đại lượng Đơn vị Ký hiệu chiều dài mét m khối lượng kilogan kg thời gian giây s nhiệt độ kenvin K lượng vật chất mol mol góc radian rad LỜI MỞ ĐẦU Trong công nghiệp hoá học, từ nguyên liệu qua sản phẩm trung gian đến sản phẩm, chất phải qua trình chế biến Có trình chế biến dựa thuý biến đổi học: trình vật lý, song phần lớn trình chế biến diễn đồng thời trình vật lý biến đổi hoá lý - trình phản ứng hoá học Tài liệu đề cập tới nguyên lý trình biến đổi hoá học song song với biến đổi học, phương pháp thu thập thông tin, thiết kế điều kiện công nghệ, tính toán thiết bị phản ứng Nội dung chủ yếu thiên chế trình phản ứng, quy luật ứng dụng quy luật giải số vấn đề công nghệ, đặc biệt trình phản ứng thường gặp công nghệ hoá học hợp chất vô Với nội dung này, coi tài liệu kỹ thuật sở để sâu vào giai đoạn học sau: môn thuộc chuyên ngành CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN I.1 PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ QUÁ TRÌNH TIẾN HÀNH PHẢN ỨNG I.1.1 Phân loại phản ứng hoá học Để xem xét quy luật phản ứng, cần xếp phản ứng hóa học thành nhóm, loại phản ứng Với tiêu chuẩn xếp khác nhau, có loại phản ứng khác Bảng nêu ví dụ số cách phân loại thường dùng Bảng 1: Các loại phản ứng Tiêu chuẩn phân loại Các loại phản ứng hóa học Theo chế phản ứng Phản ứng chiều Phản ứng hai chiều (thuận nghịch) Phản ứng song song, phản ứng nối tiếp Phản ứng đơn giản Theo số phân tử tham gia phản ứng Phản ứng đơn phân tử, hai phân tử Theo bậc phản ứng Phản ứng bậc 1, 2, bậc số nguyên tử, bậc phân số … Theo điều kiện thực phản ứng Phản ứng đẳng tích, đẳng nhiệt, đẳng áp, đa biến … Phản ứng gián đoạn, liên tục … Theo trạng thái pha hệ phản ứng Phản ứng hệ đồng (khí – lỏng), không đồng (khí rắn, lỏng rắn, khí lỏng…) … Trong giáo trình ta khảo sát phản ứng theo tiêu chuẩn phân loại: trạng thái pha, có phản ứng hệ đồng không đồng nhất, bao gồm phản ứng có mặt xúc tác I.1.2.Phân loại thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng thiết bị trình sản xuất hoá học Chọn thiết bị phản ứng phương thức tiến hành phản ứng thích hợp ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm hiệu kinh tế trình sản xuất Do tính đa dạng sản phẩm loại hình sản xuất, trình phức tạp đồng thời xảy thiết bị phản ứng dẫn đến thiết bị phản ứng đa dạng Một số loại phản ứng lò cao, lò quay cho phản ứng hệ khí-rắn, lò dạng ống hay khuấy trộn cho phản ứng hệ lỏng, v.v… Phân chia thiết bị phản ứng theo số pha tham gia 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 tưởng; - Thiết bị phản ứng dạng đẩy lý tưởng; phân chia theo phương thức làm việc; - Thiết bị phản ứng gián đoạn; - Thiết bị phản ứng liên tục; - Thiết bị phản ứng bán liên tục; Trong thời kỳ đầu phát triển công nghiệp hoá học, phản ứng chủ yếu tiến hành theo phương thức gián đoạn Sự phát triển kỹ thuật công nghệ, tiến tới xu hướng liên tục hoá trình phản ứng, trừ trường hợp bắt buộc mà phương diện kinh tế kỹ thuật liên tục hoá trình Chúng ta phân biệt phương thức tiến hành công nghệ phản ứng hoá học: - Quá trình gián đoạn (batch process) - Quá trình liên tục (flow process) - Quá trình bán liên tục (semi batch process) Thiết bị phản ứng gián đoạn làm việc theo mẻ, có nghĩa thành phần tham gia phản