Chapter 3 phuong trinh thiet ke

Chương 3: Phương trình thiết kế

04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

1


3.1. Cân bằng vật chất & năng
lượng tổng quát
1. Cân bằng vật chất cho một

phân tố thể tích
(Lượng tác chất nhập vào) (Lượng tác chất ra khỏi) (Lượng tác chất phản ứng)
PHẢN
= Lượng tác chất tích tụ (biến
ỨNG
đổi)ï
VÀ
O

04/08/2023

PHÂN
TỐ
THỂ
TÍCH
(TÍCH
TỤ)

RA

Chuong 3 - Phuong trinh
thiet ke
O.Levenspiel,
Chemical_reaction_engineering, 3 rd edition2


2. Cân bằng năng lượng
(Năng lượng các dòng nhập vào) (Năng lượng các dòng ra khỏi) (Năng lượng trao đổi với môi
trường ngòai)
= (Năng lượng tích tụ (biến đổi)ï)
TRAO
ĐỔI

04/08/2023

PHÂN
VA
TỐ
THỂ
ØO
TÍCH
(TÍCH
Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke
TUÏ)

RA

3

Các dạng bình phản ứng khuấy trộn

04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

4


3.2. Thiết bị phản ứng khuấy
trộn lý tưởng
1. Hoạt động ổn định

 Với: XA0 , XAf là độ chuyển hóa của dòng nhập liệu và dòng sản

phẩm
 v là lưu lượng của dòng nhập liệu, m3/s

O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3 rd edition

04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

5


3.2. Thiết bị phản ứng khuấy

trộn lý tưởng
1. Hoạt động ổn định
FA 0 ( 1  X A0 )t  FA 0 ( 1  X Af )t   rAf  V.  t  0
hay

V
V
X Af  X A0


FA0
 . C A0
( rAf )

(3.3)

V
  : Thoi gian the tich

X Af  X A0
C A0 (X Af  X A0 )
V
V
1



 
FA0  . C A0
C A0

( rAf )
( rAf )
 Với: XA0 , XAf là độ chuyển hóa của dòng nhập liệu và dòng sản

phẩm
 v là lưu lượng của dòng nhập liệu, m3/s
04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

6


3.2. Thiết bị phản ứng khuấy
trộn lý tưởng

O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3 rd edition
04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

7


Xác định nhiệt độ của dòng sản phẩm để
tính vận tốc phản ứng – cân bằng nhiệt
lượng

m t (T0  Tf ) C p  (X Af  X A0 )H r FA0  KS(Tn  Tf )  0
hay m t (T0  Tf ). C p  (  rA ). V. H r  K.S.(Tn  Tf )  0

mt : suất lượng dòng nhập liệu, kg/s
Cp : nhiệt dung riêng dòng nhập liệu

(sản phẩm), J/kg.0C
ΔHr: nhiệt phản ứng, J/mol

K : hệ số truyền nhiệt, W/m2.0C
2
S
:
diện
tích
bề
mặt
truyền
nhiệt,
m
04/08/2023
Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

8


Thí dụ 3.1: Xác định lưu lượng mỗi
dòng nhập liệu
Phản ứng thuận nghịch pha lỏng sơ đẳng
A + B = R + S
với k1= 7 l/mol.ph , k2 = 3 l/mol.ph
V = 120 lít
Hai dòng nhập liệu riêng biệt có lưu lượng bằng

nhau:
 Dòng có nồng độ 2,8 mol A/ lít
 Dòng có nồng độ 1,6 mol B/ lít
Độ chuyển hóa của tác chất giới hạn đạt 75%

V=120lite
O.Levenspiel, Chemical_reaction_engineering, 3 rd edition
04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

9


Thí dụ 3.2: Xác định phương trình vận
tốc cho phản ứng phân hủy pha khí
A → R + S xảy ra đẳng nhiệt trong
bình khuấy trộn họat động ổn định
Số TN

