Ngô thị Nga

Kỹ thuật phản ứng

Nh xuất bản khoa học v kỹ thuật
H Nội 2002



Ngô thị Nga

Kỹ thuật phản ứng

Nh xuất bản khoa học v kỹ thuật
H Nội 2002






Lời nói đầu

Giáo trình Kỹ thuật phản ứng ny đợc biên soạn theo đề
cơng môn học chính thức cùng tên của Viện Khoa học v Công nghệ Môi
trờng, trờng Đại học Bách khoa H Nội.
Nội dung bao gồm: phơng trình tỷ lợng; nhiệt động học phản ứng;
động học phản ứng cho hệ đồng thể, dị thể v sinh hoá; mô hình các loại
thiết bị phản ứng; động lực học v tính ổn định của thiết bị phản ứng.
Trong từng chơng có trình by cơ chế v mô hình hoá quá trình, mô
tả nguyên lý cấu tạo v lm việc của một số thiết bị điển hình, ở mỗi phần

có kèm theo ví dụ v bi tập liên quan.
Giáo trình cũng dnh một phần để giới thiệu áp dụng các kiến thức
cơ bản của môn kỹ thuật phản ứng trong công nghệ môi trờng.
Giáo trình ny đợc dùng lm ti liệu giảng dạy cho sinh viên ngnh
công nghệ môi trờng v đồng thời cũng có thể lm ti liệu tham khảo cho
sinh viên các ngnh liên quan v bạn đọc có quan tâm tới lĩnh vực ny.
Do biên soạn lần đầu, giáo trình không tránh khỏi thiếu sót, rất mong
nhận đợc những ý kiến đóng góp của bạn đọc v đồng nghiệp để giáo
trình đợc hon chỉnh trong lần tái bản sau.

Tác giả







Mục lục
Lời nói đầu

3

Các ký hiệu chính

9

Chơng I. Những khái niệm cơ bản

11


I.1. Những khái niệm cơ bản
I.2. Phân loại phản ứng hoá học
I.3. Phân loại thiết bị phản ứng
Chơng II. Phơng trình tỷ lợng
II.1. Phơng trình tỷ lợng đối với phản ứng đơn giản
II.2. Bớc phản ứng, cân bằng mol, quan hệ giữa bớc phản ứng và
nồng độ của các cấu tử
II.3. Độ chuyển hoá, quan hệ giữa độ chuyển hoá với bớc phản ứng
và nồng độ các cấu tử
II.4. Phơng trình tỷ lợng đối với phản ứng phức tạp
Chơng III. Nhiệt động hoá học
III.1. Những nguyên lý cơ bản của nhiệt động học
III.2. Thông số nhiệt động và phơng trình trạng thái
III.3. Thế nhiệt động, đại lợng mol riêng phần và thế hoá học
III.4. Biến đổi năng lợng trong hệ phản ứng
III. 4.1. Hiệu ứng nhiệt của phản ứng hoá học
III. 4.2. Quan hệ giữa nhiệt và chất trong phản ứng hoá học
III.5. Cân bằng hoá học
III. 5.1. Điều kiện cân bằng hoá học
III. 5.2. Định luật tác dụng, hằng số cân bằng
III. 5.3. Xác định nồng độ cân bằng trong hỗn hợp khí lý tởng
III. 5.4. Cân bằng hoá học đối với hệ dị thể



13
15
16
20

20
21
24
25
30
31
32
35
38
38
40
42
42
44
50
52


Chơng IV. Động học phản ứng
IV.1. Động học phản ứng hệ đồng thể
IV. 1.1. Tốc độ phản ứng và tốc độ chuyển hoá đối với phản ứng
đơn giản
IV. 1.2. Tốc độ phản ứng và tốc độ chuyển hoá đối với phản ứng
phức tạp
IV. 1.3. Các yếu tố ảnh hởng tới tốc độ phản ứng
IV. 1.4. Một số ví dụ về mô hình động học hệ đồng thể
IV.2. Động học phản ứng hệ dị thể
IV. 2.1. Phản ứng hệ khí có xúc tác rắn xốp
IV.2.1.1. Xúc tác rắn xốp và tác dụng của xúc tác rắn xốp
IV.2.1.2. Cơ chế của phản ứng hệ khí có xúc tác rắn xốp

IV.2.1.3. Phơng trình động học phản ứng hệ khí có xúc tác rắn
xốp của Hougen - Watson (hay Langmuir - Hinshelwood)
IV.2.1.4. Phơng trình động học của Mars - van Krevelen
IV.2.1.5. Kết hợp các bớc trong phản ứng hệ khí có xúc tác
IV.2.1.6. Ví dụ: Xây dựng mô hình động học cho quá trình tổng
hợp amoniac
IV. 2.2. Phản ứng hệ khí lỏng
IV.2.2.1. Các thuyết và một số khái niệm thờng dùng trong
phản ứng hệ khí - lỏng
IV.2.2.2. Miền phản ứng và ý nghĩa của các miền đó trong xác
định động học phản ứng
IV.2.2.3. Phơng pháp thực nghiệm khảo sát phản ứng hệ khí lỏng
IV.2.2.4. Ví dụ về khảo sát phản ứng hệ khí - lỏng
IV. 2.3. Phản ứng hệ khí - rắn
IV.2.3.1. Phản ứng giữa chất rắn xốp và khí
IV.2.3.2. Ví dụ phản ứng khí hoá than
IV.2.3.3. Phản ứng giữa chất rắn mịn và khí, sản phẩm tạo thành
là chất rắn xốp
IV. 2.4. Phản ứng sinh học
IV.2.4.1. Thành phần và cơ chế hoạt động của vi sinh vật
IV.2.4.2. Phơng trình động học Michaelis - Menten và Monod
IV.2.4.3. Phơng pháp xác định các hằng số v max , max , k m và k s



