Chuong 1 Mo Dau.pdf

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Chemical Reaction Engineering

8/24/2017

1

Tài liệu tham khảo 1) Vuõ Baù Minh, “Quaù trình & TB trong coâng ngheä hoùa hoïc- taäp 4” , Nxb Ñaïi hoïc QG TP.HCM. 2) Octave Levenpiels; “Chemical Reaction Engineering”, John Wiley&sons, 1999. 3) H. Scot Foggler, “Elements of Chemical Reaction Engineering”,International students edition, 1989.

8/24/2017

2

Tài liệu đọc thêm 1) E.B.Nauman, “Chemical Reactor Design”, John Wiley & sons, 1987. 2) Stanley M. Walas, “Reaction Kinetics for Chemical Engineers”,Int. Student Edition, 1990. 3) Coulson & Richardsons, “Chemical Engineering – Vol 3”,Elsevier, 1979. 4) Richard M. Felder, “Elementary Principles of Chemical Processes”, John Wiley & sons, 2000. 3

8/24/2017

 Kyõ thuaät phaûn öùng ñoàng theå (Homogeneous chemical reaction eng.)

 Kyõ thuaät phaûn öùng dò theå (Heterogeneous chemical reaction eng.)

8/24/2017

4

Kỹ thuật phản ứng đồng thể Chương 1: Khái niệm mở đầu (Introduction to Chem. Reaction Eng.) Chương 2: Xử lý dữ 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) 5

8/24/2017

Chương 1: Khái niệm mở đầu QUAÙ TRÌNH

HOÙA HOÏC

VAÄT LYÙ

THUAÄN NGHÒCH

KHÔNG THUẬN NGHỊCH

TRUYEÀN KHOÁI

CÔ, NHIEÄT

THUẬN NGHÒCH

KHÔNG THUẬN NGHỊCH

Caân baèng P.Ö

CAÂN BAÈNG PHA

6

8/24/2017

Chương 1: Khái niệm mở đầu Thiết kế thiết bị phản ứng (T.B.P.Ư) không có khuôn mẫu, có thể có nhiều bản thiết kế, bản thiết kế tối ưu về kinh tế. Liên quan đến nhiều lĩnh vực khác nhau: Nhiệt động lực học, Động hóa học, Cơ lưu chất, Truyền nhiệt; Truyền khối. 8/24/2017

7

Các quá trình trong qui trình sản xuất công nghiệp

8/24/2017

8

8/24/2017

Chương 1.

Sản xuất phân urê

8/24/2017

Chương 1.

Sản xuất phân urê

8/24/2017

Chương 1.

Sản xuất acid nitric

Alkylation processes using hydrofluoric acid

Fuel cell

Chemical Plant for Ethylene Glycol

15

Glutamate export by YggB (NCgl1221) in bacterial cells.

Sano C Am J Clin Nutr 2009;90:728S-732S

Sản xuất acid Lactic

Sản xuất baker’s yeast

Supercritical Fluids Properties of Supercritical Water

25

100

Critical Temperature 200

300

NearCritical Liquid

400

Temp(℃)

500 600 Dense Gas (Superheated SCW)

•

Density(g/cm3)

SuperCritical Liquid

Properties

80

40

• Dielectric Constant

 liquid like density & solvent power

100

50

• Hydrocabon Solubility(WT%)

20 10

• Inorganic Solubility(WT%)

Organics Oxygen

Organics Oxygen

Subcritical

• Supercritical Fluids

1.0

0. 5

Water

 gas like viscosity & diffusivity

Solubility in water (Wt %)

Boiling Point

Water

Supercritical

100 Hydrocarbons

80 60 40

Inorganic

20 0 0

100

200

300

400

500

Temperature (oC)

22

8/24/2017

Trước khi thiết kế cần trả lời hai câu hỏi sau: Phản ứng nào là phản ứng chính ? Tốc độ phản ứng đó như thế nào ? Câu hỏi 1: liên quan đến nhiệt động lực học Câu hỏi 2: liên quan đến các quá trình vận tốc như: động hóa học, truyền nhiệt, truyền khối… 23

8/24/2017

1.1. Động hóa học (Chemical Kinetics)

“Động học là cách mà thiên nhiên ngăn ngừa mọi quá trình xảy ra cùng một lúc”. S.E. LeBlanc

8/24/2017

24

1.1. Động hóa học (Chemical Kinetics) Nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học và cơ chế phản ứng. 1. Phản ứng đơn và phản ứng đa hợp (single &multiple reaction) Phản ứng đơn là phản ứng chỉ cần một phương trình lượng hóa học và một phương trình vận tốc để biểu diễn quá trình phản ứng. Phản ứng đa hợp là phản ứng phải cần hơn một phương trình lượng hóa học và phương trình vận tốc để biểu diễn quá trình phản ứng. 8/24/2017

