Bài giảng Kỹ thuật phản ứng - Nguyễn Bảo Việt

I THI U V K THU T PH N

NG

N

NG H C PH N

LÝ D

KI

NG SINH H C

NG TH

NG H C

Bài t p 1 Bài t p 2 N THI T K THI T B PH N

NG

Bài t p 3 ( ng d ng computer) Bài t p 4

C

GI I THI U V K THU T PH N

NG

K

C A

c eq a eq

.D .B

d eq b eq

2 NO2 (k )

1 O2 (k ) 2

N 2O5 (k )

ri

ri

1 dN i V dt

1 V .dCi .

V dt

1 d (Ci.V ) .

V dt

NA CA

NB CB

rA

dC A ; rB dt

dCB ; rC dt

rA a

rB b

rD d

Pi .V Ci

NC CC

rC c

dCi dt

ND CD dCC ; rD dt

N i .R.T Ni V

Pi R.T

ri

1 dPi .

R.T dt

dCD dt

NG H C PH N

N2

3H 2

C6 H12O6 6O2

NG TH

2 NH 3

6CO2 6H 2O

CH 4

Cl2

CH 3Cl

CH 3Cl Cl2 CH 2Cl2

Cl2

CHCl3 Cl2

HCl

CH 2Cl2

HCl

CHCl3

HCl

CCl 4

HCl

rA rB

kA a

ri

ri

ki .C A .CB

1 dN A V dt 1 dN B V dt

k A .C A .C B k B .C A .C B

kB b

ki .C A .CB

[ki 0 .e(

Ea / RT )

].C A .CB

ki

[ki 0 .e( ln( ki )

Ea / RT )

]

ln( ki 0 )

Ea RT

3: X

rA

rA kA a

dC A dt kB b

LÝ D

KI

1 dN A V dt

dC A dt

k A .C A .CB

k A ; rB

dC B dt

kB

C A (t ) C A0 k A.t CB (t ) CB 0 k B.t

NG H C

C A0 C A (t ) k A.t CB 0 CB (t ) k B.t dCi dt

ri

rA rB

C A0 / 2

C A0

k A.t1/ 2

t1/ 4

3C A0 / 4k A

t1/ 8

7C A0 / 8k A

t1/ 2

C A0 / 2k A

dC A dt

ki .C A .CB

dC A dt dCB dt

k A .C A

k A .C A k B .C A

ln C A (t )

k A .t ln C A0

C A (t ) ln

C A0 .e

C A0 C A (t )

k A .t

k A .t

C A0 / 2 C A0 .e

k A .t1 / 2

C A0 / 4 C A0 .e

k A .t1 / 4

t1/ 2

ln(1 / 2) / k A

t1/ 4

ln(1 / 4) / k A

t1/ 4 t1/ 2

X A (t )

X A (t )

C A (t )

ln(1 / 4) ln(1 / 2) kA

N A0

dC A dt

rA

rA

d C A0 (1 X A (t )) dt

k A .C A (t ) k A .C A0 .[1 X A (t )]

ln[1 X A (t )]

k A .t

ln(1 / 2) kA

N A (t ) N A0

C A0 C A (t ) C A0

C A0

C A0 . X A (t )

C A0 . 1 X A (t )

rA

k A .C A2

rB

k B .C A2

C A0 .dX A (t ) dt

dC A dt

k A .C A2

dC A C A2

k A .dt

1 1 C A (t ) C A0

k A .t

dC A dt C A (t ) C A0

k A .C 1A .C 1B

rA

C B (t )

rA

C A (t )

C A0 1 C A0 .k A .t

ln t1 / 2

1 ; t1 / 4 k A .C A0

X A (t ).C A0

CB 0

X A (t ).C A0

C A0 .d [1 X A (t )] k A .[C A0 C A0 .X A (t )].[CB 0 C A0 .X A (t )] dt d [1 X A (t )] dt

k A .[1 X A (t )].C A0 .[ M

M X A (t ) [1 X A (t )].M

k A .C A0 .t.[M 1] k A .t.(CB 0 C A0 )

X A (t )]

3 k A .C A0

C A (t ) C A0 C A0 . X A (t ) CB (t ) C B 0

dC A dt

1 C A (t )

b .C A0 . X A(t ) a

b [C A0 C A0 . X A (t )] a

b k A .C A (t ).CB (t ) k A .C A (t ). .C A (t ) a b 2 ' 2 .k A .C A (t ) k A .C A (t ) a 1 C A0

k A' .t

rA

dC A (t ) dt

k A .C A

ln rA

ln k A

. ln C A (t )

rA

rA

dC A (t ) dt

k A .C A .CB .CC

k A .C A (t ).CB 0 .CC 0 (k A .CB 0 .CC 0 ).C A (t )

C A (t ) ' A

k .C A

CB (t )

CC (t ) C A0

4: CÁC V THI T B PH N

dC A (t ) k1.C A dt dCC (t ) k 2 .C B dt dC B (t ) k1.C A dt

rA rC rB

C A (t ) C A0 .e

dCB dt

rB

dCB dt

k1t

k1.C A0 .e

k2 .CB (t )

CB (t )

k 2 .C B

k1 .t

k2 .CB (t )

k1.C A0 .e

k1.C A0 .[e k 2 k1

k1 .t

k1 .t

e

k 2 .t

]

CC (t ) C A0 C A (t ) C B (t ) CC (t ) C A0 [1

dCB (tmax ) dt

k2 k2 k1

.e

k1 k2 ; k1.k2

k1 .t

k1 k2 k1

e

k 2 .t

]

ln 0

tmax

CB max

C A0

k1 k2

k2 k 2 k1

N THI T K NG

0

E (t ).dt

1

F (t )

t 0

E (t ).dt

F (t )

C (t ) C max

rA .V dN A dt

dN A dt N A0 .

dX A dt

dX A rA .V dt t N A 0 .dX A t rA .V 0

N A0 .

XA 0

t

FA0

FA0 (1

FA0 . X A

NA

dN A dt C A .V

dC A rA CA

t C A0

rA .V

rA .V

FA0 . X A rA

V

rA .V

X A)

V

C A0 C A rA

dt dC A rA

FA0 .(1

X A)

FA0 .dX A V

0

0

V

(X A

dX A ))

rA .dV XA

dV FA0

FA0 (1

dX A rA CA

CA0

dC A rA

XA

V 0

FA0 .dX A rA

rA .dV

5: PH N

NG SINH H C

k1.C E .C S dC P / dt rS

-

rP

dCP dt

k3 .CE 0 .

CS C S CM

k 2 .C ES k3 .C ES

k3 .C ES k3 .

C E 0 .CS CM C S

dCS dt

k3 .CE 0 .

CM . ln

CS CM

CS 0 CS

CS (CS 0

CS 0 CS ln(C S 0 / C S )

CS 0 CS ( rS )

CS )

CM

(CS 0

CS ).

k3 .CE 0 .t

k 3 .C E 0 .

t ln(C S 0 / C S )

(CM CS ) k3 .CE 0 .CS Ed

k3 .CE 0 .

CS

(CS 0

CM

CS ).(CM CS

k3 .

CS )

C E 0 .C S .

CS 0 CS

kd

A.e RT

r

CM

k3 .CE 0 .CSA CSA N .CSB0 .CM

k3 .CE 0 .CSA CM (1 N .CSB0 ) CSA

-

r

CM

CSA

k3 .CE 0 .CSA N .CSB0 .CM L.CSA.CSB0

k3 .C E 0 .CSA (1 L.CSB0 ) 1 N .CSB0 ) CM ( 1 L.CSB0

CSA

max

CS max

.C S KS

k .CC

-

K 'S

K S (1

CR n ) CR *

Bài t p 1 1.1. Cho ph n ng A + 3B zero và th i, a/ Hãy mô t s bi b/ Khi nào n

in

u ki

u: C B0 = 2CA0 và CC0 = 0. Ph n ng b c

theo th i gian ph n ng

A và B cân b ng nhau

c/ Tác ch t nào s h 1.2. H ng s t nhau:

2C v

c ? Bi u di

th .

ph n ng K c a m t ph n ng b Nhi

nh

ng c a nhi

khác

K (mol/m3 .min) 522 755 1700 4020 5030

( C) 319 330 354 378 383

a/

các nhi

lên K có tuân theo mô hình Arrhenius không?

b/ N u ph n ng có d ng A B v i CA0 = 2 kmol/m3 và C B0 = 1 kmol/m3. Hãy bi u di n s in c a 2 ch t trên theo th i gian ph n ng t i nhi 340 C. c/ Khi nào toàn b ch d/ Tính th

N

N 0 .e

c s d ng h t cho ph n ng ? T

A gi m m t n

1.3. Cho ph n tích iv ih nh

k d .t

ch t B là bao nhiêu?

u (t i 340 C).

ng th b c 0: A ug

c th c hi n trong bình ph n ng th t qu sau:

2.7 R, 0 1

Th i gian, h Áp su t t ng, at

1 1.5

a/ N u h n h u có áp su t t ng là 10 at g m A nguyên ch t (không ch nh áp su t t ng sau 1h.

kT

kTref .e

Ea 1 .( R Tref

1 ) T

b/ N u A có áp su t riêng ph nh áp su t t ng sau 1h.

