4
CHÆÅNG I
NHÆÎNG ÂËNH LUÁÛT CÅ BAÍN CUÍA CÄNG NGHÃÛ HOAÏ HOÜC
I. Mäüt säú khaïi niãûm vaì âënh nghéa:
1. Nàng suáút: Nàng suáút thiãút bë, phán xæåíng hay nhaì maïy, ... laì säú læåüng saín
pháøm taûo ra (hay nguyãn liãûu chãú biãún) trãn mäüt âån vë thåìi gian.
Nãúu G laì troüng læåüng, Vs laì thãø têch (saín pháøm hay nguyãn liãûu), τ laì thåìi gian thç
nàng suáút P bàòng :
τ
G
P= hay
τ
Vs
P=
P coï thãø tênh bàòng T/s, kg/h, m3/s, ...
2. Cäng suáút: Q laì nàng suáút täúi âa coï thãø âaût âæåüc cæåìng âäü laìm viãûc I cuía thiãút
bë laì nàng suáút cuía thiãút bë tênh cho âån vë cuía mäüt âaûi læåüng âàûc træng (thãø têch, diãûn têch,
kêch thæåïc, ...).
Vê duû nãúu V laì thãø têch cuía thiãút bë thç coï thãø biãøu diãùn cæåìng âäü bàòng:
V
G
V
P
I×
==
τ
I coï thãø tênh bàòng T/h.m3, m3/h.m2 (theo diãûn têch cuía thiãút bë).
3. Tiãu phê: Nguyãn liãûu, næåüc, nàng læåüng, ... laì læåüng nguyãn liãûu, næåïc, nàng
læåüng, ... tiãu hao âãø taûo ra âån vë saín pháøm.
Vê duû Tnguyãn liãûu/Tsaín pháøm; m3 næåïc/T; kwh/m3
4. Âäü chuyãøn hoaï: Âäü chuyãøn hoaï nguyãn liãûu A (taïc cháút) laì tyí lãû giæîa læåüng taïc
cháút A âaî chuyãøn hoaï vaì læåüng ban âáöu. ÅÍ thåìi âiãøm τ, V laì thãø têch cuía hãû thäúng taïc
duûng, GA laì troüng læåüng cháút A, CA laì näöng âäü cuía cháút A vaì XA laì âäü chuyãøn hoaï cuía
cháút A.
- ÅÍ thåìi âiãøm ban âáöu τo = 0, caïc âaûi læåüng trãn coï trë säú tæång æïng Vo, GAo, CAo vaì
XAo.
- ÅÍ thåìi âiãøm τ1 cháút A âaî chuyãøn hoaï hoaìn toaìn thç caïc trë säú tæång æïng laì V1,
GA1, CA1 vaì XA1= 1.
Nãúu coï nhiãöu taïc cháút A, B, C, ... thç mäùi cháút coï âäü chuyãøn hoaï cuía mçnh XA, XB,
XC, ...
