Bài giảng kỹ thuật phản ứng

Kỹ thuật phản ứng đồng thể • Chương 1: Khái niệm mở đầu (Introduction to Chem Reaction Eng.) • Chương 2: Xử lý kiện động học • (Interpretation of Chemical Kinetics Data) • Chương 3: Phương trình thiết kế (Design Equation) • Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế • (Application of Design Equation) • Chương 5: Hiệu ứng nhiệt độ (Temperature Effects) • Chương 6: Dòng chảy thực (Real Flow) 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 1: Khái niệm mở đầu QUAÙ TRÌNH VẬT LÝ THUẬN NGHỊCH TRUYỀN KHỐI K THUẬN NGHỊCH CƠ, NHIỆT HÓA HỌC TH NGHỊCH K THUẬN NG Cân P.Ư CÂN BẰNG PHA 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Chương 1: Khái niệm mở đầu _ • Thiết kế thiết bị phản ứng (T.B.P.Ư)  khơng có khn mẫu,  có nhiều thiết kế,  thiết kế tối ưu kinh tế Liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau:  Nhiệt động lực học,  Động hóa học,  Cơ lưu chất,  Truyền nhiệt;  Truyền khối 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Các q trình qui trình sản xuất cơng nghiệp 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Trước thiết kế cần trả lới hai câu hỏi sau: Phản ứng phản ứng ? Tốc độ phản ứng ? Câu hỏi liên quan đến nhiệt động lực học Câu hỏi liên quan đến trình vận tốc như: động hóa học, truyền nhiệt, truyền khối… 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt 1.1 Động hóa học (Chemical Kinetics) • “Động học cách mà thiên nhiên ngăn ngừa trình xảy lúc” • S.E LeBlanc 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com 10 https://fb.com/tailieudientucntt 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 sơ đẳng & không sơ đẳng (elementary & non elementary reaction) Cân cho phản ứng thuận nghịch sơ đẳng ( Chemical Equilibrium) Bậc phản ứng (Reaction Order) Sự phụ thuộc nhiệt độ – định luật Arrhénius (Temperature dependency) 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com 11 https://fb.com/tailieudientucntt 1.2 Nhiệt động lực học (Chemical thermodynamics)   Nhiệt hấp thu phóng thích Mức độ phản ứng Nhiệt phản ứng (Heat of reaction) Cân hóa học (Chemical Equilibrium) 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com 12 https://fb.com/tailieudientucntt Nhiệt phản ứng T H r,T  H r,T   C dT p T0 C p   (N i C pi ) sp   (N C i pi ) tc H r,T  H r,T0   (N i C pi ) sp (T  T0 )   (N i C pi ) tc (T  T0 ) 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com 13 https://fb.com/tailieudientucntt Cân hóa học F   RT ln K r, T0 d lnK H Van' t Hoff  dT RT H r, T0  constant ln K T2 K T1 2/6/2012   H R r,T0  1     T2 T1  Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com 14 https://fb.com/tailieudientucntt Quan hệ số cân G Phản ứng dị pha : aA + bB ⇌ cC + dD Q G T  G  RT ln Q  RT ln K T  C D  Q a b  A  B   c d  C D  K  Q cb   a b   A  B  cb c Chất khí [] → P (atm) Dung dịch loãng [] → C (mol/l) Rắn nc, lỏng nc, dung môi (H2O) → CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt d Q G T  RT ln K • Nếu Q < K → G < → phản ứng xảy theo chiều thuận • Nếu Q > K → G > → phản ứng xảy theo chiều nghịch • Nếu Q = K → G = → hệ đạt trạng thái cân Ví dụ : Tính số cân phản ứng: NO2(k) ↔ N2O4(k) 0   58 , 040 kJ  S 298K biết H 298 pu 298pu  176,6 J / K Giải: 0 G298  H 298  TS 2980  - 58040  298176,6  -5412.3J G 5412,3 ln K p     2,185 RT 8,314  298 CuuDuongThanCong.com Kp  p N O4 p NO2 https://fb.com/tailieudientucntt  8,9 Quan hệ Kp với nhiệt độ nhiệt phản ứng G o  H o  TS o G o   RT ln K p ln K   ln K   H RT1 H RT2   S R S R K H  1      ln K1 R  T1 T2  CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ví dụ NO(k) + ½ O2(k) ⇌ NO2(k) Tính Kp 3250C? • Biết: H0 = -56,484kJ Kp = 1,3.106 250C K 598 H  1    ln  K 298 R  T298 T598  K 598 56484  1        11,437 ln 1,3.10 8,314  298 598  ln K 325  2.64 K 325  14.02 CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Nguyên lý chuyển dịch cân Le Chatelier Henri LeChâtelier (1850-1936) Phát biểu: Một hệ trạng thái cân mà ta thay đổi thông số trạng thái hệ (nồng độ, nhiệt độ, áp suất) cân dịch chuyển theo chiều có tác dụng chống lại thay đổi n =0 áp suất chung khơng ảnh hưởng đến trạng thái cân CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt N2(k) + 3H2(k) ⇌ 2NH3(k) ; H0 Làm lạnh Đun nóng CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cân bẳng vật chất q trình sấy  Khơng khí ma Ta2 wa2 Khơng khí ma Ta1 wa1 Sấy Vật liệu mp Tp2 wp2 Vật liệu mp Tp1 wp1 ma : lượng khơng khí khơ sử dụng (kg khơng khí khơ/giờ) mp : khối lượng chất khơ ngun liệu sấy/giờ wa2: độ ẩm tuyệt đối khơng khí vào (kg H2O/kg khơng khí khơ) wa1: độ ẩm tuyệt đối khơng khí (kg H2O/kg khơng khí khơ) wp1: độ ẩm nguyên liệu vào theo% khối lượng khô kg (H2O/kg chất khô) wp2: độ ẩm nguyên liệu theo% khối lượng khô (kg H2O/kg chất khô) Cân vật chất H2O hệ thống đường biên giới hạn  mpwp1 + mawa2 = mpwp2 + mawa1  ma(wa2 – wa1) = mp(wp2-wp1) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Thí dụ Một thiết bị sấy liên tục sử dụng để sấy thực phẩm có độ ẩm ban đẩu 80% (theo % khối lượng ướt) Tác nhân sấy khơng khí nóng có độ ẩm tuyệt đối 0,0094 kg H2O/kg khơng khí khơ Sau sấy, sản phẩm khỏi máy sấy có độ ẩm 20% (theo % khối lượng ướt), khơng khí khỏi máy sấy có độ ẩm tuyệt đối 0,0186 kg H2O/kg khơng khí khơ Tính khối lượng sản phẩm sấy (tính theo kg chất khơ/giờ) tính lượng nước so với 1kg chất khô (kg H2O/kg chất khô.giờ) Cho biết lượng không khí sử dụng 1000 kg khơng khí khơ/giờ Sơ đồ qúa trình sấy trình bày theo hình vẽ sau : Khơng khí ma Ta2 wa2 Khơng khí ma Ta1 wa1 Sấy Vật liệu mp Tp1 wp1 CuuDuongThanCong.com Vật liệu mp Tp2 wp2 https://fb.com/tailieudientucntt Phương trình cân vật chất nước trình sấy mawa1+ mpwp1 = mawa2+ mpwp2  ma(wa2-wa1) = mp(wp1 - wp2)  mp= [ma(wa2-wa1)]/ (wp1 - wp2) ma =1000kg không khí khơ/giờ lượng khơng khí khơ sử dụng mp = khối lượng chất khô/giờ nguyên liệu sấy wa1 = 0,0094kg H2O/kg khơng khí khơ độ ẩm tuyệt đối khơng khí vào wa2 = 0,0186 kg H2O/kg khơng khí khơ độ ẩm tuyệt đối khơng khí wp1 = 0,8/(1-0,8) = kg H2O/kg chất khô độ ẩm nguyên liệu vào (theo% khối lượng khô) wp2 = 0,2/(1-0,2) = 0,25 kg H2O/kg chất khô độ ẩm nguyên liệu (theo% khối lượng khô)  Khối lượng chất khô/giờ nguyên liệu sấy mp = 1000*(0.0186-0.0092)/(4-0,25) = 2,4533 kg chất khô/giờ Khối lượng nước tách so với 1kg chất khô - 0,25 = 3,75 kg H2O/kg chất khô.giờ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Cân bẳng lượng Khơng khí ma Ta2 wa2 Khơng khí ma Ta1 wa1 Sấy Vật liệu mp Tp2 wp2 Vật liệu mp Tp1 wp1 Phương trình cân lượng : mpHp1 + maHa2 = mpHp2 + maHa1 + q Hp1 Hp2 nhiệt vật liệu sấy mang vào mang hệ thống (kJ/kg chất khô) Ha1 Ha2 nhiệt khơng khí mang vào mang hệ thống (kJ/kg kkhí khơ) q nhiệt tổn thất hệ thống Ha = Cs(Ta – T0) +waHL Cs nhiệt dung riêng khơng khí ẩm (kJ/kgkkhí khơ0K) = 1,005 + 1,88wa Ta nhiệt độ khơng khí (0C) T0 nhiệt độ qui ước (00C) wa độ ẩm tuyệt đối khơng khí (kgH2O/kgkkhí khô) HL ẩn nhiệt bốc nước (kJ/kgH2O) CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Hp = Cpp(Tp – T0) + wpCpw(Tp – T0) Cpp nhiệt dung riêng vật liệu (kJ/kg0C) TP nhiệt độ vật liệu (00C) T0 nhiệt độ qui ước (00C) Cpw nhiệt dung riêng H2O (kJ/kg0C) Thí dụ : Một loại thực phẩm có độ ẩm 75% (theo % khối lượng ướt), nhiệt độ 240C cho vào máy sấy để sấy độ ẩm 16% (theo % khối lượng ướt) Khơng khí nóng sử dụng để sấy có nhiệt độ 1200C có độ ẩm tuyệt đối 0,009 kg H2O/kg khơng khí khơ Sau sấy khơng khí sấy có nhiệt độ 480C nhiệt độ sản phẩm sau sấy 390C Tính lượng khơng khí cần thiết để sấy lượng vật liệu 40 kg chất khô/giờ Cho biết ẩn nhiệt bốc nước 480C 2387,56 kJ/kg H2O 1200C 2202,59 kJ/ kg H2O, nhiệt dung riêng vật liệu sấy KJ/Kg0C nhiệt dung riêng nước 4,180 KJ/ Kg0C Mất mát nhiệt trình xem khơng đáng kể (q=0) Sơ đồ qúa trình sấy trình bày theo hình vẽ sau CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Khơng khí ma Ta2 wa2 Khơng khí ma Ta1 wa1 Sấy Vật liệu mp Tp1 wp1 Vật liệu mp Tp2 wp2 Phương trình cân vật chất nước : mawa1+mpwp1=mawa2+mpwp2 (1)  0,009ma + 3*40 = mawa2 + 0.19*40  120-7,6 = ma*(wa2 – 0,009)  ma*wa2 – 0,009 ma = 112,4 (1) Phương trình cân lượng : maHa1 + mpHp1 = maHa2 + mpHp2 (2) ma khối lượng khơng khí khơ cần thiết mp = 40kg chất khô/giờ khối lượng vật liệu sấy wa1 = 0,009 kgH2O/kg khơng khí khơ độ ẩm tuyệt đối khơng khí vào wa2 độ ẩm tuyệt đối khơng khí wp1=0,75/(1-0,75)=3kgH2O/kg chất khô độ ẩm tuyệt đối vật liệu vào wp2=0,16/(1-0,16)=0,19kgH2O/kg chất khô : độ ẩm tuyệt đối vật liệu Ha1 nhiệt hàm khơng khí vào Ha1=(1,005+1,88wa1)(Ta1-0) + wa1HL1 Ha1 = (1,005+1,88*0.009)(120) + 0.009*2202,59=142,45 kj/kg kkhí khơ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt Ha2 nhiệt hàm khơng khí Ha2=(1,005+1,88wa2)(Ta2-0) + wa2*HL2 Ha2 = (1,005+1,88wa2)(48) + wa22387,56 = 2477.8 wa2 + 48,24 Hp1 nhiệt hàm sản phẩm vào Hp1 = Cps(Tp1-0) + wp1Cpw( Tp1-0) Hp1 = 2*24 + 3*4.18*24 = 348.96 kj/kg chất khô Hp2 nhiệt hàm sản phẩm Hp2 = Cps(Tp2-0) + Wp2*Cpw( Tp2-0) Hp2 = 2*39 + 0,19*4,18*39 = 108,9738 kj/kg chất khơ  Phương trình cân lượng : ma142,45 + 40*348.96 = ma(2477,8 wa2 + 48,24)+ 40*108,9738 142,45ma + 13958,4 = ma(2477,8wa2 + 48,24) +4358,952 13958,4 - 4358,952 = 2477,8 mawa2 + 48,24 ma - 142,45ma 2477,8 mawa2 - 94,21 ma = 9599.448 (2) Giải hệ thống phương trình (1) (2) mawa2 – 0,009 ma = 112.4 (1) 2477,8 mawa2 - 94,21 ma = 9599.448 (2)  Khối lượng khơng khí khơ cần thiết ma = 3739,48 kg khơng khí khơ/giờ CuuDuongThanCong.com https://fb.com/tailieudientucntt ... Phân lọai phản ứng Đồng thể Dị thể Không xúc tác Có xúc tác Phản ứng pha khí Phản ứng pha lỏng Phản ứng cháy cuả lửa Phản ứng cháy than Nung quặng Axit + chất rắn Hấp thu + phản ứng Phản ứng thể... cứu tốc độ phản ứng hóa học chế phản ứng Phản ứng đơn phản ứng đa hợp (single &multiple reaction) Phản ứng sơ đẳng & không sơ đẳng (elementary & non elementary reaction) Cân cho phản ứng thuận... Mức độ phản ứng Nhiệt phản ứng (Heat of reaction) Cân hóa học (Chemical Equilibrium) 2/6/2012 Chuong 1- Khai niem mo dau CuuDuongThanCong.com 12 https://fb.com/tailieudientucntt Nhiệt phản ứng T