54
55
55
56
59

62
68
69
69
71
84
86
89
92
95
96
100
108
109
114
116
120
123
124
124
128
131


IV.2.4.4. Mô hình động học trong các thiết bị phản ứng sinh
hoá
IV.2.4.5. Quan hệ giữa phân huỷ và sinh khối vi sinh vật
IV.2.4.6. Các thiết bị phản ứng sinh học
Chơng V. Mô hình các loại thiết bị phản ứng
V.1. Thiết bị phản ứng lý tởng cho hệ đồng thể

V. 1.1. Thiết bị khuấy trộn gián đoạn
V. 1.2. Thiết bị khuấy trộn liên tục
V. 1.3. Thiết bị đẩy lý tởng
V. 1.4. So sánh các loại thiết bị phản ứng
V.2. Chế độ nhiệt trong thiết bị phản ứng lý tởng cho hệ đồng thể
V. 2.1. Cân bằng nhiệt trong thiết bị phản ứng
V. 2.2. Các chế độ nhiệt trong thiết bị khuấy trộn làm việc gián đoạn
V.2.2.1. Chế độ đẳng nhiệt
V.2.2.2. Chế độ đoạn nhiệt
V.2.2.3. Chế độ đa biến nhiệt
V. 2.3. Các chế độ nhiệt trong thiết bị khuấy trộn làm việc liên tục
V.2.3.1. Chế độ đẳng nhiệt
V.2.3.2. Chế độ đoạn nhiệt
V.2.3.3. Chế độ đa biến nhiệt
V. 2.4. Các chế độ nhiệt trong thiết bị đẩy lý tởng
V.2.4.1. Chế độ đẳng nhiệt
V.2.4.2. Chế độ đoạn nhiệt
V.2.4.3. Chế độ đa biến nhiệt
V.3. Các dãy thiết bị phản ứng
V.3.1. Dãy thiết bị nối tiếp
V.3.2. Hệ thiết bị mắc song song
V.3.3. Thiết bị phản ứng có dòng tuần hoàn
V.4. Chế độ thuỷ động thực trong thiết bị phản ứng hệ đồng thể
V.4.1. Mô hình thiết bị khuấy trộn liên tục với dòng chết
V.4.2. Mô hình thiết bị khuấy trộn liên tục với dòng chảy qua
(đoản dòng)
V.4.3. Mô hình kết hợp




134
136
141
148
148
148
154
157
160
165
166
171
171
174
175
176
176
177
178
179
179
181
183
187
187
194
195
198
202
202

205


Chơng VI. Động học và độ ổn định trong thiết bị
phản ứng khuấy trộn liên tục
VI.1. Cân bằng vật chất và cân bằng nhiệt trong thiết bị khuấy trộn
liên tục bất ổn định
VI.2. Điểm làm việc ổn định của thiết bị khuấy trộn liên tục
VI.3. Tính ổn định trong thiết bị khuấy trộn liên tục
VI.4. Ví dụ về động học phản ứng và độ ổn định trong thiết bị khuấy
trộn liên tục

207

208
211
214
220

Chơng VII. ứng dụng kỹ thuật phản ứng trong
công nghệ môi trờng

224

VII.1. Phơng pháp hoá học trong xử lý nớc thải
VII. 1.1. Phơng pháp trung hoà
VII. 1.2. Phơng pháp kết tủa
VII.1.2.1. Trung hoà kết tủa kim loại trong dung dịch loãng
VII.1.2.2. Trung hoà kết tủa kim loại trong dung dịch đậm đặc
VII. 1.3. Khử độc nớc thải chứa xyanua

VII.1.3.1. Khử độc xyanua với natri hypoclorit NaOCl
VII.1.3.2. Oxy hoá xyanua với oxy và hợp chất chứa oxy
VII.1.3.3. Khử độc xyanua bằng phơng pháp kết tủa với muối
sắt II
VII. 1.4. Khử độc các hợp chất crôm trong nớc thải
VII.1.4.1. Khử độc cromat với oxit lu huỳnh và sunfit
VII.1.4.2. Khử độc cromat với hợp chất sắt II
VII.1.4.3. Khử độc cromat bằng phơng pháp kết tủa
VII.2. Phơng pháp sinh học trong xử lý nớc thải
VII. 2.1. Phơng pháp bùn hoạt tính
VII. 2.2. Tính COD trên cơ sở phản ứng oxy hoá
VII. 2.3. Ví dụ về tính luợng khí (biogas) tạo thành do quá trình
phân huỷ yếm khí

224
225
228
229
232
232
233
236
238
239
240
241
241
242
242
251

252

Bài tập môn kỹ thuật phản ứng

254

Tài liệu tham khảo

259




Các ký hiệu chính
A
A
aj
B
BB
BOD
C
C
Cp
cj
D
dk

Chất tham gia phản ứng
Công thể tích
Hoạt độ của cấu tử j

Chất tham gia phản ứng
Tải trọng bùn
Nhu cầu oxy sinh học
Chất tham gia phản ứng
Nhiệt dung
Nhiệt dung riêng
Nồng độ của cấu tử j
Hệ số khuếch tán
Đờng kính hạt xúc tác