Theo âënh nghéa åí thåìi âiãøm τ, âäü chuyãøn hoaï laì:
Ao
AAo
AG
GG
X−
= hay
o
o
G
GG
X
−
= (1)
Nãúu tênh theo pháön tràm thç
o
o
G
GG
X
−
×= 100%
Tæì (1) ta coï: )1( XGG o
−
=
(2)
5
Chia 2 vãú cho Vo ta coï: )1( X
V
G
V
G
o
o
o
−=
Vç o
o
oC
V
G= ⇒ )1( XC
V
G
o
o
−=
- Nãúu hãû thäúng laì cháút loíng hay dung dëch (thãø têch V thay âäøi khäng âaïng kãø),
hay laì khê maì täøng thãø têch khäng thay âäøi trong quaï trçnh chuyãøn hoaï thç:
C
V
G
V
G
o
== vaì )1( XCC o
−
=
(3)
- Nãúu trong chuyãøn hoaï thãø têch thay âäøi vaì V = γVo thç:
)1( X
V
G
V
G
V
G
o
o
o
−==
γγ
hay )1( X
C
Co−=
γ
(4)
Nhæng γ biãún âäøi theo thåìi gian τ nãn duìng khäng tiãûn. Ngæåìi ta duìng khaïi niãûm
âäü thay âäøi tæång âäúi β cuía thãø têch hãû khi chuyãøn hoaï âaî hoaìn toaìn (X=1):
1
1
1−=
−
=
oo
o
V
V
V
VV
β
⇒ )1(
1
β
+
=
o
VV
Vê duû trong quaï trçnh: 2H2 + O2 = 2H2O
Ta coï: 3
1
1
3
2−=−=
β
5. Hiãûu suáút saín pháøm: Hiãûu suaït saín pháøm thu âæåüc φs laì tyí lãû giæîa læåüng saín
pháøm thæûc tãú thu âæåüc Gs vaì læåüng täúi âa thu âæåüc Gmax (nãúu chuyãøn hoaï hoaìn toaìn):
(%)
max
G
Gs
s=
φ
cuîng coï thãø biãùu diãùn φs qua læåüng taïc cháút (nguyãn liãûu)
Ao
AAo
sG
GG
−
=
φ
Nhæ váûy φs= XA: hiãûu suáút saín pháøm bàòng âäü chuyãøn hoaï cuía nguyãn liãûu.
Nãúu pháøn æïng thuáûn nghëch thç φs khäng thãø naìo âaût âãún φmax âæåücmaì cao nháút laì
luïc âaût cán bàòng φ*s vaì luïc âoï:
*
max
*
max A
s
s
sX
G
G==
φ
φs laì hiãûu suáút cán bàòng hay hiãûu suáút lyï thuyãút. Âäi khi sæí duûng khaïi niãûm hiãûu
suáút so våïi lyï thuyãút:
*
s
s
sG
G
=
ϕ
6
*
max
*
max
max A
A
s
s
s
s
s
s
sX
X
G
G
G
G==×=
φ
φ
ϕ
6. Täúc âäü quaï trçnh: Täúc âäü cuía quaï trçnh biãøu diãùn qua læåüng saín pháøm chênh S
thu âæåüc hay læåüng nguyãn liãûu chênh A tiãu hao trong mäüt âån vë thåìi gian.
τ
d
dG
us
= hay
τ
d
dG
uA
−=
Cuîng coï thãø biãùu diãùn qua caïc âaûi læåüng áúy nhæng trong âån vë thãø têch
τ
d
dG
V
us
1
= hay
τ
d
dG
V
uA
1
−=
Nãúu thãø têch cuía hãû thäúng khäng âäøi coï thãø biãùu diãùn qua näöng âäü vç C
V
G=
τ
d
dC
us
= hay
τ
d
dC
uA
−=
7. Chi phê cå baín cho âån vë cäng suáút:
Nãúu K laì chi phê cå baín cho caí thiãút bë (hay phán xæåíng), vê duû tênh bàòng âäöng vaì
Q laì cäng suáút cuía thiãút bë tênh bàòng T/nàm thç chi phê cå baín cho âån vë cäng suáút laì:
Q
K
R=
* Nãúu cäng suáút thay âäøi, thæûc tãú cho tháúy:
R = aQ
-0.4
a: laì hãû säú phuû thuäüc vaìo tênh cháút cuía saín xuáút
Nãúu so saïnh 2 hãû thäúng våïi cäng suáút Q1 vaì Q2 våïi Q2 = 2Q1 thç:
76.0)
2
(4.0
1
1
4.0
1
4.0
2
1
2=== −
−
−
Q
Q
aQ
aQ
R
R⇒ R2 = 0.76R1
Nghéa laì cäng suáút tàng lãn 2 láön thç chi phoïi cå baín cho mäüt âån vë cäng suáút chè
coìn 76% hay giaím âi 24%.
