KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
• ThS. Hồ Văn Sơn
9/12/2012
1
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Chương 1. Các khái niệm cơ bản
Phân loại phản ứng
Phân loại theo cơ chế: phản ứng đơn giản và
phản ứng phức tạp.
Ø Phân loại theo số pha: phản ứng đồng thể và dị
thể.
Ø Phân loại theo phương thức làm việc: phản ứng
theo phương thức gián đoạn, liên tục, bán liên
tục.
Ø Phân loại theo chế độ nhiệt: phản ứng đẳng nhiệt,
đoạn nhiệt và 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
1.
Ø
9/12/2012
2
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Ø Phản ứng đơn giản: Là những phản ứng xảy ra chỉ
theo cùng một loại trao đổi nguyên tố, có nghĩa là
chỉ có một phản ứng duy nhất. Những phản ứng
này chỉ cần một phương trình lượng hoá và một
phương trình vận tốc để biểu diễn quá trình phản

ứng.
Ø Phản ứng đa hợp: là phản ứng mà trong hỗn hợp
phản ứng xảy ra nhiều phản ứng. Ta phải cần hơn
một phương trình lượng hoá học và phương trình
vận tốc để biểu diễn quá trình phản ứng.
– Phản ứng nối tiếp
– Phản ứng song song
– Phản ứng hỗn hợp
9/12/2012
3
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Không xúc tác
Đồng - Hầu hết phản ứng ở
thể pha khí
- Các phản ứng cháy của
ngọn lửa
Dị thể - Phản ứng cháy của than
- Nung quặng
- Phản ứng của acid với
chất rắn
- Hấp thu khí – lỏng có
phản ứng
Có xúc tác
- Hầu hết phản ứng ở
pha lỏng
- Các phản ứng ở thể
keo
- Tổng hợp ammoniac
-Oxidehóa
ammoniac để sản suất

nitric acid
- Phản ứng cracking
- Tổng hợp methanol
9/12/2012
4
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• 2. Phương trình tỷ lượng
• Hệ có phản ứng hóa học dang:
ν1A1 + ν2A2 → ν3A3 + v4A4
Với hệ kín: vi/vk = (ni0-ni)/(nk0-nk)
Hệ mở: ṅi là mật độ dòng liên tục của cấu tử thứ i
(kmol/h, mol/s)
vi/vk = (ṅi0 - ṅi)/(ṅk0 - ṅk)
Nếu Ai là sản phẩm, Ak là chất phản ứng (vk<0)
vi/|vk| = (ni0-ni)/(nk0-nk)
Gọi k là cấu tử chìa khóa, Uk là độ chuyển hóa
ni = ni0 + vi/|vk| . nk0.Uk
9/12/2012
5
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Hoặc CiVR = CioVoR + vi/|vk| CkoVoR.Uk
• Hệ mở ṅi = ṅi0 + vi/|vk| CkoVoR.Uk
• Nếu cấu tử thứ i và k đêu là chất phản ứng
• ṅi0 Uk = |vi|/|vk| . ṅk0.Uk
• Và các nguyên liệu phối trộn theo tỷ lượng hóa học
|vi|/|vk| = ṅi0/ṅk0 do đó Ui=Uk
• Đối với thiết bị phản ứng gián đoạn hệ kín
• Σ ni = Σ ni0 + ṽ/|vk|. ṅk0. Uk
• Phần mol của các cấu tử trong hệ sẽ là
• xi = ni/ Σ ni = (xi0 + vi/|vk| . xk0.Uk)/(1+ vi/|vk| . xk0.Uk)

Và xi = ṅi/ Σ ni = (xi0 + vi/|vk| . xk0.Uk)/(1+ vi/|vk| . xk0.Uk)
9/12/2012
6
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Khi biết thành phần của các cấu tử trong hệ ta
tính được độ chuyển hóa của chúng
• Uk = (xio – xi)/(xio/|vk|.[xṽ - v])
• Trong trường hợp hệ xảy ra nhiều phản ứng
• xi = (xi0 + vi1/|vk1| . xk0.Uk1 + vi2/|vk2| . xk0.Uk2
+…+ vij/|vkj| . xk0.Ukj ) / (1+ ṽi1/|vk1| . xk0.Uk1+
ṽi2/|vk2| . xk0.Uk2+…+ ṽij/|vkj| . xk0.Ukj)
• Trong đó ṽij = Σvịj trong phản ứng thứ j
• Ukj độ chuyển hóa thứ k trong phản ứng thứ
j
• Vịj hệ số tỷ lượng của các cấu tử thứ i trong
phản ứng thứ j
9/12/2012
7
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Chương 2. Nhiệt động học các
phản ứng hóa học
1.
Enthalpie của phản ứng hóa học.
1.1. Nhiệt sinh
Nhiệt phản ứng tạo thành 1mol một hợp chất nào đó từ các nguyên tố
ΔHf (f: formation)
Nhiệt sinh tiêu chuẩn ΔHf,298 của một hợp chất là enthalpie của phản
ứng tạo thành 1 mol hợp chất đó và phản ứng xảy ra ở 25oC, áp
suất P = 1,03125 bar
Nhiệt cháy: ΔHC (C: combustion) của một mol chất là nhiệt của phản

