4 CHặNG I NHặẻNG ậNH LUT C BAN CUA CNG NGHÃÛ HOẠ HC I Mäüt säú khại niãûm v âënh nghéa: Nàng sút: Nàng sút thiãút bë, phán xỉåíng hay nh mạy, l säú lỉåüng sn pháøm tảo (hay nguyãn liãûu chãú biãún) trãn mäüt âån vë thåìi gian Nãúu G l trng lỉåüng, Vs l thãø têch (sn pháøm hay ngun liãûu), τ l thåìi gian thỗ nng suỏỳt P bũng : G Vs hay P = P= τ τ P cọ thãø bàòng T/s, kg/h, m /s, Cäng suáút: Q laì nàng sút täúi âa cọ thãø âảt âỉåüc cỉåìng âäü lm viãûc I ca thiãút bë l nàng sút ca thiãút bë cho âån vë ca mäüt âải lỉåüng âàûc træng (thãø têch, diãûn têch, kêch thæåïc, ) Vê duỷ nóỳu V laỡ thóứ tờch cuớa thióỳt bở thỗ cọ thãø biãøu diãùn cỉåìng âäü bàòng: P G I= = V τ ×V I cọ thãø bàòng T/h.m , m3/h.m2 (theo diãûn têch cuía thiãút bë) Tiãu phê: Ngun liãûu, nỉåüc, nàng lỉåüng, l lỉåüng ngun liãûu, nỉåïc, nàng lỉåüng, tiãu hao âãø tảo âån vë sn pháøm Vê dủ Tngun liãûu/Tsn pháøm; m3 nỉåïc/T; kwh/m3 Âäü chuøn hoạ: Âäü chuøn hoạ ngun liãûu A (tạc cháút) l t lãû giỉỵa lỉåüng tạc cháút A â chuøn hoạ v lỉåüng ban âáưu ÅÍ thåìi âiãøm τ, V l thãø têch ca hãû thäúng tạc dủng, GA l trng lỉåüng cháút A, CA l näưng âäü ca cháút A v XA l âäü chuøn hoạ ca cháút A - ÅÍ thåìi âiãøm ban âáưu τo = 0, cạc âải lỉåüng trãn cọ trë säú tỉång ỉïng Vo, GAo, CAo v XAo - ÅÍ thåìi âiãøm τ1 cháút A â chuøn hoạ hon ton thỗ caùc trở sọỳ tổồng ổùng laỡ V1, GA1, CA1 v XA1= Nãúu cọ nhiãưu tạc cháút A, B, C, thỗ mọựi chỏỳt coù õọỹ chuyóứn hoaù cuớa mỗnh XA, XB, XC, Theo õởnh nghộa ồớ thồỡi âiãøm τ, âäü chuøn hoạ l: G − GA G −G hay X = o (1) X A = Ao G Ao Go Go − G Nãúu theo pháön trm thỗ X % = 100 ì Go Tổỡ (1) ta coï: G = Go (1 − X ) (2) Chia vóỳ cho Vo ta coù: Vỗ G Go = (1 − X ) Vo Vo Go G = C o (1 − X ) = Co ⇒ Vo Vo - Nãúu hãû thäúng l cháút lng hay dung dëch (thãø têch V thay âäøi khäng âaïng kãø), hay laì khê maì täøng thãø têch khäng thay âäøi quaù trỗnh chuyóứn hoaù thỗ: G G = = C vaì C = C o (1 − X ) (3) Vo V - Nãúu chuyãøn hoaï thãø têch thay õọứi vaỡ V = Vo thỗ: G G G = = o (1 − X ) V γVo γVo C hay C = o (1 − X ) γ (4) Nhỉng γ biãún âäøi theo thåìi gian τ nãn dng khäng tiãûn Ngỉåìi ta dng khại niãûm âäü thay âäøi tỉång âäúi β ca thãø têch hãû chuøn hoạ â hon ton (X=1): V − Vo V1 β= = −1 Vo Vo ⇒ V1 = Vo (1 + β ) 2H2 + O2 = 2H2O Ta coï: β = −1 = − 3 Hiãûu sút sn pháøm: Hiãûu suạt sn pháøm thu âỉåüc φs l t lãû giỉỵa lỉåüng sn pháøm thỉûc tãú thu âỉåüc Gs v lỉåüng täúi âa thu âỉåüc Gmax (nãúu chuøn hoạ hon ton): G φ s = s (%) Gmax Vờ duỷ quaù trỗnh: cuợng coù thóứ biãùu diãùn φs qua lỉåüng tạc cháút (ngun liãûu) G − GA φ s = Ao G Ao Nhæ váûy φs= XA: hiãûu