KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Chemical Reaction Engineering

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÀ RỊA VŨNG TÀU KHOA HÓA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Chemical Reaction Engineering quockhanh4989@gmail.com Nội dung KTPU ĐỒNG THỂ KTPU DỊ THỂ Phần – Homogeneous chemical reaction eng Chương Khái niệm mở đầu Chương Xử lý kiện động học Chương Phương trình thiết kế Chương Áp dụng phương trình thiết kế Chương Hiệu ứng nhiệt độ Chương Dòng chảy thực Phần – Heterogeneous chemical reaction eng Chương Đại cương thiết kế hệ phản ứng dị thể Chương Phản ứng rắn – lưu chất không xúc tác Chương Phản ứng lưu chất – lưu chất Chương 10 Phản ứng xúc tác chất rắn Chương 11 Phản ứng sinh học Tài liệu tham khảo  - Tài liệu bắt buộc:  [1] Vũ Bá Minh (2014), Quá trình thiết bị CNHH&TP Tập 4: Kỹ thuật phản ứng, Đại học Bách Khoa TPHCM  - Tài liệu tham khảo  [2] Mai Xuân Kỳ (2006), Thiết bị phản ứng cơng nghiệp hóa học (nghiên cứu, tính toán thiết kế) – tập 1, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật  [3] Mai Xuân Kỳ (2006), Thiết bị phản ứng cơng nghiệp hóa học (nghiên cứu, tính tốn thiết kế) – tập 2, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật  [4] Octave Levenpiels, (1999) “Chemical Reaction Engineering”, John Wiley&sons  [5] H Scot Foggler, (1989) “Elements of Chemical Reaction Engineering”,International students edition  [6] E.B.Nauman, (1987) “Chemical Reactor Design”, John Wiley & sons  [7] Stanley M Walas, (1990) “Reaction Kinetics for Chemical Engineers”,Int Student Edition  [8] Coulson & Richardsons, (1979) “Chemical Engineering – Vol 6”,Elsevier  [9] Richard M Felder, (2000) “Elementary Principles of Chemical Processes”, John Wiley & sons Chương 1: Khái niệm mở đầu QUÁ TRÌNH HÓA HỌC VẬT LÝ THUẬN NGHỊCH KHƠNG THUẬN NGHỊCH TRUYỀN KHỐI CƠ, NHIỆT CÂN BẰNG PHA THUẬN NGHỊCH KHƠNG THUẬN NGHỊCH Cân P.Ư Chương Khái niệm mở đầu Qui trình hóa học tổng qt Nguyên liệu Công đoạn Xử lý vật lý Công đoạn Phản ứng hóa học Dịng hồn lưu Cơng đoạn Xử lý vật lý Sản phẩm Chương Khái niệm mở đầu Chương Khái niệm mở đầu Thieát kế thiết bị phản ứng (T.B.P.Ư)  Không có khuôn mẫu,  Có thể có nhiều thiết kế,  Bản thiết kế tối ưu kinh tế Liên quan đến nhiều lónh vực khác nhau:  Nhiệt động lực học,  Động hóa học,  Cơ lưu chất,  Truyền nhiệt,  Truyền khối Chương Khái niệm mở đầu Production urea Chương Khái niệm mở đầu Chương Khái niệm mở đầu 10 Trước thiết kế cần trả lời hai câu hỏi sau: Phản ứng phản ứng ? Tốc độ phản ứng ? Câu hỏi 1: liên quan đến nhiệt động lực học Câu hỏi 2: liên quan đến trình vận tốc như: động hóa học, truyền nhiệt, truyền khối… 51 A → R, k1 A → S, k2 Chương Xử lý kiện động học Hình 2.5: Đường biểu diễn nồng độ - thời gian cho phản ứng song song Chương Xử lý kiện động học 52 (7) Phản ứng nối tiếp không thuận nghịch (consecutive reac.) A → R → S , k1 vaø k2 Giả sử ban đầu khơng có R S, nồng độ đầu A CAo dC A   k1 C A dt CA  ln  k1 t CA hay C A  C A e  kt dC R   k1 C A  k C R dt dC R  k C R  k1 C A0 e  k1t dt dC S   k CR dt  e  k1 t  e  k t C R  k1 C A0   k  k1    Chương Xử lý kiện động học 53 Tại thời điểm CA0 = CA + CR + CS  k1 k2 k t   k1t e  e  C S  C A0 1  k  k1 k  k1   k  k  C S  C A0  e  k1t  → Hằng số vận tốc k1 hay giai đoạn định vận tốc k  k  C S  C A0  e k t  → Hằng số vận tốc k2 hay giai đoạn định vận tốc Chương Xử lý kiện động học 54 Thời điểm