Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Chương 1: Khái niệm mở đầu

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG 
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 
MỤC TIÊU MÔN HỌC 
VỊ TRÍ MÔN HỌC 
Xử lý vật lý 
Phản ứng hóa học 
Xử lý vật lý 
Nguyên liệu 
Thành phẩm 
Kỹ thuật phản ứng 
Truyền khối 
Thủy cơ 
Truyền nhiệt 
NỘI DUNG MÔN HỌC 
Chương 1: Khái niệm mở đầu 
Động hóa học 
Nhiệt động lực học 
Phân loại phản ứng 
Vận tốc phản ứng 
Phân loại thiết bị phản ứng 
Chương 2: Xử lí dữ kiện động học 
Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích không đổi 
Thiết bị phản ứng gián đoạn có thể tích thay đổi 
Chương 3: Phương trình thiết kế 
Cân bằng vật chất và năng lượng tổng quát 
Thiết bị khuấy trộn lý tưởng hoạt động ổn định 
Thiết bị khuấy trộn lý tưởng hoạt động gián đoạn 
Thiết bị khuấy trộn lý tưởng hoạt động bán liên tục 
Thiết bị phản ứng dạng ống 
Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế 
Hệ một bình phản ứng 
Hệ nhiều bình phản ứng 
Thiết kế cho phản ứng đa hợp 
Chương 5: Thời gian lưu và động học quá trình phản ứng 
Khái niệm 
Hàm mục tiêu 
Mô hình thời gian lưu 
Mô hình toán và ứng dụng 
Chương 6: Đại cương về phản ứng dị thể 
Phân loại phản ứng dị thể 
Phương trình vận tốc cho phản ứng dị thể 
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 
Những khái niệm cơ bản 
Động hóa học và nhiệt động học 
Phân loại phản ứng 
Vận tốc phản ứng 
Thiết bị phản ứng 
Những khái niệm cơ bản 
1.1. Hỗn hợp phản ứng 
A + B C + D 
Dung môi 
Xúc tác 
Ligand 
Buffer solution 
Chất tham gia phản ứng 
Tác chất (reactant) : A , B 
Chất trợ phản ứng 
Xúc tác (catalyst) 
Dung môi (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 C j (gọi tắt nồng độ) : ( ) 
1.3. Áp suất 
Áp suất riêng phần p j : 
Áp suất toàn phần 
1.4. Thể tích phản ứng V: 
1.5. Vận tốc phản ứng hóa học: 
	T hể 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 
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 
2. ĐỘNG HÓA HỌC 
Phản ứng sơ đẳng và phản ứng không sơ đẳng 
Phản ứng sơ đẳng : 	 
A + B R 
(thêm ví dụ) 
Phản ứng không sơ đẳng : 
2. ĐỘNG HÓA 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 HÓA HỌC 
Độ chuyển hóa X A 
	 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 
E A : Năng lượng hoạt hóa 
2. ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC 
Bản chất của năng lượng (P.242 – P.287) 
Năng lượng bao gồm : Thế năng và động năng 
Thế năng : N ăng lượng dựa vào vị trí và cấu tạo 
Động năng : N ăng lượng dựa trên sự chuyển động của vật ( ) 
Năng lượng (Energy) 
Công 
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 CH 4 dùng để sưởi ấm. 
CH 4 (gas) + 2O 2 (gas) CO 2 (gas) + 2H 2 O(gas) + năng lượng (nhiệt) 
Thế năng 
Phản ứng 
2 mol O 2 
1 mol CH 4 
(chất phản ứng) 
2 mol H 2 O 
1 mol CO 2 
(Sản phẩm) 
Môi trường xung quanh 
Năng lượng (nhiệt) 
Bản chất của năng lượng 
	 Ví dụ: Phản ứng hình thành Nitric oxide 
N 2 (gas) + O 2 (gas) + năng lượng (nhiệt) 2NO(gas) 
Thế năng 
Phản ứng 
1mol N 2 
1 mol O 2 
(chất phản ứng) 
2 mol NO 
(Sản phẩm) 
Môi trường xung quanh 
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 công, nhiệt hay cả hai. 
