bài giảng kỹ thuật phản ứng hot

1
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG
KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC – MÔI TRƯỜNG
o0o








MÔN KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
BÀI GIẢNG











Biên Hòa, ngày 30 tháng 06 năm 2011
2
CHƯƠNG 1: NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

Mục đích – yêu cầu:

Sau khi học xong sinh viên nắm được các kiến thức sau:
- Hỗn hợp phản ứng
- Độ chuyển hóa, hiệu suất
- Bước phản ứng
- Phương trình tỷ lượng và tính toán
Số tiết lên lớp: 02 tiết
Bảng phân chia thời lượng
STT Nội dung Số tiết
1
Tổng quan về kỹ thuật phản ứng
Hỗn hợp phản ứng
1
2
Độ chuyển húa, hiệu suất
Bước phản ứng
Phương trình tỷ lượng và tính toán
1

Trọng tâm bài giảng:
- Tổng quan về kỹ thuật phản ứng
- Những kiến thức cơ bản về kỹ thuật phản ứng
Nội dung bài giảng:
1.1. Tổng quan về kỹ thuật phản ứng (Xem [1], trang 11-13)
Kỹ thuật phản ứng gắn liền với quá trình trong đó có phản ứng hóa học
xãy ra
Trong công nghệ môi trường, quá trình xử lý chất thải thông thường có
3 phương pháp cơ bản: phương pháp cơ học, hóa học, sinh học
Phương pháp hóa học là phương pháp sử dụng hóa chất đưa vào hệ
thống xử lý để chuyển các chất ô nhiểm thành các không hay ít ô nhiễm hơn
3

Phương pháp hóa học đòi hỏi chi phí cao, nên chỉ sử dụng khi các
phương pháp khác không xử lý được
1.2. Hỗn hợp phản ứng (Xem [1], trang 15)
Hỗn hợp tham gia phản ứng gồm: các chất tham gia phản ứng (các chất
ban đầu và sản phẩm phản ứng) và các chất trợ phản ứng (dung dịch đệm, khí
trơ, xác tác).
Các chất tham gia phản ứng: là chất trực tiếp tham gia vào phản ứng để
tạo thành sản phẩm
Các chất trợ phản ứng: không tham gia vào phản ứng mà chỉ làm thay đổi
tốc độ phản ứng hay thúc đẩy quá trình
1.3. Độ chuyển hóa và hiệu suất (Xem [1], trang 24)
Độ chuyển hóa của một cấu tử là tỷ số giữa số mol cần thiết cho phản
ứng hóa học của cấu tử tham gia phản ứng và số mol ban đầu của cấu tử đó.
Người ta thường chọn cấu tử dễ đo đạc k để xác định độ chuyển hóa X: X = (n
0

– n
k
)/n
0

Hiệu suất chuyển hóa tính theo một cấu tử nào đó - thường cho nguyên
liệu, bằng phần trăm lượng cấu tử đó đã tham gia vào phản ứng hóa học tạo sản
phẩm
1.4. Bước phản ứng (Xem [1], trang 21)
Bước phản ứng U là tỷ số giữa số mol thay đổi của cấu tử bất kỳ trong
phản ứng và hệ số tỷ lượng tương ứng của cấu tử đó: U = ∆nj/γj, bước phản
ứng có đơn vị là mol
Đối với phản ứng liên tục, bước phản ứng tính trên lưu lượng dòng mol,
khi đó đơn vị là mol/h, kmol/h

1.5. Phương trình tỷ lượng và tính toán (Xem [1], trang 25)
Phương trình tỷ lượng là phương trình biểu diễn quan hệ tương tác mang
tính định lượng giữa các cấu tử tham gia phản ứng trong hệ
Giao bài tập làm theo nhóm cho sinh viên, mỗi nhóm gồm 3 sinh viên.
4
Bài tập trên lớp:
Câu hỏi lý thuyết:
1. Thế nào là phản ứng hóa học?
2. Trong công nghiệp để thực hiện phản ứng ta phải tực hiện như thế nào
3. Những công đoạn vật lý nào cần thực hiện để tạo thành dạng thích hợp
cho công đạon phản ứng hóa học.
4. Hãy liệt kê các công đoạn xử lý vật lý
5. Thế nào là phân tách
6. Thế nào là tinh chế
7. Hãy trình bày Qui trình thực hiện phản ứng hoá học trong công nghiệp
8. Tại sao phải hoàn lưu trong phản ứng hóa học
9. Công đọan hóa học là gì
10. Công đoạn hóa học thực hiện những công việc gì
11. Tại sao phải có 2 công đoạn vật lý
12. Vai trò của công đoạn vật lý sau công đoạn hóa học
13. Tại sao thiết kế thiết bị phản ứng không theo khuôn mẫu có sẳn
14. Thế nào là thiết kế tối ưu
15. Để thiết kế thiết bị phản ứng ta cần những kiến thức gì?
16. Tại sao thiết kế thiết bị phản ứng ta cần những kiến thức đó?
17. Các câu hỏi được đặt ra trong thiết kế thiết bị phản ứng.

Tài liệu tham khảo: [1], [2], [3].

5
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC

Mục đích – yêu cầu:
Sau khi học xong sinh viên nắm được các kiến thức sau:
- Định nghĩa nhiệt phản ứng
- Các nguyên lý và định luật nhiệt động học
- Cân bằng hóa học
Số tiết lên lớp: 03 tiết
Bảng phân chia thời lượng
TT Nội dung Số tiết
1
Định nghĩa nhiệt phản ứng
Các nguyên lý và định luật nhiệt động học
1
2
Cân bằng hóa học
1
3
Hướng dẫn tự học, thảo luận
Kiểm tra hiểu bài và sửa bài tập
1

Trọng tâm bài giảng:
- Định nghĩa nhiệt phản ứng
- Các nguyên lý và định luật nhiệt động học
- Cân bằng hóa học
Nội dung

Nhiệt động lực học cho ta biết hai điều cần thiết cho việc thiết kế là nhiệt
phóng thích hoặc hấp thu trong quá trình phản ứng và mức độ phản ứng tối đa
có thể đạt được nếu phản ứng khĩng thuận nghịch.
2.1. Nhiệt phản ứng (Xem [1], trang 30 )
Nhiệt phản ứng được định nghĩa là nhiệt phóng thích hoặc hấp thu bởi
phản ứng khi phản ứng được qui về nhiệt độ của tác chất.