KD
k
ko
L
M
m
m
NA
NL
n
n
n

Hệ số truyền nhiệt
Hằng số tốc độ phản ứng
Thừa số va chạm
Chiều dài
Phân tử lợng
Khối lợng
Dòng khối lợng

Tốc độ hấp phụ hoá học
Số Loschmidt
Số mol
Bậc phản ứng
Dòng mol

E
[E]

Năng lợng hoạt hoá
Nồng độ enzym

P

áp suất toàn phần
áp suất riêng phần của cấu tử

[ES]
F
FD

Phức enzym - cơ chất
Năng lợng tự do
Bề mặt truyền nhiệt

pj
j
Q

Nhiệt lợng


Q

Dòng nhiệt

f
fj

Bề mặt phân chia pha
Năng lợng tự do riêng phần

R

Hằng số khí

G
G R

Entanpi tự do
Entanpi tự do của phản ứng

R
Rj
j

Tỷ số tuần hoàn bùn
Tốc độ chuyển hoá của cấu tử

g
gj


Hàm phân bố
Năng lợng tự do riêng phần

r

Tốc độ phản ứng

r

Số phản ứng không phụ thuộc

H
H

Hằng số Henri
Entanpi

S

Entropi

S R

Entropi phản ứng

H B
H R
h


Entanpi liên kết
Entanpi phản ứng
Chiều cao thiết bị

S

Nồng độ cơ chất

SV

Thể tích bùn

hj
K

Entanpi riêng phần
Hằng số cân bằng

SVI
sj
j

Chỉ số bùn
Entropi riêng phần của cấu tử




T
T


Nhiệt độ
Hiệu số nhiệt độ

VR

Thể tích phản ứng

V

Lu lợng thể tích

TSS

Hàm lợng chất rắn

v

Tốc độ chuyển hoá cơ chất

t

Thời gian

X

Bớc tiến triển

tb


Tuổi thọ bùn

X

Nồng độ vi sinh vật

x

Nồng độ phần mol

x

Tốc độ sinh khối vi sinh vật

tD
tR

Thời gian khuếch tán tơng
đơng
Thời gian phản ứng

Y

Bớc tiến triển

t*

Thời gian lu thuỷ lực

Y


Hệ số đồng hoá

t tb

Thời gian lu trung bình

y

Nồng độ phần khối lợng

U

Nội năng

U R

Nội năng phản ứng

Uj

Độ chuyển hoá của cấu tử j

Các ký hiệu trên có chỉ số mũ là
ký tự chỉ rằng ở điều kiện tiêu chuẩn
T = 298 K, P = 1 at.

uj

Nội năng riêng phần

Các chữ cái Hy Lạp



j

p
j







Hệ số cấp nhiệt
Hệ số cấp khối
Hệ số hoạt độ

Bề mặt phân chia pha riêng
Tỷ lệ khí sản phẩm
Tốc độ dòng

Chiều dày màng
Hiệu suất mao quản
Hiệu suất tâm hoạt hoá của
cấu tử j
Bề mặt phản ứng
Tốc độ sinh khối của vi sinh


vật

j
j

Hệ số cân bằng hoá học



Tích số



Tổng số



Khối lợng riêng

Thế hoá học của cấu tử j




Chơng I

Những khái niệm cơ bản

Kỹ thuật phản ứng gắn liền với các quá trình trong đó có phản ứng hóa
học xảy ra. Trong các ngành công nghiệp quan trọng nh công nghiệp hoá

chất, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp luyện kim, công nghiệp vật liệu
xây dựng thì quá trình biến đổi hoá học là quá trình cơ bản, có thể xảy ra
trớc hay sau những quá trình gia công vật liệu bằng phơng pháp cơ học
thuần tuý nh đập, nghiền, sàng hay bằng phơng pháp cơ, lý nh lắng, lọc,
ly tâm và quá trình chuyển khối nh hấp thụ, sấy, trích ly, chng luyện v.v...
Các quá trình sản xuất có thể tóm tắt trong hình I.1.

Quá
trình:
Sản

Nguyên liệu, hoá
chất

.

Cơ

học

Chất

Hình I.1. Sơ đồ mô tả quá trình sản xuất

Bất kỳ quá trình nào cũng cần nguyên liệu, hoá chất, chất trợ và năng
lợng để chuyển hoá nguyên liệu thành sản phẩm. Hiệu suất chuyển hoá phụ
thuộc vào rất nhiều yếu tố nh chất lợng nguyên liệu, điều kiện tiến hành
quá trình, công nghệ và thiết bị, v.v... Tuy nhiên hầu nh mọi quá trình rất
khó đạt đợc hiệu suất 100% và mỗi quá trình đều kèm theo chất thải ở dạng
rắn, lỏng hay khí. Ngày nay trong sản xuất công nghiệp các doanh nghiệp

không chỉ quan tâm đến năng suất sản xuất, chất lợng sản phẩm mà còn
phải quan tâm tới sử dụng nguyên liệu và năng lợng hiệu quả nhằm ngăn
ngừa và giảm thiểu các loại chất thải tại từng bộ phận sản xuất trớc khi thải
chúng vào môi trờng. Trong cách tiếp cận quản lý môi trờng hiệu quả hiện

2




nay là ngăn ngừa, giảm thiểu và cuối cùng là xử lý chất thải. Theo quan
điểm ngăn ngừa và giảm thiểu thì chất thải đợc coi nh một nguồn nguyên
liệu không đợc đặt đúng chỗ, có nghĩa có thể tận thu những loại chất thải
có giá trị hoặc tuần hoàn tái sử dụng tại chỗ hoặc làm nguyên liệu tạo sản
phẩm phụ sao cho lợng chất thải của mỗi quá trình cần xử lý là nhỏ nhất.
Đối với xử lý chất thải, thông thờng có ba phơng pháp cơ bản, đó là :
- Phơng pháp cơ học;
- Phơng pháp hoá học;
- Phơng pháp sinh học.
Phơng pháp hoá học là phơng pháp sử dụng hoá chất đa vào hệ thống
xử lý để chuyển các chất ô nhiễm trong dòng thải thành các chất không hay
ít ô nhiễm hơn. Do đó phơng pháp hoá học thờng đòi hỏi chi phí cao hơn
các phơng pháp khác và thờng chỉ đợc lựa chọn khi các phơng pháp
khác không xử lý đợc hoặc xử lý không hiệu quả. Theo phơng pháp xử lý
hoá học, các quá trình xảy ra là các phản ứng hoá học nh oxy hoá, trung
hoà, kết tủa v.v... Trong đó các chất ô nhiễm là các chất tham gia phản ứng
với thông số đầu là đặc tính ô nhiễm của dòng thải và qua quá trình biến đổi
hoá học sẽ trở thành ít ô nhiễm, ít độc hoặc không độc.
Những phản ứng xảy ra trong thiết bị phản ứng không chỉ là những
phản ứng hoá học tuân theo những định luật về biến đổi chất thuần tuý mà

còn nhiều quá trình cùng xảy ra và tác động qua lại lẫn nhau. Mọi phản ứng
hoá học đều có kèm theo quá trình thu hay toả nhiệt (nhiệt hoá học). Nhiệt
hoá học làm thay đổi nhiệt độ của phản ứng và do đó làm ảnh hởng tới tốc
độ phản ứng, ảnh hởng tới chất lợng của sản phẩm. Do yêu cầu về chất
lợng sản phẩm cũng nh tránh sinh ra những phản ứng phụ tạo những sản
phẩm không mong muốn, mỗi phản ứng cần thực hiện ở một chế độ nhiệt
nhất định và nh vậy đòi hỏi có quá trình trao đổi nhiệt. Đối với những phản
ứng hệ dị thể, quá trình trao đổi vật chất giữa các pha tuân theo cơ chế của
quá trình chuyển khối cũng ảnh hởng tới tốc độ của phản ứng. Ngoài ra,
chế độ thuỷ động lực trong thiết bị cũng ảnh hởng tới quá trình phản ứng.
Nh vậy các quá trình xảy ra trong thiết bị phản ứng là quá trình tổng
hợp bao gồm quá trình thuỷ lực, quá trình truyền nhiệt, quá trình chuyển
khối và phản ứng hoá học. Để có thể tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị
phản ứng thích hợp cho một phản ứng nào đó, ngời ta không chỉ dựa trên cơ



3


sở động học phản ứng thuần tuý mà phải kết hợp với những kiến thức về
nhiệt động học, chuyển khối và thuỷ lực học.
I.1. Những khái niệm cơ bản
Hỗn hợp tham gia phản ứng bao gồm các chất trực tiếp tham gia phản
ứng (các chất tham gia ban đầu và sản phẩm của phản ứng) và các chất trợ
phản ứng nh dung dịch đệm, khí trơ, xúc tác. Có thể biểu diễn định tính các
thành phần trong hỗn hợp phản ứng nh ở hình I.2.
Hỗn hợp phản ứng của nhiều

Các chất tham gia phản


Các chất ban
đầ

Các chất trợ của phản

Sản

Chấ

Xú

Hình I.2. Các thành phần trong hỗn hợp phản ứng

Các chất tham gia phản ứng là các chất trực tiếp tham gia vào phản ứng
để tạo thành sản phẩm, các chất tham gia ban đầu sẽ chuyển hoá trong quá
trình phản ứng và tạo thành sản phẩm phản ứng.
Các chất trợ phản ứng là các chất không tham gia vào biến đổi hoá học
tạo sản phẩm mà chỉ có tác dụng làm thay đổi tốc độ phản ứng hay thúc đẩy
quá trình. Các chất trợ phản ứng không thay đổi tính chất hoá - lý sau biến
đổi hoá học, chúng là các chất nh xúc tác, chất trơ, dung dịch đệm.
Các đại lợng biểu diễn định lợng các chất tham gia phản ứng và quan
hệ giữa chúng bao gồm số mol, khối lợng, nồng độ, thể tích, v.v.
Một hỗn hợp phản ứng gồm j = 1 đến l cấu tử. Một cấu tử j bất kỳ sẽ có
số mol n j tơng ứng với khối lợng m j tham gia vào phản ứng. Quan hệ giữa
m j và n j đợc thể hiện nh sau:

4





mj = nj . Mj

(1.1)

trong đó M j là phân tử lợng của cấu tử j.
Tơng ứng với quá trình liên tục ta có lu lợng mol n j của cấu tử j (số
mol trên một đơn vị thời gian) và lu lợng khối lợng m j (khối lợng trên

mj = nj Mj

1 đơn vị thời gian):

(1.2)

Tổng số mol của hỗn hợp phản ứng:
l

n=

nj

hay n =

j=1

l

nj


(1.3)

j=1

và khối lợng của hỗn hợp phản ứng:
m =

l

mj

hay m =

j=1

l

mj

(1.4)

j=1

Nồng độ phần mol x j của cấu tử j là số mol của cấu tử j tính trên tổng
số mol của hỗn hợp phản ứng.

xj =

nj


= l
n

nj

hay x j =

nj

nj

= l
n

nj

(1.5)

nj

j=1

j=1

l

xj =1
j=1


Nồng độ phần khối lợng y của cấu tử j là khối lợng của cấu tử đó
tính trên tổng khối lợng của hỗn hợp phản ứng:

yj =

mj
m

=

nj

hay y j =

l

nj
j=1

mj

= l
m

mj

(1.6)

mj
j=1


l

yj = 1

(1.7)

j=1



5


Thể tích phản ứng V R là thể tích mà hỗn hợp phản ứng chiếm trong

thiết bị phản ứng và thực hiện phản ứng. Nếu một cấu tử j bất kỳ chiếm thể
tích V j thì thể tích phản ứng là:
l

Vj

VR =

(1.8)

j=1

Lu lợng thể tích V đối với các quá trình liên tục là thể tích của hỗn
hợp phản ứng đa vào thiết bị trong một đơn vị thời gian, thờng có đơn vị là

l/h hay m 3 /h.
Nồng độ mol c j : Nồng độ mol hay gọi tắt là nồng độ, đợc định nghĩa là
tỷ số giữa số mol của cấu tử j chia cho thể tích phản ứng:

nj

cj =

VR

= l

nj

(1.9)

Vj
j=1

c j có đơn vị là mol/l.
áp suất riêng phần p j : Đối với phản ứng hệ khí, ngời ta thờng dùng
áp suất riêng phần của từng cấu tử thay vào vị trí nồng độ của cấu tử. Theo
phơng trình trạng thái đối với khí lý tởng, quan hệ giữa áp suất riêng phần
và nồng độ của cấu tử j nh sau:

pj =

n j RT
V


= c j . RT

(1.10)

l

áp suất toàn phần :

P = pj

(1.11)

j=1

Nh vậy:
l

P=

l

pj =
j=1

j=1

n j RT
VR

=


RT l
nRT
. nj =
VR j=1
VR

trong đó: V R - thể tích của hỗn hợp khí tham gia phản ứng
R - hằng số khí, R = 8,314 J.mol 1 .K 1
T - nhiệt độ phản ứng, tính bằng độ Kelvin.
I.2. Phân loại phản ứng hoá học

6



(1.12)


Có nhiều cách phân loại phản ứng hoá học, có thể theo cơ chế phản ứng,
có thể theo số pha tham gia trong hệ, theo phơng thức làm việc hay theo
chế độ nhiệt trong thiết bị phản ứng.
Theo cơ chế phản ứng có thể là phản ứng đơn giản hay phản ứng phức
tạp. Phản ứng đơn giản là những phản ứng trong đó quá trình biến đổi hoá
học chỉ xảy ra theo một loại trao đổi nguyên tố. Phản ứng phức tạp là phản
ứng mà trong đó đồng thời xảy ra nhiều phản ứng.
Phân theo số pha trong hệ ta có phản ứng đồng thể và phản ứng dị thể.
Phản ứng đồng thể là phản ứng mà tất cả các cấu tử tham gia trong hệ có
cùng một trạng thái pha (rắn, lỏng hay khí). Đối với phản ứng hệ dị thể thì
các cấu tử tham gia phản ứng có trạng thái pha từ hai trở lên.

Phân theo phơng thức làm việc ta có phản ứng làm việc theo phơng
thức gián đoạn, liên tục hay bán liên tục. Phản ứng gián đoạn là phản ứng
thực hiện theo từng mẻ, nghĩa là tất cả các thành phần tham gia phản ứng
đợc đa vào thiết bị phản ứng, khuấy trộn và thực hiện phản ứng trong một
thời gian nhất định, sau đó tháo sản phẩm. Phản ứng liên tục là phản ứng
trong đó các chất tham gia phản ứng đợc đa vào liên tục và sản phẩm lấy
ra liên tục. Phản ứng bán liên tục là phản ứng trong đó có thành phần đa
vào gián đoạn, có thành phần đa vào liên tục, sản phẩm có thể lấy ra gián
đoạn hay liên tục.
Phân theo chế độ nhiệt ta có phản ứng đẳng nhiệt, đoạn nhiệt hay đa
biến nhiệt. Phản ứng đẳng nhiệt là phản ứng thực hiện với nhiệt độ phản ứng
không thay đổi trong suốt quá trình (T R = const). Phản ứng đoạn nhiệt là
phản ứng không có trao đổi nhiệt với môi trờng xung quanh, nhiệt sinh ra
hay thu vào do phản ứng hoá học sẽ làm tăng hay giảm nhiệt độ. Còn phản
ứng đa biến nhiệt là phản ứng có trao đổi nhiệt với môi trờng xung quanh
nhng không đạt đợc chế độ đẳng nhiệt, nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng
thay đổi theo thời gian và không gian.

