HÓA KỸ THUẬT - PHẠM NGUYÊN CHƯƠNG

November 15, 2017 | Author: University Bookshelf Official | Category: N/A

Short Description

LINK DOCS.GOOGLE: https://drive.google.com/file/d/0B7w57xpxgaT0dVdpRjlYRllTM28/view?usp=sharing...

Description

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

5-54-6C7 ----- —----- 111-93-02 KHKT-02

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NH ƠN

3

TP .Q UY

LỜI NÓI ðẦU

Môn học Hoá kỹ thuật cơ sở ñã ñược ñưa vào chương trình giảng dạy

hơn 20 năm qua tại Khoa Hoá, Trường ðại học Khoa hoc Tư nhiên, ðai hoc

Quốc gia Hà Nội: Tài liệu dùng cho sinh viên học môn học này trước ñây là

ĐẠ O

cuốn Giáo trình Hoá kỹ thuật cơ sở, xuất bản năm 1980 do tắc giả Nguyễn Xiiân Dũng, Phạm Nguyền Chương và Nguyễn.Bích Hà biên soạn. Sail thời

NG

gian ñó, dựa trên những kinh nghiệm tích luỹ ñược trong quá trình giảng dạy cũng như sự phát triển của ngành Công nghệ Hoá học, cuốn tìoá kỹ thuật cơ

HƯ

sở ñã ñược tập thể cán bộ giảng dạy Bộ môn Công nghệ Hoá học biên soạn lại, có sửa chữa bổ sung và nâng cao nhằm phục vụ cho việc ñào tạo cử nhân khoa

N

học ngành Hóa học trong giai ñoạn mới. Cuốn ỉ: Hoá kỹ thuật.

B

Cuốn 2: Bài tập Hoá kỹ thuật.

TR Ầ

Giáo trình Hoá kỹ thuật biên soạn lần này gồm hai cuốn:

00

Giáo trình này dùng ñ ể giảng dạy cho sinh viên năm thứ bá ngành Hoấ

10

học, hệ ñào tạo cử nhãn khoa học Hoá học.

A

Cuốn "Hoá kỹ thuật" ñược biên soạn gồm bốn phần:

HÓ

Phần I: Kỹ thuật tách chất (30 riết). Phần 11: Kỹ thuật tiến hành phản ứng (30 tiết).

Í-

Phần HI: Kỹ thuật vô cơ (15 tiết).

-L

Phần N : Kỹ thuật hữu cơ (15 tiết). Phần "Kỹ thuật tách chất" do các tác giả Phạm Nguyên Chương, Hà Sỹ

TO ÁN

Uyên và Nguyễn Diễm Trang biên soạn. Phẩn "Kỹ thuật tiến hành phản ứng" do các tác giả Nguyễn Văn Nội và

Phạm Hùng Việt biên soạn.

ĐÀ N

Phần "Kỹ thuật sản xuất các hợp chất vô cơ và hữu cơ" do các tác giả

Nguyễn Trọng Uyển, Trần Hồng Côn, Nguyễn Diễm Trạng và Hoa Hữu Thu Chủ biên cuốn sách: TS. Phạm Nguyên Chương.

DI Ễ

N

biên soạn.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Lời nói ñầu

4

Các tác giả vô cùng cảm ơn khi nhận ñược những ý kiến của ñồng giáo trình.

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Các tác giả

TP .Q UY

nghiệp và sinh viên về những thiếu sốt nội dung cũng như hình thức của cuốn

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

MỤC LỤC

TP .Q UY

Trang Lời nói ñầu

3

Phần I. KỸ THUẬT TÁCH CHẤT

NG HƯ N

10

Chương 2. Các phương pháp nhiệt tách chất

A

29 29 32

HÓ

2.1. Sấy khô chất rắn 2:1.1. Sấy khô bằng không khí nóng 2.1.2. Sấy khô bằng phương pháp tiệp xúc

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

2.2. Chung cất 2.2.1. Cột chung cất 2.2.2. Các khả năng tiết kiệm năng lượng 2.2.3. Chưng cất hệ nhiều cấu tử 2.2.4. Cân bằng lỏng - hơi 2.2.5 Chưng cất ñẳng phí 2.2.6. Chưng cất chiết 2 3. Hấp thụ ~ 2.3.1. Cơ sở hoá lý 2.3.2. Các quá trình hấp thụ tách chất quan trọng trong kỹ thuật 2.4. Chiết lỏng - iỏng 2.4.1. Cơ sở hoá lý 2.4.2. Phương pháp tiến hành chiết lỏng - lỏng trong kỹ thuật

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

15 17 17 18 18 20 20 21 22 23 25

00

B

TR Ầ

1.1. Các phựơng pháp chia nhỏ chất rắn 1.2 Phân loại theo cỡ hạt Ì.2.Í. Phân loại theo phương pháp sàng 1.2.2. Phương pháp phân loại bằng dòng không khí (sức gió) 1.2.3. Phân loại bằng dòng 1.3. Các phương pháp cơ học tách chất 1.3.1. Tách chất dựa vào tỷ trọng 1.3.2. Tách bằng phương pháp từ trường 1.3.3. Tách theo phương pháp ñiện trường 1.3.4. Tách chất theo phương pháp tuyển nổi . 1.3.5. Phương pháp lọc

ĐẠ O

Chương 1. Các phương pháp cơ học tách chất

•

33 33 34 35 38 43 45 48 48 49 53 53 56

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Mục lục

6

57 63

NH ƠN

2.4.3. Các quá trình chiết lỏng - lỏng quan trọng trong kỹ thuật 2.5. Tách chất bằng phương pháp hấp phụ

ĐẠ O

2.6.3. Thẩm tích 2.6.4. ðiện thẩm tích 2.6.5. Công nghệ màng lỏng 2.6.6. Bốc hơi qua màng ■’ 2.7. Tách chất bằng phương pháp kết tinh

78 79 80 81 81

NG

!

HƯ

81 88

N

90 90 90

TR Ầ

2.7.1. Khái niệm chung 2.7.2. Kết tinh bằng cách ỉàm lạnh 2.7.3. Kết tinh bằng bay hơi 2.7.4. Kết tinh chân không 2.7.5. Kết tinh từ hỗn hợp nóng chảy

63 67 74 74 77

TP .Q UY

2.5.1. Khái niệm chung 2.5.2. Các chất hấp phụ và ứng dụng của chúng trong công nghiệp 2.6. Tách chất nhờ màng bán thấm 2.6.1. Khái niệm chung 2.6.2. Thẩm thấu^ thẩm thấu ngược và siếu lộc

00

B

Phần II. KỸ THUẬT TIẾN HÀNH PHẢN ÚNG

10

Chương 3. Giới thiệu về kỹ thuật tiến hành phẫn ứng 96

HÓ

A

3.1. Các yếu tố ảnh hưởng ñến tốc ñộ phản ứng 3.2. ðịnh nghĩa về tốc ñộ phản úng

96

-L

Í-

Chương 4. Những vấn ñề ñộng học ứng dụng trong kỹ thuật tiến hành các phản ứng ñồng thể 4.1. Sự phụ thuộc của tốc ñộ phản úng vào nhiệt ñộ , 4.1.1. Sự phụ thuộc của tốc ñộ phản ứng vào nhiệt ñộ theo ñịnh luật Arrhenius 4.1.2. Sự phụ thuộc của tốc ñộ pharTững vào nhiệt ñộ theo lý thuyết nhiệt ñộng học 4.1.3. Sự phụ thuộc của tốc ñộ phản ứng vào nhiệt ñộ theo thuyết vá chạm 4.1.4. Sự phụ thuộc của tốc ñộ phản ứng vào nhiệt ñộ theo thuyết trặng thái chuyển tiếp

TO ÁN

99 99

ĐÀ N

99 100

DI Ễ

N

101

4.1.5. So sánh các thuyết với ñịnh luật Arrhenius 4.1. 6 . Tìm cơ chế của phản ứng 4.2. ðộng học của phản ứng ñồng thể

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

; ■

r

ỉ

103 103 104

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật 4.2.1. Tốc ñộ phản ứng ñồng thể

'

104 104

4.2.3. Mô hình ñộng học cho các phản ứng không Cớ bản 4.2.4. Tìm mô hình ñộng học cho phản ứng

105 109

Chương 5. Giới thiệu chung về tính toán trong các thịết bị phản ứng Chương 6. Tính toán trong thiết bị phận ứng gián ñoạn

'o

'

;

10

00

B

TR Ầ

7.1. Giới thiệu chung 7.2. Thiết bị phản ứng khuấy lý tưởng gián ñoạn 7.3. Thời gian lưu biểu kiến và tốc ñộ thể tích biểu kiến 7 A Thiết bị phản ứng khuấy lý tứởng liên tục 7.5. Thiết bị phản ứng ống dòng

N

Chương 7. Các thiết bị phản ứng lý tựởng

7.6. Thời gian lưu thực t và thời gian lưu biểu kiến X

135 136 137 138 139

HÓ

A

142 143 í

-L

Í-

Chương 8. Hệ thống các thiết bị phản ứng

117 118 133

142

7.6.1. Thiết bị khuấy lý tưởng liên tục ÌMR» 7.6.2. Thiết bị ống dòng PFR

116

HƯ

NG

ĐẠ O

6.1. Thiết bị phản ứng gián ñoạn ñẳng tích : 6.1.1. Phân tích xử lý các số liệu về áp suất tổng nhận ñược từ hệ thống ñẳng tích . 6.1.2. Phương pháp tích phân ñể xử lý các số liệu thực nghiệm 6.2. Phản ứng có thể tích thay ñổi

TP .Q UY

4.2.2. Biểu diễn sự phụ thuộc tốc ñộ phản ứng vào nồngñộ

NH ƠN

7

ĐÀ N

TO ÁN

8.1. Hệ thống các thiết bị ống dòng PFR mắc song song và nối tiệp. 8.2. Hệ thống thiết bị phản ứng gồm các IMR có thể tích bằng nhau mắc nối tiếp 8.3. Hệ thống thiết bị phản ứng gồm IiyiR yà PFR njắc hỗn hợp 8.3.1. Mắc nối tiếp 8.3.2. Mắc song song 8.4. Các phản ứng tự xúc tác 8 .4.1. Sự xem xét ñịnh tính .

150

DI Ễ

N

8.4.2. Sự xem xét ñịnh lượng

145 146 148 148 149 149 149

Chương 9. Một số khả nãng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng 9.1. Phản ứng khí ñồng thể

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

153

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Mục lục

NH ƠN

8 9.1.1. Phản ứng khí ñồng thể phát nhiệt

153

9.1.2. Các phản ứng khí ñồng thể thu nhiệt 9.2. Các phản ứng khí xúc tác dị thể

156 164 164

TP .Q UY

9.2.1. Các phản ứng trung hoà nhiệt

HƯ

NG

ĐẠ O

9.2.2. Các phản ứng khí phát nhiệt 9.2.3. Các phản ứng khí thú nhiệt 9.2.4. Quá trình tự cung nhiệt 9.3. Các phản ứng trong pha lổng s 9.3.1. Các phản ứng trong pha lỏng ñồng thệ 9.3.2. Các phản ứng khí - lỏng - „ í 9.4. Các phản ứng trong pha rắn 9.4.1. Các phản ứng khí —rắn và phản ứng giữa các chất rắn với nhau 9.4.2. Các phản ứng lỏng - rắn

168 171 177 180 180 ...185 194 194 197

Chương 10. Kỹ thuật sản xuất các loại axit

TR Ầ

N

Phần III. KỸ THUẬT VÔ c ơ

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

10.1. Sản xuất axit sunfuric 10.1.1. Sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc 10.1.2. Sản xuất axit sunfuric theo phương pháp nitrozo 10 .2 . Sản xuất axit nitric 10 .2 . 1. Sản xuất khí nitơ monoaxit và nitơ ñioxit 10.2.2. Phương pháp sản xuất axit nitric loãng 10.2.3. Phương pháp sản xuất axit nitric ñặc 10.3. Sản xuất axit clohyñric 10.3.1. Sần xuất khí hyñroclorua - HC1 = 10.3.2. Sản xuất axit clohyñric 10.4. Sẫn xuất axìt photphoric 10.4.1. Sản xuất axit photphoric bằng phương pháp trao ñổi 10.4.2. Sản xuất axit photphoric bằng phương pháp nhiệt Chương ỉ ì . Kỹ thuật

203 203 209 211 211

214 216 217 217 218 219 220 222

sản xuất các baza

N

11.1. Sản xuất natri hyñroxit

. 225

DI Ễ

11.1.1. Các quá trình ñiện hoá ll.l;2 i Nguyên liệu :ỉ 11.1.3. Phương pháp ñiện phân có màng ngăn 11.1.4. Phương pháp ñiện phân sửdụng catot thuỷ ngân

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

225 226 227 229

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật 1 1.2. Sản xuất amoni hyñroxit