ứng chất phụ gia (dung môi, chất trơ) hay xúc tác dung dịch lên men vi khuẩn đưa tất vào thiết bị từ thời điểm đầu Sau thời gian phản ứng định độ chuyển hoá yêu cầu, dừng chạy thiết bị tháo sản phẩm Trong trình phản ứng, thực khuấy trộn tốt nồng độ nhiệt độ ứng với thời điểm định vị trí thiết bị Hạn chế thiết bị gián đoạn làm việc bất ổn định Ưu điểm phương thức làm việc gián đoạn: - Tính linh động cao, có nghĩa thiết bị dùng để thực phản ứng tạo sản phẩm khác - Đạt độ chuyển hoá cao khống chế thời gian phản ứng theo yêu cầu - Chi phí đầu tư thấp có có hệ thống điều chỉnh tự động bị nhiễm phá huỷ tế bào thời gian nuôi cấy ngắn (đối với thiết bị phản ứng sinh hoá bioreactor thực theo phương thức gián đoạn) Nhược điểm phương thức làm việc gián đoạn: - Tiêu tốn khoảng thời gian phục vụ cho nạp liệu, đốt nóng, làm nguội, tháo sản phẩm làm sach thiết bị - Khó điều chỉnh khống chế trình tính bất ổn định phương thức làm việc gián đoạn - Đặc biệt thiết bị phản ứng sinh học gây nguy hiểm với người thực phải tiếp xúc với vi khuẩn gây bệnh hay chất độc Phạm vi ứng dụng thiết bị phản ứng làm việc theo phương thức gián đoạn: - Khi lượng sản phẩm yêu cầu sản xuất nhỏ; - Thiết bị phục vụ cho mục đích sản xuất nhiều loại sản phẩm khác (như dược phẩm, sản phẩm đặc biệt…); - Khi có khó khăn lớn vận chuyển cấu tử phản ứng, chất rắn dính bết vào gây tắc đường ống dẫn, bơm vận chuyển Với thiết bị phản ứng làm viêc theo phương thức liên tục, chất tham gia phản ứng đưa liên tục vào thiết bị sản phẩm lấy liên tục Sau thời gian khởi động nhiệt độ, áp suất, lưu lượng nồng độ chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian, thiết bị làm việc trạng thái ổn định Ưu điểm phương thức làm việc làm liên tục: - Có khả giới hoá tự động hoá; - Thể tích phản ứng nhỏ, không tốn thời gian nạp liệu, tháo sản phẩm; - Chất lượng sản phẩm ổn định điều kiện làm việc suốt trình không thay đổi Nhược điểm phương thức làm viêc liên tục: - Chi phí đầu tư cao, trước hết đòi hỏi có hệ thống điêu chỉnh khống chế tự động; - Đòi hỏi chất lượng nguyên liệu đầu ổn định để đảm bảo điều kiện làm việc ổn định; - Tính linh động thấp, có khả để thực phản ứng khác nhau, tạo sản phẩm khác nhau, mà thay đổi thông số trình lưu lượng, nồng độ, nhiêt độ… - Thường gặp khó khăn việc nạp liệu liên tục chất tham gia phản ứng dạng rắn không hoà tan Thiết bị phản ứng liên tục sử dụng cho trình sản xuất với suất lớn, chất lượng sản phẩm bảo đảm Thiết bị phản ứng làm việc theo phương thức bán liên tục thiết bị có thành phần chất tham gia phản ứng đưa vào gián đoạn chất khác đưa vào liên tục Sản phẩm lấy gián đoạn hay liên tục (Ví dụ phản ứng clo hoá hợp chất hydrocacbon lỏng, hydro-cacbon lỏng đưa vào thiết bị gián đoạn, clo dang khí đưa vào thiết bị liên tục; phản ứng hệ khí - rắn, chất rắn gián đoạn pha khí đưa vào liên tục) Thiết bị phản ứng làm việc theo phương thức bán liên tục kết hợp phương thức làm việc liên tục phương thức làm việc gián đoạn Thiết bị làm việc theo phương thức bán liên tục giống thiết bị phản ứng làm việc gián đoạn chế độ bất ổn định Phương thức bán liên tục sử dụng trình khả thực theo phương thức liên tục phương thức gián đoạn lại cho suất thấp Chọn thiết bị phản ứng thích hợp cần dựa số điều kiện sau : - Số pha hệ phản ứng; - Động học hoá học (cân phản ứng, phản ứng phụ); - Trạng thái cân hoá học; - Entanpi phản ứng (để tính trao đổi nhiệt); - Ảnh hưởng trình vận chuyển chất nhiệt trình phản ứng Khi thiết kế tính toán thiết bị phản ứng phải dựa yêu cầu sản xuất (năng suất chất lượng sản phẩm) Trên sở phương trình cân chất nhiệt, phương trình toán học mô tả quan hệ thông số động học, nhiệt động điều kiện thực trình với thông số đặc trưng cho kích thước hình học thiết bị thể tích VR , chiều dài L, thời gian lưu… từ tính toán kích thước thiết bị I.2 TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC Tốc độ phản ứng hóa học thể diễn biến lượng cấu tử tham gia phản ứng theo thời gian Giáo trình sử dụng công thức sau để tính tốc độ phản ứng: Ví dụ: có phản ứng hóa học viết dạng tổng quát sau: νA A + νB.B = νL L + νM.M I.2.1 Trường hợp phản ứng tiến hành gián đoạn 10 Cũng trình kết tinh mầm đồng Sự thay đổi tổng lượng bao gồm hai yếu tố biến thiên ΔGv tích tụ thành hạt, ΔGs hình thành bề mặt Xét trường hợp hình thành cụm tinh thể đáy Nếu gọi ΔG1 trường hợp thứ nhất: hình thành mầm đồng ΔG2 trường hợp thứ hai: hình thành mầm không đồng Khi đạt cân bằng: G2  G1 (2  m)(1  m )  G1 f (m) (3-15) F(m) hàm số θ Khi 0o ≤ θ ≤ 1800, 0o ≤ f(m) ≤ 1800, Như ΔG2 ≤ ΔG1 Trường hợp dễ tạo mầm so với hệ tạo mầm đồng Như cuối số tốc độ trình tạo mầm, coi tính theo tốc độ phản ứng hoá học:  16M 2  k  k exp  3  (3-16) R T (  ln S )   Như tốc độ tạo mầm tăng rõ rệt tăng độ bão hoà S, hạ nhiệt độ làm tăng độ nhớt dung dịch giảm tốc độ tạo mầm; độ bão hoà cao, khuấy trộn làm tăng tần suất va chạm tăng tốc độ tạo mầm Sau trình hình thành mầm trình lớn lên tinh thể, trình lượng tự toả trình hình thành tinh thể lớn phân tử tích tụ lại ΔGv chủ yếu, lượng hình thành bề mặt ΔGs không đáng kể: ΔGv > ΔGs 144 Song tổng lượng tự giảm, trình hình thành mầm cần lượng hoạt hoá, song trình phát triển lại chủ yếu dựa vào khuếch tán phân tử chất tan đến bề mặt tinh thể, đến mặt cạnh thềm tinh thể đến góc cạnh tinh thể với mức lượng khác Khi tính tốc độ trình lớn lên mầm tinh thể phương trình khuếch tán: dm  k A (C AL  C Ai ) dt (3-17) Tốc độ khuếch tán tính lượng tinh thể hình thành (m) đơn vị thời gian (t) đơn vị bề mặt tinh thể; tỷ lệ thuận với động lực trình khuếch tán cấu tử A dung dịch CAL đến nồng độ bề mặt CAi; hệ số tỷ lệ kA hệ số truyền chất A Đây dạng phổ biến công thức tính tốc độ truyền chất Trường hợp môi trường tĩnh khuếch tán chủ yếu khuếch tán phân tử k A = DA/ZL, ZL chiều dày màng biên pha lỏng, trường hợp khuếch tán đối lưu k A = kAL tính qua công thức thực nghiệm Ảnh hưởng tới tốc độ lớn lên tinh thể chủ yếu nhiệt độ, độ bão hoà, tạp chất, khuấy trộn, ảnh hưởng mức lạnh Xét ảnh hưởng cần xét tổng hợp yếu tố yếu tố gây nên Ví dụ nhiệt độ, chừng mực làm tăng tốc độ trình lớn lên tinh thể song ảnh hưởng tới độ bão hoà, độ nhớt… chí nhiều yếu tố làm triệt tiêu yếu tố làm tăng tốc độ kết tinh III.3.4 Vấn đề kết khối tinh thể Sản phẩm dạng tinh thể, đặc biệt muối khoáng để kho thường bị kết khối, làm thay đổi tính chất vật lý chúng, gây nhiều phiền phức vận chuyển, sử dụng Đặc biệt với chất dễ cháy, dễ nổ muối 145 clorat, nitrat, nitrit Khi có