* Nãúu S laì giaï thaình saín pháøm tênh theo âån vë (vê duû âäöng/T) thç:
S = mQ
n
m, n: laì hãû säú, vaì n = -0.2 ÷ -0.3
So saïnh 2 cäng suáút Q1 vaì Q2 våïi Q2 = 2Q1 vaì láúy n = -0.2 ta coï:
87.0)
2
(2.0
1
1
2.0
1
2.0
2
1
2=== −
−
−
Q
Q
mQ
mQ
S
S
Nghéa laì nãúu cäng suáút tàng lãn 2 láön thç giaï thaình saín pháøm giaím âi 13%.
II. Cán bàòng trong caïc quaï trçnh cäng nghã:
1. Nguyãn lyï Le Chatelier:
Âa säú caïc phaín æïng thæûc hiãûn trong CNHH laì caïc phaín æïng thuán nghëch. Caïc
phaín æïng naìy âãöu dáùn âãún traûng thaïi cán bàòng.
7
Trong caïc âiãöu kiãûn coï aính hæåíng âãún traûng thaïi cán bàòng thç sæû thay âäøi nhiãût âäü,
aïp suáút, näöng âäü caïc cháút tham gia phaín æïng coï vai troì quan troüng hån caí. Caïc yãúu täú naìy
taïc âäüng âãún traûng thaïi cán bàòng theo nguyãn lyï Le Chatelier:
Mäüt hãû åí traûng thaïi cán bàòng bãön, nãúu chuûi mäüt taïc âäüng tæì bãn ngoaìi laìm thay
âäøi mäüt trong caïc yãúu täú quyãút âënh âãún vë trê cán bàòng thç trong hãû seî xaíy ra mäüt quaï
trçnh theo chiãöu laìm giaím aính hæåíng cuía taïc âäüng âoï.
Tæì âoï suy ra:
* Khi tàng nhiãût âäü cuía häùn håüp caïc cháút phaín æïng thç cán bàòng seî chuyãøn dëch
theo chiãöu phaín æïng thu nhiãût, tæïc haû nhiãût âäü cuía häùn håüp caïc cháút phaín æïng.
* Khi tàng aïp suáút cán bàòng chuyãøn dëch theo chiãöu giaím thãø têch cuía häùn håüp.
* Khi tàng näöng âäü cuía mäüt trong caïc cháút phaín æïng thç cán bàòng chuyãøn dëch
theo chiãöu giaím näöng âäü cuía noï.
2. Hàòng säú cán bàòng cuía pháøn æïng hoaï hoüc:
a/ Hàòng säú cán bàòng:
*/ Phaín æïng thuáûn nghëch: aA + bB ⇔ rR + sS + Q
Täúc âäü phaín æïng thuáûn: u1 = k1CAaCBb
Täúc âäü phaín æïng nghëch: u2 = k2CRrCSs
k
1, k2: hàòng säú täúc âäü phuû thuäüc vaìo nhiãût âäü.
Nãúu u1 = u2 ta coï: c
b
B
a
A
s
S
r
RK
CC
CC
k
k== **
**
2
1 (1)
(dáúu * coï nghéa laì trë säú åí traûng thaïi cán bàòng)
Kc:hàòng säú cán bàòng
*/ Nãúu tênh thaình pháön theo pháön mol N
N
A + NB + NR + NS = 1 thç:
b
B
a
A
s
S
r
R
NNN
NN
K**
**
= (2)
*/ Nãúu laì khê thç coï thãø láúy aïp suáút pháön PI
P
A + PB + PR + PS = P (aïp suáút chung) thç:
b
B
a
A
s
S
r
R
PPP
PP
K**
**
= (3)
*/ So saïnh caïc trë säú cuía K
K
p = Kc(RT)∆n (4)
K
p = KNP∆n (5)
Våïi ∆n = (r + s) - (a + b)
b/ YÏ nghéa cuía trë säú hàòng säú cán bàòng:
*/ Ta tháúy K tàng thç tæí säú tàng so våïi máùu säú, nghéa laì näöng âäü saín pháøm tàng
lãn. K âaïnh giaï âäü sáu cuía phaín æïng hoaï hoüc, âäü chuyãøn hoaï cuía taïc cháút.