ứng đốt cháy 1 mol chất đó (có thể là nguyên tố hay hợp chất)
bằng oxy phân tử.
Nhiệt sinh tiêu chuẩn ΔHf,298 nhiệt của phản ứng đốt cháy 1 mol hợp
chất đó và phản ứng xảy ra ở 25oC, áp suất P = 1,03125 bar.
Phản ứng bắt đầu và kết thúc tại 25oC và sản phẩm cháy cũng
phải ở điều kiện tiêu chuẩn 25oC, áp suất P = 1,03125 bar.
9/12/2012
8
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
•
•
•
•
•
•
•
Tính toán enthalpie phản ứng
Định luật Hess: ΔRH298o = Σvi (ΔHf,298o)I
Enthalpie phản ứng ở một nhiệt độ nào đó:
ΔRHTo = ΔRHToo + ʃ ΔCpo(T)dT
Trong đó ΔCop (T) = Σvi .Cpoio(T)
Với Cpoio = là nhiệt dung riêng của cấu tử thứ i sạch, tại nhiệt độ T và P =
1,01325 bar)
Nhiệt sinh tiêu chuẩn của một hợp chất từ các nguyên tố tồn tại ở mỗi
nhiệt độ, ở trạng thái tiêu chuẩn có hoạt độ là 1 được tính bằng phương
trình sau đây:
(ΔHf,T0) = (ΔHf,o0)hc + (HTo – Hoo)hc - Σ|vngt|(HTo – Hoo)ngt
Với kí hiệu hc: hợp chất, ngt: nguyên tố
HTo : enthalpie của chất ở trạng thái tiêu chuẩn, nhiệt độ T
Hoo enthalpie của chất ở trạng thái tiêu chuẩn, nhiệt độ 0 (K)

ΔHf,o0 : Nhiệt sinh của chất ở trạng thái tiêu chuẩn, nhiệt độ 0(K)
9/12/2012
9
•
•
•
•
•
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Trong phương trình trên (ΔHf,T0)hc , (ΔHf,o0)hc là nhiệt sinh tiêu
chuẩn của hợp chất tại nhiệt độ T và 0(K);
• (HTo)hc , (Hoo)hc là enthalpie của hợp chất ở trạng thái tiêu
chuẩn ở nhiệt độ T và 0 (K).
• (HTo)ngt , (Hoo)ngt là nhiệt sinh của nguyên tố ở nhiệt độ T và 0
(K)
• |vngt| là hệ số tỷ lượng của nguyên tố
• Enthalpie phản ứng tiêu chuẩn của một phản ứng ở một nhiệt
độ T nào đó:
• ΔR HTo = Σvi[(HTo – Hoo)ngt + ΔHf,o0]I
• Trong đó vi là hệ số tỷ lượng của chất tham gia phản ứng thứ
i
• Nhiên liệu rắn, theo giả thiết của Dulong thì tất cả oxy đều liên
kết với hydro còn phần hydro còn lại xem là tự do
• Ho = 339,1.WC + 1442,8(WH – Wo/8) + 144,7WS kJ/kg
• Trong đó WC , WH, Wo, WS là phần khối lượng C, H,O và S
9/12/2012
10
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Bởi vì ở các lò công nghiệp không được phép làm
nguội khói lò xuống dưới điểm sương cho nên nhiệt