kích thích tia lửa, phát từ va đập, ví dụ dùng búa kim loại để phá khối bùng cháy, gây nổ Vì tìm cách tránh kết khối vấn đề thường đặt lĩnh vực muối khoáng, muối vô Có nhiều yếu tố dẫn đến kết khối Theo lý thuyết kết tinh: Do nguyên nhân vật lý hoá học, bề mặt tinh thể bị hoà tan phần, tái kết tinh: Kết tạo lên cầu nối vùng tiếp xúc tinh thể tạo thành khối đặc xít Hút ẩm đặc tính vật lý dẫn đến kết khối nguyên nhân vật lý Điểm hút ẩm phản ánh khả hút chất, điểm hút ẩm thấp khả hút ẩm cao ngược lại Có thể đặc trưng điểm hút ẩm giá trị h: h p Hd 2O p H 2O 100 (3-18) pdH2O áp suất nước dung dịch pH2O áp suất nước nước nguyên chất Còn nguyên nhân hoá học, chủ yếu bề mặt tinh thể, nơi tiếp xúc với không khí tạo sản phẩm, giảm độ hoà tan muối nước, từ tách tinh thể gây kết khối Cũng có mô hình mao quản: coi tinh thể hình thành khoảng không gian tự do, coi khoảng không gian tập hợp mao quản Do tương tác lực bề mặt độ hoà tan tinh thể, áp suất nước bão hoà mao quản thấp khoảng không gian mao quản tạo nên động lực khuếch tán, tinh thể hút ẩm, tái kết tinh dẫn đến kết khối Biện pháp phòng kết khối nhằm vào chế trên, có biện pháp chính: 146 1, Đưa chất trơ vào tinh thể, đưa chất không tan nước dạng hạt dạng nhũ tương có khả bọc kín tinh thể bột tal, caolin, đá marn, silicat canxi… 2, Đưa chất hoạt động bề mặt, dạng cationit anionit trung tính thành lớp bảo vệ bề mặt hạt Ví dụ dietyl sunfat [(C2H5)2SO4], loại axit béo, axit lactic 3, Hoặc liên hợp sử dụng hai biện pháp Hoặc biện pháp học tạo hạt, đùn đẩy… III.3.5 Vấn đề xử lý bề mặt Trong năm gần đây, công nghệ xử lý bề mặt thể rắn, công nghệ dùng biện pháp hoá lý phủ lên thể rắn lớp bảo vệ xử lý bề mặt tạo nên tính chất cần thiết, ứng dụng rộng rãi Ví dụ CaCO3, muối vô dùng làm chất độn cho cao su, nhựa nhằm làm tăng thể tích sản phẩm, giảm giá thành, làm thay đổi tính chất sản phẩm theo hướng có lợi Nếu qua xử lý axit stearic vài hợp chất khác, giá thành CaCO3 tăng song lượng chất độn tăng lên mà tính chất không đổi, mang hiệu kinh tế Ví dụ mica qua xử lý làm tăng cường độ chất dẻo lên nhiều so với dùng mica không qua xử lý Hoặc có trường hợp, qua xử lý thân tính chất muối vô thay đổi Ví dụ hydroxit nhôm chất ức chế trình cháy Ở 2000C phân huỷ, tách nước Vì trường hợp phải gia công nhiệt độ cao, tách nước nên bề mặt sản phẩm hay có bọt Song qua xử lý cải thiện tình trạng này, giảm lượng sử dụng, giảm khối lượng hình thành… Hoặc 147 công nghệ bột màu, xử lý tạo lớp màng silic cực mỏng, cải thiện độ che phủ, độ chịu nhiệt, chịu axit, bazơ Vấn đề nguyên lý xử lý bề mặt dựa vào sức căng bề mặt, tác dụng hấp phụ thấm ướt bề mặt Điều quan tâm lớn hệ khí-lỏng, hệ khí-rắn Giữa bề mặt phân chia pha màng trở lực với chiều dày cỡ vài chục nm, cỡ 10 phân tử, phân tử bề mặt chịu tác động lực không cân bằng, khác với nội hệ, sở sản sinh tượng bề mặt Một số thông số quan trọng sức căng bề mặt σ, nguồn gốc từ lực Vandervan, lực tương tác tồn phân tử nguyên tử với miền cự ly nm Thể rắn vậy, bề mặt chịu tác động lực không cân bằng, có sức căng bề mặt, sức căng cân với lực phản tác dụng từ hạt, làm trạng thái lượng, xếp thay đổi Một đặc trưng bề mặt thể rắn khả hấp thụ, hấp phụ phân tử lưỡng cực phân cực pha khí lỏng cân