232 235

11.3. Sản xuất canxi oxit và canxi hyñroxit

12.1. Công nghệ khai thác và tinh chế các muối 12.1.1. Khại thác và tinh chế muối NaCl 12.1.2. Khai thác và chế biến muối KC1 12.1.3. Khai thác và sản xuất bari sunfat 12.2. Tổng hợp một số muối vô cơ thông dụng 12 2.1. Phương pháp chuyển hoá tương hỗ sản xuất soña 12.2.2. Phương pháp chuyển hoẩ tương hỗ sản xuất kali nitrat 12.23. Phương pháp chuyển hoá tương hỗ sản xuất amoni sunfat .... 12.2.4. Tổng,hợpK N 0 3 từ K ơ và HNO,

NG

HƯ

N V

254 254 . . 'o 259 261 263 265 265 270

HÓ

A

10

00

B

12.2.7. Sản xuất phân supephotphat ñơn 12.2.8. Sản xuất phân supephotphat kép 12.2.9. Sản xuất phân tổng hợp NPK ' 12.3. Phương pháp oxy hoá ñiện hoá sản xuất một số m uốivô cơ 12.3.1. Sản xuất kali clorat và peclorat ' 12.3.2. sản xụất muối kali pemanganat

239 239 243 246 246 247 250 251 253

ĐẠ O

;

TR Ầ

12.2.5. Phương pháp trung hoà sản xuất amoni nitrat 12.2.6 Sản xuất phân ure - NH2CONH 2

TP .Q UY

Chương 12. Sản xuất một số muối vô cơ quan trọng

NH ƠN

9

Chương 13. Sản xuất một số vật liệu siỉicat và vật liệu kết dính

Í-

~

273 276 277

TO ÁN

-L

13.1. Công nghệ sản xuất thuỷ tinh 13.2. Công nghệ sản xuất ñồ gốm 13.3. Công”nghệ sản xuất ximăng

Phần IV. KỸ THUẬT H ữu c ơ

___

ĐÀ N

Chương 14. Dầu mỏ và lọc - hóa dầu 283

14.2. Các phương pháp chính của lọc - hoá dầu

288

N

14.1. Dầu mỏ và các sản phẩm chính của nhà máy lọc -h o á ñầu

DI Ễ

14.3. Chưng cất dầu thô 14.3.1. Rửa mặn dầu thô 14 3.2, Chưng cất khí quyển ñầu thô 14.3.3.

Chưng cất chân không

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

290 290 290 293

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Mục lục

•#>

NH ƠN

Chương 15. C hế biến dầu mỏ bằng các phương pháp dùng xúc tác

TP .Q UY

15.1. Cracking xúc tác 15.1.1. Chất xúc tác cracking 15.1.2. Các phản ứng xảy ra trong cracking xúc tác 15.1.3. Cơ chế chuyển hoá 15.1.4. Cracking trong công nghiệp 15.2. Hyñrocrackìng

295 295 296 298 299 301

ĐẠ O

Chương ló . C hế biến dầu mỏ bằng các phương pháp nhiệt 16.1. Giảm ñộ nhớt 16.2. Cốc hoá

_

N

HƯ

Chương 17. Reform ing xúc tác

~

TR Ầ

17.1. Cơ chếhoá học của reforming .xúc tác .17.2. Reforming xúc tác trong công nghiệp

„

NG

.

303 304

305 306

00

A

10

18.1. ðồng phân hóa hyñrocacbon 18 2. Phương pháp oligome hoá 18.3. Ankyl hoá olefin 18.4. Xử lý hoàn thiện

B

Chương 18. Các phương pháp tổng hợp làm tâng chỉ số octạn của xăng

HÓ

;

311

Í-

Chương 19. Khí tự nhiên

309 309 310 310

-L

Chương 20. Than và các phương pháp chế hoá than

TO ÁN

20.1. Khí hoá than 20.1.1. Cơ sở hoá học củá phướng pháp 20.1.2. Các phương pháp khí hoá than 20.2. Nhiệt phân than . 20.2.1. Phương pháp cốc hoá

N

ĐÀ N

->*

20.2.2. Xử lý phần lỏng ị20.2.3 . Chưng cất và xử lý cặn cốc

DI Ễ

20.3. Lỏng hoá than

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

313 313 314 315 315 316 318 319

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

11

NH ƠN

Chương 21. Kỹ th u ật tổng hợp hữu cơ từ các nguồn nguyên liệu thực vật 321 322 326 328 33Ọ

TP .Q UY

21.1. Ý nghĩa của các nguyên liệu từ thực vật 21.2. Xenlulozơ 21.3. Tinh bột 21.4. ðường 21.5. Mỡ và dầu 21.6 . Nhựa và tinh dầu thực vật

337

ĐẠ O

Chương 22. Phẩm màu

347 352 355

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

22.1. Màu và nhuộm màu lên vật liệu 22.2. Kỹ thuật sản xuất màu 22.3. Các chất tạo màu trong thực vật

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON II • H W I I I'll I I ' M'lllin i ' I II - w>in|ipiW rn-.ti.|

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

:| Ị

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

13

HƯ

Phần I

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

KỸ THUẬT TÁCH CHẤT

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

. ,

r

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

if b , » i I t '- h I

y-ỉỉi^

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

1

TP .Q UY

Chương

NH ƠN

15

CÁC PHƯƠNG PHÁP Cơ HỌC TÁCH CHẤT

ĐẠ O

1.1. CÁC PHƯƠNG PHÁ P CHIA NHỎ CHẤT RẮN

N

Mục ñích của việc chia nhỏ chất rắn nhằm:

HƯ

NG

Các phản ứng hóa học xảy ra ở pha dị thể, ví dụ: như giữa chất rắn với chất lỏng, giữa chất rắn với khí, giữa chất lỏng với khí hoặc hơi ñược tiến hành nhanh và liên tục tuỵ theo diện tích bề mặt tiếp xúc giữa các chất phản ứng với nhau, tốc ñộ phản ứng ở ñây tỷ lệ với diện tích bề mặt của các chất tham gia phản ứng, ñó ñó việc làm tăng bề mặt tiếp xúc là rất cần thiết (bằng cách chia nhỏ chất rắn rihờ tác ñộng của lực cơ học).

TR Ầ

1) Chuẩn bị nguyên liệu cho quạ trình tách chất

2) Chuẩn bị nguyên liệu cho các phản ứng hóa họe

00

B

• 3) Tạo ra các hạt chất rắn có kích cỡ theo yêu cầu chất lượng của sản phẩm cuối.

10

Quá trình chia nhỏ chất rắn ở ñây cần lưu ý ñến ñộ cứng-của nguyên liệu và ñộ chia nhỏ của chất rắn.

HÓ

A

Tuỳ theo yêu cầu của ñộ chia nhỏ, người ta sử dụng các phương pháp công nghệ thích hợp như ñập, nghiền, cắt v.v...

Í-

ðộ cứng ở ñây chính là ñộ cản chống lại của vật thể này ■lộn một vật thể khác ichi tác dụng vào nhau.

ĐÀ N

d:

TO ÁN

-L

ðộ chia nhỏ ỈỊ ñược xác ñịnh bởi tỷ lệ của ñường kính hạt nguyên liệu ñem chia nhỏ D và ñường kính hạt sau khi ñã chia nhỏ

D n= —

a) Ép

d

DI Ễ

N

D: ñường kính hạt nguyên liệu; d: ñường kính hạt sau khi chia nhỏ.

b) Cát

c) ðập

Hình 1.1. Mô tả các lực cơ học dùng ñể chia nhỏ chất rán và ñược thực hiện nhờ các máy ñập, máy xay, máy nghiền (còn tiếp)

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương I. Các phương pháp cơ học tách chất

16

TP .Q UY

NH ƠN

Ịñưòng nạp nguyên liệu

Máy nghiền: 1. trục quay cô' ñinh; 2. trục quay dịch chuyển nhò iò xo.

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Máy ñập: 1. tấm; 2. ñế ép; 3. vòng.bi.treo.

A

c)

d).

1. roto; 2. lưõi nghiền; 3. xích ưeo.

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

1. trục; 2. tấm dập hình nón cụt; 3. vòng bi treo; 4. cơ cấu cam.

Chuyển ñộng của bi cho thiết bị nghiền bi: a) nghiền thô . b) nghiền tinh.

DI Ễ

N

Hình 1.1. Mỏ tả các lực cơ học dùng ñể chia nhỏ chất rắn và ñược thực hiện nhờ các máy ñập, máy xay, máy nghiền (tiếp theo).

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

Máy ñập búa ñể ñập những tảng nguyên liệu có kích cỡ, từ 0,2 ñến 1,5 m thành những hạt cỡ từ 25 ñến 350 mm. Máy ñập búa phục vụ cho việc ñập; thồ các tảng ngụyên liệu lớn, công suất máy có thể ñạt từ 5 ñến 1200 tấn/giờ.

TP .Q UY

Máy xay trục lãn dùng xay các hạt nguyêri liệu có kích cỡ từ 100 ñến 350 mm thành các hạt có cỡ từ 15 ñến 80 mm, công suất ñạt từ 50 ñến 1200 tấn giờ.

NH ƠN

17

Máy nghiền bi cộ khả năng nghiền Ịịát'nguyên liệu từ 20 ñến 30 mm thành hạt sản phẩm nhỏ hơn 0,1 mm, công suất máy ñạt từ 2 ñến 60 tân/giờ.

ĐẠ O

Trong tất cả cấc phương pháp chia nhỏ chất rận người ta tiến hành gia công ở dạng khô. Máy nghiền bi có thể nghiền ựớt, nguyên liệu cần nghiền ñược tạo huyền phù với nước và ñược nghiền nhỏ nhờ nhưng quả cầu bằng sứ hóặc bằng thép khống nhiễm từ, người ta cũng có thể tăng hiệu suất nghiền bằng cách cho thêm chất trợ nghiền.

HƯ

NG

ðối với các riguyên liệu khi chia nhỏ bị ảnh hưởng tới chất lượng vì nhiệt ñộ tăng trong quá trinh gia công, người ta tiến hành phương pháp nghiền lạnh ñể loại trừ khả năng sinh nhiệt cũng như khả năng bay hơị của các chất thơm như cà phè v.v...

N

1.2. PHÂN LOẠI THEO CỠ HẠT

00

B

TR Ầ

Sau khi ñập, xay, nghiền ta thu ñược một hỗn hợp.các hạt sản phẩm có kích cỡ khác nhau Quá trình phân loại dưa theo kích thước hình học của hat hoăc tách các cấu tử dưa theo tính chất vật lý ñể phục vụ cho việc tách hỗn hợp trên thành từng loại hạt có kích cỡ ñêu nhau. ^,

HÓ

A

10

Dùng phương pháp phân loại bằng sàng và tách loại bằng dòng không khí cho các sản phẩm gia công khô và dùng phương pháp phân loại bằng ñòng và xiclon thuỷ lực cho các san phẩm gia công ướt. 1.2.1. Phân loại theọ phương pháp sàng

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

Việc tách các hạt chất rắn có cùng kích cỡ hình học nhờ các tấm ñáy sàng có kích thướe lỗ khác nhau, sàng rung ñộng ñể cho các hạt có ñường kính nhỏ hơn lỗ sàng chui qua còn các hạt có ñường kính to hơn sẽ bị giữ lại. Phương pháp phân loai the.o sàng thích hợp ñể tách hỗn Tiợp các hạt có kích thước ;từ 1 mm trở Ịên còn các hạt . nhổ hơn thì dùng phương pháp tách bằng dòng. ^;

Hình i . 2! Thiết bị sàng: a) sàng lưới: b) sàng rung bằng ñiện từ.

2-HKT

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 1. Các phương pháp cơ học tách chất

18

Hình 1.2 mô tả thiết bị phân loại theo sàng. Tuỳ theo cấu trúc sàng, eác hạt

NH ƠN

chuyển ñộng theo hình tròn hay hình elip hay chuyển ñộng thẳng. 1.2.2. Phương pháp phân loại bằng dòng không khí (sức gió)

TP .Q UY

Phương pháp này ñược ứng dụng cho phân loại hạt khô (ñộ ẩm dưới 5 -r '6 %), các hạt có ñường kính từ 3 mm ñến 10 mm. ðộ lớn của hạt phân loại ñược ñiều chỉnh theo ñộ thổi mạnh của dồng khống khí. Thiết bị phân loại bằng sức gió tương tự như máỳ quặt thóc ñể tách loại hạt lép, hạt mẩy .

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Hình 1.3 mô tả thiết bị tách bằng sức gió. Các thiết bị này bao gồmcácbộ phận: nguồn tạo ra ĩuồng gió, buồng nạp nguyên liệụ, buồng hứng hạt nặng, hứng hạt nhẹvà thiết bị khử bụi.

HÓ

A

Hình 1.3. Thiết bị tách bằng sức gió:

-L

Í-

1) buồng nạp nguyên liệu; 2) trục ñiều chỉnh cho nguyên liệu vào; 3) buồng thổi gió; 4) nguồn tạo ra luồng gió; 5) buồng hứng hạt nặng; 6) buồng tách; 7) xiclon; 8) buồng húng hạt nhẹ; 9) thiết bị khử bụi và xả khí.

