Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - ThS. Hồ Văn Sơn

Chia sẻ: Caphesuadathemmatong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:273

Thêm vào BST

Báo xấu

24
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Kỹ thuật phản ứng, cung cấp cho người học những kiến thức như: Các khái niệm cơ bản; Nhiệt động học các phản ứng hóa học; Động học các quá trình công nghệ hóa học; Thiết bị phản ứng;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - ThS. Hồ Văn Sơn

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG • ThS. Hồ Văn Sơn 9/12/2012 1 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Chương 1. Các khái niệm cơ bản 1. Phân loại phản ứng Ø Phân loại theo cơ chế: phản ứng đơn giản và phản ứng phức tạp. Ø Phân loại theo số pha: phản ứng đồng thể và dị thể. Ø Phân loại theo phương thức làm việc: phản ứng theo phương thức gián đoạn, liên tục, bán liên tục. Ø Phân loại theo chế độ nhiệt: phản ứng đẳng nhiệt, đoạn nhiệt và đa biến nhiệt. Trong kỹ thuật phản ứng ta quan tâm đến số pha và thành phần xúc tác trong hệ, thường chia phản ứng thành: đồng thể và dị thể có xúc tác hoặc không xúc tác 9/12/2012 2 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Ø Phản ứng đơn giản: Là những phản ứng xảy ra chỉ theo cùng một loại trao đổi nguyên tố, có nghĩa là chỉ có một phản ứng duy nhất. Những phản ứng này chỉ cần một phương trình lượng hoá và một phương trình vận tốc để biểu diễn quá trình phản ứng. Ø Phản ứng đa hợp: là phản ứng mà trong hỗn hợp phản ứng xảy ra nhiều phản ứng. Ta phải cần hơn một phương trình lượng hoá học và phương trình vận tốc để biểu diễn quá trình phản ứng. – Phản ứng nối tiếp – Phản ứng song song – Phản ứng hỗn hợp 9/12/2012 3 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Không xúc tác Có xúc tác Đồng - Hầu hết phản ứng ở - Hầu hết phản ứng ở thể pha khí pha lỏng - Các phản ứng cháy của - Các phản ứng ở thể ngọn lửa keo Dị thể - Phản ứng cháy của than - Tổng hợp ammoniac - Nung quặng -Oxidehóa - Phản ứng của acid với ammoniac để sản suất chất rắn nitric acid - Hấp thu khí – lỏng có - Phản ứng cracking phản ứng - Tổng hợp methanol 9/12/2012 4 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• 2. Phương trình tỷ lượng • Hệ có phản ứng hóa học dang: ν1A1 + ν2A2 → ν3A3 + v4A4 Với hệ kín: vi/vk = (ni0-ni)/(nk0-nk) Hệ mở: ṅi là mật độ dòng liên tục của cấu tử thứ i (kmol/h, mol/s) vi/vk = (ṅi0 - ṅi)/(ṅk0 - ṅk) Nếu Ai là sản phẩm, Ak là chất phản ứng (vk
• Hoặc CiVR = CioVoR + vi/|vk| CkoVoR.Uk • Hệ mở ṅi = ṅi0 + vi/|vk| CkoVoR.Uk • Nếu cấu tử thứ i và k đêu là chất phản ứng • ṅi0..Uk = |vi|/|vk| . ṅk0.Uk • Và các nguyên liệu phối trộn theo tỷ lượng hóa học |vi|/|vk| = ṅi0/ṅk0 do đó Ui=Uk • Đối với thiết bị phản ứng gián đoạn hệ kín • Σ ni = Σ ni0 + ṽ/|vk|. ṅk0. Uk • Phần mol của các cấu tử trong hệ sẽ là • xi = ni/ Σ ni = (xi0 + vi/|vk| . xk0.Uk)/(1+ vi/|vk| . xk0.Uk) Và xi = ṅi/ Σ ni = (xi0 + vi/|vk| . xk0.Uk)/(1+ vi/|vk| . xk0.Uk) 9/12/2012 6 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Khi biết thành phần của các cấu tử trong hệ ta tính được độ chuyển hóa của chúng • Uk = (xio – xi)/(xio/|vk|.