với Với pha lỏng hấp phụ chất tan lẫn dung môi Bề mặt thể lỏng vậy, có khả hấp phụ, bề mặt chịu tác dụng sức căng bề mặt, sức căng bề mặt thay đổi theo qua trình hấp thụ, với biến động nồng độ dung dịch Nếu đưa thể rắn tiếp xúc với thể lỏng, màng bề mặt rắn-lỏng thay cho màng rắn-khí trước Ta gọi tượng thấm ướt, thể lỏng lan làm thấm ướt toàn bề mặt rắn Hệ số lan toả S đặc trưng cho khả lan thấm thể lỏng mặt thể rắn: S   gs   ls   gl (3-28) 148  gs ,  ls ,  gl - sức căng bề mặt trường hợp rắn –khí, rắn -lỏng, khí - lỏng nhiệt độ định, S ≥ thể lỏng lan thấm bề mặt thể rắn Mỗi loại thể rắn có sức căng bề mặt tới han σ0, thể lỏng có sức căng bề mặt lớn σ0 lan thấm bề mặt thể rắn ngược lại Với thể lỏng lan truyền bề mặt thể lỏng (với thể lỏng không tan nhau) Hệ số lan toả thể lỏng a bề mặt thể lỏng b: S a / b   b   a   ab (3-29)  b ,  a   ab sức căng bề mặt thể lỏng b, a bề mặt tiếp xúc ab Điều kiện lan thấm  ab   (3-30) Chất lỏng có sức căng bề mặt nhỏ lan thấm thể lỏng có sức căng bề mặt lớn Thấm ướt vậy: trình ngâm tẩm thể rắn vào thể lỏng, trình thấm lỏng- rắn, thay cho khí lỏng Phương pháp nghiên cứu ngâm tẩm thấm ướt khác lan thấm Công thức ướt W: W= σgs – σls (3-31) Thực chất tượng thấm ướt khác biệt hai loại lực, lực tương tác nội bộ, lực hút phân tử pha lỏng lực hấp phụ (giữa phân tử thể rắn thể lỏng) Mức độ thấm ướt thể lỏng thể rắn đặc trưng góc thấm ướt, góc tiếp xúc hình thành thể rắn lỏng θ: góc hợp mặt tiếp xúc lỏng -rắn, tiếp tuyến bề mặt thể lỏng chân hạt lỏng điểm A có lực tương tác ba loại sức căng bề mặt, 149 sức căng bề mặt thể rắn σgs theo hướng NA, sức căng bề mặt pha lỏng σlg rắn lỏng σls đạt tới cân bằng:  gs   ls   lg cos  (3-32) Nếu θ = 00: hoàn toàn thấm ướt, thể lỏng tạo thành lớp phủ mặt thể rắn Nếu θ = 1800: thể lỏng thành giọt cầu mặt thể rắn, hoàn toàn không thấm ướt, θ miền 00 – 1800: thấm ướt phần Với loại thể lỏng định θ > 900 gọi thể rắn kỵ lỏng, θ < 900 gọi thể rắn ưa lỏng Tương tự theo kỵ nước ưa nước Trong công nghiệp thường gặp thể lỏng nước Vì thể rắn lưỡng cực ưa nước, ví dụ loại sunfat Thể rắn không phân cực kỵ lỏng Thể rắn có sức căng bề mặt lớn dễ bị thấm ướt Nếu lấy sức căng bề mặt giới hạn 0,1 N/m, phân thể rắn thành loại: - Loại bề mặt có lượng cao chất vô cơ: kim loại, oxit sunfua chúng, muối vô thường cỡ 0,5 N/m - Loại bề mặt có lượng thấp thường hợp chất hữu cơ, chất trùng hợp mức cao Với loại khả thấm ướt tương tự thể lỏng, tuỳ thuộc vào tính chất cấu tạo thể lỏng Các chất đưa vào làm giảm sức căng bề mặt thể lỏng gọi chất hoạt động bề mặt Đưa vào lượng nhỏ làm thay đổi tính chất bề mặt, qua gây lên tăng khả thấm ướt, nhũ hoá, tạo bọt làm giảm thấm ướt, phá nhũ hoá, phá bọt Trong hoạt động công nghiệp sinh hoạt dùng nhiều chất hoạt động bề mặt với chủng loại khác nhau, song mặt cấu tạo hoá học 150 chúng giống nhau: phân tử chất hoạt động bề mặt gồm hai nhóm nguyên tử với tính chất trái ngược nhau, nhóm ưa nước, khả liên kết với nước mạnh, nhóm kỵ nước hay gọi nhóm ưa dầu, khó gần nước dễ gần dầu Ví dụ: stearat natri C17H35COONa, nhóm C17H35 kỵ nước, nhóm COONa ưa nước Hai nhóm đầu hai phân tử hình thành kết cấu không đối xứng Song phân tử có kết cấu chất hoạt động bề mặt Ví dụ muối Na axit