TO ÁN

1.2.3. Phân loại bằng dòng

ĐÀ N

ðây là phương pháp phân loại ướt ñể tách các hạt hỗn hợp trên cơ sở về quan hệ khác nhau của các hạt trong hỗn hợp ñối với quá trình chuyển ñộng trong môi trường chất lỏng.

DI Ễ

N

Các hạt có ñộ lớn khác nhau dưói tác ñộng của'các lực sẽ có các ñường chuyển ñộng Miác nhau. Lực tác ñộng ở ñây là lực cản, lực trọng trường, lực ly tâm, lực quán tính v.v... Giả thiết chuyển ñộng rơi, chìm ñều của quả cầu trong môi trường chất lỏng, các lực tác ñộng lên quả cầu là lực trọng trường Fp, lực cản Fw, lực ñẩy FA , ta có:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hỏa kỹ thuật

19 F f + F a + Fw - 0 f a

NH ƠN

mà

( 1. 1)

( 1.2)

= -V g p

(1.3)

= Vgy Fw = - rjmv rị: ñộ nhớt củạ chất lỏng;

p : tỷ trọng của chất lỏng;

V

g : gia tốc trọng trường;

r : bán hình quả cầu;

: tốc ñộ của quả cầu rơi;

ỵ : tỷ trong của hạt chất rắn.

ĩ7

( 1.6)

(r - p )

TR Ầ

.2 . ^

N

Suy ra tốc ñộ chìm (tĩnh); 9

(1.5)

HƯ

m* ( ỵ - p ) g - 6 Tí.rị.r.v = 0

NG

Thay các phương trình (1.2), (1.3), (1.4) vào (1.1) ta có :

V =

TP .Q UY

V : thể tích của quả cầu (hạt);

ĐẠ O

trong ñó :

(1.4)

10

00

B

Như vậy các hạt cổ kích cỡ khác nhau sẽ có tốc ñộ chìm khác nhau vậ người ta ứng dụng tính chất này ñể phân loại bằng dòng. Tuy nhiên việc phân loại này chỉ ñược áp dụng theo ñịnh luật Stockes trong vùng mà chỉ số Reynolds Re < 0,6 2

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

Phương pháp phân loại bằng dòng dùng chọ các hạt có kích cỡ dưới 1 mm .

ĐÀ N

Hình 1.4. Mộ tả các thiết bị phân loại bằng dòng:

a) Thiết bị phân loại kiểu nằm ngang: b) Thiết bị phân loại kiểu thẳng ñứng: 1) hon hợp ñầu; 2) hạt tinh: 3) hạt thô 1) hon hợp ñau;.2) hạt tinh; 3) lưới sắt; 4) ñường ñẫn nước vào; 5) hạt thô.

DI Ễ

N

Ngày nay trong công nghệ hóa học người ta thường dùng máy phân loại dòng kiểu ly tâm ướt. Các hạt nặng rơi xuống phía dưới còn các hạt nhẹ sẽ theo dòng hưóng lên phía trên và tràn ra ngoài. •

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hình 1.5. Xiclon thuỷ lực :

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

a) Sơ ñồ xiclon thuỷ lực 1. ñường nạp; 2. sản phẩm; 3. Iớp cao su lót: 4. vòi phun cao su ñiều chỉnh nhờ áp lực; 5. ñường thải. b) Tương quan ñòng trong xiclon thủy lực c) Ống pKun cửả xiclon thủy lực 1. ống phun , • 2. cái nêm ñệm thay ñổi ñược; 3. ống dẵn vào; 4. ống dẫn r a .

NH ƠN

Chương 1. Các phương pháp cơ học tách chát,

20

CÁC PHƯƠNG PHÁP C ơ HỌC TÁCH CHẤT

TR Ầ

1.3.

00

B

Các hạt chất rắn ñược tách loại theo các tính chất vật lý khác nhau: như các phương pháp tỷ trọng, phương pháp từ, phương pháp ñiện và phương pháp tuyển nổi.

10

1.3.1. Tách chất dựa vào tỷ trọng

HÓ

A

Phương pháp này ñược tiến hành nhờ có sự khác nhau rất lớri về tỷ trọng của các cấu tử cần tách trong hỗn hợp chất rắn, người ta thường ứng dụng trong tách ướt nên phương pháp này còn gọi là phương pháp chìm nổi.

TO ÁN

-L

Í-

Các cấu tử có thể tách ra khỏi nhau một cách dễ dàng nếu ta cho thêm vào một dung dịch chặt lỏrìg có khối lượng riêng nằm giữa tỷ trọng của hai cấu tử cần tách. Các dung dịch huyền phù có hạt rất mịn của các chất có tỷ trọng lớn cần ñược ñiều chế ñể tỷ trọng riêng của chúng nằm giữa tỷ trọng của quặng và tỷ trọng chất rắn cần tách. Các dung dịch huyền phù này ñược gọi là chất lỏng nặng. Ví dụ ta có dung dịch huyền phù và ferrosilic trong nước, tỷ trọng p = 6,7 g/cm ',

ĐÀ N

Dung dịch huyền phù Barytin trong nước co p = 4,3 ñến 4,7 g/cm \ Dung dịch huyền phù cát thạch anh trong nước có p = 2,6 g/cm \

DI Ễ

N

Các dung dịch huyền phù ñược khuấy liên tục ñể không bị lắng, nó tác dụng như các chất lỏng ñồng thể. Trong.phòng thí nghiệm thường dùng các chất lỏng bromoform, pentacloetan. Phương pháp tỷ trọng ñược ứng dụng ñầu tiên ñể tách than ñằ khỏi ñấ quặng.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật1

Than ñá có tỷ trọng là 1,4 g/cnr , ñá quặng có tỷ trọng .là 2,6 g/cm \ nếu. ta cho vào hỗn hợp trên một dung dịch huyền phù có tỷ trọng là 2 gJcnỶ thì hai loại ñó sẽ tách ra khỏi nhau dễ dàng.

TP .Q UY

Cần phải thu hồi chất íồng nặng sau khi tách loại. Cẳc hạt mịn nhỏ của chất lồng

NH ƠN

21

NG

ĐẠ O

nặng bám vào hạt chất nổi và chất chìm, nếu các hạt này không cổ từ tính ví dụ như: ñất ñá, cát thì ta có thể dùng nước rửa sạch ñể tách chúng ra, còn trường hợp hạt nhỏ có từ tính ví dụ như: manhetit, íeròsiĩic thì dụng phương pháp từ tính ñể ỉấy ra. Các hạt cấu tử cần tách ở ñây có giơi hạn kích thước không ñược nhỏ hơn. 3 ... 5 mra do tỷ trọng chất lộng nặng dùng là cao nến tốc ñộ chìm lắng rất nhỏ. ■

- '' ■

TR Ầ

N

m

HƯ

ìầ L tả & y k ,.

HÓ

A

10

b) Sơ ñổ quá trình tách bằng phương pháp tỷ trọng: 1) ñường nạp hỗn hợp ñầu; 2) ñưòng ra của hat nhẹ; 3) ñườrig ra cua hat nặng; 4) lướiñú . 5) dòng nước thu hối.

Í-

а) Sơ ñồ máy tách lỏại hình trống: 1) ñường nập cùả hỗn hợp ñầu; 2) ñường nạp của chất lỏng nặng; 3) ñường ra của hạt nhẹ; 4) ñường ra của hạt nặng; 5) ñộng cơ ñiện; б) cánh khuấy.

00

B

Hình 1.6. Mô tả các thiết bị tách loại bằng phưong pháp tỷ trọng:

-L

1.3,2. Tách bằng phương pháp từ trường

TO ÁN

Phương pháp này ñược tiến hành khi trong hỗn hợp cấn tách loại bao gồm các hạt chất rắn co từ tính và các hạt không nhiễm từ tính Kích cỡ hạt phân loại từ 1 ñến 10 mm.

ĐÀ N

Trọng kỹ thuật, phương pháp tách loại bằng từ tính thường dùng các thiết bị tách khô và thiet bị tach ướt cho cac hạt mịn và rất mịn.

DI Ễ

N

Nam châm dùng ở ñậy. là nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm ñiện. Người ta thường dùng nam châm vĩnh cửu :VÌ vận hành an toàn hơn.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 1. Các phương pháp cơ họp tách chất

22

NH ƠN

1.3.3. Tách theo phương pháp ñiện trường

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

Phương pháp này ñược tiến hành nếu trong hỗn hợp tách có chứa các hạt chất rắn có khả năng dẫn ñiện và hạt không dẫn ñiện (có ñộ dẫn ñiện riêng nhỏ hơn 10'13 Q -'cm 1) quan trọng ở ñây lắ làm thế nào ñể tích ñiện khác dấu cho các hạt cần tách.

Thiết bị tách loại khô hình trống: 1) ñường nạp nguyên liệu; 2) hệ thống nam châm; 3) hệ thống trống quay theo chiều mũi tện; 4) tấm vách ngân có thể ñiều chỉnh ñược; 5) hạt có từ tính; 6) hạt không có từ tính.

A

10

00

B

a)

TR Ầ

Hình 1.7. Mô tả các thiết bị phản loại bằng từ: b) Thiết bị tách loại ướt: 1) ñường nạp nguyên liệu; 2) hệ nam châm; 3) trống quay theo chiều mũi tên; 4) hạt khống nhiẽm từ; 5) hạt có từ tính; 6) ñường tràn nước.

HÓ

Tích ñiện cho hỗn hợp chất rắn:

TO ÁN

-L

Í-

Việc tích ñiện cho các hỗn hợp chất rắn ñược thực hiện qua hệ phân cực tiếp xúc, qua cọ xát và trong ñiện trường phát quang. Khi cọ xát hai vật có ñộ dăn ñiện khác nhàu thì có thể tích ñiện khác nhau cho chúng, chất rắn nào có hằng số ñiện môi cao hơn sẽ tích ñiện dương, chất nào có hằng số ñiện môi thấp hớn sẽ tích ñiện âm (theo nguyên lý Cohen).

ĐÀ N

Tích ñiện trong ñiện trường phát quang do sự phóng ñiện trong chất khí, các ion khí sẽ có cùng dấu như ñiện cực phẩt quang, các ion khí này sẽ tích ñiện cho các tiểuphân chất rắn.

DI Ễ

N

Khi ñưa một hỗn hợp tách qua một trục quay là ñiện cực dương và ñược nối với ñất. Còn ñiện cực ñối diện là ñiện cực âm thì các chất không dẫn ñiện chỉ bị phân cực và bám dính vào trục quay, các chất dẫn ñiện sẽ tích ñiện dương và bị ñẩy khỏi trục quay.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

23

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

Hóa kỹ thuật

Hình 1.8. Thiết bị mô tả phương pháp phân loại bằng ñiện trường (tích ñiện cho các hạt chất rán

NG

theo phương pháp phán cực tiếp xúc):

HƯ

1) ñường nạp nguyên liệu; 4) bộ phận cần gạt hạt không dẫn ñiện; 2) ñiện cực dương là trục quay; 5) hạt dẫn ñiện; 3) ñiện cực âm ñối diện với trục quay; 6) hạt không dẫn ñiện.

TR Ầ

N

1.3.4. Tách chất theo phương pháp tuyển nổi

B

Phương pháp tuyển nổi dùng ñẹ tách hỗn hợp chất rắn hạt mịn và rất mịn dựa trên tính kỵ nước của bề mặt một trong các chất này.,

Í-

HÓ

A

10

00

Khi huyền phụ hóa hỗn hợp chật rắn và thổi, vào dung dịch những bong bóng không khí nhỏ thì các tiểu phân chất rắn kỵ nước sẽ ñi lên phía tiện thẹo bọt không khí, còn các tiểu phân chất rắn không kỵ nước sẽ chìm xuống' ñáy. Trước khi tuyển nổi hỗn hợp chất rắn ñược ñem nghiền nhỏ sau ñó ñem huyền phù trong nước và trộn với hóa chất có tính hấp phụ trên bề mặt của một trong các cấu tử của hỗn hợp. Trên bề mặt của hạt cấu tử này bị phủ toàn bộ hoặc một phần chất tuyển nổi, do ñó các tiểu phân này trở nên kỵ nước và háo không khí. Hoậ chất kỵ nước này gọi là chất thu góp.

-L

Chất tạo bọt có tác dụng làm bển bọt khí trong gụá trình tuyển nổi.

TO ÁN

Người ta chia chất tuyển nổi thành ba nhóm: chất thu góp, chất tạo bọt và chất ñiều chỉnh.

ĐÀ N

Chất thu góp thường ñược d ù n g là eác hợp chất hữu Cơ có chứa m ộ t n hóm ưa nước (phần lớn là nhóm ion) và một gốc hyñrocacbon (nhóm kỵ nước). Nhóm ưa nước có thể là anion hoặc cation, ta gọi là chất thu góp hoạt tính hoặc hoạt tính cation. Chọn chất thu góp có ý nghĩa quan trọng trong quá trình, tuyển nổi, người ta ñã

N

biết một số chất hữu cơ làm chất thu góp thích hợp cho một nhóm khoáng xác ñịnh.