[xṽ - v]) • Trong trường hợp hệ xảy ra nhiều phản ứng • xi = (xi0 + vi1/|vk1| . xk0.Uk1 + vi2/|vk2| . xk0.Uk2 +…+ vij/|vkj| . xk0.Ukj ) / (1+ ṽi1/|vk1| . xk0.Uk1+ ṽi2/|vk2| . xk0.Uk2+…+ ṽij/|vkj| . xk0.Ukj) • Trong đó ṽij = Σvịj trong phản ứng thứ j • Ukj độ chuyển hóa thứ k trong phản ứng thứ j • Vịj hệ số tỷ lượng của các cấu tử thứ i trong phản ứng thứ j 9/12/2012 7 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Chương 2. Nhiệt động học các phản ứng hóa học 1. Enthalpie của phản ứng hóa học. 1.1. Nhiệt sinh Nhiệt phản ứng tạo thành 1mol một hợp chất nào đó từ các nguyên tố ΔHf (f: formation) Nhiệt sinh tiêu chuẩn ΔHf,298 của một hợp chất là enthalpie của phản ứng tạo thành 1 mol hợp chất đó và phản ứng xảy ra ở 25 oC, áp suất P = 1,03125 bar Nhiệt cháy: ΔHC (C: combustion) của một mol chất là nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol chất đó (có thể là nguyên t ố hay h ợp chất) bằng oxy phân tử. Nhiệt sinh tiêu chuẩn ΔHf,298 nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol hợp chất đó và phản ứng xảy ra ở 25oC, áp suất P = 1,03125 bar. Phản ứng bắt đầu và kết thúc tại 25oC và sản phẩm cháy cũng phải ở điều kiện tiêu chuẩn 25oC, áp suất P = 1,03125 bar. 9/12/2012 8 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Tính toán enthalpie phản ứng • Định luật Hess: ΔRH298o = Σvi (ΔHf,298o)I • Enthalpie phản ứng ở một nhiệt độ nào đó: • ΔRHTo = ΔRHToo + ʃ ΔCpo(T)dT • Trong đó ΔCop (T) = Σvi .Cpoio(T) • Với Cpoio = là nhiệt dung riêng của cấu tử thứ i sạch, tại nhi ệt đ ộ T và P = 1,01325 bar) • Nhiệt sinh tiêu chuẩn của một hợp chất từ các nguyên t ố t ồn t ại ở m ỗi nhiệt độ, ở trạng thái tiêu chuẩn có hoạt độ là 1 được tính b ằng ph ương trình sau đây: • (ΔHf,T0) = (ΔHf,o0)hc + (HTo – Hoo)hc - Σ|vngt|(HTo – Hoo)ngt • Với kí hiệu hc: hợp chất, ngt: nguyên t ố • HTo : enthalpie của chất ở trạng thái tiêu chuẩn, nhiệt độ T • Hoo enthalpie của chất ở trạng thái tiêu chuẩn, nhiệt độ 0 (K) • ΔHf,o0 : Nhiệt sinh của chất ở trạng thái tiêu chuẩn, nhi ệt độ 0(K) 9/12/2012 9 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Trong phương trình trên (ΔHf,T0)hc , (ΔHf,o0)hc là nhiệt sinh tiêu chuẩn của hợp chất tại nhiệt độ T và 0(K); • (HTo)hc , (Hoo)hc là enthalpie của hợp chất ở trạng thái tiêu chuẩn ở nhiệt độ T và 0 (K). • (HTo)ngt , (Hoo)ngt là nhiệt sinh của nguyên tố ở nhiệt độ T và 0 (K) • |vngt| là hệ số tỷ lượng của nguyên tố • Enthalpie phản ứng tiêu chuẩn của một phản ứng ở một nhiệt độ T nào đó: • ΔR HTo = Σvi[(HTo – Hoo)ngt + ΔHf,o0]I • Trong đó vi là hệ số tỷ lượng của chất tham gia phản ứng thứ i • Nhiên liệu rắn, theo giả thiết của Dulong thì tất cả oxy đều liên kết với hydro còn phần hydro còn lại xem là tự do • Ho = 339,1.WC + 1442,8(WH – Wo/8) + 144,7WS kJ/kg • Trong đó WC , WH, Wo, WS là phần khối lượng C, H,O và S 9/12/2012 10 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Bởi vì ở các lò công nghiệp không được phép làm nguội khói lò xuống dưới điểm sương cho nên nhiệt ngưng tụ của nước không thể tỏa ra, vì vậy trong thực tế, chỉ tính nhiệt trị thấp • HU = HO -2512(9.WH + WH2O) kJ/kg • 2512 là nhiệt hóa hơi của nước (kJ/kg); WH2O phần khối lượng của nước (phần ẩm ) trong nhiên liệu và WH là phần khối lượng của hydro 9/12/2012 11 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Cân bằng hoá học • Xét phản ứng thuận nghịch đơn giản : • A + B↔ C + D • Vận tốc phản ứng thuận : (-rth ) = k1 CA CB • Vận tốc phản ứng nghịch : (rng ) = k2 CC CD • Ở điều kiện cân bằng : (-rth ) + (rng ) = 0 • k1/k2 = CCCD/CACB • Hằng số cân bằng KC = k1/k2 = CCCD/CACB • Thế nhiệt động đẳng nhiệt – năng lượng Gibbs ở áp suất không đổi G hoặc thể tích F không đổi. 9/12/2012 • ΔGo = -RT.lnKp ΔFo = -RT.lnKC 12 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Phương trinh Van’t Hoff biểu diễn sự biến thiên của hằng số cân bằng theo nhiệt độ. • d(lnK)/dT = ΔHo/RT2 • ΔHo độ biến thiên enthalpie của phản ứng ở điều kiện chuẩn 9/12/2012 13 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Chương 3. Động học các quá trình công nghệ hóa học • 1. Vận tốc phản ứng hoá học • Định nghĩa chung : vận tốc phản ứng hóa học thể hiện sự thay đổi về lượng của một cấu tử nào đó tham gia phản ứng theo thời gian. • Lưu ý : Vận tốc phản ứng là một đại lượng luôn luôn dương hoặc bằng không, vì vậy : • sẽ mang dấu (-) nếu là chất tham gia phản ứng (tác chất) ; • sẽ mang dấu (+) nếu là chất tạo thành sau phản ứng (sản phẩm) 9/12/2012 14 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Với phản ứng đồng thể • u = 1/v . dN/dƬ • u = 1/F. dN/dƬ • N là số mol cấu tử đã phản ứng, v là thể tích vùng phản ứng. F là diện tích mặt phân cách giữa các pha, Ƭ là thời gian. • Vận tốc phản ứng tỷ lệ với lũy thừa của nồng độ sản phẩm. aA + bB → dD • u = k[A]α[B]β • k là hằng số tốc độ phản ứng và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ α,β là các số mũ xác định bậc phản ứng 9/12/2012 15 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Phản ứng không thuận nghịch • aA + bB → dD • uD = k[A]α[B]β • Phản ứng thuận nghịch • aA + bB ↔ dD • uD = k[A]α[B]β – k2[D]γ • Dưới dạng chung • uD = k1[A]α[B]β[D]γ – k2[A]α’[B]β’[D]γ’ • k1/k2 = [D]eγ’-γ/([A]eα’-α[B]eβ’-β) • Và hằng số cân bằng là K = [D]ed/([A]ea[B]eb) • Tỷ lệ k1/k2 = Kn • n = (α-α’)/a = (β-β’)/b = (γ-γ’)/d 9/12/2012 16 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• A → D vận tốc phản ứng là • u = -1/v . dNA/dƬ = k[NA/v] • Nếu v là hằng số ta có • u = - dCA/dƬ = kCA • Nếu biểu diễn nồng độ tức thời CA dưới dạng số mol ban đầu a và số mol đã phản ứng XM • - d(a-XM)/dƬ = k(a-XM) và dXM/dƬ • Lấy tích phân dXM/(a-XM) = kdƬ • XM = a(1-e-kƬ ) • k = 1/(Ƭ2-Ƭ1). ln(a-X1)/(a-X2) • Thời gian bán hủy của phản ứng • Ƭ1/2 = ln2 / k = 0,6932/ k • Hằng số tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ theo phương trình Arrhenius • k = k0e-E/RT 9/12/2012 17 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• E là năng lượng hoạt hóa, R là hằng số khí và ko là hằng số • k1/k2 = k0.e-E/RT1 /k0.e-E/RT2 = eE/R(1/T2 – 1/T1) • ln(k1/k2) = E/R(1/T2 – 1/T1) • E = 19,1T1T2/(T1-T2).logk1/k2 9/12/2012 18 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
CHƯƠNG 4. THIẾT BỊ PHẢN ỨNG I-GIỚI THIỆU VỀ TBPƯ : • I.1-Giới thiệu: hiện các phản ứng hoá học tạo ra sản-TBPƯ- hệ thẩ ph ốm ủaếtmbộị tth ngcthi ực trình sản xuất,do đó quyết định năng suất (do vận quá tốc phản ứng r ) và hiệu quả (độ chuyển hoá X và độ chọn lọc S) của sản xuất. • -Vận tốc phản ứng chuyển hoá chất i: Ri = ± dNi / Vdt . (1.1) Trong đó: Ni-Số mol của chất i, dấu cộng là tạo thành (sản phẩm phản ứng), dấu trừ là tiêu hao (chất phản ứng). V-Thể tích của hệ thống Khi thể tích không đổi ta có Ci = Ni / V, do đó pt (1.1) thành: Ri = ±dCi / dt . (1.2) 9/12/2012 19 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• -Độ chuyển hoá của chất i: Xi = (C0 - C1) / C0 = 1 - C1/C0 . (1.3) • Trong đó : C0- nồng độ chất phản ứng i đi vào ( hay nồng độ ban đầu) C1- nồng độ chất phản ứng i đi ra ( hay nồng độ cuối ) • -Độ chọn lọc đối với sản phẩm i: Si = Ci / ∑Cj j = 1, n (1.4) • Trong đó: Ci -nồng độ của sản phẩm i trong hỗn hợp phản ứng . ∑Χ j -tổng nồng độ các sản phẩm trong hỗn hợp phản ứng 9/12/2012 20 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com