sút sn pháøm bàòng âäü chuøn hoạ cuớa nguyón lióỷu Nóỳu phỏứn ổùng thuỏỷn nghởch thỗ s khäng thãø no âảt âãún φmax âỉåücm cao nháút l lục âảt cán bàòng φ*s v lục âọ: G s* = X A* φ s max = G s max φs l hiãûu sút cán bàòng hay hiãûu sút l thuút Âäi sỉí dủng khại niãûm hiãûu sút so våïi lyï thuyãút: G ϕ s = s* Gs ϕs = Gs G φ X × s max = s = A* * G s max φ s max X A Gs Tọỳc õọỹ quaù trỗnh: Tọỳc õọỹ cuớa quaù trỗnh bióứu dióựn qua lổồỹng saớn phỏứm chờnh S thu âæåüc hay læåüng nguyãn liãûu chênh A tiãu hao mäüt âån vë thåìi gian dG s dG A u= hay u = − dτ dτ Cng cọ thãø biãùu diãùn qua cạc âải lỉåüng áúy nhỉng âån vë thãø têch dG s dG A hay u = − u= V dτ V dτ G Nãúu thãø têch ca hãû thäúng khäng âäøi cọ thãø bióựu dióựn qua nọửng õọỹ vỗ =C V dC s dC hay u = − A u= dτ dτ Chi phê cå baín cho âån vë cäng suáút: Nãúu K l chi phê cå bn cho c thiãút bë (hay phán xỉåíng), vê dủ bàòng âäưng v Q laỡ cọng suỏỳt cuớa thióỳt bở tờnh bũng T/nm thỗ chi phê cå bn cho âån vë cäng sút l: K R= Q * Nãúu cäng suáút thay âäøi, thæûc tãú cho tháúy: R = aQ-0.4 a: laì hãû säú phủ thüc vo cháút ca sn xút Nãúu so sạnh hãû thäúng våïi cäng sút Q1 v Q2 vồùi Q2 = 2Q1 thỗ: 2Q R2 aQ20.4 = = ( ) −0.4 = 0.76 ⇒ R2 = 0.76R1 − 0.4 R1 aQ1 Q1 Nghéa laì cäng suáút tàng lón lỏửn thỗ chi phoùi cồ baớn cho mọỹt âån vë cäng sút chè cn 76% hay gim âi 24% * Nãúu S l giạ thnh sn pháøm theo õồn (vờ duỷ õọửng/T) thỗ: S = mQn m, n: l hãû säú, v n = -0.2 ÷ -0.3 So sạnh cäng sút Q1 v Q2 våïi Q2 = 2Q1 v láúy n = -0.2 ta cọ: 2Q S mQ2−0.2 = = ( ) −0.2 = 0.87 − 0.2 S1 mQ1 Q1 Nghéa laì nãúu cọng suỏỳt tng lón lỏửn thỗ giaù thaỡnh saớn pháøm gim âi 13% II Cán bàòng cạc quạ trỗnh cọng nghó: Nguyón lyù Le Chatelier: a sọỳ cạc phn ỉïng thỉûc hiãûn CNHH l cạc phn ỉïng thn nghëch Cạc phn ỉïng ny âãưu dáùn âãún trảng thại cán bàòng Trong cạc âiãưu kiãûn coù aớnh hổồớng õóỳn traỷng thaùi cỏn bũng thỗ sổỷ thay âäøi nhiãût âäü, ạp sút, näưng âäü cạc cháút tham gia phn ỉïng cọ vai tr quan trng hån c Cạc úu täú ny tạc âäüng âãún trảng thại cán bàòng theo ngun l Le Chatelier: Mäüt hãû åí trảng thại cán bàòng bãưn, nãúu chủi mäüt tạc âäüng tỉì bãn ngoi lm thay âäøi mäüt cạc úu tọỳ quyóỳt õởnh õóỳn trờ cỏn bũng thỗ hóỷ seợ xaớy mọỹt quaù trỗnh theo chióửu laỡm gim nh hỉåíng ca tạc âäüng âọ Tỉì âọ suy ra: * Khi tàng nhiãût âäü ca häùn håüp cạc chỏỳt phaớn ổùng thỗ cỏn bũng seợ chuyóứn dởch theo chiãưu phn ỉïng thu nhiãût, tỉïc nhiãût âäü ca häùn håüp cạc cháút phn ỉïng * Khi tàng ạp sút cán bàòng chuøn dëch theo chiãưu gim thãø têch ca häùn håüp * Khi tàng näưng âäü ca mäüt caùc chỏỳt phaớn