6
2.2. Các nguyên lý và định luật nhiệt động học (Xem [1], trang 31-32)
2.2.1. Nguyên lý I
Là trường hợp riêng của nguyên lý bảo toàn và chuyển hóa năng lượng:
“Năng lượng không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà chỉ chuyển hóa từ dạng này
sang dạng khác”
2.2.2. Nguyên lý II

Với : S - Entropy và dS = dSe + dSi
Entropy được coi là thước đo trạng thái trật tự của hệ, hệ càng trật tự thì
entropy càng nhỏ.
Trong trạng thái vật lý lý tưởng như trạng thái vật rắn ở dạng tinh thể
không có cưỡng bức nhiệt ở bất kỳ điểm nào thì entropy của hệ đạt giá trị cực
tiểu bằng 0.
2.2.3. Phương trình trạng thái
Đối với khí lý tưởng
- Khí lý tưởng là khí mà lực tác dụng liên kết giữa các phân tử bằng
không
- Phương trình đơn giản được viết bởi Claperon - Mendeleep cho một mol
chất : Pv = RT
Trong đó:
P - áp suất tác dụng
T - nhiệt độ, K

v - thể tích của một mol khí ở điều kiện P, T
R - hằng số khí lý tưởng
R = 8,314 J/mol.K = 1,9 Cal/mol.K
2.3. Cân bằng hóa học (Xem [1], trang 42-50)
Khi phản ứng ở trạng thái cân bằng, nhiệt độ và áp suất của hệ giữa không
7
đổi và sự biến đổi năng lượng tự do bằng không. Từ đó ta có sự liên hệ giữa sự
biến đổi năng lượng tự do chuẩn
°
∆
F
và hằng số cân bằng K:
F
∆ °
= – RT lnK
Sự biến đổi năng lượng tự do chuẩn
F
∆ °
là hiệu số giữa năng lượng tự do của
sản phẩm và tác chất ở điều kiện chuẩn. Trạng thái chuẩn được chọn sao cho
tính năng lượng tự do đơn giản nhất.
Phương trình Van’t Hoff biểu diễn sự biến thiên của hằng số cân bằng theo
nhiệt độ.
,
(ln )
∆
=
o
o
r T

2
H
d K
dT
RT

với
,
∆
o
o
r T
H
là sự biến thiên enthalpy của phản ứng ở điều kiện chuẩn.
Sửa bài
Luyện tập trên lớp:
Câu hỏi lý thuyết:
1. Nhiệt động lực cho ta biết điều gì?
2. Hãy định nghĩa nhiệt phản ứng
3. Thế nào là nhiệt độ của tác chất
4. Nếu áp suất không đổi thì nhiệt phản ứng được tính như thế nào
5. Thế nào là nhiệt cấu tạo?
6. Hãy trình bày công thức tính nhiệt phản ứng tại nhiệt độ T theo nhiệt
phản ứng ở nhiệt độ T
0

7. Thế nào là nhiệt dung riêng trung bình
8. Ảnh hưởng của áp suất lên nhiệt phan ứng như thế nào
9. Hãy trình bày mối liên hệ giữa năng lượng tự do chuẩn và hằng số cân
bằng

10. Sự biến đổi năng lượng tự do chuẩn được tính như thế nào
11. Hãy trình bày cách tính hằng số cân bằng theo hoạt độ
8
Bài tập trên lớp:
1. Oxide ethylen được sản xuất bằng cách oxi hóa trực tiếp ethylen với chất
xúc tác (bạc và chất mang thích hợp) trong dòng không khí. Giả sử dòng nhập
liệu vào thiết bị phản ứng ở 200°C và chứa 5%mol ethylen, 95% mol không
khí. Nếu nhiệt độ dòng ra không được vượt quá 260°C thì độ chuyển hóa của
ethylen thành oxit là 50% và 40% ethylen bị cháy hoàn toàn thành dioxide
carbon. Hỏi phải truyền nhiệt ra môi trường ngoài là bao nhiêu cho mỗi mol
ethylen trong nhập liệu để nhiệt độ không vượt quá nhiệt độ giới hạn. Nhiệt
dung riêng mol trung bình của ethylen là 18cal/gmol°C giữa 25 và 200°C và
19cal/gmol°C giữa 25 và 260°C, tương tự cho oxide ethylen là 20 và
21cal/gmol°C. Áp suất bằng áp suất khí quyển.
Giải
Vì hiệu ứng nhiệt ở áp suất không đổi bằng với sự biến đổi enthalpy nên quá
trình thực được thay bằng các quá trình sau:
- Làm nguội tác chất và không khí từ 200°C xuống 25°C
- Thực hiện phản ứng ở 25°C
- Đun nóng sản phẩm và không khí từ 25°C lên 260°C
Tổng số sự biến đổi enthalpy của ba giai đoạn cho ta hiệu ứng nhiệt.
Giai đoạn 1: Trên căn bản 1 mol ethylen, sẽ có (1) 95/5 = 19 mol không khí
đi vào thiết bị phản ứng. Nhiệt dung riêng trung bình của không khí từ 25 đến
200°C là 7,0 cal/gmol°C. Vậy:
( )( ) ( , )( ) /∆ = − + − =
1
H 1 18 200 25 19 7 0 200 25 26425 cal mol

Giai đoạn 2. Hiệu ứng nhiệt do ở hai phản ứng:
/ ( )