*/ k1, k2 phuû thuäüc nhiãût âäü nãn K cuîng phuû thuäüc vaìo nhiãût âäü.
8
*/ Mäúi liãn hãû giæîa K vaì âäü chuyãøn hoaï cán bàòng X* = α
Vê duû: aA + bB ⇔ rR + sS
Âæa vãö 1mol A A + b/aB ⇔ r/aR + s/aS
Näöng âäü caïc cháút âáöu CA , CB , CR , CS , nãúu âäü chuyãøn hoaï laì α thç âaî coï CAα mol A taïc
duûng CAαb/a molo B âãø taûo thaình CAαr/a mol R vaì CAαs/a mol S, vaì luïc âoï näöng âäü caïc
cháút laì CA(1-α); CB - CAαb/a; CR + CAαr/a; CS + CAαr/a, nhæ váûy:
b
AB
a
A
s
AS
r
AR
c
C
a
b
CC
C
a
s
CC
a
r
C
K
)())1((
)()(
αα
αα
+−−
++
= (6)
Tæång tæû ta tênh âæåüc KN, KP phuû thuäüc vaìo α.
*/ K coï thãø tçm træûc tiãúp åí säø tay hoaï lyï; cuîng coï thãø tênh K tæì ∆H âäü biãún âäøi
entapi åí âiãöu kiãûn chuáøn (1atm, 298oK) theo phæång trçnh Van't Hoff:
2
ln
RT
H
dT
Kd p∆
= (7)
B
RT
H
Kp+
∆
−=ln
R: hàòng säú khê (R = 1.987 cal/mol.oC); ∆H (cal/mol)
III. Täúc âäü phaín æïng vaì vai troì cuía noï âäúi våïi caïc quaï trçnh cäng nghãû:
Cäng thæïc chung cuía täúc âäü laì: u = k×F×∆C
Nãúu hãû âäöng thãø thç: u = k×∆C
k: hãû säú täúc âäü; F: bãö màût tiãúp xuïc pha; ∆C: âäüng læûc quaï trçnh.
1. Hãû säú täúc âäü k: khäng chè phuû thuäüc tênh cháút hoaï hoüc cuía taïc cháút maì coìn phuû
thuäüc caí tênh cháút váût lyï cuía chuïng, cáúu taûo thiãút bë, täúc âäü caïc doìng vaì âäü khuáúy träün caïc
cháút trong mäi træåìng âäöng thãø.
k laì håüp thaình cuía caïc hàòng säú täúc âäü thuáûn k1, nghëch k2, phuû k'p, k''p ... vaì cuía
caïc hãû säú khuyãúch taïn caïc cháút âáöu (taïc cháút) vaìo vuìng phaín æïng D1, D2, ... vaì caïc cháút
cuäúi (saín pháøm) ra ngoaìi vuìng phaín æïng D'1, D'2, ...
k = f(k1, k2, k'p, k''p ..., D1, D2, ..., D'1, D'2, ...)
Ngoaìi ra k coìn phuû thuäüc vaìo thäng säú cáúu taûo thiãút bë vaì chãú âäü laìm viãûc cuía
thiãút bë. Vç váy, cáön xem xeït âaûi læåüng naìo cå baín coï aính hæåíng âãún k vaì boí qua caïc âaûi
læåüng khäng cå baín. Âaûi læåüng cå baín laì âaûi læåüng æïng vaìo quaï trçnh chênh, coï trë säú nhoí
nháút vaì do âoï, laìm cháûm quaï trçnh chênh.
Vê duû: - Khuáúy träün täút nãn boí qua hãû säú khuáúy taïn (âoìng thãø)
- Phaín æïng mäüt chiãöu vaì phaín æïng phuû khäng âaïng kãø thç k = k1
- Quaï trçnh dë thãø thç khuyãúch taïn haûn chãú täúc âäü
k = (D1, D2, ..., D'1, D'2, ...)
2. Bãö màût tiãúp xuïc pha F: