Bài giảng kỹ thuật phản ứng

07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
1
KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
Chemical Reaction Engineering
Vũ Bá Minh
Bm Máy Thiết bò – ĐH Bách Khoa TP.HCM
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
2
Tài liệu tham khảo
1) Vũ Bá Minh, “Quá trình & TB trong công
nghệ hóa học- tập 4” , Nxb Đại học QG
TP.HCM.
2) Octave Levenpiels; “Chemical Reaction
Engineering”, John Wiley&sons, 1999.
3) H. Scot Foggler, “Elements of Chemical
Reaction Engineering”,International
students edition, 1989.
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
3
Taứi lieọu ủoùc theõm
1) E.B.Nauman, Chemical Reactor Design,
John Wiley & sons, 1987.
2) Stanley M. Walas, Reaction Kinetics for
Chemical Engineers,Int. Student Edition,
1990.
3) Coulson & Richardsons, Chemical
Engineering Vol 6,Elsevier, 1979.
4) Richard M. Felder, Elementary Principles of

Chemical Processes, John Wiley & sons, 2000.
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
4

Kỹ thuật phản ứng đồng thể
(Homogeneous chemical reaction eng.)

Kỹ thuật phản ứng dò thể
(Heterogeneous chemical reaction eng.)
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
5
Kỹ thuật phản ứng đồng thể
•
Chương 1: Khái niệm mở đầu
(Introduction to Chem. Reaction Eng.)
•
Chương 2: Xử lý dữ kiện động học
•
(Interpretation of Chemical Kinetics Data)
•
Chương 3: Phương trình thiết kế (Design Equation)
•
Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế
•
(Application of Design Equation)
•
Chương 5: Hiệu ứng nhiệt độ. (Temperature Effects)
•

Chương 6: Dòng chảy thực (Real Flow)
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
6
Chương 1: Khái niệm mở đầu
QUÁ TRÌNH
VẬT LÝ HÓA HỌC
THUẬN NGHỊCH
K. THUẬN NGHỊCH
TH. NGHỊCH
K. THUẬN
NG
TRUYỀN KHỐI
CƠ, NHIỆT
CÂN BẰNG PHA
Cân bằng P.Ư
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
7
Chương 1: Khái niệm mở đầu
_
•
Thiết kế thiết bò phản ứng (T.B.P.Ư)

không có khuôn mẫu,

có thể có nhiều bản thiết kế,

bản thiết kế tối ưu về kinh tế.
Liên quan đến nhiều lónh vực khác nhau:


Nhiệt động lực học,

Động hóa học,

Cơ lưu chất,

Truyền nhiệt;

Truyền khối.
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
8
Các quá trình trong qui trình sản xuất công nghiệp
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
9
Trước khi thiết kế cần trả lới hai câu hỏi sau:
1. Phản ứng nào là phản ứng chính ?
2. Tốc độ phản ứng đó như thế nào ?
Câu hỏi 1 liên quan đến nhiệt động lực học.
Câu hỏi 2 liên quan đến các quá trình vận
tốc như: động hóa học, truyền nhiệt,
truyền khối…
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
10
1.1. Động hóa học
(Chemical Kinetics)
•

“Động học là cách mà thiên nhiên
ngăn ngừa mọi quá trình xảy ra cùng
một lúc”.
•
S.E. LeBlanc
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
11
1.1. Động hóa học
(Chemical Kinetics)
•
Nghiên cứu tốc độ phản ứng hóa học và cơ chế
phản ứng.
1. Phản ứng đơn và phản ứng đa hợp
(single &multiple reaction)
2. Phản ứng sơ đẳng & không sơ đẳng
(elementary & non elementary reaction)
3. Cân bằng cho phản ứng thuận nghòch sơ đẳng
( Chemical Equilibrium)
4. Bậc phản ứng (Reaction Order)
5. Sự phụ thuộc nhiệt độ – đònh luật Arrhénius
(Temperature dependency)
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
12
1.2. Nhiệt động lực học
(Chemical thermodynamics)

Nhiệt hấp thu hoặc phóng thích


Mức độ phản ứng
1. Nhiệt phản ứng
(Heat of reaction)
2. Cân bằng hóa học
(Chemical Equilibrium)
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
13
1. Nhieät phaûn öùng
)T (T )C(N )T (T )C(N H H
)C(N )C(N C
dTC H H
0tc
p
i0
p
iTr,Tr,
pipip
T
T
p
0
Tr,Tr,
ii
0
ii
0
−−−+∆=∆
−=∆
∆+∆=∆