I.3. Phân loại thiết bị phản ứng

Thiết bị phản ứng là thiết bị chính trong quá trình sản xuất hoá học.
Chọn thiết bị phản ứng và phơng thức tiến hành phản ứng thích hợp sẽ ảnh
hởng tới chất lợng sản phẩm và hiệu quả kinh tế của quá trình sản xuất.



7


Do tính đa dạng của sản phẩm và các loại hình sản xuất, các quá trình

phức tạp đồng thời xảy ra trong thiết bị phản ứng dẫn đến thiết bị phản ứng
cũng rất đa dạng. Một số loại thiết bị phản ứng nh lò cao, lò quay cho phản
ứng hệ khí - rắn, lò dạng ống hay khuấy trộn cho phản ứng hệ lỏng, v.v...
Phân chia các thiết bị phản ứng có thể theo số pha tham gia trong phản ứng:
- Thiết bị phản ứng cho hệ đồng thể;
- Thiết bị phản ứng cho hệ dị thể;
hay theo chế độ thuỷ động lực:
- Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tởng;
- Thiết bị phản ứng dạng đẩy lý tởng;
hoặc phân chia theo phơng thức làm việc:
- Thiết bị phản ứng gián đoạn;
- Thiết bị phản ứng liên tục;
- Thiết bị phản ứng bán liên tục.
1. Thiết bị phản ứng gián đoạn làm việc theo từng mẻ, có nghĩa là các
thành phần tham gia phản ứng và các chất phụ gia (dung môi, chất trơ) hay
xúc tác hoặc dung dịch lên men và vi khuẩn đợc đa tất cả vào thiết bị ngay
từ thời điểm đầu. Sau thời gian phản ứng nhất định đạt đợc độ chuyển hoá
yêu cầu, dừng chạy thiết bị và tháo sản phẩm. Trong quá trình phản ứng, nếu
thực hiện khuấy trộn tốt thì nồng độ và nhiệt độ ứng với từng thời điểm nhất
định ở các vị trí trong thiết bị là nh nhau. Hạn chế của thiết bị gián đoạn là
làm việc bất ổn định.
Ưu điểm của phơng thức làm việc gián đoạn:
- Tính linh động cao, có nghĩa thiết bị đó có thể dùng để thực hiện các
phản ứng tạo các sản phẩm khác nhau.
- Đạt độ chuyển hoá cao do có thể khống chế thời gian phản ứng theo
yêu cầu.
- Chi phí đầu t thấp do ít có hệ thống điều chỉnh tự động và ít bị nhiễm
và phá huỷ tế bào do thời gian nuôi cấy ngắn (đối với thiết bị phản ứng sinh
hoá bioreactor thực hiện theo phơng thức gián đoạn).
Nhợc điểm của phơng thức làm việc gián đoạn:

- Đòi hỏi thời gian nạp liệu, đốt nóng, làm nguội, tháo sản phẩm và làm
sạch thiết bị.

8




- Khó điều chỉnh và khống chế quá trình do tính bất ổn định của phơng
thức làm việc gián đoạn.
- Đặc biệt đối với những thiết bị phản ứng sinh học có thể gây nguy
hiểm với ngời thực hiện do phải tiếp xúc với vi khuẩn gây bệnh hay chất độc.
Phạm vi ứng dụng của thiết bị phản ứng làm việc theo phơng thức gián
đoạn:
- Khi lợng sản phẩm yêu cầu sản xuất nhỏ;
- Thiết bị phục vụ cho mục đích sản xuất nhiều loại sản phẩm khác nhau
(nh trong dợc phẩm, các sản phẩm đặc biệt...);
- Cho những quá trình khó thực hiện theo phơng thức liên tục nh thiết
bị xử lý bùn bằng phơng pháp lên men yếm khí.
2. Với thiết bị phản ứng làm việc theo phơng thức liên tục, các chất
tham gia phản ứng đợc đa liên tục vào thiết bị và sản phẩm cũng đợc lấy
ra liên tục. Sau thời gian khởi động thì nhiệt độ, áp suất, lu lợng và nồng
độ của các chất tham gia phản ứng không thay đổi theo thời gian, thiết bị
làm việc ở trạng thái ổn định.
Ưu điểm của phơng thức làm việc liên tục:
- Có khả năng cơ giới hoá và tự động hoá;
- Thể tích phản ứng nhỏ, không tốn thời gian nạp liệu, tháo sản phẩm;
- Chất lợng sản phẩm ổn định do điều kiện làm việc trong suốt quá
trình không thay đổi.
Nhợc điểm của phơng thức làm việc liên tục:

- Chi phí đầu t cao, trớc hết là do đòi hỏi có các hệ thống điều chỉnh
và khống chế tự động;
- Đòi hỏi chất lợng của nguyên liệu đầu ổn định để đảm bảo điều kiện
làm việc ổn định;
- Tính linh động thấp, ít có khả năng để thực hiện các phản ứng khác
nhau, tạo các sản phẩm khác nhau, mà chỉ có thể thay đổi các thông số quá
trình nh lu lợng, nồng độ, nhiệt độ...
- Thờng gặp khó khăn trong việc nạp liệu liên tục chất tham gia phản
ứng ở dạng rắn không hoà tan.
Thiết bị phản ứng liên tục đợc sử dụng cho những quá trình sản xuất
với năng suất lớn, chất lợng sản phẩm bảo đảm.