τ =V/v ph
XA (với CA0
=0,002
mol/l

04/08/2023

1

2

3

4

5

0,42 5,10 13,5 44,0 192
3
0,22 0,63 0,75 0,88 0,96

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

10


Bảng 3.1
Thí
nghiệm
số

V
 = ,ph
v

XA

1

0,423

0,22

0,639

0, 002.0, 22
104.10 5
0.423

2

5,10

0,63

0,227

0, 002.0, 63
24, 7.10 5
5,10

3

13,5

0,75

0,143

0, 002.0, 75

111
, .10 5
13, 5

4

44,0

0,88

0,064

0, 002.0, 88
4.10 5
44

5

192

0,96

0,021

04/08/2023

1- XA
1+XA

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

C Ao XA


=(-rA )

0, 002.0, 96
1.10 5
192
11


3.2. Thiết bị phản ứng khuấy
trộn lý tưởng
2. Hoạt động gián đọan
 ( rA ) V. t  N A ; t  0
dN A
 ( rA ) V 
dt
d [N A0 (1  X A )]
dX A
 ( rA ) V 
 N A0
dt
dt
(  rA ) V  N A0
04/08/2023

dX A
dt

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

12


Sắp xếp lại và lấy tích phân
t  N A0
* V  const

XA

dX A

 rA  V
0

t  C A0

XA

dX A


 rA 
0

CA

dC A


 rA 
C A0

* V  V0 (1   A X A )
t  N A0
04/08/2023

XA

dX A
 C A0

 rA  V0 (1   A X A )
0
Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

XA

dX A

 rA (1   A X A )
0
13


Thí dụ 3.3:
a) Tính thời gian phản ứng
b) Thể tích bình phản ứng khuấy gián
đọan

CH3COOH + C4H9OH→CH3COOC4H9 + H2O
 1000C, xúc tác H2 SO4 nồng độ

0,032%k.l
 Nhập liệu: 4,97 mol butanol/mol axit
 Phương trình vận tốc (-rA)= k.CA2
với k = 17,4 ml/ mol.ph
 ρ = 0,75 g/ml = const
 XAf = 50%
04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

14


3.3. Thiết bị phản ứng
dạng ống lý tưởng

04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

15


3.3. Thiết bị phản ứng
dạng ống lý tưởng
FA 0 ( 1  X A ) t  FA 0 ( 1  X A  X A )t   rA  V. t  0

hay

FA 0 X A   rA  V  0

Chia V, V  0
dX A ( rA )

dV
FA0
V

FA0

04/08/2023

X Af

dX A

( rA )
0

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

16


Thí dụ 3.7: Tính thể tích bình phản ứng ống
4PH3(k) → P4(k) + 6H2(k)

 (-rPH3) = (10 h-1) CPH3
 Hoïat động ở nhiệt độ

6500C, áp suất 4,6 atm
 Xaf = 80%

 Nhập liệu có suất lượng 2

kmol/h phosphin nguyên chất.

04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

17


Thí dụ 3.5:

CH4 + 2S2 → CS2 + 2H2S




Bình phản ứng ống có V = 35,2ml
Thí nghiệm ở 6000C, 1atm thu được
0,10g CS2 trong 10 ph.



Suất lựơng ổn định của S2 là 0,238
mol/h, mêtan là 0,119 mol/h

a) Xác định rCS2
b) Tìm k với (-rA)=kpCH4.pS2 bằng
2 phương pháp
04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

18


Bài tập 3.5.
Cho phản ứng tạo thành etilen glycol
như sau:
CH2OH-CH2Cl + NaHCO3
(CH2OH)2 + NaCl
+ CO2


Phản ứng sơ đẳng k = 5,2 l/ mol.h ở 820C
 Có 2 dòng nguyên liệu có sẵn như sau:
 Dd 15% k.l bicarbonat sodium
 Dd 30% k.l etilen clorhidrin trong nước

04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

19


Câu hỏi cho bài tập 3.5
a) Tính thể tích bình phản ứng khuấy

trộn hoạt động ổn định để sản
xuất 50kg/h etilen glycol với dòng
hỗn hợp nhập liệu đẳng mol đạt
độ chuyển hóa 95%?
b) Tính thể tích bình phản ứng ống
để phản ứng ở cùng điều kiện
trên?
c) Tính thể tích bình phản ứng khuấy
trộn hoạt động gián đọan để
sản xuất 50kg/mẻ etilen glycol với
hỗn hợp nhập liệu ban đầu đẳng
mol đạt độ chuyển hóa 95%?
04/08/2023

Chuong 3 - Phuong trinh thiet ke

20