Chemistry Labs

Hoá học công nghiệp và ứng dụng

Kỹ thuật phản ứng, quá trình truyền nhiệt, truyền khối

Kết nối động học phản ứng nội tại với khuấy trộn, thời gian lưu, thải nhiệt và khuếch tán ở quy mô thiết bị để dự đoán độ chuyển hoá, độ chọn lọc và tính ổn định.

1 THCS2 THPT3 Đại học4 Nâng cao5 Nghiên cứu

Trực giácTừ phân tử đến thiết bị phản ứng

Định luật tốc độ đo trong điều kiện đẳng nhiệt, khuấy trộn tốt chưa phải là thiết kế thiết bị phản ứng. Dòng chảy, khuấy trộn, trao đổi nhiệt và vận chuyển trong lỗ xốp xúc tác làm thay đổi nồng độ và nhiệt độ cục bộ; kỹ thuật phản ứng ghép các tác động này với hoá học.

Định nghĩa: Thời gian lưu

Với thiết bị dòng ổn định, thời gian không gian danh nghĩa bằng thể tích thiết bị chia cho lưu lượng thể tích nguyên liệu, τ=V/V˙0\tau=V/\dot V_0. Đây là thang đo hữu ích, không bảo đảm mọi phần tử lưu chất ở đúng khoảng thời gian đó; phân bố thời gian lưu mô tả độ phân tán này.

Phổ thôngMô hình thiết bị lý tưởng

Batch: dCAdt=rA;CSTR: FA0−FA+rAV=0;PFR: dFAdV=rA\text{Batch: }\frac{dC_A}{dt}=r_A;\quad \text{CSTR: }F_{A0}-F_A+r_A V=0;\quad \text{PFR: }\frac{dF_A}{dV}=r_A

Thiết bị mẻ không có dòng vào hay ra trong thời gian phản ứng. Thiết bị khuấy trộn liên tục (CSTR) giả định điều kiện đồng đều tại cửa ra và trong toàn bồn; thiết bị dòng nút (PFR) giả định biến đổi dọc trục, gần như không có khuấy ngược. Các lý tưởng hoá này cho phương trình cân bằng làm cơ sở ban đầu để thiết kế thiết bị.

Ví dụ: Độ chuyển hoá phản ứng bậc nhất

Với phản ứng lỏng bất thuận nghịch bậc nhất có tốc độ −rA=kCA-r_A=kC_A, PFR lý tưởng cho X=1−e−kτX=1-e^{-k\tau}. Khi kτ=1k\tau=1, độ chuyển hoá xấp xỉ 0,63. Cùng định luật tốc độ trong CSTR lý tưởng cho X=kτ/(1+kτ)=0,50X=k\tau/(1+k\tau)=0,50, vì toàn bồn ở nồng độ thấp như tại cửa ra.

Lời giải

Phương trình thiết kế tích phân tốc độ cục bộ theo thể tích thiết bị. PFR có nồng độ chất phản ứng cao gần cửa vào; CSTR vận hành ở nồng độ cửa ra trong toàn bồn. Vì vậy với phản ứng bậc dương này, cùng thể tích và lưu lượng, PFR đạt chuyển hoá cao hơn.

Đại họcTruyền nhiệt làm thay đổi động học

dTdt  or  dTdV∼(−ΔHr)(−rA)ρCp−UA(T−Tc)ρCpV\frac{dT}{dt}\;\text{or}\;\frac{dT}{dV}\sim\frac{(-\Delta H_r)(-r_A)}{\rho C_p}-\frac{UA(T-T_c)}{\rho C_p V}

Với phản ứng toả nhiệt, nhiệt sinh ra làm tăng nhiệt độ; động học Arrhenius thường khiến phản ứng nhanh hơn và sinh thêm nhiệt. Công suất làm mát, khuấy trộn và hình học thiết bị quyết định hồi tiếp này được kiểm soát hay gây điểm nóng và mất kiểm soát nhiệt. Phản ứng thu nhiệt cần được cấp nhiệt đủ nhanh để tránh làm nguội tắt phản ứng.

Nâng caoTruyền khối và hiệu quả xúc tác

Chất phản ứng có thể phải đi qua màng lưu chất, khuếch tán trong lỗ xúc tác rồi mới phản ứng tại tâm hoạt động. Nếu khuếch tán chậm hơn phản ứng, tốc độ đo ở cấp hạt xúc tác thấp hơn tốc độ nội tại. Hệ số hiệu quả η\eta so sánh hai tốc độ này; trở lực màng ngoài và khuếch tán lỗ trong là hai giới hạn khác nhau, cần biện pháp xử lý khác nhau.

η=observed rate in porous catalystrate if the whole catalyst were at surface conditions,0<η≤1\eta=\frac{\text{observed rate in porous catalyst}}{\text{rate if the whole catalyst were at surface conditions}},\qquad 0<\eta\le 1

Định nghĩa: Số Damköhler

Số Damköhler so sánh tốc độ phản ứng đặc trưng với thang thời gian vận chuyển hoặc dòng chảy. Với phản ứng bậc nhất trong mô hình dòng nút, Da=kτDa=k\tau; DaDa lớn nghĩa là phản ứng nhanh so với thời gian lưu, còn DaDa nhỏ báo hiệu thời gian tiếp xúc hoặc động học nội tại có thể giới hạn chuyển hoá. Hình học khác có nhóm Damköhler tương ứng khác.

Nghiên cứuBiên giới nghiên cứu

Tài liệu tham khảo

  • Chemical Reaction Engineering · Octave Levenspiel, 1999
  • Elements of Chemical Reaction Engineering · H. Scott Fogler, 2016
  • Transport Phenomena · R. Byron Bird, Warren E. Stewart, Edwin N. Lightfoot, 2002
  • Diffusion and Reaction in Porous Catalysts · E. W. Thiele, 1939