1.4. Ph n ng pha l ng A Th i gian, ph CA, mol/l

t riêng ph

u là 9at. Xác

R+S

0

36

65

100

160

0.1823

0.1453

0.1216

0.1025

0.0795

v i CA0 = 0.1823 mol/l; C R0 = 0; C S0

0.0494

n t c c a ph n ng trên.

1.5. Tìm b c t ng quát c a ph n ng không thu n ngh ch: 2H2 + 2NO

Bài t p 2

N2 + 2H2O

2.1. Cho ph n ng thu n ngh ch sau:

t s li u thí nghi m trong m t bình ph n ng có th và NO: 200 265

Áp su t t ng , mmHg t1/2, s

240 186

ng mol H2O

A + B 280 115

320 104

C

360 67 Gi s ph n ng là stoichiometry và: dCC/dt = k 2.CA .CB k1.CC u ki

1.6. Cho ph n ng sau: ( 279.2 C) SO2Cl2

V i k1 = 0.5/ph; k2 = 2.0 L/ph.mol

Cl2 + SO2

u ki n th tích h n h

u: CA0 = 2 mol/L, C B0 = 2 mol/L, CC0 = 0.1 mol/L

i, theo dõi áp su t t ng c ng theo th

nh n

c d li u

các ch t A, B , C theo th i gian ph n ng.

sau: t, ph Pt, mmHg

3.4 325

15.7 335

28.1 345

41.1 355

1.7. M t ph n ng pha khí gi qu th c nghi PA0 (mmHg) 500 125 250 250

68.3 375

nh t

82.4 385

96.3 395

ph n ng d a trên k t

2.2. Cho chu i ph n ng:

Bi t c 2 ph n

u là b c 1 và có:

K1 = 0.1/min ; K2 = 0.05 /min; PB0 (mmHg) 10 15 10 20

1.8. Cho ph n ng A + B + C ph n ng.

TN 1 2 3 4

cl

54.5 365

t1/2 (min) 80 213 160 80

CA0 = 1.0 mol/L; C B0 = CC0 = 0 mol/L nh n

2.3. Cho các ph n ng song song sau:

P. D a trên k t qu th c nghi m, hãy xây d ng bi u th c t c

CA0 (M) 0.151 0.251 0.151 0.151

các ch t A, B , C theo th i gian ph n ng.

A+B

P1 (b c n)

A+B

P2 (b c n*)

Gi s n = n*. N CB0 (M) 0.213 0.105 0.213 0.250

CC0 (M) 0.398 0.325 0.525 0.480

r0 (M/s) 0.480 0.356 1.102 0.988

ch t A theo th

t, ph

0

5

10

20

40

60

80

100

CA, mol/L

20

18.2

16.7

14.3

11.1

9.1

7.7

6.7

Sau 100 phút, n

cács n ph m l

t là 2.66 mol/L và 10.64 mol/L.

nh b c các ph n ng trên và h ng s t N un

các tác ch

u là 0.1 M thì t

ph n ng là bao nhiêu?

ph n ng.

2.4. Cho ph n ng sau: 2A + B

2.7. Cho ph n ng b c 2: 2N2O

C

Ph n ng có b c 2 v

3

ng h c là: r = -k.C A.CB v i k = 0.002 L/mol.s

có k = 977 cm /mol.s

Thi t b ph n ng có các thông s

Bi t áp su phút.

ng: 10 L/phút

2N2 + O2 ,

895 C.

u là 1 at, hã

chuy n hóa c a ph n ng t i các th

m 1s, 10s và 10

CA = 5 mol/L; C B = 3 mol/L; CC = 0 mol/L 2.8. Cho ph n ng A

chuy n hóa ph n ng X = 0.8

u là: CA0 = CB0 = 1 kmol/m3

u ki

nh th tích bình CSTR dùng cho ph n ng

ng h c sau: dCA/dt = -k.CA v i k = 4.2x10 -4/s.

B

ng dòng ch y là 10 m3/h

án thi t k :

nh th tích thi t b PFR dùng cho ph n ng.

- Ch dùng bình CSTR 2.5. Ph n ng pha l ng A

2R th c hi n trong bình ph n ng th tích 5 Lít ho

Ta có CA0

ng liên t c.

Gi s nhi

n t c d a trên k t qu th c nghi m ng nh p li u (cm3/s)

TN

( C)

u ra: C R (mol/L)

2

13

1.8

2

15

13

1.5

3

15

84

1.8

2A

i ho

ng

c/ So sánh 2 ph

2.9. Ph n ng không thu n ngh ch sau th c hi n i:

u ki n kh

ng riêng và nhi

v i k1 = 0.15/phút và k2 = 0.05/phút.