propyonic (CH3CH2COOH), axit butyric (C3H7COOH) có hai nhóm kỵ nước ưa nước vậy, song phân tử hợp chất có số nguyên tử cacbon mức độ định, aliphatic natri có hoạt tính bề mặt, khả làm giảm sức căng bề mặt dung dịch khác tỷ lệ thuận với chiều dài dãy liên kết hydrocacbon Người ta dựa vào tính chất: chất HĐBM có khả điện ly nước hay không, tách loại ion để phân loại Có chất hoạt động bề mặt dạng anionit: loại điện ly nước, nhóm có tác dụng hoạt động bề mặt mang điện tích âm Ví dụ xà phòng nước hình thành nhóm RCOO- kỵ nước; loại ankylbenzen sunfonat (R-C6H4SO3Na); muối este sunfuaric, photphat…thường dùng làm chất tẩy rửa, tạo bọt nhũ hoá… Có chất hoạt động bề mặt dạng cationit, nhóm có tác dụng hoạt động bề mặt tan nước mang điện tích dương, hầu hết hợp chất hữu chứa nito, có số hợp chất hữu photpho, sunfua, có khả hình thành màng kỵ nước Do đắt nên dùng chất tẩy rửa, chất nhũ hoá, chất thấm ướt… có tính kháng khuẩn cao nên dùng chất sát trùng, tiêu độc, dùng làm chất làm mềm vải dệt… ví dụ CTAB 151 Có chất HĐBM dạng lưỡng tính, phân tử mang hai loại điện tích, dung dịch mang tính axit thể chất hoạt động bề mặt cationit; dung dịch kiềm thể chất hoạt động bề mặt anionit; dung dịch trung tính thể trung tính dùng làm chất phân tán sơn, chất màu Chất HĐBM dễ tan nước, dung dịch axit, bazo đặc, dung dịch muối khoáng không tan chất hữu Loại ionit, không điện ly nước thành ionit phân tử chất HĐBM nhóm háo nước thường gốc milti-hydroxyl polyoyl etylen ngày phát triển nhiều loại chất hoạt động bề mặt khác Ví dụ flu thay hidro hydrocacbon: chất hoạt động bề mặt fluo, silic, polime… Trong chất hoạt động bề mặt flu, toàn nguyên tử H chuỗi cacbua hydro bị fluo thay Tính kỵ nước hợp chất fluo cacbon mạnh hydrocacbon Khả kỵ dầu Phủ lớp mặt thể rắn, khả thấm dầu giảm Nói chung hoạt tính chất HĐBM cao, tính chất hoá học ổn định, chịu nhiệt độ cao, axit mạnh, bazo mạnh, chất oxy hoá mạnh Người ta đưa thêm vào dung dịch mạ crom nhằm giảm tán phát nước axit cromic; làm chất pha thêm vào chất dập lửa có hiệu cao dùng trường hợp dập lửa xăng dầu bị cháy Chất HĐBM silic Các chất trùng hợp hữu oxyt silic dầu silicon, nhựa silicon có khả kỵ nước cao, dùng rộng rãi nhựa methylphenyl silicon cho loại bột màu, xử lý bề mặt để dễ tháo vậ đúc khỏi khuôn Chất HĐBM cao phân tử hợp chất cao phân tử thiên nhiên (loại alumin tan nước, loại nhựa); số hợp chất cao phân tử tổng hợp 152 loại PA (polyvinyl alcohol), muối acrylat dùng làm chất nhũ hoá, chất phân tán… Nói chung nồng độ chất hoạt động bề mặt dung dịch cao, sức căng bề mặt giảm, mức độ giảm tuỳ thuộc tính chất dung dịch chất hoạt động bề mặt Chất hoạt động bề mặt có tác dụng sau: Hấp phụ: chất hoạt động bề mặt tan nước, lực hút phân tử chất tan dung môi nhỏ phân tử dung môi, phân tử chất tan có khuynh hướng mạnh di động bề mặt, đồng thời phân tử chất hoạt động bề mặt dung dịch có khuynh hướng lên bề mặt có ngần phân tử nước từ bề mặt vào dung dịch nhằm giảm thấp lượng bề mặt tới mức được: nồng độ chất tan bề mặt tăng lên cao lòng dung dịch tạo thành lớp nồng độ cao sản sinh tượng hấp phụ; đồng thời tỷ lệ phân tử có lực hút nhỏ bề mặt tăng lên, làm giảm mức không bão hoà trường lực phân tử Kết làm giảm sức căng bề mặt Thấm