nồng độ R đạt cực đại t max  C R,max C A0 k log tb  k2  ln   k1    k  k1  k1      k2  k /  k  k1  Hình 2.8: Đường biểu diễn nồng độ thời gian cho phản ứng nối tiếp Chương Xử lý kiện động học 55 (8) Phản ứng thuận nghịch bậc 1: A ↔ R KC = K = số cân dC R  dC A dX A   C A0  k1C A  k C R dt dt dt  k1 (C A0  C A0 X A )  k (C R0  C A0 X A )  X Ae  KC  C R0 C A0 C Ao  C Ae C Re   KC  C Ao C Ao C Re C Ro  C Ao X A e k1 KC    C Ae C Ao  C Ao X A e k2 Chương Xử lý kiện động học 56 dX A   k1  k  X Ae  X A  dt   CA  CAe   XA    ln 1    ln  k     t  1 X Ae  KC    CA0  CAe    k1  k2  t Vẽ đường biểu diễn – ln (1 – XA/XAe) theo t → đường thẳng → hệ số góc k1(1 + 1/KC) Phản ứng thuận nghịch xem không thuận nghịch nồng độ dựa CA0 - CAe ↔ phản ứng không thuận nghịch trường hợp đặc biệt pứ thuận nghịch CAe=0 hay XAe=1 hay Kc=∞ Chương Xử lý kiện động học 57 2.1.2 Phương pháp vi phân Giả thiết chế (-rA) = - dCA/dt = k.f(C) Từ đường cong C theo t xác định (-dCA/dt) thời điểm khác Lập bảng giá trị CA, (-dCA/dt) theo t tính giá trị hàm số f(C) Vẽ (-dCA/dt) theo f(C), đường thẳng phương trình vận tốc ban đầu phù hợp với thực nghiệm Nều không đường thẳng qua gốc tọa độ, giả thiết lại chế khác (hàm số f(C)) Chương Xử lý kiện động học 58 2.2 Thiết bị phản ứng gián đoạn tích (thể tích hỗn hợp phản ứng) thay đổi dN i d(Ci V) VdC i  Ci dV ri    V dt V dt V dt dCi Ci dV  ri   dt V dt V  V0 1   A X A  A  VX A   VX A  VX A  Chương Xử lý kiện động học 59 Viết lại biểu thức CA N A0 1  X A  NA  XA    C A0 V V0 1   A X A    AXA  rA  N A0 d 1  X A  dN A     V dt V0 1   A X A  dt CA0 dX A    A X A dt Chương Xử lý kiện động học 60 2.3 Nhiệt độ tốc độ phản ứng Định luật Arrhénius k = k0 e- E / RT với: k0: thừa số tần số (frequency factor) E : lựơng hoạt hóa (activation energy), J/mol R: số khí = 8,27 J/mol.K T: K Ảnh hưởng nhiệt độ lên tốc độ phản ứng 61 a) Bình thường b) Phản ứng dị thể trình truyền khối kiểm sóat, (-r) tăng chậm theo T c) Phản ứng nổ, (-r) tăng nhanh nhiệt độ bốc cháy d) Phản ứng xúc tác tốc độ hấp phụ kiểm sóat (T tăng làm giảm hấp phụ) hay phản ứng enzym e) Phản ứng phức tạp có phản ứng phụ tăng đáng kể nhiệt tăng f) Phản ứng thuận nghịch phát nhiệt Chương Xử lý kiện động học Chương Xử lý kiện động học 62 Thí dụ 2.1 Xác định tốc độ phản ứng cho phản ứng sau: (CH3)3COO(CH3)3  C2H6 + 2CH3COCH3 Phản ứng thực bình kín, gián đoạn, đẳng nhiệt ghi nhận áp suất tổng thay đổi theo thời gian sau với di-tertbutil-peroxid nguyên chất Thời gian, ph 0,0 Áp suất tổng, mmHg 7,5 pA, mmHg 2,5 5,0 10,5 12,5 10,0 15,0 20,0 15,8 17,9 19,4 Chương Xử lý kiện động học 63 Câu hỏi ôn tập Các phương pháp theo dõi phản ứng? Phương pháp xử lý số liệu động học? Xử lý số liệu động học cho pha khí Chương Xử lý kiện động học 64 Chương Xử lý kiện động học 65 ... đầu 11 1.1 Động hóa học (Chemical Kinetics)  Nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học chế phản ứng Phản ứng đơn phản ứng đa hợp (single &multiple reaction) - Phản ứng đơn phản ứng cần phương trình lượng... loại phản ứng Đồng thể Dị thể Không xúc tác Có xúc tác Phản ứng pha khí Phản ứng cháy cuả lửa Phản ứng pha lỏng Phản ứng thể keo Phản ứng cháy than Nung quặng Axit + chất rắn Hấp thu + phản ứng. .. trình phản ứng - Phản ứng đa hợp phản ứng phải cần phương trình lượng hóa học phương trình vận tốc để biểu diễn trình phản ứng Chương Khái niệm mở đầu 12 1.1 Động hóa học (Chemical Kinetics) Phản