KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
MỤC TIÊU MƠN HỌC
Xây dựng phương trình vận tốc phản ứng
Thiết kế các thiết bị phản ứng cơ bản: TB Phản ứng khuấy trộn/TB
phản ứng dạng ống
Kiểm soát và đánh giá quá trình làm việc của thiết bị phản ứng thực
trong công nghiệp
VỊ TRÍ MƠN HỌC
Ngun liệu
Xử lý vật lý
Phản ứng hóa học
Xử lý vật lý
Thủy cơ
Truyền khối
Truyền nhiệt
Kỹ thuật
phản ứng
Thành phẩm
NỘI DUNG MÔN HỌC
Chương 1: Khái niệm mở đầu
o Động hóa học
o Nhiệt động lực học
o Phân loại phản ứng
o Vận tốc phản ứng
o Phân loại thiết bị phản ứng
Chương 2: Xử lí dữ kiện động học
o Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích khơng đổi
o Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích thay đổi
Chương 3: Phương trình thiết kế
o Cân bằng vật chất và năng lượng tổng quát
o Thiết bị khuấy trộn lý tưởng hoạt động ổn định
o Thiết bị khuấy trộn lý tưởng hoạt động gián đoạn
o Thiết bị khuấy trộn lý tưởng hoạt động bán liên tục
o Thiết bị phản ứng dạng ống
Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế
o Hệ một bình phản ứng
o Hệ nhiều bình phản ứng
o Thiết kế cho phản ứng đa hợp
Chương 5: Thời gian lưu và động học quá trình phản ứng
o Khái niệm
o Hàm mục tiêu
o Mơ hình thời gian lưu
o Mơ hình tốn và ứng dụng
Chương 6: Đại cương về phản ứng dị thể
o Phân loại phản ứng dị thể
o Phương trình vận tốc cho phản ứng dị thể
o Thiết bị phản ứng dị thể
TÀI LIỆU HỌC TẬP
Tài liệu học tập chính
Bải giảng Kỹ Thuật Phản Ứng
Vũ Bá Minh - Kỹ Thuật Phản Ứng – ĐHBK Tp.HCM
Tài liệu tham khảo
Ngô Thị Nga – Kỹ Thuật Phản Ứng – NXB KHKT.
Nguyễn Bin – Các Quá Trình Hóa Học – NXB KHKT.
Robert H. Perry, Don W. Green, James O. Maloney - Perry's Chemical Engineers' Handbook (7th
Edition) - McGraw Hill
CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM MỞ ĐẦU
I.
Những khái niệm cơ bản
II.
Động hóa học và nhiệt động học
III. Phân loại phản ứng
IV. Vận tốc phản ứng
V.
Thiết bị phản ứng
I.
Những khái niệm cơ bản
1.1. Hỗn hợp phản ứng
Chất tham gia phản ứng
Tác chất (reactant) : A , B
A+B→ C+D
Dung mơi
Xúc tác
Ligand
Buffer solution
Chất trợ phản ứng
•
•
•
•
Xúc tác (catalyst)
Dung mơi (Solvent)
Dung dịch đệm (buffer solution)
Ligand
1.2. Nồng độ
Các dạng nồng độ thường sử dụng
Nồng độ phần mol chất A : ()
Nồng độ phần khối lượng chất A: ()
Nồng độ mol Cj (gọi tắt nồng độ): ()
1.3. Áp suất
Áp suất riêng phần pj:
Áp suất toàn phần
1.4. Thể tích phản ứng V:
1.5. 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 (ký hiệu là r).