ướt: phần lớn muối, chất vô thể rắn có lượng bề mặt cao, dễ bị thấm ướt, với chất hữu cơ, chất trùng hợp mức cao ngược lại Khi đưa chất hoạt động bề mặt vào, làm giảm sức căng bề mặt dung dịch, giảm xuống giá trị σ0 hợp chất hữu cơ, đa tụ… biến chúng từ loại kỵ nước thành loại ưa nước Hiện tượng keo tụ Chất hoạt động bề mặt dung dịch có số đặc tính, nồng độ thấp tính chất giống chất điện ly Song nồng độ thay đổi, tính chất vật lý thay đổi, đến giới hạn nhóm kỵ nước hợp làm thành nhóm keo nhằm làm giảm lượng bề mặt 153 Trong công nghệ muối vô cơ, đưa chút chất HĐBM vào trình kết tinh, làm giảm tượng kết khối, tinh thể chất lượng cao Tác dụng chống kết khối chất HĐBM xuất mặt tinh thể- phận phân chia pha lỏng rắn bị hấp phụ tạo thành lớp vỏ ngăn với môi trường, giảm tốc độ trình hút ẩm, ngăn trình hoà tan tái kết tinh tinh thể Mặt khác chất HĐBM làm thay đổi trình lớn lên tinh thể theo hướng tạo tính chất bề mặt khó kết khối Ví dụ KClO3 điều kiện bình thường thành hình phiến mỏng, có chất HĐBM thành hình lăng trụ Tất nhiên nhiều tác dụng chế khác nữa, vật liệu vô hữu cơ.Ví dụ đứng lý thuyết mao quản, chất HĐBM làm giảm sức căng bề mặt dung dịch, làm giảm góc tiếp xúc tinh thể dung dịch, qua làm giảm tác dụng hấp phụ mao quản-khoảng không gian tinh thể Mặt khác chất HĐBM ảnh hưởng tới tinh thể cực mịn vừa hình thành, tạo nên cầu nối tinh thể lớn, dễ vỡ làm tăng khả chống kết khối tinh thể Còn số chất làm thay đổi tính chất bề mặt thể rắn-chất cải tạo bề mặt Thường gặp dung dịch muối Si, Al, Zr, Zn…tạo thành dung dịch keo, tẩm vào thể rắn hình thành màng oxit màng phức chất, màng có tác dụng làm tăng tính ổn định nhiệt số muối vô khả phân tán chất hữu Trong công nghệ vật liệu composit dùng rộng rãi số chất tạo cầu liên kết chất hữu vô Cấu tạo chất cần liên kết có đặc điểm chung có nguyên tử kim loại làm trung tâm, hai nhóm hai phía có đặc điểm nhóm ưa với chất vô cơ, nhóm ưa chất hữu 154 chất tạo cầu liên kết liên kết chắn với lượng sử dụng nhỏ Nhiều loại chất dẻo cao su thêm chất độn vô cơ, đưa chút chất tạo cầu liên kết tạo lực liên kết hoá học hai vật liệu, ngăn cản nước thấm vào bề mặt phân chia pha, cải thiện đáng kể tính chất vật lý hệ Chất tạo cầu liên kết kim loại trung tâm Si, Ti, Al… tuỳ phạm vi sử dụng liên kết polime hữu với Si, với kim loại, với hợp kim Với mục đích sử dụng khác nhau, chọn chất HĐBM, chất cải tạo bề mặt, chất tạo cầu liên kết khác dựa vào để chọn phương pháp gia công khác Thường dùng phương pháp trộn học thường gặp tạo màng khô làm việc trạng thái đảo trộn tốc độ cao, có gia nhiệt; phương pháp ướt: trộn dung dịch nước, phương pháp tạo tương tác hoá học với bề mặt hình thành lớp bảo vệ mới; phương pháp kết tủa, tạo kết tủa từ dung dịch tẩm phủ lên thể rắn; phương pháp học kết hợp với hoá học; phương pháp dùng lượng cao dùng tia tử ngoại, dùng tia phóng xạ, laze…tạo va chạm lượng cao để hoạt hoá bề mặt 155 TÀI LIỆU THAM KHẢO 1, Nguyễn Hoa Toàn, Động hoá học thiết bị phản ứng công nghiệp hoá học, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2, Mai Xuân Kỳ, Thiết bị phản ứng công nghiệp hoá học, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 3, Trần Văn Nhân, Hoá lý tập III, Nhà xuất giáo dục 4, Ngô Thị