25

1.1. Động hóa học (Chemical Kinetics) 2. Phản ứng sơ đẳng & không sơ đẳng (elementary & non elementary reaction) Phản ứng sơ đẳng là phản ứng xảy ra trong một giai đoạn theo thuyết va chạm và phương trình vận tốc được suy ra từ phương trình lượng hóa học Khi không có sự liên hệ giữa phương trình lượng hóa học và phương trình vận tốc ta gọi là phản ứng không sơ đẳng 8/24/2017

26

1.1. Động hóa học (Chemical Kinetics) 3. Caân baèng cho phaûn öùng thuaän nghòch sô ñaúng ( Chemical Equilibrium) Xeát phaãn ûáng thuêån nghõch sú àùèng: A+B  R+S Vêån töëc phaãn ûáng thuêån:

( rR )th  k1CA CB

Vêån töëc phaãn ûáng nghõch:

( rR )ng  k 2CR CS

Kc , K

ÚÃ àiïìu kiïån cên bùçng khöng coá sûå thaânh lêåp R:  rR th   rR ng  0 hay: vò K C àûúåc àõnh nghôa laâ:

8/24/2017

k1 CR .CS  k2 CA .CB C .C KC  R S CA .CB

k1  CR .CS  KC    k2  CA .CB cên bùnçg

27

1.1. Động hóa học (Chemical Kinetics) 4. Baäc phaûn öùng (Reaction Order) Cho phản ứng có phương trình vận tốc là: b (rA )  kCaA CB ... CdD

, a + b + ... + d = n

(1.3)

với a, b, ... d không nhất thiết là các hệ số của phương trình lượng hóa học. Như vậy phản ứng là: • bậc a theo tác chất A • bậc b theo tác chất B • bậc n là bậc tổng quát Bậc phản ứng không nhất thiết phải là số nguyên

8/24/2017

28

( ri )  k.f

1.1. Động hóa học (Chemical Kinetics) 5.

Söï phuï thuoäc nhieät ñoä – ñònh luaät Arrheùnius (Temperature dependency)

Theo định luật Arrhénius, phương trình vận tốc phản ứng:

( ri )  k.f (nong đ o) với k là hằng số vận tốc phản ứng được biểu diễn theo định luật Arrhénius:

k  k o e E / RT với

8/24/2017

ko được gọi là thừa số tần số, E là năng lượng kích động của phản ứng.

29

1.2. Nhiệt động lực học (Chemical thermodynamics) Nhiệt động lực học cho ta biết hai điều cần thiết cho việc thiết kế Nhiệt phóng thích/ hấp thu trong quá trình phản ứng Mức độ phản ứng tối đa có thể đạt được nếu là phản ứng thuận nghịch.

1. Nhieät phaûn öùng (Heat of reaction) 2. Caân baèng hoùa hoïc (Chemical Equilibrium)

30

8/24/2017

1. Nhiệt phản ứng T

H r,T  H r,T 0 

 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 )

8/24/2017

31

2.

Cân bằng hóa học

Liên hệ giữa sự biến đổi năng lượng tự do chuẩn ∆Fo và hằng số cân bằng K:

F0   RT ln K d lnK Van't Hoff  dT H 0r, T0  constant ln

8/24/2017

K T2 K T1

H 0r, T0 RT

2

 H 0r,T0  1 1     R T1   T2 32

1.3. Phân loại phản ứng Ñoàng theå Dò theå

8/24/2017

Khoâng xuùc taùc

Coù xuùc taùc

Phaûn öùng pha khí

Phaûn öùng pha loûng

Phaûn öùng chaùy cuaû ngoïn löûa Phaûn öùng chaùy cuûa than Nung quaëng Axit + chaát raén Haáp thu + phaûn öùng

Phaûn öùng ôû theå keo Toång hôïp ammoniac Oxit hoùa ammoniac HNO3 Phaûn öùng cracking, reforming Toång hôïp metanol 33

1.4. Định nghĩa vận tốc phản ứng  Döïa treân moät ñôn vò theå tích hoãn hôïp phaûn öùng

1 dN i 3 ri  , mol/ m .h V dt 1 dN  V b dt

 Döïa treân moät ñôn vò theå tích bình phaûn öùng

ri

 Döïa treân moät ñôn vò dieän tích beà maët tieáp xuùc pha

1 dN i 2 ri  ,m o l/m .h S dt

 Döïa treân moät ñôn vò khoái löôïng chaát xuùc taùc

1 dN i ri  . , m o l/k g .h W dt

'

i

, mol/m

3

.h

''

'''

34

8/24/2017

Thí dụ 1.1 Một động cơ hỏa tiễn đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu gồm H2 và O2 lỏng. Buồng đốt hình trụ có đường kính là 60cm, chiều dài 75cm và quá trình đốt sinh ra sản phẩm cháy 108 kg/s. Nếu quá trình cháy hòan tòan, tìm vận tốc phản ứng của hydrogen và oxygen.