DI Ễ

Các ankylamin bậc nhất có ñộ dài mạch khác nhau dùng ñể tuyển nổi muối khoáng sylvin từ hỗn hợp các clorua và sunfat kim loại kiềm và kiềm thổ. Quá trình

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

TP .Q UY

tuyển riổi còn phụ thuộc vào các yếu tổ* như ñộ bazơ, tỷ trọng của huyền phù, nhiệt ñộ v.v... Các bọt khí ở ñây có vai trò rất quan trọng, nó phải có ñộ lớn xác ñịnh tuỳ theo khoáng cần tuyển nổi, bọt khí phải bền, khổng ñược vỡ hoặc kết hợp với nhau, nếu không sẽ làm chìm lại các phần khoáng ñã nổi lên phía trên.

Xanthogenat R-OCSb

Cacboxylat R-COO'

Ankylsunfat R - OSO~

Ankylsunfonat R -S O 3

Chất thu góp hoạt tính cation ị;rn 'v-;:

Aakylamin bậc 1

Ankylamin bậc 2

Ankylamin bậc 3 R^NH"

Ankylamin bâc 4 R4N+

:b

‘li

-

n h

í;,í! : ■!■

! .2 . ■■

NG

R -N H Í

ĐẠ O

Chất thu góp hoạt tính anion

■■

NH ƠN

Chương l. Các phương pháp cơ học tách chất

24

HƯ

R là nhóm ankyl.

N

Chất tạo bọt ở ñây thưòng là phenol, rượu béo hoặc dẫn xuất tecpen.

TR Ầ

Chất ñiều chỉnh nhằm giúp cho chất tạp bọt táng khả năng kỵ nước cùa chất thu góp tuỳ theo từng loại của cấụ tử cần tuyển nổi.

00

B

Chất tạo bọt cũng là một hợp chất hoá học cỏ hoạt tính bề mặt, nó làm giảm sức căng bề mặt của nước nằm ở bề mặt phân chia giữa nước và không khí. Phương pháp tuyển nổi trên ñược sử ñụng hẩủ hết cho khoáng nặng, 90% khai thác mỏ quặng Slinfua của chì, kẽm, ñồng trên thế giới ñều ứng dụng phương phăp này. ;

10

'

Hình 1.9. Mô tả sơ ñồ thùng tuyển nổi:

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

Cõ hạt clíất rắn ñược chia nhỏ ñề tuyển nổi như quặng 0,3 rriiĩi, muối 0,7 mm và than 0,1 mm.

DI Ễ

1) máy khuấy ñể hút không khí và dịch tuyển nổi; 2) trục giữa dần khí;3) lựới; •4) thiết bị gạt bọt; 5) ñường dẫn ñống chảy của chất tạớ bọt và Các hặt khoáng kỵ nước.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

a)

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

Hỗn hợp cần tuyển nổi

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

■25

,,

b)

,

v

HÓ

,

A

Quặng tinh

1.3.5. Phựơng pháp lọc

-L

Í-

Hình 1.10. Sơ ñồ các quá trình tuyển nổi bao gồm: tuyển thô, tuyển tinh và tuyển thu hổi: a) dòng chất trong quá trình tuyển riổi; b) sở ñồ khối củấ thiết bị tuyển riổi.

ĐÀ N

TO ÁN

Phương pháp lọc là phương pháp tách chất rắri ra khỏi môi trường như khí hoặc lỏng nhờ lớp vật liệu lọc. Phần lốn quá trình lọc là phân tách huyền phù thành chất lỏng và rắn riêng biêí. Chất lượng của quá trình lọc ñứơc ñánh giá bởi lứờrig chất lỏiig cồn lai trong chất íắn (khi lây chất rắn) hoặc lượng chất rắn còn lại trong chất lỏng (khi lấy dịch lọc); ? .Ị- :r '■ -V'-': í AB — Ỷ AB

(4.24)

ĐÀ N

Thuyết va chạm xem tốc ñộ ñược quyết ñịnh bởi số va chạm hữu ích giữa các chất phản ứng. ðiều gì xảy ra ñối với phức hoạt ñộng không ñược xem xét ñến. Có thể xem rằng phức trung gian này phân hủy ñủ nhanh ñến mức không ảnh hưởng ñến tốc ñộ

DI Ễ

N

chung của quá trình. Trong khi ñó thuyết trạng thái chuyển tiếp xem tốc ñộ phản ứng ñược quyết ñịnh bởi tốc ñộ phân hủy hợp chất trung giàn. Tốc ñộ tạo thành hợp chất trung gian ñược xém là nhanh ñến mức tồn tại cấn bằng trong suốt thời gian phản ứng. Nó ñược tạo thành bằng cách nào thì không cần xem xét. Như vậy thuyết va chạm xem

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật x

103

V

bước ñầu tiên của qua trình là chậm và là bước quyết ñịnh tốc ñộ phản ứng, trong khi ñó thuyết trạng thái chuyển tiếp xem bước thứ 2 là yêu tố quyết ñịnh tốc ñộ phản ứng. Hai thuyết này bổ sung cho nhau.

Ta có:

k ~ r m.e"E/RT

(0 < m < 1)

:

V

TP .Q UY

4.1.5. So sánh các thuyết với ñịnh luật A rrhenius

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

(4,25)

k = k\ì.Tm. ẽ mT

ĐẠ O

Bởi vì thừa số e”E/RT là nhạy cảm ñối với sự thay ñổi nhiệt ñộ hơn nhiều so với 7™ nên sự thay ñổi của k gây ra bởi thừa số eAE/RTlà chủ yếu và thực chất tạ có: ; Ị k ~ e ~ m ĩ = kaẽ m ĩ

(4.26)

dT

T

E

mRT + E = — 7Z^— RT RT2

■ (4-27)

N

m

TR Ầ

d(ln&)

HƯ

NG

Ta cũng có thể chỉ ra ñiều ñó bằng cách khác. Lấy logarit phương trình (4.26) và sau ñó lấy vi phân theo T ta tìm ñược Ấrthay ñổi phụ thuộc vào nhiệt ñộ như thế nàờ. ðiều này cho phép viết: V .

■

k~ ẽmĩ

'

(4.29)

A

hay

10

00

B

Bởi vì m K T « E ñối với hầu hết các phản ứng ñã nghiên cứu nên có thể bỏ qua mKT và có thể viết: d(ln&) E (4.28) ỞT RT2 ,

HÓ

4.1.6. Tìm cơ chế phản ứng

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

Có ba hướng nghiên cứu ñối với, phản ứng, ñó là tính tỷ lượng (stoichiometry), ñộng học (kinetics) và eơ chế (mechanism). Nói chung tính tỷ lượng ñược nghiên cứu ñầu tiên sau ñồ là ñộng học và cuối cùng là cơ chế. Ví dụ, quan ñiểm của chúng ta về tính tỷ lượng của phản ứng có thể thay ñổi trên cơ sở các số liệu ñộng học nhận ñược, và dạng của các phương trình ñọng học có thể ñược ñưa ra bởi các nghiên cứu cơ chế. Vởi dạngdiặXíCủạ mối quan hệ của nhiều yếu tố thì không một chựợng trình thí nghiêm ñơn giản nào có thể ñược thành lập ñể nghiên cứu phản ứng. Do vậy ñiều ñó trợ thành môt công việc trinh thám khoa học một cách tỉnh táo, với một chương trình thực nghiệm ñược vạch ra một cách cẩn'thận dùng ñể phân biệt các giậ thiết ñối chọi nhau, cậc giả thiết này ñược ñưa ra và lập nên trên cơ sở của tất cả Gác thông tin có liên quan có ñược vào thời ñiểm nghiên cứu. . 1 ;; ^

DI Ễ

Mặc dù chúng ta không thể ñào sâu vào nhiều phương diện của vấn ñế này, một số ñiểm then chốt thường ñược sử dụng trong việc nghiên cứu này có thể ñược nêu ra. ðó là:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Chương 4. Những vấn dề dộng học ứng dụng trung kỷ thuật tiên hành . . . Tính tỷ lượng có thể cho biết phản ứng ta nghiên cứu là ñơn gián hav không.

NH ƠN

104

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

TP .Q UY

Tính tỷ lượng có thể cho biết phản ứng ñơn giản ñó là cơ bản hay không bởi vì phản ứng ñơn giản với phán tử số lớn hơn 3 ñược xem là không cơ bản. Ví dụ phản ứng : N2 + 3H2 2NH, ỉà không cơ bản

So sánh giữa phương trình tỷ lượng và phương trình ñộng học thực nghiệm có thể chỉ ra phản ứng ñang nghiên cứu là cơ bản hay không. 4.2.

ðỘNG HỌ C CỦA PHẢN ỨNG ðỒNG TH Ể

ĐẠ O

4.2.1. Tốc ñộ phản ứng ñồng thể

Trong phản ứng ñồng thể, tất cả cáe táe nhân phản ứng nằm ở một pha(có thể tà khí, lỏng, rắn). Thêm vào ñó, nếu như phản ứng có sự tham gia của xúc tác thi xiíc tác ñó cũng cần phải nằm trong còng một pha với tác nhân phản ứng.

NG

I

V

;

V

Theo cách xác ñịnh này, nếu A là sản phẩm phản ứng thì tốc ñộ tạọ thành nó là dương, còn nếu như A là chất ñầu thì tốc ñộ tạo thành nó là âm.

;

dí

àí

•

(4

TR Ầ

1 d( 0 An

1

30)

...

1 w k

N

HƯ

Trong phản ứng ñồng thể thì tốc ñộ phần ứng tạo thành của một chất phản ứns A bất kỳ ñừợc xác ñịnh như sau:

10

00

B

- (số mol A tạo thành)/(ñơn vị thể tích . ñơn vị thời gian)

(4.31)

HÓ

rA = f(T ,P ,C )

A

Các yếu tố ảnh hưởng ñến tốc ñộ phản ứng ñồng thể là thặnh phần hỗn hợp phản ứng, nhiệt ñộ và áp suất của hệ thống. Tức là:

Í-

c =thành phần hỗn hợp phản ứng 'J

-L

Các yếu tố này có sự phụ thuộc tương hỗ. Nếủ như p = const thì rA= f(7\ C).

I • ............... "vị Trong phần này chúng ta giả thiết nhiệt ñộ của hệ thống phản ứngñược duy trì không thay ñổi

TO ÁN

4.2.2. Biểu (diễn sự phụ thuộc tốc ñộ phản ứng vào nồng ñộ

ĐÀ N

4.2.2.Ị. Phản ứng ñơn giản và phức hợp (simple and multiple reactions)

N

Phản ứng dơn giản ñược biểu diễn bằng một phương trình tỷ lượng và một phương trình tộc ñộ.

DI Ễ

Phản ứng phức hợp ñược biểu diễn bằng một số phương trình tỷ lượng và một số phương trình biểu diễn sự thay ñổi nồng ñộ của tất cả cầc tác nhân phản ứng.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

105

NH ƠN

Phản ứng phức hợp ñược chia thành: *• Phản ứng nôi tiếp: A -> R —> s

A —> R

A r-» R

s -> S'

B —> s

A + B —> R

-

R + B -> s

.

TP .Q UY

* Phản ứng son 8 son g: 0

* Phản ứng hỗn hợp:

ĐẠ O

'

.

NG

Phân ứng hồn hợp trên là song song ñối với B và là nối tiếp ñối với A, R và s.

HƯ

4.2.2.2. Phản ứng cơ bail và không cơ bản (Elementary and rìoneỉèmentary reactions)

Nếu như:

R

V

'

’

~ X h — ~ rB ~ ÌR

=

"> V

TR Ầ

-A,+

N

Xem phản ứng ñơn giản với .phương trình tỷ lượng:

'(4.32)

10

00

B

thì phản ứng trên là phản ứng cơ bản. Trong các phán ứng loại này thì phương trình tốc ñộ phản ứng ñược suy từ phương trình tỷ lượng thể hiện cách thức thực tế tác dụng của các phán tử.

HÓ

A

Khi không có sự tương ứng giữa phương trình tỷ lượng và phương trình tốc ñộ ta có phản ứng khồng cơ bản. Một ví dụ ñiển hình: 2HBr

Í-

H 2 + Br2

..........................

-L

k; r|HBrJ/|Br,|

.......

,4.33)

Mỏ hình ñộng học cho các phản ứng không cợ bản

ĐÀ N

4.2.3.

TO ÁN

— Phản ứng không cơ bản ñược giải thích là ñõ ñối vớỉ phảh ứrig mă ta xem là ñơn giản Irên thực tế lại là kết quả tổng cộng của một loạt các phản ứng cơ bản.