2 4 2 2 4
C H 1 2O C H O k
+ →

( )
+ → +
2 4 2 2 2
C H 3O 2CO H O k

Dùng số liệu nhiệt cấu tạo cho ở bảng 1.2 tính cho phản ứng 1:

1
r
H
∆
= – 12190 – 12496 – 0 = – 24686 cal/mol
9
phản ứng thứ 2:
2
r
H
∆
= 2(-57798) + 2 (– 94052) – 12496 – 0
= – 316.196 cal/mol
Với mỗi mol ethylen có 0,5 mol phản ứng tạo thành oxide ethylen và 0,4 mol
cháy hoàn toàn nên:
o
T
H
∆

= 0,5 (- 24.686) + 0,4 (-316.196) = – 138.821,4 cal/mol
Giai đoạn 3. Sản phẩm gồm những cấu tử
Ethylen = 1 – 0,5 – 0,4 = 0,1 mol
Oxide ethylen = 0,5 mol
Hơi nước = 2.0,4 = 0,8mol (
p
C
= 8,25 cal/mol°C)
Dioxide carbon = 2.0,4 = 0,8 mol (
p
C
= 9,4 cal/mol°C)
Nitrogen = 19 (0,79) = 15 mol (
p
C
= 7,0 cal/mol°C)
Oxygen = 19(0,21) – ½(0,5) – 3 (0,4) = 2,6 mol (
p
C
= 6,25 cal/mol°C)
Các giá trị nhiệt dung riêng trung bình lấy giữa 25 và 260°C:
3
H
∆
= [0,1 (19) + 0,5 (21) + 0,8 (8,25) + 0,8 (9,4) + 15 (7,0) + 2,6(7,25)] (260 – 25)
= 150 (260 – 25) = 35250 cal/mol.
Vậy tổng lượng nhiệt liên hệ là:
Q = 26425 – 138821,4 + 35250 = – 77146,4 cal/mol
Lượng nhiệt phải lấy ra khỏi hệ là 77146,4 cal/mol ethylen đưa vào thiết bị
phản ứng.

Bài tập về nhà
1. Ước tính độ chuyển hóa tối đa của ethylen thành etanol bằng phản ứng
hidrat hóa trong pha hơi tại nhiệt độ 250°C và áp suất 34 at. Dùng số liệu
cân bằng trong ví dụ 2 và giả sử tỉ số ban đầu của hơi nước và ethylen
bằng 5.
ĐS: x = 0,15.
Tài liệu tham khảo: [1], [2], [3], [4].
10
CHƯƠNG 3: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG

Mục đích – yêu cầu:
Sau khi học xong sinh viên nắm được các kiến thức sau:
- Khái niệm
- Các thuyết về tốc độ phản ứng
- Các loại phản ứng
- Các yếu tố ảnh hưởng.
Số tiết lên lớp: 02 tiết
Bảng phân chia thời lượng
STT Nội dung Số tiết
1
Khái niệm
Các thuyết về tốc độ phản ứng
1
2
Các loại phản ứng
Các yếu tố ảnh hưởng.
1

Trọng tâm bài giảng:
Động học phản ứng

Nội dung
3.1. Khái niệm (xem [1], trang 54-55)
Động hóa học là môn học nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học và cơ chế mà
theo đó một phản ứng hóa học xảy ra. Trong việc thiết kế thiết bị phản ứng ta
cần biết đến phương trình vận tốc phản ứng thích hợp. Cơ chế phản ứng chỉ cần
thiết khi ta suy diễn các số liệu vận tốc vượt quá các thí nghiệm ban đầu và
trong việc khái quát hóa động học phản ứng.
3.2. Các thuyết về tốc độ phản ứng (xem [2], trang 14)
Xét cấu tử i trong phản ứng hóa học. Dựa trên các căn bản khác nhau, ta có
các định nghĩa khác nhau vận tốc biến đổi của cấu tử i lần lượt như sau:
11
- Dựa trên một đơn vị thể tích hỗn hợp lưu chất phản ứng
- Dựa trên một đơn vị thể tích bình phản ứng
b
V
(với
b
V
≠
v)
- Dựa trên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc pha
- Dựa trên một đơn vị khối lượng chất xúc tác (hoặc khối lượng chất rắn
trong hệ lưu chất - chất rắn)
3.3. Các loại phản ứng (Xem [2], trang 11-13)
3.3.1.Phản ứng đơn và phản ứng đa hợp
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. Phản ứng đa hợp chia
ra làm:

Phản ứng nối tiếp A
→
R
→
S
Phản ứng song song A
→
R, A
→
S
Phản ứng hỗn hợp A + B
→
R
R + B
→
S
3.3.2. Phản ứng sơ đẳng và phản ứng không sơ đẳng
Xét một phản ứng đơn có phương trình lượng hóa học:
A + B
→
R
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:

( )
A A B
r k C C
− =

Ngược lại, 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. Ví dụ phản ứng giữa
hidrogen và brom:

2 2
H Br 2HBr
+ →

12
có phương trình vận tốc là:
2
2
2
1/2
1
2
( )
/
H
Br
HBr
HBr Br
k C C
r
k C C
=
+

3.3.3. Cân bằng cho phản ứng thuận nghịch sơ đẳng
Xét phản ứng thuận nghịch sơ đẳng:
A + B

⇔
R + S
Vận tốc phản ứng thuận: (
) =
R th 1 A B
r k C C

Vận tốc phản ứng nghịch: (
)
R ng 2 R S
r k C C
= −

Ở điều kiện cân bằng không có sự thành lập R:

(
)
(
)
+ =
R R
th ng
r r 0

3.3.4. Bậc phản ứng
Cho phản ứng có phương trình vận tốc là:
( )
a b d
A B D
A

r kC C C
− =
, a + b + + d = n
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.
3.3.5. Sự tùy thuộc nhiệt độ của phương trình vận tốc
Theo định luật Arrhénius, phương trình vận tốc phản ứng:

( ) .
i
r k f
− =
(nồng độ)
với k là hằng số vận tốc phản ứng được biểu diễn theo định luật Arrhénius:
k =
/
E RT
o
k e
−

với
o
k
được gọi là thừa số tần số, E là năng lượng kích động của phản ứng.
3.3.6. Phân loại phản ứng (xem [2], trang 16)

Có nhiều cách phân loại phản ứng tuy nhiên trong kỹ thuật phản ứng ta quan
13
tâm đến số pha hiện diện trong hệ do đó thường chia các phản ứng là thành hai loại:
đồng thể và dị thể.
Bảng 1.1. Phân loại phản ứng hóa học tiện lợi cho thiết kế thiết bị phản ứng
Không xúc tác Có xúc tác
Đồng
thể
Hầu hết phản ứng ở pha khí Hầu hết phản ứng ở pha lỏng
Các phản ứng cháy của ngọn lửa

Các phản ứng ở thể keo
Dị thể
Phản ứng cháy của than
Nung quặng
Phản ứng của acid với chất rắn
Hấp thu khí – lỏng có phản ứng
Tổng hợp amoniac
Oxide hóa amoniac để sản xuất
acide nitric.
Phản ứng cracking
Tổng hợp metanol

Sự phân loại không rõ ràng với phần lớn các phản ứng sinh học, các phản
ứng với cơ chất enzym.
3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng (Xem [1], trang 59)
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng. Trong phản ứng đồng
thể rõ ràng áp suất, nhiệt độ và nồng độ là các biến số. Trong phản ứng dị thể
do có hai pha trở lên nên việc truyền vật chất từ pha này sang pha khác là quan
trọng do đó vận tốc truyền khối cũng là một biến số. Với những phản ứng có

phát nhiệt hoặc thu nhiệt, tốc độ truyền nhiệt ảnh hưởng đến quá trình phản
ứng. Do đó quá trình truyền nhiệt và truyền khối đóng vai trò quan trọng quyết
định vận tốc phản ứng dị thể.
Sửa bài
Luyện tập trên lớp:
Câu hỏi lý thuyết:
1. Hãy định nghĩa phản ứng đồng thể
2. Hãy định nghĩa phản ứng dị thể
3. Hãy định nghĩa vận tốc phản ứng dựa theo thể tích hỗn hợp
14
4. Hãy định nghĩa vận tốc phản ứng dựa theo thể tích bình phản ứng
5. Hãy định nghĩa vận tốc phản ứng dựa theo bề mặt tiếp xúc pha
6. Hãy trình bày các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng
7. Hãy trình bày các loại thiết bị phản ứng
8. Thế nào là thiết bị phản ứng đồng thể
9. Động hóa học là gì?
10. Khi thiết kế thiết bị phản ứng ta cần biết gì?
11. Thế nào là phản ứng đơn
12. Thế nào là phản ứng đa hợp
13. Thế nào là phản ứng song song
14. Thế nào là phản ứng nối tiếp
15. Thế nào là phản ứng hỗn hợp
16. Thế nào là phản ứng sơ đẳng
17. Thế nào là phản ứng không sơ đẳng
18. Phương trình phản ứng sơ đẳng
19. Phương trình vận tốc phản ứng không sơ đẳng
20. Thế nào là phản ứng thuận nghịch
21. Trình bày công thức tính vận tốc thuận
22. Trình bày công thức tính vận tốc nghịch
23. Điều kiện cân bằng trong phản ứng thuận nghịch

24. Công thức tính hằng số cân bằng
25. Thế nào là bậc phản ứng
26. Hãy trình bày định luật Arrhenius
27. Các cách phân loại phản ứng
28. Trình bày định nghĩa vận tốc phản ứng dựa trên thể tích hỗn hợp phản
ứng
29. Trình bày định nghĩa vận tốc phản ứng dựa trên thể tích bình phản ứng
15
30. Trình bày định nghĩa vận tốc phản ứng dựa trên một đơn vị diện tích tiếp
xúc pha.
31. Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng
Bài tập trên lớp:
1. Hóa chất A được biến đổi thành hóa chất R trong một thiết bị được chêm
bằng các hạt vật chêm hình cầu không rỗng. Diện tích bề mặt riêng của chất
xúc tác là 200
/
2 3
m m
tầng chêm, khối lượng riêng xốp của chất xúc tác là 2908
kg/
3
m
và độ rỗng của tầng chêm là
ε
= 0,40.
Phương trình lượng hóa học là:
A 2R
→

và phương trình vận tốc phản ứng

của A dựa trên một đơn vị khối lượng chất xúc tác là:
'''
1
( ) – 0,1
A
A A
dN
r C
W dt
− = =

dấu (–) cho thấy vận tốc biến đổi của A là âm, hay A là tác chất
a. Viết phương trình vận tốc trên với đơn vị của các đại lượng
b. Viết phương trình vận tốc
Giải
a. Đơn vị của
A
C
là mol A/l thể tích rỗng:
b. Khối lượng chất xúc tác cho mỗi đơn vị thể tích bình phản ứng là
W/
b
V = 2908 kg/
3
m
thể tích bình phản ứng. Do đó dựa trên một đơn vị thể tích
bình phản ứng.
Độ rỗng
/ ,
b

V V 0 40
ε = =
l thể tích rỗng/l thể tích bình. Do đó dựa trên một đơn
vị thể tích lưu chất
Diện tích bề mặt riêng chất xúc tác cho một đơn vị thể tích bình phản ứng
S/
b
V
= 200
/
2 3
m m
bình phản ứng. Do đó dựa trên một đơn vị diện tích bề mặt
chất xúc tác.
Bài tập về nhà:
1. Hóa chất A được biến đổi thành hóa chất R trong một thiết bị được chêm
16
bằng các hạt vật chêm hình cầu không rỗng. Diện tích bề mặt riêng của chất
xúc tác là 200
/
2 3
m m
tầng chêm, khối lượng riêng xốp của chất xúc tác là 2908
kg/
3
m
và độ rỗng của tầng chêm là
ε
= 0,40.
Phương trình lượng hóa học là:

A 2R
→

và phương trình vận tốc phản ứng của A dựa trên một đơn vị khối lượng chất
xúc tác là:
'''
1
( ) – 0,1
A
A A
dN
r C
W dt
− = =

dấu (–) cho thấy vận tốc biến đổi của A là âm, hay A là tác chất
a) Viết phương trình vận tốc trên với đơn vị của các đại lượng
b) Viết phương trình vận tốc
' ''
( ),( ) ( )
A A A
r r vaâ r
− − −

Tài liệu tham khảo: [1], [3].

