bài giảng kỹ thuật phản ứng hot - Pdf 18

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:

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
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

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

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:
/ ( )

= 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.

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:

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 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)

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

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

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].
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


i c

a c

u t

i khi th

tích
bi
ế
n
đổ
i ho

c không bi
ế
n
đổ
i là:

dN
1
i
r
i
V dt
=
=
( )

o

= =
+ ε
=
A
A
A A
1 X
C
o
1 X

+ ε

V

i
A
ε
là ph

n th

tích bi
ế
n
đổ
i t



c
độ

đượ
c vi
ế
t cho tác ch

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


n

ng t

i
m

t nhi

t
độ
cho tr
ướ
c và bây gi

ta s

xét
đế
n vai trò c

a nhi

t
độ
trong v

n t

c

V

i ph

n

ng s
ơ

đẳ
ng lý thuy
ế
t tiên
đ
oán r

ng h

ng s

v

n t

c tùy thu

c
nhi

t

α
/
m E RT
e

Τ


/
E RT
e

bi
ế
n
đổ
i nhi

u h
ơ
n
m
Τ
theo nhi

t
độ
nên s

bi

k e
o


B

ng cách v

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

n t

c ph

n

ng
đặ
c tr
ư
ng cho y
ế

ng trình v

n t

c g

m nh

ng giai
đ
o

n nào ?
4.

Các d

ng ho

t
độ
ng c

a thi
ế
t b

ph

n


p nào
7.

Ph
ươ
ng pháp vi phân thích h

p trong tr
ườ
ng h

p nào
20
8.

Trình bày ph
ươ
ng trình v

n t

c ph

n

ng t

ng quát v


ướ
c dùng tích phân
để
x

lý s

li

u
độ
ng h

c
11.

Ph
ươ
ng trình v

n t

c ph

n

ng b

c 1
12.

ng b

c 3 lo

i 3 phân t


14.

Ph
ươ
ng trình v

n t

c ph

n

ng th

c nghi

m b

c n
15.

Ph
ươ


ng nào
17.

B

c t

ng quát c

a ph

n

ng không thu

n ngh

ch theo th

i gian bán sinh
/
1 2
t

18.

Th
ế
n


t
21.
Đườ
ng bi

u di

n n

ng
độ
– th

i gian cho ph

n

ng song song.
22.
Đườ
ng bi

u di

n n

ng
độ
– th



24.

H

ng s

v

n t

c cho ph

n

ng xúc tác
đồ
ng th


25.

Ph

n

ng t

xúc tác

ng pha l

ng s
ơ

đẳ
ng
A + B R + S
v

i k
1
= 7 lít/mol. ph và k
2
= 3 lít /mol.ph
đượ
c th

c hi

n trong bình ph

n

ng khu

y tr

n ho


ư
u l
ượ
ng th

tích b

ng nhau
để

đạ
t
độ
chuy

n hóa c

a tác ch

t gi

i h

n là
75%. Gi

s

kh


độ
c

a các c

u t

trong dòng nh

p li

u chung là:
, /
o
A
C 1 4mol l
=

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

V

i

=

, , . , , /
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

n t

c trong
đ
i

u ki

n này là:

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


nh
ư
v

y l
ư
u l
ượ
ng m

i dòng là 4 l/ph.
Bài tập về nhà:
1. Ti
ế
n hành ph

n

ng b

c 1 trong thi
ế
t b

ph

n

ng khu

đị
nh
n

ng
độ
c

a A (C
A
) là hàm c

a th

i gian ph

n

ng (t);
22
Đ
S:
kt
AoA
eCC

= .

2. Cho ph


độ
ng
gián
đ
o

n,
đẳ
ng nhi

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

i k
10
= 0,554x10

ng trình
Arrhenius).
Hãy l

p ph
ươ
ng trình
độ
ng h

c cho c

u t

A.
Đ
S:
1 2
A
A A
dC
k C k C
dt
− = +

3. Cho ph

n

ng:

đ
o

n,
đẳ
ng nhi

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

i k
10
= 0,554x10
4
(ph
-1


i gian ph

n

ng c

n thi
ế
t
để

đạ
t
độ
chuy

n hóa X
A
= 0,90.
Đ
S: 47 phút.
4. Xét ph

n

ng thu

n ngh


ngh

ch k
2
= 3 l/mol.ph. Ph

n

ng
đượ
c th

c hi

n trong m

t thi
ế
t b

ph

n

ng
khu

y lý t
ưở
ng, ho

t
23
dòng ch

a 1,6 molB/l. Gi

s

kh

i l
ượ
ng riêng c

a h

n h

p ph

n

ng không
đổ
i. Vi
ế
t ph
ươ
ng trình
độ


y ra trong m

t thi
ế
t b

ph

n

ng ki
ế
u khu

y lý t
ưở
ng, h

at
độ
ng
gián
đ
o

n,
đẳ
ng nhi


t
độ
là 120
o
C. Hãy l

p ph
ươ
ng trình cân b

ng v

t ch

t cho c

u
t

A.
Đ
S:
A
A
kC
dt
dC
=−

Tài liệu tham khảo:

t
Số tiết lên lớp:
05 ti
ế
t
Bảng phân chia thời lượng
STT Nội dung Số tiết
1 Thành ph

n và c
ơ
ch
ế
ho

t
độ
ng c

a vi sinh v

t
1
2
Độ
ng h

c t

o s

c
5 Quan h

gi

a phân h

y và sinh kh

i vi sinh v

t
1
6 Các thi
ế
t b

ph

n

ng sinh h

c
1
7
H
ướ
ng d


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

Enzyme là ch

t xúc tác sinh h

c có thành ph

n c
ơ
b

n là protein, chúng có
kh

n
ă
ng xúc tác
đặ
c bi

t th
ườ
ng là m

nh h
ơ
n nhi



c ch
ế
là các
phân t

làm gi

m ho

t tính c

a enzym, trong khi y
ế
u t

ho

t hóa là nh

ng phân
t

làm t
ă
ng ho

t tính c

a enzym

S: c
ơ
ch

t
P: s

n ph

m
Yêu c

u :E và S ph

i b

ng sung v

m

t không gian và h

p nhau v

m

t hó
h

c, có kh


t ng

u nhiên

nhi

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

ng ph
ươ
ng trình miêu t



a lên men do enzym và lên men do vi
sinh v

t.
2.

Emzym có c

u t

o nh
ư
th
ế
nào?
3.

Ho

t tính c

a enzym ch

u tác
độ
ng b

i nh


Nhờ tải bản gốc

Tài liệu, ebook tham khảo khác

Music ♫

Copyright: Tài liệu đại học © DMCA.com Protection Status