DI Ễ

N

Khi giải thích ñộng học của các phản úng không cơ bản ta thừa nhận rằng một loạt các phận ứng cơ bản trẽn thực tế ñã xảy ra, tuy nhiên ta không thể ño hoặQ quan sát thấy các hợp chất trung gian tạo thành bởi vì chúng chỉ tồn tại trong quãng thời gian rất ngắn. Do ñó ta chỉ nhận ra các tác nhân phản ứng ban ñầu và sản phẩm phản ứng. Ví dụ, nếu ñộng học của phản ứng:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

106

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 4. Những vấn ñề ñộng học ứng dụng trong kỹ thuật tiến hành. A 2 + B2

2AB,

NH ƠN

chỉ ra rằng phản ứng là không cơ bản, ta có thể ñề ra một loạt các phản ứng cơ bản ñể giải thích cơ chế của phản ứng trên như: A: -ị— *■! A* * AB + B

TP .Q UY

A + B2 ạ

A + B * í= ± AB

ĐẠ O

ðể kiểm tra sơ ñồ ñề ra có thích hợp hay không, ta phải xét xem ñộng học nhận ñược có tương ứng với phương trình ñộng học nhận ñược bằng thực nghiệm hay không. Các dạng của hợp chất trung gian có thể là các nhóm;ehất sau:

;,

c

2h ;, IV

h

',

c c i;

HƯ

c h

NG

Gốc tự do (Free Radicals)'. ðó là các nguyên tử tự do hoặc các mảnh của các phân tử có chứa một hoặc nhiều hơn các electron không cặp ñôi. Thông thường các gốc tự do không bền và có khả năng phản ứng cao, ví dụ:

TR Ầ

N

lo n và các chất phân cực: ðấy là các nguyên tử, phân tử hoặc các mảnh phân tử tích ñiện, ví dụ: N3~, Na+, OH , H 30 +, NH4+, CH3OH2\ r . Các chất này thể hiện như là các chất trung gian hoạt ñộng trong phản ứng. Phân tử: Xét phản ứng nối tiếp

B

A -> R —» s

HÓ

A

10

00

Bình thường ñây là loại phản ứng phức hợp. Nếu nhự R có khả năng phạn ứng cao, thời gian tổn tại trung bình của R sẽ rất nhỏ và nồng ñộ của nó có th ể ,trở nên vô cùng nhỏ (nhỏ ñến mức không thể xác ñịnh ñược) khi ñó R có thể xem là chất hoạt ñộng trung gian của phần ứng.

TO ÁN

-L

Í-

Các phức chuyển tiếp (transition complexes): Số va chạm rất lớn giữa các phân tử chất phản ứng dẫn tới hình thành một dải rộng cầe mức năng lượng của các phân tử riêng biệt. ðiều này có thể dẫn tới sự tạo thành các liên kết bị biến dạng, các dạng không bền của các phân tử mà chúng sau ñó có thể hoặc là phãn ly eho sản phẩm hoặc ỉà chịu-sự va chạm tiếp thẹo ñể quay lại tạo thành phận tử ở trạng thái bình thường. Những dạng không bền này ñược gọi là phức chuyển tiếp.

ĐÀ N

Nếu tính ñến sự tạo thành chất hoat_ñỏng trung gian có thể có hai loại phản ứng a. Phận ứng gián ñoạn (non-chain reactions)

DI Ễ

N

Với phản ứng gián ñoạn, chất trung gian ñược tạo thành ở sản phẩm thứ nhất sau ñó ñược chuyển hóa tiếp và tương tác tiếp tục ñể cho sản phẩm: Chất phản ứng

-»

. (hợp chất trung gian)*

(hợp chất trung gian)* -»

Sản phẩm

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

107

Chất phản ứng

TP .Q UY

Trong phản ứng liên tục, chất hoạt ñộng trung gian ñược tạo thành ở phản ứng thứ nhất, phản ứng này ñược gọi là phản ứng khơi mào. Sau ñó nó phản ứng tiếp với chất phản ứng ñể cho sản phẩm và chất hoạt ñộng trung gian khác, ñây là giai ñoạn phát triển mạch. Thỉnh thoảng chất trung gian bị mất ñi ở giai ñoạn ngắt mạch:

NH ƠN

b. Phản ứng liên tục (chain reactions)

(Hợp chất trung gian)*

(khơi mào)

• (Hợp chất trung gian)* + Chất phản ứng -> (Hợp chất trung gian)* + Sản phẩm (phát triển mạch) (ngắt mạch)

ĐẠ O

(Hợp chất trung gian)* -» Sản phẩm

HƯ

NG

ðiểm nổi bật của phản ứng gián ñoạn là bước phát triển mạch. Ở bước này hợp chất trung gian không bị mất ñi mà phảnứng như là một chất xúc tác cho sự chuyển hóa chất. Mỗiphân tử phức hoạt ñộng trunggian có thể xúc tác cho một mạch dài Các phản ứng trước khi bị phân hủy.

TR Ầ

* Gốc tự do, theo cơ c h ế phản ứng liên tục:

N

Dướỉ ñây là một sô ví dụ về hai loại phản ứng trên:

Phản ứng: H 2 + Br2 4—- 2HBr

k 2 + [HBr]/[Br2 ]

10

>

00

B

với tốc ñộ phản ứng ñược xác ñịnh bằng thực nghiệm là:

2Br*

Br* + H 2

HÓ

Br2

A

Có thể ñược giải thích theo cơ chế sau: HBr + H*

Phát tóển mạch Phát triển mạch '

-L

Í-

H* + Br2 4—- HBr + Br*

Khơi mào và ngắt mạch

TO ÁN

* Phức chất hoạt ñộng trung gian dạng phân tử:A Phản ứng sinh học ñược xúc tác bởi enzyme: A+B

.enzyme.

- - f . AB .

A + enzyme

•*— -

(A .enzyme)*

(A.enzyme)* + B *— - AB + enzyme

N

ĐÀ N

Phản ứng này xảy ra như sau:

DI Ễ

Cơ chế này ñược Michaelis và Menten ñưa ra năm 1913.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 4. Những vấn ñề dộng học ứng dụng trong kỹ thuật tiến hành .

108

NH ƠN

* Phức chất hoạt ñộìĩỉỉ trung gian dạng ion, cơ chẽ phản ứng gián ñoạn có xúc tác:

TP .Q UY

ðộng học của sự thủy phân (có xúc tác là axit vô cơ) hydrocarbon chưa no isobuten: HNO, loãng

C H ,— C = CH 2 + H20

-

CH,— C — CH,

isobuten

OH

ĐẠ O

/m-butyl alcohol

ñược xem là cơ chế nhiều nấc bao gồm sự tạo thành một loạt các hợp chất ■trung gian, tất cả chúng là phân cực.

I

. nhanh

+ H

I

I

— [—

chậm

C— Ị

nhanh

x

•

I

^

chậm

N nhanh

l— c — C— 1* I

I

I•

H

j

I

— c — C— chậm

0+ H / \ H H

I

+ H+

I

H

HÓ

A

10

H

I

B

I— C — C — ] * + H 0

I

+

nhanh

TR Ầ

nhanh

00

I

I

— t— C — C — f

/

H .

I

I

HƯ

I

— C= C —

NG

Sơ ñồ chung:

Í-

* Phức chuyển tiếp, cơ ctìểphản ứng gián ñoạn

-L

Phản ứng phân hủy của azometan:

TO ÁN

(CH,)2N2

hoặc ở dạng tổng quầt:

C2H6 + n 2

A -> R + s

DI Ễ

N

ĐÀ N

Ở các ñiều kiện khác nhâu phản ứng này thể hiện các bậc phản ứng khác nhau (bậc 1,2 hoặc là các cơ chế trung gian). ðiều này sẽ ñược giải thích nếu ñưa ra sự tồn tại của phức hoạt ñộng không bền của phản ửng. A + A -» A* + A

hình thành phân tử hoạt ñộng

A* + À -» A + A

do va chạm mà quay trở lại dạng bền

A*

-> R + s

phân hủy tự nhiên cho sản phẩm

Lindenmann (1982) lân ñầu tiên ñề xuất ra cơ chế này.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa fcv muật

109

NH ƠN

Một dạng khác của phức chuyển tiếp ñược quan sát thấy trong phản ứng: H2 + I2 -> 2 h i Phản ứng này xảy ra như sau:

H

H

I

r H

H

I

TP .Q UY

I

H

H -------H

4.2.4. Tìm mô hình ñộng học cho phàn ứng (testing kinetics models)

ĐẠ O

H

TR Ầ

N

HƯ

NG

Hai vấn ñể làm cho việc nghiên cứu tìm ra cơ chế chính xác của phản ứng gặp khó khãn. Thứ nhất, phản ứng có thể xảy ra theo một số cơ chế có thể vừa gốc tự do vừa ioh, với tốc ñộ thay ñổi theo ñiều kiện phản ứng. Thứ hai, một số cơ chế khó tìm hiểu ñược các số liệu ñộng học. Việc giải quỷết các vấn ñề này tlìữơrig gặp khó khãn và ñòi hỏi lượng kiếh Ihớc tỏng hợp v ề hóaí họe c ầo ñ ìất; Bây giờ chúng ta xem xét việc thiết lập một quy trình nhằm chứng tỏ sự phù hợp giữa thực nghiệm và mô hình ñộng học giả thuyết cho phản ứng. ðể làm ñiều này cần dựa trên hai quy tắc saư ñây: *

A

10

00

B

1. Nếu cấu tứ / tham gia vào một số phản ứng thì tốc ñộ thay ñổi nồng ñộ tổng cộng của / là tổng các tốc ñộ thay ñổi nồng ñộ của / trong các phản ứng cơ bản mà / tham gia:

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

2. Vì chất hoạt ñộng trung gian có mặt với lượng nhỏ ñến mức tốc ñộ thay ñổi nồng ñộ của chúng trong hệ sau một thời gian rất ngắn có thể không bao giờ lớn, do ñó với sai số không ñáng kể tốc ñộ này ñược xem như tiến tới 0. ðây ñược 2ỌÌ là giả thiết trạng thái dừng (steady State). ðiều này là cần thiết nếu chúng ta muốn giải các phương trình toán học kèm theo. Tính ñúng ñắn cùa giả thiết này là ở chỗ các kết quả tính toán dựa trên giả thuyết này rất phù hợp với thực nghiệm.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NH ƠN

I ll

Chương

TP .Q UY

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ TÍNH TOÁN TRONG CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG

HƯ

NG

ĐẠ O

Các phản ứng ñồng thể có thể ñược tiến hành trong kiểu thiết bị phản ứng sau: thiết bị phản ửng gián ñoạn (Batch reactor), thiết bị phản ứng liên tục dòng ổn ñịnh (Steady - State flow reactor) và thiết bị phản ứng bán liên tục, hay thiết bị phản ứng dòng không ổn ñịnh (unsteady - State flow, semibatch reactor). Các kiểu thiết bị phản ứng nêu trên ñược chỉ ra ở hình 5.1.

TR Ầ

N

Thiết bị phản ứng gián ñoạn có ñặc ñiểm là ñơn giảri, ít cần các thiết bị phụ trợ, và do ñó ñược sử dụng rất tốt cho các nghiên cứu thực nghiệm quy mô nhỏ (small scale) về ñộng học của các phản ứng. Trong công nghiệp nó ñược sử dụng khi một lượng nhỏ chất phản ứng ñược dùng ñến, hoặc khi chất phản ứng tương ñối ñắt tiền.

A

10

00

B

Thiết bị phản ứng liên tục dòng ổn ñịnh rất lý tưởng cho các mục ñích công nghiệp khi tốc ñộ phản ứng khá cao. Các thiết bị phu trơ can ñươc sử dung nhiều, tuy nhiên, chất lượng của sản phẩm có thể ñược kiểm soát chat chẽ. Kiểu thiet bị phản ứng này ñược sử dụng rộng rãi trong công nghiệp ñầu khí.

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

Thiết bị phản ứng bán liên tục là một hệ thống có tính linh hoạt, nhưng việc phãn tích tính toán ñối với kiểu thiết bị này lại khó hơn so với các kiểu thiết bị phản ứng khác. Trong thiết bị phản ứng kiểu này thì tốc ñộ phản ứng ñược kiểm soát rấf tốt, bởi vì phản ứng xảy ra khi các chất phản ứng ñược bổ sung vào. Gác thiết bị phản ứng kiểu này ñược sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩrih vựe, từ phép chuẩn ñộ ' trổng phòng thí righiệm ñến những lò cao dùng ñể sản xuất những loại thép cố những tính chất ñặc biệt. Về nguyên tắc chúng ta có thể dự ñoán khả năng thực hiện của một thiết bị phản ứng nếu biết ñược những ñiều sau ñây:

ĐÀ N

1) Những ñặc tính tốc ñộ của những dòng chất phản ứng ñối với các quá trình truyền nhiệt, truyền khối và phản ứn,g hóa học.