9


3. Thiết bị phản ứng làm việc theo phơng thức bán liên tục là thiết bị
trong đó có thành phần chất tham gia phản ứng đa vào gián đoạn còn các
chất khác đa vào liên tục. Sản phẩm có thể lấy ra gián đoạn hay liên tục.
(Ví dụ phản ứng clo hoá các hợp chất hydrocacbon lỏng, trong đó hydrocacbon lỏng đa vào thiết bị gián đoạn, còn clo ở dạng khí đa vào liên tục;
phản ứng hệ khí - rắn, trong đó chất rắn là gián đoạn còn pha khí đa vào
liên tục). Thiết bị phản ứng làm việc theo phơng thức bán liên tục là kết
hợp giữa phơng thức làm việc liên tục và phơng thức làm việc gián đoạn.
Thiết bị làm việc theo phơng thức bán liên tục cũng giống nh thiết bị phản
ứng làm việc gián đoạn ở chế độ bất ổn định.
Phơng thức bán liên tục đợc sử dụng đối với những quá trình không
có khả năng thực hiện theo phơng thức liên tục và bằng phơng thức gián
đoạn lại cho năng suất thấp.
Chọn thiết bị phản ứng thích hợp cần dựa trên một số các điều kiện sau:

- Số pha trong hệ phản ứng;
- Động học hoá học (cân bằng phản ứng, các phản ứng phụ);
- Trạng thái cân bằng hoá học;
- Entanpi của phản ứng (để tính trao đổi nhiệt);
- ả nh hởng của quá trình vận chuyển chất và nhiệt trong quá trình
phản ứng.

Khi thiết kế tính toán thiết bị phản ứng phải dựa trên yêu cầu của sản
xuất (năng suất và chất lợng sản phẩm). Trên cơ sở các phơng trình cân
bằng chất và nhiệt, đó là những phơng trình toán học mô tả quan hệ giữa
các thông số động học, nhiệt động và các điều kiện thực hiện quá trình với
các thông số đặc trng cho kích thớc hình học của thiết bị nh thể tích V R ,
chiều dài L, thời gian lu... từ đó có thể tính toán các kích thớc cơ bản của
thiết bị.

10




Chơng II

Phơng trình tỷ lợng
Phơng trình tỷ lợng là phơng trình biểu diễn quan hệ tơng tác mang
tính định lợng giữa các cấu tử tham gia phản ứng trong hệ.
II.1. Phơng trình tỷ lợng đối với phản ứng đơn giản

Phản ứng đơn giản là những phản ứng xảy ra chỉ theo cùng một loại trao
đổi nguyên tố, có nghĩa chỉ có một phản ứng duy nhất .
Chẳng hạn phản ứng xảy ra giữa hai cấu tử A 1 và A 2 tạo thành A 3 . Theo

phản ứng, cứ ba phân tử A1 kết hợp với một phân tử A 2 thì tạo thành hai phân
tử A 3 .
3A 1 + 1A 2

2A3

(2.1)

Cân bằng về lợng ta có:
3A 1 + 1A 2 = 2A 3
hay

3A 1 1A 2 + 2A 3 = 0

(2.2)
(2.3)

Nh vậy, dới dạng tổng quát ta có phơng trình:
l

j Aj

=0

(2.4)

j=1

trong đó j = 1 đến l là số cấu tử tham gia trong hệ.


j là hệ số tỷ lợng của các cấu tử với quy ớc về dấu nh sau:
j mang dấu âm () đối với các cấu tử tham gia phản ứng (vế trái
của phản ứng).
j mang dấu dơng (+) đối với các cấu tử là sản phẩm (vế phải của
phản ứng).
Phơng trình (2.4) là phơng trình tỷ lợng tổng quát đối với phản ứng
đơn giản. Nó là một dạng của phơng trình cân bằng vật chất.
Ví dụ phản ứng tạo amoniac xảy ra theo cơ chế:



11


3H 2 + N 2

2NH 3

Trong cấu trúc hóa học của một phân tử amoniac (NH 3 ) có một nguyên
tử nitơ và ba nguyên tử hydro. Khối lợng của nguyên tử hydro là 1 và khối
lợng của nguyên tử nitơ là 14, phân tử lợng của amoniac là 17. Nh vậy tỷ
lệ giữa các nguyên tố trong phân tử amoniac là 14 : 17 đối với N 2 và 1 : 17
đối với H 2 hay nitơ chiếm 82,4% và hydro chiếm 17,6% khối lợng trong
phân tử amoniac. Phơng trình tỷ lợng cho phản ứng này sẽ có dạng:
trong đó:

3 (2 ì 1) 1 (2 ì 14) + 2 (14 + 3 ì 1) = 0
H 2 = 3, N 2 = 1, NH 3 = 2.