17
Chương 4: PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH
CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG HỌC

Mục đích – yêu cầu:
Sau khi học xong sinh viên nắm được các kiến thức sau:
Nắm được các phương pháp xác định các thông số động học với các thiết bị:
- Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích không đổi
- Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích thay đổi
Số tiết lên lớp: 03 tiết
Bảng phân chia thời lượng
TT Nội dung Số tiết
1
Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích không đổi
2
2
Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích thay đổi
1
3

Nhiệt độ và vận tốc phản ứng
Hướng dẫn tự học, thảo luận
Kiểm tra hiểu bài và sửa bài tập
2

Trọng tâm bài giảng:
Các phương pháp xác định các thông số động học

Nội dung:
Phương trình vận tốc đặc trưng cho vận tốc phản ứng. Dạng của phương
trình vận tốc có thể được xác định từ khảo sát lý thuyết một mô hình cho trước
hay suy ra từ khảo sát thực nghiệm. Xác định phương trình vận tốc thường gồm
hai giai đoạn: sự phụ thuộc nồng độ ở nhiệt độ không đổi và sự phụ thuộc nhiệt
độ của hằng số vận tốc.
Có hai phương pháp để xử lý số liệu động học: phương pháp tích phân và
phương pháp vi phân. Phương pháp tích phân dễ sử dụng trong trường hợp cơ
chế tương đối đơn giản hay số liệu thực nghiệm phân tán không sử dụng được
18
phương pháp vi phân, tuy nhiên cần giả thiết trước cơ chế. Phương pháp vi phân
thích hợp trong trường hợp phức tạp nhưng cần nhiều số liệu chính xác và tập
trung.
Nói chung, phương pháp tích phân được thử trước nếu không đạt sẽ dùng
đến phương pháp vi phân.
4.1. Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích không đổi (xem [2], trang 25-35)
Thể tích ở đây là thể tích hỗn hợp phản ứng thực sự chứa trong thiết bị phản
ứng. Với thể tích không đổi, phương trình vận tốc là:
( )
i i i i i
i
dN d C V C dV VdC dC
1 1 1
r
V dt V dt V dt dt
+
= = = =

v
ớ

i khí lý t
ưở
ng:
i
i
dp
1
r
RT dt
=

4.2. Bình phản ứng gián đoạn có thể tích thay đổi
(xem [1], trang 37-39)

D
ạ
ng t
ổ
ng quát c
ủ
a ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c bi
ế
n
đổ

i c
ủ
a c
ấ
u t
ử
i khi th
ể
tích
bi
ế
n
đổ
i ho
ặ
c không bi
ế
n
đổ
i là:

dN
1
i
r
i
V dt
=
=
( )

d C V
1
i
V dt
=
VdC C dV
i i
Vdt
+

hay
dC C
dV
i i
r
i
dt V dt
= +

( )
( )
A A
A
A
A A
N 1 X
N
o
C
V V 1 X

o
−
= =
+ ε
=
A
A
A A
1 X
C
o
1 X
−
+ ε

V
ớ
i
A
ε
là ph
ầ
n th
ể
tích bi
ế
n
đổ
i t
ừ

khi ch
ư
a chuy
ể
n hóa
đế
n khi chuy
ể
n
hóa hoàn toàn. Nh
ư
v
ậ
y:
A 1 A
A
X X 0
A
X 0
V V
V
=
=
=
−
ε =

Ph
ươ
ng trình t

ố
c
độ

đượ
c vi
ế
t cho tác ch
ấ
t A là:
19
A
A
dN
1
r
V dt
= −
= –
(1 )
1
.
(1 )
A A
A A
N d X
o
V X dt
o
−

+ ε


4.3. Nhiệt độ và vận tốc phản ứng
(xem [1], trang 40)

Ta
đ
ã kh
ả
o sát
ả
nh h
ưở
ng c
ủ
a n
ồ
ng
độ
c
ủ
a tác ch
ấ
t trên v
ậ
n t
ố
c ph
ả

n
ứ
ng t
ạ
i
m
ộ
t nhi
ệ
t
độ
cho tr
ướ
c và bây gi
ờ
ta s
ẽ
xét
đế
n vai trò c
ủ
a nhi
ệ
t
độ
trong v
ậ
n t
ố
c

ph
ả
n
ứ
ng thông qua h
ằ
ng s
ố
v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ
ng v
ớ
i hàm s
ố
f(C) th
ườ
ng không
đổ
i
theo nhi
ệ
t
độ
.

V
ớ
i ph
ả
n
ứ
ng s
ơ

đẳ
ng lý thuy
ế
t tiên
đ
oán r
ằ
ng h
ằ
ng s
ố
v
ậ
n t
ố
c tùy thu
ộ
c
nhi
ệ
t

độ
theo nh
ữ
ng cách sau:
1- Theo
đị
nh lu
ậ
t Arrhénius:
k
α
/
E RT
e
−

2- Theo lý thuy
ế
t va ch
ạ
m ho
ặ
c tr
ạ
ng thái chuy
ể
n ti
ế
p:
k

α
/
m E RT
e
−
Τ

Vì
/
E RT
e
−
bi
ế
n
đổ
i nhi
ề
u h
ơ
n
m
Τ
theo nhi
ệ
t
độ
nên s
ự
bi

ế
n
đổ
i c
ủ
a h
ằ
ng s
ố

v
ậ
n t
ố
c theo nhi
ệ
t
độ
th
ườ
ng
đượ
c xác
đị
nh theo ph
ươ
ng trình Arrhénius.
k =
/
E RT

k e
o
−

B
ằ
ng cách v
ẽ
lnK theo 1/T.
Làm bài kiểm tra tại lớp (lần 1) và sửa bài
Luyện tập trên lớp:
Câu hỏi lý thuyết:
1.

Ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ
ng
đặ
c tr
ư
ng cho y
ế

u t
ố
gì ?
2.

D
ạ
ng c
ủ
a ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c
đượ
c xác
đị
nh nh
ư
th
ế
nào
3.

Xác
đị
nh ph
ươ

ng trình v
ậ
n t
ố
c g
ồ
m nh
ữ
ng giai
đ
o
ạ
n nào ?
4.

Các d
ạ
ng ho
ạ
t
độ
ng c
ủ
a thi
ế
t b
ị
ph
ả
n

ứ
ng
5.

Có m
ấ
y ph
ươ
ng pháp
để
x
ử
lý d
ữ
ki
ệ
n
độ
ng h
ọ
c
6.

Ph
ươ
ng pháp tích phân thích h
ợ
p trong tr
ườ
ng h

ợ
p nào
7.

Ph
ươ
ng pháp vi phân thích h
ợ
p trong tr
ườ
ng h
ợ
p nào
20
8.

Trình bày ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ
ng t
ổ
ng quát v
ớ

i ph
ả
n
ứ
ng bình
th
ể
tích không
đổ
i
9.

Trong h
ỗ
n h
ợ
p ph
ả
n
ứ
ng
ở
pha khí
đượ
c theo dõi b
ằ
ng gì ?
10.

Hãy trình bày các b

ướ
c dùng tích phân
để
x
ử
lý s
ố
li
ệ
u
độ
ng h
ọ
c
11.

Ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ
ng b
ậ
c 1
12.

Ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ
ng b
ậ
c 2 lo
ạ
i 2 phân t
ử

13.

Ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ

ng b
ậ
c 3 lo
ạ
i 3 phân t
ử

14.

Ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ
ng th
ự
c nghi
ệ
m b
ậ
c n
15.

Ph
ươ

ng trình v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ
ng b
ậ
c 0
16.

Ph
ả
n
ứ
ng b
ậ
c 0 th
ườ
ng
đượ
c tìm th
ấ
y
ở
ph
ả
n

ứ
ng nào
17.

B
ậ
c t
ổ
ng quát c
ủ
a ph
ả
n
ứ
ng không thu
ậ
n ngh
ị
ch theo th
ờ
i gian bán sinh
/
1 2
t

18.

Th
ế
n

đ
o l
đ
th
ờ
i gian bn sinh
19.

Ph
ả
n
ứ
ng song song không thu
ậ
n ngh
ị
ch
20.

Trnh b
đ
y bi
ể
u th
ứ
c cn b
ằ
ng v
ậ
t ch

ấ
t
21.
Đườ
ng bi
ể
u di
ễ
n n
ồ
ng
độ
– th
ờ
i gian cho ph
ả
n
ứ
ng song song.
22.
Đườ
ng bi
ể
u di
ễ
n n
ồ
ng
độ
– th

ờ
i gian cho ba ch
ấ
t trong bình ph
ả
n
ứ
ng
gián
đ
o
ạ
n trong Ph
ả
n
ứ
ng song song không thu
ậ
n ngh
ị
ch
23.

Ph
ả
n
ứ
ng xúc tác
đồ
ng th

ể

24.

H
ằ
ng s
ố
v
ậ
n t
ố
c cho ph
ả
n
ứ
ng xúc tác
đồ
ng th
ể

25.

Ph
ả
n
ứ
ng t
ự
xúc tác

26.
Đườ
ng bi
ể
u di
ễ
n
A
X
theo t và v
ậ
n t
ố
c – n
ồ
ng
độ
cho ph
ả
n
ứ
ng t
ự
xúc
tác.
Bài tập trên lớp:
1. Xét ph
ả
n
ứ

ng pha l
ỏ
ng s
ơ

đẳ
ng
A + B R + S
v
ớ
i k
1
= 7 lít/mol. ph và k
2
= 3 lít /mol.ph
đượ
c th
ự
c hi
ệ
n trong bình ph
ả
n
ứ
ng khu
ấ
y tr
ộ
n ho
ạ

t
độ
ng
ổ
n
đị
nh có th
ể
tích 120l. Hai dòng nh
ậ
p li
ệ
u: m
ộ
t
21
dòng ch
ứ
a 2,8 mol A/lít, m
ộ
t dòng ch
ứ
a 1,6 mol B/lít
đượ
c
đư
a vào bình v
ớ
i
l

ư
u l
ượ
ng th
ể
tích b
ằ
ng nhau
để

đạ
t
độ
chuy
ể
n hóa c
ủ
a tác ch
ấ
t gi
ớ
i h
ạ
n là
75%. Gi
ả
s
ử
kh
ố

i l
ượ
ng riêng c
ủ
a h
ỗ
n h
ợ
p ph
ả
n
ứ
ng không
đổ
i, xác
đị
nh l
ư
u
l
ượ
ng c
ủ
a m
ỗ
i dòng.
Giải
N
ồ
ng