N

2) ðặc ñiểm về cấu tạo của thiết bị phản ứng như kiểu thiết bị phản ứng, cấu

DI Ễ

hình hình học của bình phản ứng (ânh hưởng ñến dòng chẳy và các mô hình khuấy trộn), và tốc ñộ trao ñổi nhiệt. '

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 5. Giới thiệu chung về tính toán trong các thiết bị phản ứng

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

112

TR Ầ

N

e)

Hinh 5.J. Phàn ioại VCcác ứang thiẽt bi phản ứng:

HÓ

„

A

10

00

B

(a). Thiết bị gián ñoạn: lất cà- các chất phản ứna; ñựợe ñưa dồng ihỡi vào bình phản ứng. thành phãn Iron hợp phán ứng thay ñổi theo thời gian. (b). Thiết bị phản ứne licn tục dòng ổn ñịnh: 'khổng có tích lũy vậi chất [rong thicì b«: phản ứng. không có sự thay ñổi thành phần của dòng vào và done ra. thành phân tai bất kỳ ñiểm nào của khối hỗn hợp phán ứng không thay ñổi iheo tliời gian. (c). (ñ) và (e). Thiết bị phán úng. bán liên tục: thành phần và Iượiig vật chất trong thiết bị phản ứng thay ñổi theo thời gian

TO ÁN

-L

Í-

. ðiểrà xuất phát của các tính toán về thiết bị phản ứng là cân bàng vật chất ñược biểu diễn cho bất kỳ một cấu tử nào tham gia phản ứng. Xét 'một ñơn vị thể tích thiết bị phàn ứrig (hĩnh 5.2) ta cỗ phương trình cận bang vạt chất sau ñây. A

^

Tốc ñộ chất phản ứng ñi ra khỏi ñơn vị thể tích

Tòc ñộ chất phàn ứng ñi do phản ứng hóa học trong ñơn vị thể tích

v:

cTốc ñộ tích lũy cliâì ^ phản unis trong ñơn vị thế tích

V

ý

N

ĐÀ N

Tốc ñộ chất phán ứng ñi vào ñơn vị thể tích

r

DI Ễ

Khi thành phần hỗn hợp phản ứng trong thiết bị phản ứng là ñồng nhất (không phụ thuộc vào vị trí) thì cân bằng vật chất có thể ñược thiết lập cho toàn bộ thể tích cua thiết bị phản ứng. Khi thành phần hỗn hợp phản ứng không ñồng nhất thì cân bằng vật

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

chất phải ñược thiết lập cho một vi phân thể tích và sau ñó ñược lấy tích phân theo ñiều kiện nồng ñộ và dòng chảy tương ứng. ðối với các kiểu thiết bị phản ứng khác nhau thì phương trình cân bằng vật chất có thể ñược viết ở dạng ñơn giản hơn (một hay một số số hạng trong 4 số hạng ở phương trình cân bằng vật chất sẽ bằng không). Ví dụ trong thiết

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

bị phản ứng gián ñoạn thì 2 số hạng ñầu bằng 0 , trong thiết bị khuấy lý tưởng liên tục thì số hạng thứ tư sẽ bằng 0 , còn trong thiết bị phản ứng bán liên tục thì chúng ta không thể bỏ ñi sô' hạng nào.

NH ƠN

113

00

B

Hình 5.2. Cân bằng vật chất trong một ñơn vị thể tích của thiết bị phản ứng.

\

Tốc ñộ nhiệt ñược • chuyển ñổi do kết quả của phản úng hỏa hộc trong ñơn vị thể tích

Tốc ñộ nhiệt ñi ra khỏi ñơn vị thể tích

r Tốc ñộ nhiệt tích lũy trong ñơn vị thể tích

V

DI Ễ

N

ĐÀ N

Tốc ñộ nhiệt ñi vào ñơn vị thể tích

r

TO ÁN

₩

-L

r

Í-

HÓ

A

10

Trong các quạ trình không ñẳng nhiệt thì các cận bằng nhiệt (năng lượng) phải ñược sử dụng cung vói những cân bằng vật chất. Xét ñối vối một ñơn vị thể tích của thiết bị phản óng (ñược biểu diễn ở hình 5.3), chúng ta có phương trình cân bằng năng lượng sau ñây:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

Chương 5. Giới thiêu chung về tính toán trong'Các thiết bị phản ứng

NG

Hình 5.3. Cản bằng năng lượng trong một ñơn vị thể tích của thiết bị phản ứng .

I

[

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

Tóm lại, tính toán thiết kế một thiết bị phản ứng phải dựa vào các phương trình biểu diễn cân bằng vật chất, cân bằng năng lượng và tốc ñộ của phản ứng hoá học.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

TP .Q UY

Chương

ĐẠ O

TÍNH TOÁN TRONG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG GIÁN ðOẠN (BATCH REACTOR)

HƯ

NG

Việc xác ñịnh phương trình tốc ñộ phản ứng thông thường là một quy trinh bao gồm hai bước. Ở bước thứ nhất, sự phụ thuộc của tốc ñộ phản ứng vào nồng ñộ ñược xác ñịnh ở m ộ t nhiệt ñộ cố ñịnh, sau ñó ở bứớc thứ hai là xác ñịnh sự phụ thuộc của tốc ñộ phản ứng vào nhiệt ñộ và lập ra một phương trình tốc ñộ hoàn chỉnh.

10

00

B

TR Ầ

N

Thiết bị phản ứng mà ở ñó các số liệu thực nghiệm về ñộng học phản ứng nhận ñược cồ thể có kích thước lớn haý nhỏ, và chúng có thể ñược chia thành hai kiểúi ñặng gián ñoạn (batch) và dạng liên tục (flow reactor). Thiết bị gián ñoạn ñơn giản chỉ là một thùng chứa các chất phản ứng trong thời gian tiến hành phản ứng. Tất cả những ñiều cần phải xác ñịnh chỉ là trạng thái của phản ứng ợ các thời ñiểm khác nhau. Một thiết bị phản ứng gián ñoạn thông thường ñược vận hành ñẳng nhiệt và ñẳng tích ñể thuận tiện cho việc xử lý các số liệu thực nghiệm thu ñược. Quá trình xảy ra phản ứng ở thiết bị gián ñoạn có thể ñược quan sát theo một trong các cách sau ñây: ' j

HÓ

A

ì) Theo dõi nồng ñộ của cấu tử tham gia phản ứng.

Í-

2) Theo dõi sự thay ñổi của một tính chất vật lý nào ñó của hệ thống phản ứng như ñộ dẫn ñiẹri hay chiết suất.

-L

3) Theo dõi sự thay ñổi về áp suất của hệ thống phản ứng tiến hành ở ñiều kiện ñẳng tích.

TO ÁN

4) Theo dõi sự thay ñổi về thể tích ở hệ thống phản ứng tiến hành ở ñiều kiện ñẳng áp.

ĐÀ N

Thiết bị phản ứng gián ñoạn tương ñối ñơn giản và thích hợp cho những quy mô nhỏ ở phòng thí nghiệm; Nó chỉ cần ít thiết bị phụ trợ và ìà loại thiết bị thích hợp ñể thu ñược các số liệu ñộng học về các phản ứng ñồng thể.

DI Ễ

N

Có hai quy trình ñể phân tích các số liệu ñộng học thu ñược từ thực nghiệm, ñổ là các quy trình tích phân và vi phân. Theo phương pháp tích phân, chúng ta lựa chọn mô hình ñộng học với phương trình tốc ñộ tương ứng, sau những phép tích phân và biến ñổi toán học thích hợp có thể dự báọ rằng ñồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của C vào ĩ ở một hệ tọa'ñộ xy thích hợp có dạng một ñường thẳng. Các số liệu ñược thể hiện bằng ñồ thị, và

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

116

Chương 6. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián ñoạn

NH ƠN

nếu như nhận ñược một ñường thẳng thì có thể nói rằng cơ chế là phù hợp với các số liệu thực nghiệm thu ñược.

Theo phương pháp vi phân, người ta lựa chọn một mô hình ñộng học và ghép hợp nó vái các số liệu chực nghiệm một cách trực tiếp. Tuy nhiên vì phương trình biểu diễn

TP .Q UY

tốc ñộ phản ứng là một phương trình vi phân nên trước tiên chúng ta phải xác ñịnh (ỉfV).(dNỉảt) từ các số liệu thực nghiệm trước khi quy trình ghép hợp ñược tiến hành:

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Mỗi phương pháp (vi phân và tích phân) ñều có những ưu nhược ñiểm riêng. Phương pháp tích phân dễ dàng cho việc sử dụng và ñược dùng khi kiểm tra các cơ chê phản ứng, khi ghép hợp vói các cơ chế tương ñối ñơn giản, hoặc khi các sấ liệ ụ thưc nghiệm phân tán ñến mức không thể xác ñịnh một cáeh ñáng tin cậy những thông số cần thiết khi sử dụng phưang phập vi phân. Phựơng pháp vi phân có thể hữu ích hơn trong nhũng tình huống phức tạp hởrí, rihung lại ñòi hỏi một số lượng các số liệu thực nghiệm chính xác và lớn hơn nhiều. Phương pháp tích phân ñòi hỏi chúng ta phải giả thiết vé cơ chế của phản ứng, ñiều này ỉà không cần thiết ñối với phương pháp vi phân, phương pháp này có thể ñược sử dụng ñể xác ñịnh (theo kình nghiệm) phương trình tốc 'ñộ phản ứng phù hợp tốt nhất với các,số liệu thực nghiệm thu ñược. ? ,

6.1. THIẾT BỊ PHẢN ỨNG GIÁN ðOẠN ðẲNG TÍCH

HÓ

A

10

00

B

Khi nói ñến thiết bị phản ứng gián ñoạn ñẳng tích người ta muốn ám chi ñến thể tích của thiết bị phản ứhỉg thực Sự ñược chiếm giữ bởi hỗn hợp phản ứng. Và nhu vậy ở ñây chúng ta nói ñến loại phản ứng xảy ra ở ñiều kiện tỷ khối của hỗn hợp phản ứng không thay ñổi. Hầu hết các phản úng ở pha lỏng cũng như một số phản ứng ở pha khí xảy ra theo kiểu này.

Í-

Trong hệ thống thiết bị phản úng ñẳng tích, số ño tốc ñộ phản ứng trở nến ñơn giản: .... ....... V út

V

ảỉ

TO ÁN

r‘

-L

= 1 cỈN. = 1 diCị.V) _ 1 CịdV + VdCị = dCị _____ Hoặc..ñấi vói khí lý tưởng thì: v= — %

V

dt ~ d/

.......... ............ .. - -

.........

....... (6 .2 )

N

ĐÀ N

Các số ñó tốc ñộ phản ứng này có thể ñược theo dõi một cách trực tiếp ở hầu hết các hệ thống phản ứng. Do xử lý các số liệu dễ dàng mà hệ thống ñẳng tích ñược sử dụng bất cứ khi nào có thể ñược.

DI Ễ

Các phương trình (6.1) và (6.2) chỉ ra lằng, cuối cùng chúng ta phải chuyển số ño yề tốc ñộ phản ứng thành nồng ñộ hoặc áp suất riêng phần của một trong cầc chất tham gia phản ứng hay sản phẩm phản úng nếu chúng ta muốn theo dõi tốc ñộ phản ứng.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỷ thuật

TP .Q UY

Một quy trình tiện lợi và ñược sử dụng thường xuyên là theo dõi áp suất tổng của hệ thống. Chúng ta sẽ xem xét phương thức các số liệu thực nghiệm có thể ñược chuyển thành nồng ñộ hay áp suất riêng phần như thế nào ñể có thể sử dụng các phương trình (6 . 1) và (6 .2 ) khi xác ñịnh tốc ñộ phản ứng.

NH ƠN

117

6.1.1. Phân tích xử lý các số liệu về áp suất tổng nhận ñược từ hệ thống ñẳng tích

HƯ

NG

ĐẠ O

Trong các phản ứng ñẳng nhiệt xảy ra ở pha khí, khi số mol các chất thay ñổi trong quá trình xảy ra phản ứng thì việc theo dõi áp suất tổng n của hệ thống có thể là cách dễ dàng nhất ñể xác ñịnh quá trình xảy ra của phản ứng. ðầu tiên lập bảng sự phụ thuộc của n vào í, sau ñó cần phải chuyển thành bảng biểu diễn sự phụ thuộc của Cị vào t. Bằng cách như vâỵ sẽ thiết lập ñược phương trình tộng quát nhờ ñó có thể xác ñịnh ñược nồng ñộ cùa mọi cấu tử vào bất kỳ thòi ñiểm nào, khi ñã biết những ñiều kiện ban ñầu của hệ thống và ñặc tính tỷ lượng của phản ứng. Cần nhấn mạnh rằng nếu như ñặc tính tỷ lượng không ñược biết chính xác thì phương pháp này không thể sử dụng ñược. ;:v-y-V ■ ■ ■ -. ■■ ứA + ÒB + ... = rR + sS + ...