Hệ thống 
phản ứng 
Môi trường xung quanh 
Hệ thống 
phản ứng 
Năng lượng 
Năng lượng 
 U < 0 
 U > 0 
Nội năng của 1 hệ (hệ thống hóa học) - internal energy 
	 Quy ước 
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 công) có giá trị dương (+). 
	 Do đó 
	 Ví dụ : 
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 không đổi, ta có : 
Trong đó : 
 và 
Nhiệt phản ứng 
	Khi cần tính nhiệt phản ứng ở nhiệt độ T theo nhiệt phản ứng ở nhiệt độ T 0 , ta có 
Với 	 
Nếu biết nhiệt dung riêng trung bình trong khoảng nhiệt độ T 0 và T ta có 
2. ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC 
Nhiệt phản ứng 
	 Ví dụ 1.1/p15 
2. ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC 
Cân bằng hóa học 
Xét phản ứng tổng quát	 aA + bB rR + sS 
	 Khi đó hằng số cân bằng K được tính như sau 
	 Trong đó a là hoạt độ 
Nếu phản ứng là chất khí lý tưởng, hoạt độ được thay thế bởi áp suất riêng phần 
2. ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC 
Cân bằng hóa học 
	 Phương trình Van’t Hoff 
	 (Biểu diễn biến thiên hằng số cân bằng theo nhiệt độ) 
 : Biến thiên Enthanpy của phản ứng ở điều kiện chuẩn 
2. ĐỘNG HÓA HỌC VÀ NHIỆT ĐỘNG HỌC 
3 . PHÂN LOẠI PHẢN ỨNG 
Phân loại theo cơ chế: 	 P hản ứng đơn giản/phản ứng phức tạp. 
Phân loại theo số pha : 	Phản ứng đồng thể/dị thể. 
Phân loại theo phương thức làm việc : 
	 Phản ứng gián đoạn/liên tục/bán liên tục. 
Phân loại theo chế độ nhiệt : 
	P hản ứng đẳng nhiệt/đoạn nhiệt/đa biến nhiệt. 
	 Trong kỹ thuật phản ứng ta quan tâm đến số pha và thành phần xúc tác trong hệ, thường chia phản ứng thành: đồng thể và dị thể có xúc tác hoặc không xúc tác 
Không xúc tác 
Có xúc tác 
Đồng thể 
Các phản ứng cháy của ngọn lửa. 
C 2 H 2 + O 2 CO 2 + H 2 O 
Phản ứng ở pha lỏng 
Tổng hợp Biodiesel, xúc tác H 2 SO 4 
Dị thể 
C + O 2 CO 2 + H 2 O 
CaCO 3 CaO + CO 2 
Fe + H 2 SO 4 
Hấp thu khí – lỏng có phản ứng 
Phản ứng khử/oxy hóa xúc tác bằng tác nhân H 2 / O 2 
Phản ứng cracking 
4 . VẬN TỐC PHẢN ỨNG 
Định nghĩa 
	Vận tốc phản ứng là biến thiên số mol trên một đơn vị thời gian trong một không gian xác định. 
Phân loại 
 Dựa trên một đơn vị thể tích hỗn hợp phản ứng 
 Dựa trên một đơn vị thể tích bình phản ứng 
 Dựa trên một đơn vị diện tích bề mặt tiếp xúc pha 
 Dựa trên một đơn vị khối lượng chất xúc tác 
Dựa trên một đơn vị thể tích chất rắn 
Ta có mối liên hệ 
5 . THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 
Hoạt động gián đoạn 
5 . THIẾT BỊ PHẢN ỨNG 
Thiết bị phản ứng dạng ống 
Hệ thống cracking xúc tác 
Nồi nấu nhựa polyester