Ví dụ : Phương trình phản ứng A + B → R
hay
2. ĐỘNG HÓA HỌC
Phản ứng đơn và phản ứng đa hợp
Phản ứng đơn :
Phương trình lượng hóa học: A + B → R
Phương trình vận tốc :
Tsunetake Seki, Jan-Dierk Grunwaldt and Alfons Baiker, Chem. Commun., 2007, 3562
2. ĐỘNG HÓA HỌC
Phản ứng đa hợp:
Phản ứng nối tiếp :
(consecutive reaction)
A→B→C
Phản ứng song song :
(parallel reaction)
A→B&A→C
Phản ứng hỗn hợp :
(multi-step reaction)
2. ĐỘNG HÓA HỌC
Phản ứng sơ đẳng và phản ứng khơng sơ đẳng
Phản ứng sơ đẳng:
A+B→R
(thêm ví dụ)
Phản ứng khơng sơ đẳng :
2. ĐỘNG HĨA HỌC
Bậc phản ứng
Phản ứng có phương trình vận tốc là
Như vậy phản ứng là : bậc a theo tác chất A
bậc b theo tác chât B
…
Bậc phản ứng tổng quát là : a + b +..+d = n
Lưu ý : a, b, …,d không nhất thiết là các hệ số của phương trình lượng hóa học.
2. ĐỘNG HÓA HỌC
Cân bằng cho phản ứng thuận nghịch sơ đẳng
A+B↔ R+S
Vận tốc phản ứng thuận :
Vận tốc phản ứng nghịch:
Ở điều kiện cân bằng :
; hay
2. ĐỘNG HĨA HỌC
Độ chuyển hóa XA
Độ chuyển hóa của cấu tử A là tỷ số giữa số mol chất A tham gia vào phản hóa học và số mol ban
đầu của cấu tử đó
Phản ứng gián đoạn :
Phản ứng liên tục ổn định :
2. ĐỘNG HÓA HỌC
Sự phụ thuộc nhiệt độ của phương trình vận tốc
(định luật Arrhénius)
k : hằng số vận tốc
EA:Năng lượng hoạt hóa
2. ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC
Bản chất của năng lượng (P.242 – P.287)
Công
Năng lượng
(Energy)
Năng lượng bao gồm : Thế năng và động năng
Thế năng : Năng lượng dựa vào vị trí và cấu tạo
Động năng : Năng lượng dựa trên sự chuyển động của vật ()
Nhiệt
Bản chất của năng lượng
Định luật bảo toàn năng lượng : Năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này
sang dạng khác.
Ví dụ: Phản ứng đốt cháy CH4 dùng để sưởi ấm.
CH4(gas) + 2O2(gas) → CO2(gas) + 2H2O(gas) + năng lượng (nhiệt)
Phản ứng
Môi trường xung quanh
2 mol O2
1 mol CH4
(chất phản ứng)
Thế năng
Năng lượng (nhiệt)
∆
2 mol H2O
1 mol CO2
(Sản phẩm)
Bản chất của năng lượng
Ví dụ: Phản ứng hình thành Nitric oxide
N2(gas) + O2(gas) + năng lượng (nhiệt) → 2NO(gas)
Phản ứng
Môi trường xung quanh
2 mol NO
(Sản phẩm)
Thế năng
1mol N2
1 mol O2
(chất phản ứng)
Năng lượng
∆
Nội năng của 1 hệ (hệ thống hóa học) - internal energy
Nội năng U của một hệ thống được định nghĩa là tổng động năng và thế năng của tất cả các phần tử trong hệ. Nội năng
của một hệ có thể thay đổi dưới tác động của cơng, nhiệt hay cả hai.
Môi trường xung quanh
∆U > 0
Năng lượng
∆U < 0
Năng lượng
Hệ thống
Hệ thống
phản ứng
phản ứng
Nội năng của 1 hệ (hệ thống hóa học) - internal energy
Quy ước
Do đó
Ví dụ :
Năng lượng dạng nhiệt khi đi vào hệ thống (phản ứng thu nhiệt) có giá trị dương (+).
Năng lượng dạng công khi ra khỏi hệ thống (hệ sinh cơng) có giá trị dương (+).
2. ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC
Nhiệt phản ứng
Lượng nhiệt phóng thích hoặc hấp thu bởi phản ứng được quy về nhiệt độ tác chất.
Ở điều kiện áp suất khơng đổi, ta có :
Trong đó :
và