TR Ầ

N

Chúng ta viết một phương trình hóa học tổng quát:

Â 0>

00

N Rụ, N sọ» încrt

B

Ở thời ñiểm ban ñầu số mol của các cấu tử là:

10

Nim:nlà SỐmol của chất trơ có thể có trong hỗn hợp phản ứng. Ở thời ñiểm t, số mol của các cấu tử là:

HÓ

A

WA= NaÒ- a x ; Nb= Nm- b x ; Nr = Nm + r x ; Ns = Nx + s x ; Niasn Ban ñầu tổng số mol các chất có mặt trong hệ thống là:

Ở thời ñiểm r ta có:

-L

Í-

No = N a0 + N w + ... + N r0 + Nso + ... + Ninert

Với

TO ÁN

N = N 0 + X (r + s + ... - a - b - ...) = N 0 + x.An

An = r + s + ... ~ a - b - ...

ĐÀ N

Giả thiết rằng ñịnh luật về khí lý tưởng có thể ñược áp dụng, chúng ta có thể viết ñược phương trình sau (ví dụ ñối với cấu tủ A):

DI Ễ

N

c

= Pa

A

RT

A

V

r

= N a - N ao l a x

V

V

a N ~ Nữ ần ' V

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 6. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián ñoạn

118

NH ƠN

hoặc: P A= C AKT = PA0 -a /A n ( r i - r u

(6.3)

TP .Q UY

Phương trình (6.3) chỉ ra nồng ñộ hay áp suất riêng phần của cấu tử A như Ịà hàm của áp suất tổng n ở thời ñiểm t, áp suất riêng phần ban ñầu của A là p m, và áp suất tổng ban ñầu của hệ thống là n o. Hoàn toàn tương tự ñối với sản phẩm R ta cũng có thể tìm ñược: PR = CRRT = p w + rỉAn ( T I - r u

(6.4)

ĐẠ O

Các phương trình (6.3) và (6.4) chỉ ra quan hệ giữa áp suất tổng của hệ thống và áp suất riêng phần của các chất phản ứng.

Quy trình chung

HƯ

6.1.2.1.

NG

6.1.2. Phương pháp tích phân ñể xử lý các số liệu thực nghiệm

10

00

B

TR Ầ

N

Phương pháp tích phân luôn luôn kiểm tra một phương trình tốc ñộ cụ thể bằng cách lấy tích phân và so sánh sự phụ thuộc của nồng ñộ c vào thời gian í thu ñược với sự phụ thuộc của c vào t từ thực nghiệm. Phương trình tốc ñộ ñược ñưa ra theo cơ chế hay mô hình giả thiết. Nếu sự ghép hợp trên không thỏa mãn thì cơ chế bị loại bỏ và một cơ chế khác ñược ñưa ra ñể kiểm chứng. Khác với phương pháp vi phân, phương pháp tích phân không thích hợp cho việc tìm ra các phương trình kinh nghiệm mà chúng phù hợp tốt nhất với các số liệu thực nghiệm. Quy trình tổng quát CÓ thể ñược tóm tắt như sau:

HÓ

A

1. Cơ chế ñược ñưa ra và từ ñó phứơng trình tốc ñô tương ứng ñược xác ñịnh. Phương trình này nếu ñược viết cho sự chuyển hóa của chất A trong hệ thống ñẳng tích, sẽ có dạng sau ñây: (6.5)

Í-

- r A = - d C Jd t =f(kC)

TO ÁN

-L

Hoặc trong trường hợp ñược giới hận hơn, khi thành phần phụ thuộc nồng ñộ có thể ñược tách biệt khỏi thành phần phụ thuộc nhiệt ñộ, ta có: - r A= - dCA/d/ = kĩ(c)

(6 .6 )

ĐÀ N

2. Phương trình (6 .6 ) ñược biến ñổi có dạng: - d C J f( C A) = kdt

—

-

Ca

I

AC.