H2

8/24/2017

1  O2  H 2O 2

35

Thí duï 1.2 Một người nặng 75 kg tiêu thụ khỏang 6.000 kJ thực phẩm mỗi ngày. Giả sử tất cả thực phẩm là glucose và phản ứng tổng quát như sau C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O -∆Hr = 2.816 kJ Tính tốc độ biến dưỡng theo số mol oxygen sử dụng trên m3 cơ thể trong một giây. Cho biết 2.816 KJ / mol glucose

8/24/2017

36

Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng

Phaûn öùng ñoàng theå AÙp suaát Nhieät ñoä Noàng ñoä Phaûn öùng dò theå  …. Truyeàn khoái giöõa hai pha Truyeàn nhieät

Giai ñoaïn kieåm soaùt vaän toác (rate controlling step) 8/24/2017

37

Thí dụ 1.3 Hoùa chaát A → 2R, thieát bò cheâm baèng haït caàu khoâng roãng:  Dieän tích beà maët rieâng : a = 200m2/m3 taàng cheâm  Khoái löôïng rieâng xoáp: ρB = 2.908 kg/m3 (bulk density)  Ñoä roãng taàng cheâm ε = 0,40  Xaùc ñònh ñôn vò caùc ñaïi löôïng vaø caùc daïng phöông trình vaän toác khaùc ?

1 dN A (-r )   0,1 C A , mol/ kg.h W dt ''' A

38

8/24/2017

(-rA''' )  -

1 dN A  0,1 C A , molA/ (kg chat xuc tac).(h) W dt

a) Ñôn vò cuûa CA laø (mol A)/  theå tích roãng (-rA''' )  -

1 dN A W dt



  mol A  the tich rong   molA  0,1 . C , A (kg chat ran)(h)  (kg chat ran)(h)    the tich rong 

b) Döïa treân ñôn vò theå tích bình phaûn öùng Khoái löôïng chaát xuùc taùc cho moãi ñôn vò theå tích bình phaûn öùng laø W/Vb = 2908kg/m3 theå tích bình phaûn öùng

1 dN A mol A W 1 dN A W  1 dN A  W ''' (-r )    .  .    r A  Vb dt ( binh phan ung)(h) Vb W dt Vb  W dt  Vb

 

' A

   the tich rong   molA (-rA' )  (2,908kg/l) 0,1 C ,   A  the tich rong   (kg chat ran)(h)     0,2908

 the tich rong C A , molA / the tich rong  ( binh phan ung)(h) 39

8/24/2017

c) Döïa treân ñôn vò theå tích löu chaát Ñoä roãng laø V/Vb = 0,4 l theå tích roãng/ l theå tích bình

(-rA )  -

V 1 dN A Vb 1 dN A mol A   b  (rA' ) V dt ( the tich rong)(h) V Vb dt V

 1  binh phan ung    the tich rong  (-r )   0,2908  C A , molA / the tich rong     ( binh phan ung)(h)   0,4  the tich rong   ' A

 (0,727h 1 )(C A , molA/ the tich rong) d) Döïa treân ñôn vò dieän tích beà maët xuùc taùc

(-rA'' )  -

V 1 dN A Vb 1 dN A mol A  2  b  (rA' ) S dt (m be mat)(h) S Vb dt S

3 3    1 m binh phan ung m the tich rong  '' (-rA )    . 0,2908 3   CA , molA /  the tich rong  2 m be mat (m binh phan ung)(h)   200  

m 3 the tich rong  (1,45.10 )(C A , molA/ the tich rong) 2 (m be mat)(h) 3

40

8/24/2017

1.5. Phân lọai thiết bị phản ứng 1) Phöông phaùp vaän haønh /hoaït ñoäng (Mode of Operation)  Giaùn ñoaïn (batch/ unsteady state)  Lieân tuïc (continuous / steady state)  Baùn lieân tuïc (semi continuous) 2) Hình daïng thieát bò phaûn öùng  Khuaáy troän lyù töôûng (Ideal Mixing)  OÁng/ Ñaåy lyù töôûng (Ideal Plug Flow) 3) Soá pha cuûa hoãn hôïp phaûn öùng  Ñoàng theå  Dò theå 8/24/2017

41

Các dạng bình phản ứng khuấy trộn

8/24/2017

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

42

Bình phản ứng khuấy trộn

8/24/2017

43

Thieát bò phaûn öùng daïng oáng lyù töôûng

8/24/2017

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

44

Bình ống

8/24/2017

45

Keát hôïp giöõa hình daïng vaø phöông phaùp vaän haønh seõ coù bao nhieâu daïng thieát bò phaûn öùng

? 8/24/2017

46