độ
c
ủ
a các c
ấ
u t
ử
trong dòng nh
ậ
p li
ệ
u chung là:
, /
o
A
C 1 4mol l
=

o
B
C
= 0,8mol/l
o o
R S
C C 0
= =

V
ớ
i

độ
chuy
ể
n hóa c
ủ
a B
đạ
t 75%, thành ph
ầ
n c
ủ
a h
ỗ
n h
ợ
p ph
ả
n
ứ
ng trong
bình hay trong dòng ra là:
, , . , , /
o o
A A B B
C C C X 1 4 0 8 0 75 0 8 mol l
= − = − =
vì
o o
A A B B
C X C X

=

, , . , , /
o o
B B B B
C C C X 0 8 0 8 0 75 0 2mol l
= − = − =

, . , , /
o
R S B B
C C C X 0 8 0 75 0 6 mol l
= = = =

Ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c trong
đ
i
ề
u ki
ệ
n này là:

( ) ( )
A B 1 A B 2 R S

r r k C C k C C
− = − = −

= (7l/mol.ph)(0,8mol/l)(0,2mol/l) – (3l/mol.ph). (0.6 mol/l)
2
= (1,12 – 1,08) mol/l.ph = 0,04 mol/l.ph
Vì kh
ố
i l
ượ
ng riêng không
đổ
i nên
A
ε
= 0 , ta có
v =
.( )
(120 )(0,04 / . )
8 /
. (0,6 / )
o
B f
B B
V r
l mol l ph
l ph
C X mol l
−
= =

nh
ư
v
ậ
y l
ư
u l
ượ
ng m
ỗ
i dòng là 4 l/ph.
Bài tập về nhà:
1. Ti
ế
n hành ph
ả
n
ứ
ng b
ậ
c 1 trong thi
ế
t b
ị
ph
ả
n
ứ
ng khu

ấ
y tr
ộ
n ho
ạ
t
độ
ng gián
đ
o
ạ
n: A
→
R, v
ớ
i ph
ươ
ng trình v
ậ
n t
ố
c ph
ả
n
ứ
ng là r
A
= kC
A
. Xác

đị
nh
n
ồ
ng
độ
c
ủ
a A (C
A
) là hàm c
ủ
a th
ờ
i gian ph
ả
n
ứ
ng (t);
22
Đ
S:
kt
AoA
eCC
−
= .

2. Cho ph
ả

n
ứ
ng:
A
→
B
A
→
C
X
ả
y ra trong m
ộ
t thi
ế
t b
ị
ph
ả
n
ứ
ng ki
ế
u khu
ấ
y lý t
ưở
ng, h
ọ
at

độ
ng
gián
đ
o
ạ
n,
đẳ
ng nhi
ệ
t. Cho bi
ế
t: r
1
= k
1
C
A
(mol/l.ph) và r
2
= k
2
C
A
(mol/l.ph),
v
ớ
i k
10
= 0,554x10

4
(ph
-1
); k
20
= 2,7x10
3
(ph
-1
); E
1
= 49 kJ/mol; E
2
= 44
kJ/mol; nhi
ệ
t
độ
120
o
C (k
10
, k
20
là các h
ằ
ng s
ố
trong ph
ươ

ng trình
Arrhenius).
Hãy l
ậ
p ph
ươ
ng trình
độ
ng h
ọ
c cho c
ấ
u t
ử
A.
Đ
S:
1 2
A
A A
dC
k C k C
dt
− = +

3. Cho ph
ả
n
ứ
ng:

A
→
B
A
→
C
X
ả
y ra trong m
ộ
t thi
ế
t b
ị
ph
ả
n
ứ
ng ki
ế
u khu
ấ
y lý t
ưở
ng, h
ọ
at
độ
ng
gián

đ
o
ạ
n,
đẳ
ng nhi
ệ
t. Cho bi
ế
t: r
1
= k
1
C
A
(mol/l.ph) và r
2
= k
2
C
A
(mol/l.ph),
v
ớ
i k
10
= 0,554x10
4
(ph
-1

); k
20
= 2,7x10
3
(ph
-1
); E
1
= 49 kJ/mol; E
2
= 44
kJ/mol; nhi
ệ
t
độ
120
o
C (k
10
, k
20
là các h
ằ
ng s
ố
trong ph
ươ
ng trình
Arrhenius).
Tính th

ờ
i gian ph
ả
n
ứ
ng c
ầ
n thi
ế
t
để

đạ
t
độ
chuy
ể
n hóa X
A
= 0,90.
Đ
S: 47 phút.
4. Xét ph
ả
n
ứ
ng thu
ậ
n ngh
ị

ch trong pha l
ỏ
ng: A + B
↔
R + S
V
ớ
i h
ằ
ng s
ố
v
ậ
n t
ố
c c
ủ
a: ph
ả
n
ứ
ng thu
ậ
n k
1
= 7 l/mol.ph, ph
ả
n
ứ
ng

ngh
ị
ch k
2
= 3 l/mol.ph. Ph
ả
n
ứ
ng
đượ
c th
ự
c hi
ệ
n trong m
ộ
t thi
ế
t b
ị
ph
ả
n
ứ
ng
khu
ấ
y lý t
ưở
ng, ho

ạ
t
độ
ng liên t
ụ
c và
ổ
n
đị
nh, có th
ể
tích 120 lít. Hai dòng
nh
ậ
p li
ệ
u có l
ư
u l
ượ
ng th
ể
tích b
ằ
ng nhau: m
ộ
t dòng ch
ứ
a 2,8 molA/l, m
ộ

t
23
dòng ch
ứ
a 1,6 molB/l. Gi
ả
s
ử
kh
ố
i l
ượ
ng riêng c
ủ
a h
ỗ
n h
ợ
p ph
ả
n
ứ
ng không
đổ
i. Vi
ế
t ph
ươ
ng trình
độ

ng h
ọ
c cho c
ấ
u t
ử
B.
Đ
S: r
A
= r
B
= k.C
A
C
B
– k
2
C
R
C
S
5. Cho ph
ả
n
ứ
ng: A
→
B
X

ả
y ra trong m
ộ
t thi
ế
t b
ị
ph
ả
n
ứ
ng ki
ế
u khu
ấ
y lý t
ưở
ng, h
ọ
at
độ
ng
gián
đ
o
ạ
n,
đẳ
ng nhi
ệ

t. Cho bi
ế
t: r = kC
A
(mol/l.ph), v
ớ
i k
0
= 0,554x10
4
(ph
-1
)
(k
0
là h
ằ
ng s
ố
trong ph
ươ
ng trình Arrhenius); n
ă
ng l
ượ
ng ho
ạ
t hóa E = 49
kJ/mol; nhi
ệ

t
độ
là 120
o
C. Hãy l
ậ
p ph
ươ
ng trình cân b
ằ
ng v
ậ
t ch
ấ
t cho c
ấ
u
t
ử
A.
Đ
S:
A
A
kC
dt
dC
=−

Tài liệu tham khảo:

[1], [2], [3], [6].







24
CHƯƠNG 5: ĐỘNG HỌC PHẢN ỨNG XÚC TÁC MEN

Mục đích – yêu cầu:
Sau khi h
ọ
c xong sinh viên n
ắ
m
đượ
c các ki
ế
n th
ứ
c sau:
-

Lên men do enzym
-

Lên men do vi sinh v
ậ

t
Số tiết lên lớp:
05 ti
ế
t
Bảng phân chia thời lượng
STT Nội dung Số tiết
1 Thành ph
ầ
n và c
ơ
ch
ế
ho
ạ
t
độ
ng c
ủ
a vi sinh v
ậ
t
1
2
Độ
ng h
ọ
c t
ạ
o s

ả
n ph
ẩ
m Michealis – Menten
3
Độ
ng h
ọ
c phát tri
ể
n sinh kh
ố
i Monod
1
4
Mô hình
độ
ng h
ọ
c trong các thi
ế
t b
ị
ph
ả
n
ứ
ng
sinh h
ọ

c
5 Quan h
ệ
gi
ữ
a phân h
ủ
y và sinh kh
ố
i vi sinh v
ậ
t
1
6 Các thi
ế
t b
ị
ph
ả
n
ứ
ng sinh h
ọ
c
1
7
H
ướ
ng d
ẫ

n t
ự
h
ọ
c, th
ả
o lu
ậ
n
Ki
ể
m tra hi
ể
u bài và s
ử
a bài t
ậ
p
1

Trọng tâm bài giảng:
-

Lên men do enzym
-

Lên men do vi sinh v
ậ
t
Nội dung

5.1. Động học tạo sản phẩm Michealis – Menten
(xem [1], trang 128-129)

Enzyme là ch
ấ
t xúc tác sinh h
ọ
c có thành ph
ầ
n c
ơ
b
ả
n là protein, chúng có
kh
ả
n
ă
ng xúc tác
đặ
c bi
ệ
t th
ườ
ng là m
ạ
nh h
ơ
n nhi
ề

u so v
ớ
i các ch
ấ
t xúc tác t
ổ
ng
h
ợ
p
25
Ho
ạ
t tính c
ủ
a enzym ch
ị
u tác
độ
ng b
ở
i nhi
ề
u y
ế
u t
ố
. Ch
ấ
t

ứ
c ch
ế
là các
phân t
ử
làm gi
ả
m ho
ạ
t tính c
ủ
a enzym, trong khi y
ế
u t
ố
ho
ạ
t hóa là nh
ữ
ng phân
t
ử
làm t
ă
ng ho
ạ
t tính c
ủ
a enzym

Các c
ơ
ch
ấ
t k
ế
t h
ợ
p v
ớ
i trung tâm ho
ạ
t
độ
ng t
ạ
o ph
ứ
c h
ợ
p enzyme - c
ơ
ch
ấ
t (ES)
E+S
→
ES
→
E + P

S: c
ơ
ch
ấ
t
P: s
ả
n ph
ẩ
m
Yêu c
ầ
u :E và S ph
ả
i b
ổ
ng sung v
ề
m
ặ
t không gian và h
ợ
p nhau v
ề
m
ặ
t hó
h
ọ
c, có kh

ả
n
ă
ng hình thành nhi
ề
u liên khác y
ế
u v
ớ
i nhau
Chúng liên k
ế
t sao cho có th
ể
t
ạ
o ra và c
ắ
t
đứ
t s
ự
dính nhau
đượ
c gây nên
do bi
ế
n
độ
ng nhi

ệ
t ng
ẩ
u nhiên
ở
nhi
ệ
t
độ
th
ườ
ng
5.2. Động học phát triển sinh khối Monod
(xem [1], trang 129-131)

5.2.1. Giới thiệu chung.
Vi sinh vật là tên gọi chung để chỉ các loài sinh vật có kích thước nhỏ bé
khác nhau. Trong việc bảo vệ môi trường người ta sử dụng vi sinh vật làm sạch
môi trường, xử lý nước thải bằng phương pháp kỵ khí hay hiếu khí đều là những
phương pháp đem lại hiệu quả cao và tiết kiệm chi phí xử lý
.
5.2.2. Sự sinh trưởng của vi sinh vật
Monod
đ
ã xây d
ự
ng ph
ươ
ng trình miêu t
ả

t
ố
c
độ
phát tri
ể
n sinh kh
ố
i c
ủ
a vi
sinh v
ậ
t nh
ư
sau
µ = µ
max
[s]/(k + [s]).
Trong đó k: hằng số Monod

Luyện tập trên lớp:
Câu hỏi lý thuyết:
1.

Hãy phân bi
ệ
t s
ự
khác nhau gi

ữ
a lên men do enzym và lên men do vi
sinh v
ậ
t.
2.

Emzym có c
ấ
u t
ạ
o nh
ư
th
ế
nào?
3.

Ho
ạ
t tính c
ủ
a enzym ch
ị
u tác
độ
ng b
ở
i nh
ữ

ng y
ế
u t
ố
nào?