ổùng thỗ cỏn bũng chuyóứn dởch theo chiãưu gim näưng âäü ca Hàòng säú cán bàòng ca pháøn ỉïng hoạ hc: a/ Hàòng säú cán bàòng: */ Phn ỉïng thûn nghëch: aA + bB ⇔ rR + sS + Q Täúc âäü phn ỉïng thûn: u1 = k1CAaCBb Täúc âäü phn ỉïng nghëch: u2 = k2CRrCSs k1, k2: hàòng säú täúc âäü phủ thüc vaìo nhiãût âäü k1 C R*r C S*s Nãúu u1 = u2 ta coï: = = Kc (1) k C A*a C B*b (dáúu * cọ nghéa l trë säú åí trảng thại cán bàòng) Kc:hàòng säú cán bàòng */ Nãúu thnh pháưn theo pháưn mol N NA + NB + NR + NS = thỗ: N *r N * s K N = R*a S*b NA NB (2) */ Nóỳu laỡ khờ thỗ coù thóứ lỏỳy aïp suáút pháön PI PA + PB + PR + PS = P (aùp suỏỳt chung) thỗ: PR*r PS*s (3) K P = *a *b PA PB */ So saïnh cạc trë säú ca K Kp = Kc(RT)∆n Kp = KNP∆n (4) (5) Våïi ∆n = (r + s) - (a + b) b/ nghéa ca trë säú hàòng sọỳ cỏn bũng: */ Ta thỏỳy K tng thỗ tổớ säú tàng so våïi máùu säú, nghéa l näưng âäü sn pháøm tàng lãn K âạnh giạ âäü sáu ca phn ỉïng hoạ hc, âäü chuøn hoạ ca tạc cháút */ k1, k2 phủ thüc nhiãût âäü nãn K cng phủ thüc vo nhiãût âäü */ Mäúi liãn hãû giỉỵa K v âäü chuøn hoạ cán bàòng X* = α Vê duû: aA + bB ⇔ rR + sS Âỉa vãư 1mol A A + b/aB ⇔ r/aR + s/aS Näưng âäü cạc cháút âáưu CA , CB , CR , CS , nãúu âäü chuøn hoạ l thỗ õaợ coù CA mol A taùc duỷng CAb/a molo B âãø tảo thnh CAαr/a mol R v CAαs/a mol S, v lục âọ näưng âäü cạc cháút l CA(1-α); CB - CAαb/a; CR + CAαr/a; CS + CAαr/a, nhæ váûy: r s (C R + C Aα ) r (C S + C Aα ) s a a (6) Kc = b a b (C A − (1 − α )) (C B + C Aα ) a Tỉång tỉû ta âỉåüc KN, KP phủ thüc vo */ K coù thóứ tỗm trổỷc tióỳp ồớ sọứ tay hoạ l; cng cọ thãø K tỉì ∆H âäü biãún âäøi entapi åí âiãưu kiãûn chøn (1atm, 298oK) theo phổồng trỗnh Van't Hoff: d ln K p H (7) = dT RT ∆H ln K p = − +B RT R: hàòng säú khê (R = 1.987 cal/mol.oC); ∆H (cal/mol) III Täúc âäü phn ỉïng v vai troỡ cuớa noù õọỳi vồùi caùc quaù trỗnh cọng nghóỷ: Cäng thỉïc chung ca täúc âäü l: u = k×F×∆C Nóỳu hóỷ õọửng thóứ thỗ: u = kìC k: hóỷ säú täúc âäü; F: bãư màût tiãúp xục pha; ∆C: õọỹng lổỷc quaù trỗnh Hóỷ sọỳ tọỳc õọỹ k: khäng chè phủ thüc cháút hoạ hc ca tạc cháút m cn phủ thüc c cháút váût l ca chụng, cáúu tảo thiãút bë, täúc âäü cạc dng v âäü khúy träün cạc cháút mäi trỉåìng âäưng thãø k l håüp thnh ca cạc hàòng säú täúc âäü thûn k1, nghëch k2, phủ k'p, k''p v ca cạc hãû säú khuúch tạn cạc cháút âáưu (tạc cháút) vo vng phn ỉïng D1, D2, v cạc cháút cúi (sn pháøm) ngoi vng phn ỉïng D'1, D'2, k = f(k1, k2, k'p, k''p , D1, D2, , D'1, D'2, ) Ngoi k cn phủ thüc vo thäng säú cáúu tảo thiãút bë v chãú õọỹ laỡm vióỷc cuớa thióỳt bở Vỗ vỏy, cỏửn xem xẹt âải lỉåüng no cå bn cọ nh hỉåíng âãún k v b qua cạc âải lỉåüng khäng cå bn Âải lỉåüng cå bn l âải lỉåüng ỉïng vo quạ trỗnh chờnh, coù trở sọỳ nhoớ nhỏỳt vaỡ õoù, laỡm chỏỷm quaù trỗnh chờnh Vờ duỷ: - Khuỏỳy trọỹn täút nãn b qua hãû säú khúy tạn (âng thãø) - Phn ỉïng mäüt chiãưu v phn ỉïng phủ khäng õaùng kóứ thỗ k = k1 - Quaù trỗnh dở thóứ thỗ khuyóỳch taùn haỷn chóỳ tọỳc õọỹ k = (D1, D2, , D'1, D'2, ) Bãö màût tiãúp xục pha F: - Nãúu khúy mảnh hãû dë thóứ thỗ F = tọứng bóử mỷt caùc phỏửn tổớ nàûng hån (hảt ràõn hãû K-R, R-L; git lng hãû K-L, L-L, ) - Nãúu duìng cäüt âãûm thỗ F = tọứng bóử mỷt caùc õóỷm Chuù yù: Trong caùc hóỷ K-L, L-L nóỳu rọỳi loaỷn maỷnh thỗ xaùc õởnh F rỏỳt khoù vỗ caùc pha xỏm nhỏỷp dỉåïi dảng dng räúi, bong bọng, bt, git, mng, û, lục âọ láúy F bàòng mäüt âải lỉåüng qui ỉåïc Fq (vê dủ bàòng tiãút diãûn thiãút bë, bàòng bãư màût táút c cạc ngàn, täøng bãư màût âãûm, ) ọỹng lổỷc C: õọỹng lổỷc cuớa quaù trỗnh hoaù hc l hiãûu säú ca näưng âäü C Nãúu quạ trỗnh ồớ pha khờ thỗ õọỹng lổỷc laỡ P (hióỷu sọỳ cuớa aùp suỏỳt) Vờ duỷ: * Quaù trỗnh õọửng thãø: +) Phn ỉïng mäüt chiãưu: aA + bB → rR + sS u = kCAaCBb ⇒ ∆C = CAaCBb +) Phn ỉïng thûn nghëch: u = k(CA - CA*)a(CB - CB*)b ⇒ ∆C = (CA - CA*)a(CB - CB*)b hoàûc u = k1CAaCBb - k2CRrCSs ∆C1 = CAaCBb ∆C2 = CRrCSs ⇒ u = k1∆C1 - k2∆C2 * Quaï trỗnh dở thóứ: +) Hỏỳp thuỷ hay ngổng hồi : ∆C = C - C* C: näưng âäü (hay ạp sút pháưn) tỉïc thåìi (thỉûc) åí pha cho chuøn (khê) ca cháút âỉåüc chuøn (khê âỉåüc háúp thủ hay håi âỉåüc ngỉng) C*: näưng âäü áúy lục cán bàòng; l ạp sút håi bo ho ca cháút âỉåüc chuøn trãn bãư màût dung dëch háúp thủ hay cháút lng ngỉng +) Nh hay bäúc håi: ∆C = C* - C IV Cạc biãûn phạp âãø tàng täúc âäü ca quaù trỗnh cọng nghóỷ: Ngổồỡi ta tng tọỳc õọỹ bũng cạch tạc âäüng âãún cạc säú hảng ca täúc âäü u Tng õọỹng lổỷc C cuớa quaù trỗnh: a/ Tàng näưng âäü ca tạc cháút: Nghéa l lm cho ngun liãûu båït tảp cháút âi Tàng näưng âäü tỉïc lm tàng täúc âäü, båït âỉåüc thãø têch thiãút bë, chi phê váûn chuyãøn, khuáúy träün, nhiãût máút maït cho tảp cháút Ngoi ra, cn gim âỉåüc cạc phn ỉïng phủ Trong thỉûc tãú cạc biãûn phạp tàng näưng âäü ca cạc cháút tham gia phn ỉïng ngun liãûu ban dáưu phủ thüc vo trảng thại táûp håüp ca chụng +) Âäúi våïi dung dëch ngỉåìi ta tàng näưng âäü bàòng cạch dng nhỉỵng dung mäi thêch håüp, hồûc lm bay håi hồûc kãút tinh dung mäi +) Âäúi vồùi chỏỳt khờ thỗ duỡng bióỷn phaùp neùn õóứ tng näưng âäü, hồûc dng biãûn phạp háúp thủ, háúp phủ cạc cháút khê tham gia phn ỉïng cọ näưng âäü tháúp âãø tạch chụng cạc cháút trå Trong thỉûc tãú ngỉåìi ta thỉåìng cho dỉ cạc cháút r tiãưn âãø tàng cao täúc âäü phn ỉïng Tuy nhiãn, viãûc tàng näưng âäü tạc cháút khäng phi bao giåì cng cọ låüi Âäúi våïi nhỉỵng 10 phn ỉïng cọ täúc õọỹ quaù nhanh, coù tờnh chỏỳt tổùc thồỡi thỗ coù thãø âem lải háûu qu khäng tät (näø, chạy) Do váûy, cáưn phi gim näưng âäü tạc cháút (âãø lm cháûm täúc âäü phn ỉïng) bàòng cạch pha thãm khê trå hồûc cho vo tỉìng lỉåüng nh b/ Âiãưu chènh ạp sút P (ch úu nh hỉåíng âãún pha khê) Âäúi våïi khê tàng ạp sút cọ nghéa l tàng näưng âäü Näưng âäü khê t lãû våïi ạp sút pháưn, nãn cọ thãø thay CA bàòng PA v âäüng lổỷc C bũng P +) Quaù trỗnh mọỹt chióửu hay quaù trỗnh thuỏỷn nghởch ồớ xa cỏn bũng ồớ pha khê: - Âäúi våïi phn ỉïng hoạ hc åí pha khê: aA + bB → rR + sS a b a b u = kPA PB vaì ∆P = PA PB Nãúu NA, NB l pháưn mol ca A v B pha khờ, P laỡ aùp suỏỳt chung thỗ: PA = NAP; PB = NBP u = k(NAP)a(NBP)b = kPAaPBbPa+b u n>1 a b Âàût kPA PB = β v a + b = n (báûc phn ỉïng) n=1 n u = βP n900oC thỗ xaớy hióỷn tổồỹng kãút khäúi qûng S âiãưu chãú H2SO4 lm gim bãư màût phn ỉïng v gim âäü khuúch tạn oxy ⇒ u gim) 5.u cáưu chëu nhiãût âäü ca váût liãûu phi cao (tỉïc bãưn àn mn v chëu nhiãût) b/ Dng xục tạc: Tàng nhiãût âäü cọ nhiãưu hản chãú nãn ngỉåìi ta dng xục tạc âãø tàng täúc âäü phn ỉïng m khäng cọ nhỉåüc âiãøm ca viãûc tàng nhiãût âäü Xục tạc lm tàng mảnh k ⇒ u tàng m khäng nh hỉåíng âãún khuúch tạn, khäng thay âäøi cán bàòng (chè lm chọng âảt cán bàòng), lải cọ tạc dủng chn lc, chè lm nhanh phn ỉïng mong mún Tuy nhiãn, xục tạc cọ nhỉỵng hản chóỳ vỗ coù thóứ bở ngọỹ õọỹc, coù thóứ mỏỳt hồûc gim hoảt åí nhiãût âäü cao Cháút xục tạc thỉåìng tham gia vo phn ỉïng v chuøn phn ỉïng tỉì mäüt giai âoản thnh hai hồûc nhiãưu giai âoản: Täøng quạt ta cọ: A + B + xt = AB + xt Lục âáưu: A + xt → ⏐A xt⏐→ Axt Axt + B → ⏐B Axt⏐ ⏐B Axt⏐ → AB + xt o 13 Cháút xục tạc cọ kh nàng lm gim nàng lỉåüng hoảt hoạ ca phn ỉïng Âáy l cháút quan trng ca cháút xục tạc, tảo âiãưu kiãûn thûn låüi cho phn ỉïng xy dãù dng v nhanh chọng E [A B] [A xt] [B Axt] ∆Eh A+B A xt AB Cạc cháút xục tạc dng cäng nghiãûp phi âm bo âỉåüc cạc u cáưu sau: + Cháút xục tạc cọ chn lc, hoảt cao, nàng suáút låïn Al2O3 ( 350 C ) Vê duû: C2H5OH ⎯⎯ ⎯ ⎯⎯→ C2H4 + H2O Cu ( 250 C ) C2H5OH ⎯⎯ ⎯⎯→ CH3CHO + H2 + Lỉåüng cháút xục tạc cho vo bẹ hån ráút nhiãưu so våïi lỉåüng cháút tham gia phn ỉïng v khäng bë biãún âäøi sau phn ỉïng + Cháút xục tạc chè cọ kh nàng thục âáøy phn ỉïng mau âảt âãún trảng thại cán bàòng, nghéa l chè lm tàng täúc âäü phn ỉïng chỉï bn thán khäng thãø lm cho phn ỉïng xy âỉåüc Vê dủ mäüt phaớn ổùng naỡo õoù coù G