Nga, Kỹ thuật phản ứng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 5, Nguyễn Bin, Các trình thiết bị công nghệ hoá học, Nhà xuất khoa học kỹ thuật 156 CHƯƠNG I: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN I.1 PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG HÓA HỌC VÀ QUÁ TRÌNH TIẾN HÀNH PHẢN ỨNG I.1.1 Phân loại phản ứng hoá học I.1.2.Phân loại thiết bị phản ứng I.2 TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG HÓA HỌC 10 I.2.1 Trường hợp phản ứng tiến hành gián đoạn 10 1.2.2 Trường hợp phản ứng tiến hành dòng chảy liên tục 11 I.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng: 13 I.3 HIỆU SUẤT CHUYỂN HÓA 13 I.4 THỜI GIAN PHẢN ỨNG 14 I.5 PHƯƠNG TRÌNH ĐỘNG HỌC 15 I.6 HẰNG SỐ TỐC ĐỘ PHẢN ỨNG, LÝ THUYẾT VA CHẠM, LÝ THUYẾT HỢP CHẤT TRUNG GIAN 25 I.6.1 Hằng số tốc độ phản ứng: 25 I.6.2 Lý thuyết va chạm 26 I.6.3 Thuyết hợp chất trung gian 31 CHƯƠNG II: KỸ THUẬT PHẢN ỨNG 38 II.1 TÍNH THỂ TÍCH THIẾT BỊ PHẢN ỨNG LÀM VIỆC GIÁN ĐOẠN 38 II.2 THIẾT BỊ DÒNG CHẢY LIÊN TỤC 39 II.2.1 Thiết bị dòng chảy lý tưởng 40 II.2.2 Thiết bị phản ứng trộn lý tưởng 42 II.2.3 Thiết bị trộn lý tưởng, ghép nối tiếp nhiều thiết bị 45 II.2.4 Thiết bị dòng chảy thực 52 II.3 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG VẬT LIỆU HỆ DÒNG CHẢY 57 II.4 PHƯƠNG TRÌNH CÂN BẰNG NHIỆT 62 CHƯƠNG III: ĐỘNG HỌC CỦA CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC 81 III.1 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG HỆ ĐỒNG NHẤT 81 III.1.1 Động học phản ứng hệ khí đồng xúc tác 81 III.1.2 Động học phản ứng hệ lỏng xúc tác đồng 83 III.1.3 Động học phản ứng hệ giả đồng 88 III.2 ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG HỆ KHÔNG ĐỒNG NHẤT 101 III.2.1.Một số thông số hình học đặc trưng thể rắn 101 III.2.2 Phản ứng hệ khí/lỏng – rắn, trường hợp thể rắn tích, khối lượng không thay đổi trình phản ứng 106 III.2.2.1 Phản ứng nằm miền khuếch tán 108 III.2.2.2 Phản ứng nằm miền động học 113 III.2.2.3 Phản ứng miền khuếch tán 125 III.2.3.Phản ứng hệ khí/lỏng-rắn Trường hợp thể rắn có khổi lượng thay đổi trình phản ứng 131 III.2.3.1 Phản ứng Ag + νBBs = Ps +νpPg nằm miền khuyếch tán 132 III.2.3.2 Phản ứng nằm miền khuếch tán 133 III.2.2.3 Phản ứng nằm miền động học 135 III.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ VỀ ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH KẾT TINH VÀ XỬ LÝ BỀ MẶT 136 157 III.3.1 Vấn đề ảnh hưởng nhiệt độ tới độ hòa tan 137 III.3.2 Ảnh hưởng kích thước tinh thể tới độ hòa tan 137 III.3.3 Quá trình kết tinh từ dung dịch 139 III.3.4 Vấn đề kết khối tinh thể 145 III.3.5 Vấn đề xử lý bề mặt 147 158 ... Các loại phản ứng hóa học Theo chế phản ứng Phản ứng chiều Phản ứng hai chiều (thuận nghịch) Phản ứng song song, phản ứng nối tiếp Phản ứng đơn giản Theo số phân tử tham gia phản ứng Phản ứng đơn... đồng nhất, bao gồm phản ứng có mặt xúc tác I.1.2.Phân loại thiết bị phản ứng Thiết bị phản ứng thiết bị trình sản xuất hoá học Chọn thiết bị phản ứng phương thức tiến hành phản ứng thích hợp ảnh... xảy thiết bị phản ứng dẫn đến thiết bị phản ứng đa dạng Một số loại phản ứng lò cao, lò quay cho phản ứng hệ khí-rắn, lò dạng ống hay khuấy trộn cho phản ứng hệ lỏng, v.v… Phân chia thiết bị phản