ngưng tụ của nước không thể tỏa ra, vì vậy trong
thực tế, chỉ tính nhiệt trị thấp
• HU = HO -2512(9.WH + WH2O) kJ/kg
• 2512 là nhiệt hóa hơi của nước (kJ/kg); WH2O phần
khối lượng của nước (phần ẩm ) trong nhiên liệu
và WH là phần khối lượng của hydro
9/12/2012
11
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Cân bằng hoá học
• Xét phản ứng thuận nghịch đơn giản :
•
A + B↔ C + D
• Vận tốc phản ứng thuận : (-rth ) = k1 CA CB
• Vận tốc phản ứng nghịch : (rng ) = k2 CC CD
• Ở điều kiện cân bằng : (-rth ) + (rng ) = 0
• k1/k2 = CCCD/CACB
• Hằng số cân bằng KC = k1/k2 = CCCD/CACB
• Thế nhiệt động đẳng nhiệt – năng lượng Gibbs ở
áp suất không đổi G hoặc thể tích F không đổi.
•
ΔGo
= -RT.lnKp
ΔFo
= -RT.lnKC
9/12/2012
12
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Phương trinh Van’t Hoff biểu diễn sự biến thiên của
hằng số cân bằng theo nhiệt độ.

• d(lnK)/dT = ΔHo/RT2
• ΔHo độ biến thiên enthalpie của phản ứng ở điều
kiện chuẩn
9/12/2012
13
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
Chương 3. Động học các quá trình công
nghệ hóa học
• 1. Vận tốc phản ứng hoá học
• Định nghĩa chung : vận tốc phản ứng hóa học thể
hiện sự thay đổi về lượng của một cấu tử nào đó
tham gia phản ứng theo thời gian.
• Lưu ý : Vận tốc phản ứng là một đại lượng luôn
luôn dương hoặc bằng không, vì vậy :
• sẽ mang dấu (-) nếu là chất tham gia phản ứng
(tác chất) ;
• sẽ mang dấu (+) nếu là chất tạo thành sau phản
ứng (sản phẩm)
9/12/2012
14
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Với phản ứng đồng thể
• u = 1/v . dN/dƬ
• u = 1/F. dN/dƬ
• N là số mol cấu tử đã phản ứng, v là thể tích vùng
phản ứng. F là diện tích mặt phân cách giữa các
pha, Ƭ là thời gian.
• Vận tốc phản ứng tỷ lệ với lũy thừa của nồng độ
sản phẩm. aA + bB → dD
• u = k[A]α[B]β

• k là hằng số tốc độ phản ứng và chỉ phụ thuộc vào
nhiệt độ
α,β là các số mũ xác định bậc phản ứng
9/12/2012
15
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Phản ứng không thuận nghịch
• aA + bB → dD
• uD = k[A]α[B]β
• Phản ứng thuận nghịch
• aA + bB ↔ dD
• uD = k[A]α[B]β – k2[D]γ
• Dưới dạng chung
•
uD = k1[A]α[B]β[D]γ – k2[A]α’[B]β’[D]γ’
• k1/k2 = [D]eγ’-γ/([A]eα’-α[B]eβ’-β)
• Và hằng số cân bằng là K = [D]ed/([A]ea[B]eb)
• Tỷ lệ k1/k2 = Kn
• n = (α-α’)/a = (β-β’)/b = (γ-γ’)/d
9/12/2012
16
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• A → D vận tốc phản ứng là
• u = -1/v . dNA/dƬ = k[NA/v]
• Nếu v là hằng số ta có
• u = - dCA/dƬ = kCA
• Nếu biểu diễn nồng độ tức thời CA dưới dạng số mol ban
đầu a và số mol đã phản ứng XM
• - d(a-XM)/dƬ = k(a-XM) và dXM/dƬ
• Lấy tích phân dXM/(a-XM) = kdƬ

• XM = a(1-e-kƬ )
• k = 1/(Ƭ2-Ƭ1). ln(a-X1)/(a-X2)
• Thời gian bán hủy của phản ứng
• Ƭ1/2 = ln2 / k = 0,6932/ k
• Hằng số tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào nhiệt độ theo
phương trình Arrhenius
• k = k0e-E/RT
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
9/12/2012
17
• E là năng lượng hoạt hóa, R là hằng số khí và ko là
hằng số
• k1/k2 = k0.e-E/RT1 /k0.e-E/RT2 = eE/R(1/T2 – 1/T1)
• ln(k1/k2) = E/R(1/T2 – 1/T1)
• E = 19,1T1T2/(T1-T2).logk1/k2
9/12/2012
18
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
CHƯƠNG 4. THIẾT BỊ PHẢN
ỨNG
I-GIỚI THIỆU VỀ TBPƯ :
I.1-Giới thiệu: hiện các phản ứng hoá học tạo ra sản-TBPƯ- hệ thống thiết
bị thực
-Vận tốc phản ứng chuyển hoá chất i:
Ri = ± dNi / Vdt .
(1.1)
Trong đó: Ni-Số mol của chất i, dấu cộng là tạo thành (sản phẩm phản
ứng), dấu trừ là tiêu hao (chất phản ứng).
V-Thể tích của hệ thống
Khi thể tích không đổi ta có Ci = Ni / V, do đó pt (1.1) thành:

Ri = ±dCi / dt .
(1.2)
9/12/2012
19
•
phẩm của một quá trình sản xuất,do đó quyết định năng suất (do vận
tốc phản ứng r ) và hiệu quả (độ chuyển hoá X và độ chọn lọc S)
của sản xuất.
•
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• -Độ chuyển hoá của chất i:
Xi = (C0 - C1) / C0 = 1 - C1/C0 .
•
(1.3)
Trong đó : C0- nồng độ chất phản ứng i đi vào ( hay nồng độ ban
đầu)
C1- nồng độ chất phản ứng i đi ra ( hay nồng độ cuối )
•
-Độ chọn lọc đối với sản phẩm i:
Si = Ci / ∑Cj
•
j = 1, n (1.4)
Trong đó: Ci -nồng độ của sản phẩm i trong hỗn hợp phản ứng .
∑Cj -tổng nồng độ các sản phẩm trong hỗn hợp phản
ứng
9/12/2012
20
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
VỊ TRÍ HỆ THỐNG TBPƯ TRONG SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ
Trong sơ đồ công nghệ TBPƯ nằm ở vị trí như sau :

H.1.1- Lưu đồ khối của công nghệ sản xuất .
Trong đó hệ thống thiết bị chuẩn bị hỗn hợp phản ứng,
tách và tinh chế sản phẩm có thể gồm một số lượng lớn
các thiết bị thực hiện các quá trình chuyển khối và truyền
nhiệt như chưng luyện, hấp thụ,hấp phụ, trích ly, đun nóng,
làm lạnh, ngưng tụ mà sinh viên đã làm quen trong môn
học "Quá trình và thiết bị hoá học ".
9/12/2012
21
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
I.2-Đặc điểm :
•
- Đa dạng
*Nhiệt độ phản ứng có thể từ nhiệt độ phòng đến 800-
9000C, cá biệt có thể đến 1300-15000C. Đồng thời phải có
những giải pháp hợp lý cấp hay giải nhiệt phản ứng.
*Áp suất có thể từ áp suất khí quyển ( 0,1 MPa ) đến 70
MPa.
Trong nhiều phản ứng pha khí thường dùng áp suất khoảng 2-
3 MPa để giảm thể tích TBPƯ, tăng cường vận tốc phản ứng
và hệ số trao đổi nhiệt với thành thiết bị.
Với mỗi áp suất cần có dạng hình học của thiết bị phù hợp :
hình ống, hình cầu chịu áp suất tốt hơn hình hộp, mặt phẳng.
• Do điều kiện phản ứng rất khác nhau:
9/12/2012
22
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
• Phản ứng trong thiết bị có thể tiến hành ở các
trạng thái pha khác nhau:
*Đồng thể: khí, lỏng

*Các hệ dị thể khí-rắn, khí-lỏng, lỏng-rắn,
lỏng-lỏng
*Các hệ ba pha khí-lỏng-rắn, lỏng-lỏng-rắn,
khí-lỏng-lỏng
• Tính đa dạng của TBPƯ còn do từng hãng ,
trên thế giới có những hãng có công nghệ, xúc
tác và hệ thống TBPƯ riêng của mình
9/12/2012
23
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com
ĐẶC ĐIỂM TBPƯ…
•
-Phức tạp
• Do trong TBPƯ các quá trình hoá học ( phản
ứng ) và vật lý ( chuyển khối: dòng chảy ,
khuếch tán, và các quá trình nhiệt: truyền nhiệt,
toả và thu nhiệt ) xảy ra đan xen và ảnh
hưởng lẫn nhau
• Trong đó, các quá trình vật lý thường tuyến
tính với nhiệt độ, còn các phản ứng hoá học
phụ thuộc vào nhiệt độ ở dạng hàm mũ theo
phương trình Arrhénius ( phi tuyến ).
9/12/2012
24
PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com