Từ phơng trình tỷ lợng cho thấy số phân tử cần thiết hay đợc sinh ra

trong một phản ứng không phải là bất kỳ mà theo một tỷ lệ nhất định và có
thể biểu diễn quan hệ đó nh sau:
n1

1

=

n2

2

= ... =

n j

j

= ... =

n l

l

= const

(2.5)

n j là biến đổi số mol của các cấu tử tham gia phản ứng:
n j = n j n oj


(2.6)

là số mol của cấu tử j sau phản ứng.
n oj là số mol của cấu tử j trớc phản ứng.
II.2. Bớc phản ứng, cân bằng mol, quan hệ giữa
bớc phản ứng v nồng độ của các cấu tử
Định nghĩa : Bớc phản ứng X là tỷ số giữa số mol thay đổi của cấu tử
bất kỳ trong phản ứng và hệ số tỷ lợng tơng ứng của cấu tử đó:

X=

n j

j

=

n j n oj

j

Theo định nghĩa này, bớc phản ứng có đơn vị là mol.

12



(2.7)



Đối với phản ứng thực hiện theo phơng thức liên tục, ở trạng thái ổn
định, bớc phản ứng X đợc tính trên lu lợng dòng mol:
X=

n j n oj

j

(2.8)

Trong trờng hợp này, bớc phản ứng X có đơn vị là mol/h hay kmol/h.
Nh vậy trong phản ứng hóa học, chỉ cần đo sự thay đổi số mol của một
cấu tử bất kỳ, có nghĩa là xác định số mol của cấu tử đó ở đầu vào và đầu ra
(hay trớc và sau phản ứng), từ đó tính bớc phản ứng theo phơng trình
(2.7) hoặc (2.8).
Biến đổi phơng trình (2.7) sẽ cho phơng trình cân bằng mol cho tất cả
các cấu tử trong hệ:
n1 = n1o + 1 X
n1 n1o = 1 X
n2 = n2o + 2 X
n2 n2o = 2 X
M
M
hay
o
n j = n oj + j X
nj nj = j X
M
M

nl = nlo + l X
nl nlo = l X

(2.9)

Dựa trên phơng trình cân bằng mol (2.9) ta có thể tính số mol của các
cấu tử còn lại một cách dễ dàng, khi biết số mol ban đầu n oj .
Đối với thiết bị phản ứng liên tục, ở trạng thái ổn định ta sẽ có phơng
trình cân bằng dòng mol tơng ứng nh sau:
n1 n1o = 1 X
n2 n2o = 2 X
M
n j n oj = j X
M
nl nlo = l X

n1 = n1o + 1 X
n2 = n2o + 2 X
M
hay
n j = n oj + j X
M
nl = nlo + l X

(2.10)

Đối với phản ứng thực hiện ở chế độ đẳng tích V R = const hay V = const
với khái niệm bớc phản ứng đẳng tích Y là tỷ số giữa bớc phản ứng X và
thể tích phản ứng V R hay Y là tỷ số giữa bớc phản ứng X và lu lợng thể
tích V, ta có:




13


X
X
và Y =
V
VR

Y=

(2.11)

Y và Y có đơn vị là mol/m 3 .

Chia cả hai vế của phơng trình (2.9) và (2.10) cho V R và V ta có quan
hệ giữa bớc phản ứng và nồng độ c :
c1 = c1o + 1Y
c 2 = c 2o + 2 Y
M
c j = c oj + jY
M
cl = clo + l Y

c1 = c1o + 1Y
c 2 = c 2o + 2 Y
M

(2.12)
c j = c oj + jY
M
cl = clo + l Y

hay

Để thiết lập quan hệ giữa nồng độ phần mol x j và bớc phản ứng X , cộng
vế trái và vế phải của phơng trình (2.10) và (2.11) đợc tổng số mol sau
phản ứng:
l

l

l

j=1

j=1

j=1

n = n j = n oj + X j

(2.13)

và tổng lu lợng dòng mol n :
l

l


l

j=1

j=1

j=1

n = n j = n oj + X j

(2.14)

Lấy phơng trình (2.9) chia cho phơng trình (2.13) và phơng trình
(2.10) chia cho phơng trình (2.14) ta có nồng độ phần mol của các cấu tử:
xj = l



j=1

n oj + j X
n oj

và x j = l

l

+ X j




j=1

j=1

n oj + j X
n oj

l

(2.15)

+ X j
j=1

Nếu đa vào khái niệm bớc phản ứng biến đổi Y , là tỷ số giữa bớc
l

phản ứng X và tổng số mol ban đầu n o = n oj , ta có:
j=1

Y =

X

= l
n
o


X



j =1

14

n oj



(2.16)


hay

X

Y =

no
Kết hợp giữa phơng trình (2.15) và phơng trình (2.16) ta có:
xj =

x oj + j Y
l

(2.17)


1 + Y j
j=1

II.3. Độ chuyển hóa, quan hệ giữa độ chuyển hóa với
bớc phản ứngv nồng độ của các cấu tử
Định nghĩa : 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. Thờng ngời ta chọn cấu tử đặc trng k trong hệ (là cấu tử
cho phép dễ đo đạc và phân tích trong phòng thí nghiệm) để xác định độ
chuyển hóa U k của nó:

Uk =

n ko n k
n ko

(2.18)

U k có giá trị từ 0 đến 1, bằng 0 khi cấu tử đó không tham gia phản ứng
và bằng 1 khi cấu tử đó tham gia hoàn toàn vào biến đổi hóa học.
Khi biết độ chuyển hóa U k ta có thể tính số mol của các cấu tử còn lại
sau phản ứng:
n k = n ko n ko .U k
n1 = n1o +
M
n j = n oj +
M
nl = nlo +

1 o

.n k .U k
k
j

k

.n ko .U k

(2.19)

l o
.n k .U k
k



15