∑∑
∑∑
∫
sp
tcsp
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
14
2. Caân baèng hoùa hoïc








−
∆−
=
=∆
∆
=
−=∆
12
0
Tr,
T
T
0

T r,
2
0
T r,
0
T
1

T
1

R
H

K
K
ln
constant H
T R
H

dT
lnK d
Hofft Van'
Kln RT F
0
1
2
0
0

07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
15
1.3. Phân lọai phản ứng
Đồng
thể
Không xúc tác Có xúc tác
Phản ứng pha khí Phản ứng pha lỏng
Dò thể
Phản ứng cháy cuả ngọn
lửa
Phản ứng ở thể keo
Phản ứng cháy của than
Nung quặng
Axit + chất rắn
Hấp thu + phản ứng
Tổng hợp ammoniac
Oxit hóa ammoniac
HNO
3
Phản ứng cracking,
reforming
Tổng hợp metanol
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
16
1.4. Đònh nghóa vận tốc phản ứng

Dựa trên một đơn vò thể
tích hỗn hợp phản ứng


Dựa trên một đơn vò thể
tích bình phản ứng

Dựa trên một đơn vò diện
tích bề mặt tiếp xúc pha

Dựa trên một đơn vò
khối lượng chất xúc tác
h.mmol/ ,
dt
dN

V
1
r
3
i
i
=
h.mol/m ,
dt
dN

V
1
r
3
i
b

'
i
=
h.mmol/ ,
dt
dN

S
1
r
2
i
''
i
=
h.kgmol/ ,
dt
dN

W
1
r
i
'''
i
=
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
17
Thí dụ 1.1

•
Một động cơ hỏa tiễn đốt cháy hỗn hợp
nhiên liệu gồm H
2
và O
2
lỏng. Buồng đốt
hình trụ có đường kính là 60cm, chiều dài
75cm và quá trình đốt sinh ra sản phẩm
cháy 108 kg/s. Nếu quá trình cháy hòan
tòan, tìm vận tốc phản ứng của hydrogen
và oxygen.
•

OH O
2
1
H
222
→+
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
18
Thí dụ 1.2
•
Một người nặng 75 kg tiêu thụ khỏang
6.000 kJ thực phẩm mỗi ngày. Giả sử tất
cả thực phẩm là glucose và phản ứng tổng
quát như sau
•

C
6
H
12
O
6
+ 6O
2
6CO→
2
+ 6H
2
O
•
- HΔ
r
= 2.816 kJ
•
Tính tốc độ biến dưỡng theo số mol
oxygen sử dụng trên m
3
cơ thể trong một
giây. Cho biết 2.816 KJ / mol glucose
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
19
Các yếu tố ảnh hưởng đến vận tốc phản ứng

Phản ứng đồng thể


Áp suất

Nhiệt độ

Nồng độ

Phản ứng dò thể

….

Truyền khối giữa hai pha

Truyền nhiệt
Giai đọan kiểm sóat vận tốc (rate controlling step)

07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
20
Thí dụ 1.3
•
Hóa chất A → 2R, thiết bò chêm bằng hạt cầu
không rỗng:

a = 200m
2
/m
3

ρ
B

= 2.908 kg/m
3
(bulk density)

ε = 0,40

Xác đònh đơn vò các đại lượng và các dạng phương
trình vận tốc khác ?
h.kgmol/ ,C 0,1
dt
dN

W
1
- r
A
i
i
''''
==
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
21
1.5. Phân lọai thiết bò phản ứng
1) Phương pháp vận hành /họat động (Mode of Operation)

Gián đọan (batch/ unsteady state)

Liên tục (continuous / steady state)


Bán liên tục (semi continuous)
1) Hình dạng thiết bò phản ứng

Khuấy trộn lý tưởng (Ideal Mixing-Stirred Tank)

Ống/ Đẩy lý tưởng (Ideal Plug Flow Reaactor)
1) Số pha của hỗn hợp phản ứng

Đồng thể (Homogeneous)

Dò thể (Heterogeneous)
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
22
Bình phản ứng khuấy trộn
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
23
Bình ống
Thiïët bõ
phaãn ûáng
Naphtha vaâ
khñ hoaân
lûu
07/11/15 Chuong 1- Khai niem mo
dau
24
Kết hợp giữa hình dạng và phương
pháp vận hành sẽ có bao nhiêu
dạng thiết bò phản ứng

?