R+S

t, s

chuy n hóa 90%.

b/ Tính th tích các thi t b

100 C, 1 at th c hi n ph n ng:

Ph n ng ho

Trong dòng nh p li u có ch Tính th tích thi t b

nh.

a/ Tính th Nhi

1

2.6. Cho bình ph n ng d ng ng th

u vào thi t b PFR có CA = 0.5 kmol/m3)

- Dùng k t h p CSTR n

chuy n hóa 95% d a trên các d li u kh o sát v ph n ng: PA, at

t, s

PA, at

ng liên t c v

ng nh p li u 150 L/phút. Bi t CR0 = CS0 = 0.

Hãy cho bi

t R t t nh t

a/ Bình khu y tr n liên t c V = 300 L b/ 2 bình khu y tr n liên t c V =150 L/bình n i ti p nhau

0

1.00

140

0.31

20

0.80

200

0.17

40

0.68

260

0.09

60

0.58

330

0.04

80

0.49

420

0.01

100

0.42

c/ 2 bình khu

c song song

d/ Thi t b d ng ng có V = 300 L

không

3.3. Cho chu i ph n ng :

Bài t p 3 ( ng d ng computer)

V n t c ph n 3.1. Trong m t thi t b ph n ng có các ph n ng sau :

G in

các ch t

tr ng thái

x1 = cA Sau khi bi

r1=k1.cA.cB

dC B/dt = k1.CA

r2=k2.cC.cB

dCC/dt = k2.C B T i th

nh là :

x2 = cB

i các bi u th c

c bi u di n qua h dCA/dt = -k1.CA

x3 = cC

k2.CB

m t =0 , ta có : CA = 5 ; C B = CC = 0.

Cho k1 = 1 và k2 = 2. Hãy vi u tiên.

x4 = cD

ch

u di n s bi

in

các ch t trong 5 gi

v(cA0 3.4. V n t c bi

v(cB0 v(cC0 v(cD0

các tác ch t trong m t h n h p ph n

x4) + V(k2.x3.x2) = 0

dCES/dt = k1.CE1.5.CS - k2.C ES k3.C ES0.8

c khi ph n ng , V là th tích h t i th

m cân b ng.

dCS/dt = -k1.CE1.5.CS + k2.C ES

Cho các thông s sau : V = 100; v = 1; k1 = 1; k2 = 1

dCP/dt = k3.C ES0.8

cA0 = 1; cB0 = 2; cC0 = cD0 = 0

Vào th

các ch t t i tr ng thái cân b ng.

m t = 0, n

các ch

CE0 = 10 mol/l

CES = 0

CS0 = 100 mol/l

Cho k1 = 10 ; k2 = 5 ; k3 = 10 3.2. Cho m t h ph n ng sau :

Vi r1=k1.cA.cB r2=k2.cC.cB r3 = k3.cA

ng dòng vào: v = 0.1 lit/s ch g m 2 ch t A và B. N

c mô t b i h

dCE/dt = -k1.C E1.5.C S + k2.C ES + k3.C ES0.8

V i v là th tích h

Tìm n

in

u c a A : cA0 = 0.5 M

G i y = cB0 / cA0.

Gi s th tích h n h i trong su t quá trình x y ra ph n ng. Tìm n m cân b ng v i y = 0.5, y = 1 và y = 2. th Bi t các h s ph n ng t i 298K và 315K có các giá tr sau : k1(298K) = 2.1 × 10

2

k2(298K) = 1.5 × 10

2

k3(298K) = 0.00012 s

l/mol.s l/mol.s 1

k1(315K) = 3.6 × 10

2

k2(315K) = 4.5 × 10

2

k3(315K) = 0.00026 s

l/mol.s l/mol.s 1

các ch t t i

nh n

các ch t t i th

m t = 10s

CP0 = 0

Bài t p 4 4.1. Cho ph n ng gi li u th c nghi

t S và enzyme A trong bình khu y liên t c V = 6L. D a trên d n t c ph n ng.

CE0 (mol/l)

CA0 (mol/l)

CA (mol/l)

q, (lít/h)

0.02

0.2

0.04

3.0

0.01

0.3

0.15

4.0

0.001

0.69

0.60

1.2

4.2. Ph n ng phân h y sucrose b ng enzyme sucrase: u ki

n ph m

u: CA0 = 1 mol/m3 và C E0 0.01 mol/m3

nh v n t c ph n ng d a trên d li u v s bi

in

s n ph m theo th i gian.

t, h

2

6

10

CA, mol/m3

0.68

0.16

0.006