Bài giảng - Kỹ thuật phản ứng - chương 3 docx

08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
1
Chöông 3: Phöông trình thieát keá
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
2
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)
= (Lượng tác chất tích tu (biến đổi)ï)
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
3
PHÂN TỐ
THỂ TÍCH
(TÍCH TỤ)
VÀO RA
PHẢN ỨNG
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
4
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 tu (biến đổi)ï)
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke

5
PHÂN TỐ
THỂ TÍCH
(TÍCH TỤ)
VÀO RA
TRAO ĐỔI
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
6
Các dạng bình phản ứng khuấy trộn
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
7
3.2. Thiết bò phản ứng khuấy trộn lý tưởng
1. Hoạt động ổn đònh
•
Với: X
A0
, X
Af
là độ chuyển hóa

của dòng nhập
liệu và dòng sản phẩm
•
v là lưu lượng của dòng nhập liệu, m
3
/s
( )
)r (

X X

C v.
V

F
V
hay
0 t V. r t )X 1 ( F t )X 1 ( F
Af
A0Af
A0A0
AfAfAA0A
00
−
−
==
=∆Χ−−∆−−∆−
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
8
Xác đònh nhiệt độ của dòng sản phẩm để tính vận
tốc phản ứng – cân bằng nhiệt lượng
•
m
t
: suất lượng dòng nhập liệu, kg/s
•
C
p

: nhiệt dung riêng dòng nhập liệu (sản phẩm), J/kg.
0
C
ΔH
r
: nhiệt phản ứng, J/mol
K : hệ số truyền nhiệt, W/m
2
.
0
C
S : diện tích bề mặt truyền nhiệt, m
2
0 )T K.S.(T H V. ).r ( C ).T (T mhay
0 )T KS(T F H)X (X C )T (T m
fnrApf0t
fnA0rA0Afpf0t
=−+∆−−−
=−+∆−−−
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
9
Thí dụ 3.1: Xác đònh lưu lượng mỗi dòng nhập liệu
Phản ứng thuận nghòch pha lỏng sơ đẳng
A + B = R + S
với k
1
= 7 l/mol.ph , k
2
= 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%
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
10
Thí dụ 3.2: Xác đònh 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 đònh
Số TN 1 2 3 4 5
τ =V/v ph
0,423 5,10 13,5 44,0 192
X
A
(với

C
A0
=0,002 mol/l
0,22 0,63 0,75 0,88 0,96
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
11
Bảng 3.1
Thí

nghiệm
số
X
A
1 0,423 0,22 0,639
2 5,10 0,63 0,227
3 13,5 0,75 0,143
4 44,0 0,88 0,064
5 192 0,96 0,021
V
= ,ph
v
τ
A
A
1- X
1+ X
C
o
A A
A
X
= (-r )
τ
, . ,
.
.
5
0 002 0 22
10 4 10

0 423
−
=
, . ,
, .
,
5
0 002 0 63
24 7 10
5 10
−
=
, . ,
, .
,
5
0 002 0 75
111 10
13 5
−
=
, . ,
.
5
0 0 02 0 88
4 10
44
−
=
, . ,

.
5
0 002 0 96
1 10
192
−
=
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
12
3.2. Thiết bò phản ứng khuấy trộn lý tưởng
2. Hoạt động gián đọan
dt
dX
N V )r (
dt
dX
N
dt
)]X 1([N d
V )r (
dt
dN
V )r (
0 t ; N t V. )r (
A
A0A
A
A0
AA0

A
A
A
AA
=−
−=
−
=−−
=−−
→∆∆=∆−−
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
13
Sắp xếp lại và lấy tích phân
( )
( ) ( )
( ) ( )
∫∫
∫∫
∫
+−
=
+−
=
+=
−
−=
−
==
−

=
AA
A
A0
A
A
X
0
AAA
A
A0
X
0
AA0A
A
A0
AA0
C
C
A
A
X
0
A
A
A0
X
0
A
A

A0
)X (1 r
dX
C
)X (1V r
dX
N t
)X (1 V V *
r
dC

V r
dX
C t const V *
V r
dX
N t
εε
ε
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
14
Thí dụ 3.3:
a) Tính thời gian phản ứng
b) Thể tích bình phản ứng khuấy gián đọan
CH
3
COOH + C
4
H

9
OH→CH
3
COOC
4
H
9
+ H
2
O

100
0
C, xúc tác H
2
SO
4
nồng độ 0,032%k.l

Nhập liệu: 4,97 mol butanol/mol axit

Phương trình vận tốc (-r
A
)= k.C
A
2
với k =
17,4 ml/ mol.ph

ρ = 0,75 g/ml = const


X
Af
= 50%
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
15
3.3. Thiết bò phản ứng dạng ống lý tưởng
( )
( )
∫
−
=
−
=
→∆∆
=∆−−∆
=∆∆−−∆∆−−−∆−
Af
0
00
X
0
A
A
A0
A0
AA
AAA
AAAAAA

)r(
dX

F
V

F
)r (

dV
dX

0 V V, Chia
0 V r XF hay
0 t V. r t )X X 1 ( F t )X 1 ( F
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
16
Thí dụ 3.4: Tính thể tích bình phản ứng ống
4PH
3(k)
→ P
4(k)
+ 6H
2(k)


(-r
PH3
) = (10 h

-1
) C
PH3

Họat động ở nhiệt độ 650
0
C, áp suất 4,6 atm

X
af
= 80%

Nhập liệu có suất lượng 2 kmol/h phosphin
nguyên chất.
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
17
Thí dụ 3.5: CH
4
+ 2S
2
→ CS
2
+ 2H
2
S

Bình phản ứng ống có V = 35,2ml

Thí nghiệm ở 600

0
C, 1atm thu được 0,10g
CS
2
trong 10 ph.

Suất lựơng ổn đònh của S
2
là 0,238 mol/h,
mêtan là 0,119 mol/h
a) Xác đònh r
CS2
b) Tìm k với (-r
A
)=kp
CH4
.p
S2
bằng 2 phương
pháp
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
18
Bài tập 3.5.
Cho phản ứng tạo thành etilen glycol như sau:
CH
2
OH-CH
2
Cl + NaHCO

3
(CH
2
OH)
2
+ NaCl + CO
2

Phản ứng sơ đẳng k = 5,2 l/ mol.h ở 82
0
C

Có 2 dòng nguyên liệu có sẵn như sau:

Dd 15% k.l bicarbonat sodium

Dd 30% k.l etilen clorhidrin trong nước
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
19
Câu hỏi cho bài tập 3.5
a) Tính thể tích bình phản ứng khuấy trộn
hoạt động ổn đònh 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%?
08/05/14 Chuong 3 - Phuong trinh th
iet ke
20
Bài tập 3.1. Phản ứng pha khí đồng thể A 3R xảy ra
theo bậc 2

Với lưu lượng nhập liệu là 1.000 l/h A nguyên chất ở 5
atm và 350
0
C thiết bò phản ứng thí nghiệm là ống có
đường kính 25mm, dài 1.800mm cho độ chuyển hóa đạt
60%.

Thiết bò phản ứng dùng trong sản xuất để phản ứng
80m
3
/h hỗn hợp nhập liệu gồm 50%A và 50% khí trơ ở
25 atm và 350
0
C đạt độ chuyển hóa 80%
a) Cần sử dụng bao nhiêu ống đường kính 25mm, dài
1.800mm
b) Các ống này được mắc song song hay nối tiếp?
Giả sử là ống lý tưởng, không có độ giảm áp, khí lý
tưởng