Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế - Trần Tấn Việt

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Chương 4: Áp dụng phương trình thiết kế - Trần Tấn Việt

1. ▪ Có thể sử dụng một trong nhiều dạng bình phản ứng ▪ Thay đổi tỷ lệ nồng độ tác chất trong nhập liệu ban đầu ▪ Yếu tố ảnh hưởng đến lựa chọn: ❖Lọai phản ứng ❖Chi phí thiết bị và dụng cụ đo ❖Tính ổn định khi họat động ❖Tính linh động của thiết bị khi thay đổi điều kiện họat động
2. 4.1. So sánh kích thước thiết bị phản ứng đơn (1) Bình phản ứng khuấy trộn họat động ổn định & Bình ống ✓ Sử dụng trực tiếp phương trình thiết kế ✓ Sử dụng giản đồ (hình 4.1)
3. 4.1. So sánh kích thước thiết bị phản ứng đơn (2) Sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của 2 tác chất trong phản ứng bậc hai – Bình ống, hình 4.2 C M = B0  1 CA0 C V 1 M − X  = A0 = ln A , M 1 M 1 F k C (M − 1) M(1 − X ) A0 M 1 A0 A C V 1 X  = A0 = A , M = 1 M= 1 F k C (1 − X ) A0 M= 1 A0 A
4. (2) Sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của 2 tác chất trong phản ứng bậc hai – Bình khuấy liên tục, hình 4.3 C V X  = A0 = A , M 1 M 1 F k C (1 − X ) (M − X ) A0 M 1 A0 A A C V 1 X  = A0 = A , M = 1 M= 1 F k C (1 − X )2 A0 M= 1 A0 A
5. Thí dụ 4.1. Phản ứng A + B → sản phẩm (-rA) = (500 l/ mol.ph) CA. CB ▪ Bình ống Vo = 0,1 lít; v = 0,05 l/ph ▪ CA0 = CB0 = 0,01 gmol/ lít a) Xác định XAf ? b) Cùng năng suất và XAf , tìm Vk ? c) Cùng năng suất, tìm XAf nếu có Vk = Vo Nếu CB0 = 0,015 gmol/ lít, CA0 = 0,010 gmol/ lít d) Với cùng v, tìm XAf cho bình ống ? e) Với cùng XAf ban đầu, tìm tỷ lệ gia tăng năng suất? f) Tìm v cho bình phản ứng có Vk= 100lít, XAf=99%
6. Thí dụ 4.3. Tìm điều kiện tối ưu A → R ▪ Giả sử A không phản ứng trong dòng sản phẩm được tái chế, hòan lưu với chi phí là $r = 125 đ/gmol A hòan lưu.  Tìm thể tích, suất lượng, độ chuyển hóa, giá thành của R tại điều kiện tối ưu ?
7. 4.2. Hệ nhiều bình phản ứng 4.2.1. Bình ống mắc nối tiếp và/ hay song song X V Aj dX = A FA0 0 (− rA ) j bình phản ứng ống mắc nối tiếp có tổng thể tích V sẽ cho độ chuyển hóa bằng độ chuyển hóa trong một bình phản ứng có thể tích V
8. 4.2. Hệ nhiều bình phản ứng 4.2.2. Bình khuấy liên tục bằng nhau mắc nối tiếp (1) Phản ứng bậc một (hình 4.7) ()− − Cân bằng vật chất  = = = − = +  cho bình i ()− Vì thời gian thể tích  giống nhau cho j bình khuấy −  =  = − = =. = ( +  ) −
9. 4.2. Hệ nhiều bình phản ứng 4.2.2. Bình khuấy liên tục bằng nhau mắc nối tiếp (2) Phản ứng bậc hai (hình 4.8) 1 CAj = − 1 + 2 − 1 + 2 −1+ 2 1 + 4 CA0k  i i = 1 → j 2 k  j CA0 = 1 + CA0 k CA
10. Thí dụ 4.4. Bình khuấy mắc nối tiếp ▪ Bình phản ứng khuấy liên tục đạt độ chuyển hóa 90% tác chất A → R theo phản ứng bậc 2 ❖ Dự định thay bình này bằng 2 bình có tổng thể tích bằng bình trước a) Cùng XAf = 90%, năng súât tăng bao nhiêu? b) Năng suất như cũ XAf tăng bao nhiêu ? ❖ Mắc nối tiếp 2 bình, mỗi bính có thể tích bằng bình trước c) Cùng XAf = 90%, năng súât tăng bao nhiêu? d) Năng suất như cũ XAf tăng bao nhiêu ?
11. Hình 4.10. Giải bằng đồ thị hệ nhiều Hình 4.11. Dạng đường cong bình khuấy mắc nối tiếp theo bất thường Trên H.4.10 vẽ đường cong (-rA)theo CA. (a) Nồng độ dịng vào CAobiết trước (điểm L). (b) CA1 và (-rA)1 tương ứng với điểm M trên đường cong. (c) Hệ số gĩc của đoạn =/// =( −) ( −) = −  Từ L vẽ đoạn thẳng cĩ hệ số gĩc (-1/1) cho đến khi cắt đường cong tại điểm M cho ta CA1 Tương tự từ N ta vẽ đường thẳng cĩ hệ số gĩc (-1/2) cắt đường cong tại P cho ta nồng độ CA2
12. 4.3. Thiết kế cho phản ứng đa hợp 4.3.1. Phản ứng song song (1) Khảo sát định tính sự phân phối sản phẩm dC A ⎯⎯k1 → R (chính) r = R = k Ca1 R dt 1 A dC A ⎯⎯k2 → S (ph ) r = S = k Ca2 S dt 2 A rS dCS k2 a2 − a1 = = CA rR dCR k1
13. rS dCS k 2 a2 − a1 = = CA rR dCR k1 ➢ a1 a2 bậc phản ứng chính lớn hơn bậc của phản ứng phụ → sử dụng bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đoạn hoặc thiết bị phản ứng dạng ống. ➢a1= a2 → sự phân phối sản phẩm chỉ phụ thuộc vào k1, k2 khơng phụ thuộc vào loại thiết bị phản ứng.
14. Ví dụ 4.5. Giả sử cĩ phản ứng pha lỏng. + ⎯⎯→ + + ⎯⎯→ + với phương trình vận tốc thành lập sản phẩm như sau == , ==,, Chi phí tác chất tương đối cao, tuy nhiên chi phí phân tách tác chất ra khỏi sản phẩm là thấp. Ngồi ra kìm hãm sự thành lập S, U là quan trọng hơn là cĩ bình phản ứng nhỏ vì chi phí phân tách S, U cao và chi phí tác chất lớn. Đề nghị mơ hình hệ thống để sản xuất R,T.
15. 4.3. Thiết kế cho phản ứng đa hợp 4.3.1. Phản ứng song song (2) Khảo sát định lượng sự phân phối sản phẩm : là phần tác chất A phản ứng tại thời điểm bất kỳ để tạo thành R, được gọi là hiệu suất nhất thời tạo thành R. = = = = = ()− − + ++(/) − thay   = = −+ = = −
16. 4.3. Thiết kế cho phản ứng đa hợp 4.3.1. Phản ứng nối tiếp (1) Khảo sát định tính sự phân phối sản phẩm
17. Khảo sát định lượng: thiết bị dạng ống hoặc bình khuấy hoạt động gián đoạn = − =−−− = − − − ( ) /( − ) ln( / ) max = max = −
18. Hình 4.18. Nồng độ tương đối của các cấu tử trong phản ứng nối tiếp ⎯⎯→ ⎯⎯→