t

~~~ = HCA) = k)it = kt

ci„f(C A)

0

DI Ễ

N

Lấy tích phân hai vế ta có:

3. Từ các giá trị này nồng ñộ ñược tìm thấy bằng thực nghiệm. Xác ñịnh các giá trị của/(C A) tại các thời ñiểm khác nhau. Nếu như tích phân:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóá kỹ thuật _ cf d C A Cao f ( C A)

c

TP .Q UY

không thể xác ñịnh ñược dễ dàng thì có thể ñánh giá nó bằng phương pháp ñồ thị. Quy trình này bao gồm việc xác ñịnh diện tích nằm dưới ñường biểu diễn sự phụ thuộc của 1Ịf( C J vào CAnhư chỉ ra ở hình 6.1.

NH ƠN

119

CA d Diện tích = f(CA) = — í A

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Ca o f(C A)

00

B

Hình 6.1. Dạng tích phân củã phương trình tốc ñộ phản ứ n g.

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

4. Vẽ ñồ thị sự phụ thuộc của f( C J vào CAvà xem nó có dạng ñường thẳng hày không. Nếu ñồ thị có dạng ñường thẳng thì cơ chế lựa chọn lạ phù hợp với các số liệu thực nghiệm (hình 6 .2 ).

DI Ễ

N

Hình 6.2. Kiểm chứng phương trình tốc ñộ phản ứng bằng phương pháp tích phân.

5. Nếu ñồ thị thu ñược không có ñạng ñường thẳng, phải tiến hành ñề xuất và kiểm chứng một cơ chế khầc cho ñến khi nhận ñược cơ che thồa mãn.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

120

Chương 6. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián ñoạn

NH ƠN

Chúng ta sẽ xem xét một số phản ứng cụ thể. 6.1.2.2. Các phản ứng bậc nhất ñơn phân tử không thuận nghich Xét phản ứng: -»

sản phẩm

TP .Q UY

A

Giả sử chúng ta muốn kiểm chứng phương trình tốc ñộ cùa phản ứng bậc ỉ dạng:

CA dC

•

CA0

0

hay-ln (C J C m) = h

(6.8)

NG

- í

ĐẠ O

cho phản úng trên. Sau khi biến ñổi chúng ta có:

(6.7)

HƯ

ðộ chuyển hóa cùa chất phản ứng ñược xác ñịnh như là phần chất phản ứng ñã ñược chuyển hóa thành sản phẩm: (6.9)

N

tfA = A U l - X A)

TR Ầ

ðộ chuyển hóa là thông số thuận tiện thường ñược sử dụng thay cho nồng ñộ; bỏi vậy hầu hết các kết quả tiếp theo ñây sẽ ñược trình bày theo cả nồng ñộ CA lẫn ñộ chuyển hóa XA.

10

00

B

Bây giờ chúng ta xét phựơng trình (6.8) khi sử dụng ñộ chuyển hóa sề cỏ dạng như thế nào.Tnrớc hết ta có: c A= A y y = t f A0( i - * Á W = C A0( 1 - X A)

(6.10)

—dCA= CA0 dXA

HÓ

A

Và

Í-

-ln (l-X A )

Cạ

Â0

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

hay —

ỷ ' ° Phương trinh (6.8) V hay (6.11)

Hình 6.3. Kiểm chứng ñối với phản ứng bậc 1 Chú ý: Cần chỉ ra rằng các phương trình kiểu như àCJdt - Ẩ:CAH•6CB0•4 ñược xem là bậc 1 nhưng lại không phù hợp với cách xử lý sô liệu nêu* trên. Như vậy không phằi tất cả các phản ứng bậc 1 ñểu ñược xem xét và kiểm chúng theo phương pháp này.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

121

NH ƠN

Khi ñó phương trình (6.7) trở thành: dXJát = k ( l - X A)

Lấy tích phân chúng ta có: xf

TP .Q UY

-= kịdt

0 \-X ầ

hay -In (1 ~X A) = kt

(6 . 11)

ĐẠ O

Phương trình (6.11) hoàn toàn tương ñương với phương trình (6 .8 ). ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của In (1 - jfA) hay lnCA/C„ vào t ñược chỉ ra ở hình 6.3 sẽ có dạng ñường thẳng.

->

sản phẩm

Với phưtmgtrìnhtốc ñộ tương ứng:

cv’

- ^ rA = “ àCfJdt = - dCu/dí = &CACB

>

N

A+B

TR Ầ

' ‘ '"

HƯ

Xét phản ứiig:

NG

6.1.2.3. Các phản ứng bậc 2 nhị phân tử không thuận nghịch

„(6.12)

00

B

Vì các ỉượng A vầ B ñược chuyển' hóa ở bất kỳ thòi ñiểm t nào là như nhau: C mX a -C w fiv nên ta có thể viết lại phương trình (6 . 12) theo XA như sau:

10

—rA —CA0 àXẠỈảt == k (CA0 —CA0XA)(Cffl —CAoKA)

A

ðặt M = CyJCm (tỷ lệ moi lúc ban ñầu của các chất phản ứng) ta có:

HÓ

- rA=cMáXAiit =kcJ(i-MM-M..

Í-

Lấy tích phân ta có:

TO ÁN

-L

X(A ---------- ----------------- = C M k \d t 0 ( 1 - X a X M - X a ). i

Từ ñó ta nhận ñược:

= In M- X- h - = ĩ n — = ì n - ^ ầ - = C J M - l)k t M ặ - X h) CMCA MCa

ĐÀ N

\-X A

= (Cw - C Mìk t

(với M * \ )

(6.13)

N

Hình 6.4 chỉ ra rằng ñồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của lnCCg/C^) vào t có dạng ñường thẳng có ñộ dốc k(Cw - C A0) ñối với phản ứng bậc 2 .

DI Ễ

Nếu như C bo lớn hơn nhiều so vỏi CA0, CB sẽ ñược xem là hầu như không ñổi trorig suốt thời gian tiến hành phấn ứng, và khi ñó phương trình (6.13) sẽ tiến tội có dạng của phương trình (6 .8 ) hay (6 . 11) ñối với phản ứng bậc nhất.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 6. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián ñoạn

122

m -x a

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

ln

Hình 6.4. Kiểm chứng ñối vói phản ứng bậc 2 nhị phản tử không thuận nghịch.

HƯ

NG

Chú ý 1: Trong trường hợp ñặc biệt khi các chất phản ứng ñược sử dụng ñúng theo quan hệ tỷ lượng thì sự biểu diễn tốc ñộ qua dạng tích phân sẽ trở nên không xác ñịnh.

2A

-»

TR Ầ

N

Khó khăn này có thể tránh ñược nếu như chúng ta quay lại dạng biểu diễn tốc ñộ vi phân ban ñầu và giải nó trong trường họp ñặc biệt này. Như ñối với phản ứng bậc 2 khi những nồng ñộ các chất A và B là như nhau, hoặc ñối với phảh ứng: sản phẩm

B

thì phương trình vi phân bậc 2 có dạng:

00

-d C Aỉdt = kCA2 = k C A 2ữ( ỉ - X A)2

10

Khi tích phân ta thu ñược:

(6.14b) I

A

1/CA-1 /C A0=1/CA0 .XA/(1 -X A) = ^.

(6.14a)

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

Và như vậy khi vẽ ñồ thị sự phụ thuộc của 1/CA vào t sẽ thu ñược ñường thẳng :I như chỉ ra ở hình 6.5.

Hình 6.5. Kiểm chứng ñối với các cư chế phản ứng nhị phân tử: A + B -> sản phẩm; với CA(1= cw 2A —» sản phẩm.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

"ìf

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

Trong thực tế người ta thường chọn tỷ lệ các chất phản ứng hoặc bằng hoặc khác biệt rộ rệt so với tỷ lệ suy từ phương trình tỷ lượng. Chú ý 2: Phương trình tốc ñộ dạng tích phân của phản ứng hóa học phụ thuộc vào tính tỷ lượng cũng như ñộng học của phản ứng. Nếu như phản ứng: sản phẩm

TP .Q UY

A + 2B

là bậc 1 ñối với cả A và B và do ñó bậc chung của phản ứng là 2, hay:

- dC JỞt = kCACB= k c ị 0 (1 - Xa)(M - 2Xa)

(6.15b)

= I"

ĐẠ O

Dạng tích phân sẽ là:

CboCa

m —2)kt (M * 2 )

M{\-Xa)

NG

Với tương quan tỷ lượng của các chất phản ứng thì l/CA- l ỉ C A0= l ỉC A0.XAỉ ( l - X A) = 2kt(M = 2)

ðối với phản ứng: —>

sản phẩm

N

B

A +B +D

(6.15d)

TR Ầ

6.1.2.4. Phản ứng bậc 3 tam phân tử không thuận nghịch

(6.15c)

HƯ

Hai chú ý trên áp dụng cho tất cả các kiểu phản ứng.

NH ƠN

123

00

Phương trình tốc ñộ của phản ứng:

10

- r A= - dCA/àt = *CACBCD

HÓ

Cm à X J it = kC\„ ( 1 - W

A

hay:

BII/Cs„ - X A)(CK/C A„ - A ;j

(6.16)

Lấy tích phân ta thu ñược phương trình: 1 CA()

Í-

1

-L

_______

(^ A O - ^ B O X ^ A O - C m )

TO ÁN

1

(Qao

C

a

1„

CaoXCdo-Cbo)

__________

L _ _ _ 1 C B0

(^ B O “ ^ D O )(^ B () - ^ A O )

(6.17)

= Cq

ĐÀ N

Nếu như cmlớn hơn nhiều so với C A0 và Cgo thì phản ứng sẽ trở thành bậc 2 vặ phương trình (6.17) sẽ chuyển thành phương trình (6.13). Nếu như phương trình phản ứng có dạng: A + 2B

-»

sản phẩm

■

(6.18a)

hay:

DI Ễ

N

Với phương trình tốc ñộ: -d C j d t = kCACB2

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

(6.18b)

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương ố. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián ñoạn

áXJd, = k.cị,cj (I - X,)iM - 2XJ

(6.18c)

Với M = Cjjo/Cao lấy tích phân ta có: r

, CA0CB + in 7 ,

r

C BO C B

^

" -

^Bll A

2. V - ^ A O ~ L-B (U

(M * 2) hoặc: (M = 2)

l/C A- ỉ / C M = m ðối với phản ứng: —»

sản phẩm

ĐẠ O

A+B Với phương trình tốc ñộ:

NG

-dCA/d* = jfcCAC 82 (^-AO -C b oX C b ,, - C b)

L'BO

—C

r

r

L BOCA

r

~

N

r

, C A0C B

TR Ầ

'

HƯ

ơ dạng tích phẩn ta có: ~

hoặc;

(6.18d) (6 . 1Be)

i

(6.19a)

I

(6.19b)

I

2

A(>" 80

(M * 1) (M - 1 )

(6.19d) I

B

1/CA- 1/C A0 = 2kt

k ĩ

TP .Q UY

(2CA0-CgoXCgo- C B)

NH ƠN

124

I

10

00

6.1.2.4. Phương trình biểu diễn tốc ñộ ñối với phản ứng bậc n

A

Khi cơ chể của phản ứng còn chưa biết, thường người ta ghép hợp các số liệu với I một phương trình tốc ñộ cho phản ứng bậc n dạng: I

HÓ

~/*A = -dC A/d/ = k C A n

(6.20)

'

I

-L

Í-

Sau khi lấy tích phân ta nhận ñược: hay:

- ............ k2 ñược chỉ ra ở hình 6 .8 .

NH ƠN

Sau khi tích phân ta thu ñược:

6.1.2.7. Các phản ứng nối tiếp bất thuận nghịch

-— -*•••

■A

R ------- >

ĐẠ O

Trước tiên chúng ta xét các phản ứng nối tiếp bậc nhất ñơn phân tử kiểu như: .kị ki ''

s -

NG

Phương trình tốc ñộ cho 3 cấu tứ À, R và s là :

HƯ

âC,Ját = - k xCh dCR/d/ = kịCA - k2CR

N

dCs/d/ = &2CR

(6.32) (6.33) (6.34)

TR Ầ

Giả sử lúc ñầu C R0 = c m = 0, lấy tích phân phương trình (6.32) ta có: - In (CA/CA0) = kịt hay CA= CA0.e “kl‘

(6.35)

00

B

Thay giá trị này vào phương trình (6.33) ta nhận ñược: (6.36)

10

ílCR/dí + k2CR = kịCMÌ e - k•' Từ ñó:

A

g -klt

HÓ

CR= CA0*,

k2 -k ị

e -k2t

+-4 -— )

(6.37)

kị - k ị

Í-

Chú ý rằng ñối với hệ ñẳng tích tại bất cứ thơi ñiểm nào ta cũng GÓ:

-L

CA0 = Ca + Cr + Cs

TO ÁN

và do ñó từ các phương trình (6.35) và (6.36) ta nhận ñược:

Cs = CA„ (l + - í ỉ - e ~ k" + — ^ị— e ' 12') Kị

*2

2,

(6.38)

\

ĐÀ N

Nếu k2 lớn hơn nhiều so với kị, từ phương trình (6.38) ta có: II - e - k|1)

DI Ễ

N

hay nói cách khác, tốc ñộ phản ứng ñược xác ñịnh bởi kị hay bởi bước thứ nhất của phản ứng. Nếu kị lớn hơn nhiều so với k2 thì:

c s - c „ , ( l - e-‘»)

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 6. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián ñoạn

128

hay tốc ñộ phản ứng ñược quyết ñịnh bởi k2 hay bước thứ hai.

_ ỉn(k2 / kị )

'max

.

1 ■ .

(6.39)

,

k2 - kị

TP .Q UY

t

NH ƠN

Các giá trị kị và k2 cũng xác ñịnh nồng ñộ cực ñại cùa R. Thời ñiểm m à CR ñạt cực ñại ñược xác ñịnh từ phương ưlnh (6.37) và có dạng:

và: ^R.max _ ,k\ \k2/(k2~ki) c'ẠỌ. W -AA .... rt'2 Ak-l

(6.40)

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Hình 6.9 chỉ ra ñặc tính chung của các ñường cóng nồng ñộ - thời gian ñối với ba cấu tử. Nồng ñộ A giảm dần, nồng ñộ R tăng dần ñến cực ñại và sau ñó giảm xuống. Nồng ñộ s tăng liên tục, tốc ñộ tăng của c s lớn nhất se xầy ra ơ thời ñiểm nồng ñộ R là cực ñại. ................. . . . . . . . -. ......... .......

TO ÁN

-L

Hình 6.9. ðường cong nồng ñộ - thời gian ñối với phản ứng nối tiếp hai giai ñoạn bậc 1.

6 1 2 8. Cac phan ứng XUC tác ñồng th ề

DI Ễ

N

ĐÀ N

Tốc ñộ của phản ứng trong trường hợp này ñược xem là tổng các tốc ñộ của những phản ứng ñược xúc tác và không ñược xúc tác. Tức là ta có các phản ứng: k, A + C ----- >

R+C

Với các phương trình tốc ñộ: ~ (dCA/dí), = kịCA

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

129

ðiều này có nghĩa rằng phản ứng sẽ xảy ra thậm chí khi không có mật chất xúc tác và tốc ñộ phản ứng ñược xúc tác tỷ lệ với nồng ñộ chất xúc tác. Tốc ñộ chuyển hóa chung của A sẽ là: —d C J d t —kịCA + k2CACc = {kị + k2Co)CA

NH ƠN

(dCA/d /)2 —k2CACc

Lấy tích phân ta nhận ñược: -In (CA/C A0) = -In (1 - XA) = (kị + k2C2)t = kí

TP .Q UY

(6.41)

(6.42)

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Phương trình k = kị + k2Cc ñược biểu diễn bằng ñổ thị ở hình 6 .10.

-L

Í-

6.1.2.9. Các phản ứng tự xúc tác

HÓ

Hình 6.10. Các hàng số tốc ñộ phản ứng kị và k2 ñối với phản ứng xúc tác ñung thề

TO ÁN

Một phản ứng nào ñó mà một trong các sản phẩm của phản ứng thể hiện như là chất xúc tác ñược gọi là phản ứng tự xúc tác. Phản ứng ñơn giản nhất thuộc loại này là: A+R

ĩ

Tại bất cứ thời ñiểm nào ta cũng có:

f

c () —Cạ + C ịị

••

.

c ại) + C|J||

const

■

N

Do ñó phương trình tốc ñộ trở thành:

DI Ễ

'

ĐÀ N

= —dCA/dí = kCACK

ỉ ■ỉ:.

R+R

Phương trình tốc ñộ của phản ứng này ià:

5.

•

------ — >

- r A= - á C A/âr = kCA(C0 - C A)

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

(6.43)

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 6. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián ñoạn

130

NH ƠN

hay:

TP .Q UY

Lấy tích phân ta có:

—C0kt — (CM) + c m )kt

M ( l - X A)

=

C "> * ' =

( c

A

0+

ĐẠ O

ðặt M = C R(/C A0 ta có:

(6.44)

(6.45)

c E„ )fo

TR Ầ

N

HƯ

NG

Trong phản ứng tự xúc tác, ở những nồng ñộ rất nhỏ của sản phẩm R thì tốc ñộ phản ứng tăng khi R ñược hình thành. Mặt khác, khi A ñược sử dụng gần ñến hết thì tốc ñộ phản ứng giảm xuống gần ñến 0. Kết quả này ñược chỉ ra ở hình 6.11, theo ñó thì sự phụ thuộc của tốc ñộ phản ứng vào CA có dạng hình paraboì. ðiểm cực ñại của ñồ thị xuất hiện khi nồng ñộ của A và R bằng nhau.

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

-/? A

C\ —Cr

1

Hình 6.11. ðường cong ñộ chuyển hóa - thời gian và tốc ñộ - nồng ñộ ñối với phản ứng tự xúc tác

ĐÀ N

6.1.2.10. Các p h ả n ứ ng thuận nghịch bậc 1

DI Ễ

N

Mặc dù không có phản ứng nào xảy ra hoàn toàn, chúng ta có thể xem nhiều phản ứng về cơ bản ỉà bất thuận nghịch do chúng có những giá trị hằng số cân bằng lớn. Bây giờ chúng ta sẽ xem xét những phản ứng không có sự chuyển hóa hoàn toàn. Trường hợp ñơn giản nhất là dạng phản ứng ñơn phân tử:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

:

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

-

■■■■■,

- • ■' V. ’

131

... ......... —.

:

'i.:' '

A ■.

. —------------:----------------------------- ------------------- .

k> ' ===^ R

■ :V

k* '

: : •■■■■ ị: :! ■ '- ' ■/ 1

. ;

.

;

:r? ... :’•

;

Với Kc = K = hằng số cân bằng. của phản ứng là:

TP .Q UY

Phương trình tốc

dCR/dr = - dCJỞt = CM)àXAỉdt = k iCA - k2CR = : =

-kJC M + C jC J ;

NH ƠN

Hóa kỹ thuật

____

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

' ;

(6.46)

ĐẠ O

Ở thời ñiểm cân bằng thì d C j d t = 0. Từ phương trình (6 46) ta tính ñược ñộ chuyển hóa của A tại thời ñiểm cân bằng XAc theo phương trình: XAc = (Kc - C J C M))ỉ (K c + 1)

(6 47)

j >■,:><

và:

.(6.48)

=kị/k2

NG

Kc = C J C Ae = (CRi) + C ^ ) / ( C ^ C M

HƯ

Kết hợp các phương ĩrlnh (6.46), (6.47) và (6.48) ta nhận ñược: ỞXAỉdt = k x (I - X AỈXAJ

(6.49)

TR Ầ

N

Với ñộ chuyển hóa ñược biểu diễn qua XAc, phương trình trên có dạng của phương trình áp dụng cho phản ứng bất thuận nghịch bậc 1. Lấy tích phân ta có: - ln (l- X J X J = - ln ( ( C A ~ C jỉ(C M -C ^)ỉ

B

= £ /1 + 1/Kc)t = (kị + k2)t

" (6.50)

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

ðồ thị biểu diễn sự phụ thuộc củá - ln ( l - XA/XAc) vào t ñược chỉra ở hình 6.12. Nó có dạng ñường thẳng với ñộ dốc là £ị(l + ỉfKc).

Hình 6.12. Kìểm chứng cở chế của phản ứhg thuận nghịch ñơn phần tử.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

132

Chương 6. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián doạn

TP .Q UY

NH ƠN

Tính tuơng tự giữa các phương trình ñối với các phản ứng bậc 1 bất thuận nghịch và thuận nghịch có thể thấy ñược khi so sánh phương trình 6 .11 với phương trình 6-50 hoặc khi so sánh hình 6.3 với hình 6.12. Phản ứng thuận nghịch có thể ñược xem là bất thuận nghịch nếu nồng ñộ ñược xác ñịnh qua ñại lượng CA- CAe, hoặc khi nồng ñộ dư so với giá trị cân bằng. Khi ñó ñộ chuyển hóa ñược xem là ñộ chuyển hóa 100% ứng với ñộ chuyển hóa cân bằng hay ñộ chuyển hóa lớn nhất có thể ñạt ñược. Mặt khác ta có thể thấy rằng phản ứng bất thuận nghịch ñơn giản chỉ là trường hợp ñặc biệt của phản ứng thuận nghịch khi CAc = 0, hoặc XAC= I> hoặc Kc= 00.

ĐẠ O

6.1.2.11. Các phẩn ứng thuận nghịch bậc 2

ðối vói các pĩiản ứng nhị phân tử có C A0 = Cb,, và Cro = Cjj, = 0 dạng:

HƯ

■

NG

k! A + B..*==?■ R + S ■ k2 ....

hoặc: ■ 2R

'

‘

’

(6.51)

TR Ầ

2A

N

k,

■• ■■■■ :r'

*2

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

thì phương trình tốc ñộ ờ dạng tích phân như sau:

Hình 6.13. Kiểm chứng dối với các loại phản ửng thuận nghịch nhị phân tử khác nhau.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật ðối với phản ứng dạng: R+s

2A

(6.53)

TP .Q UY

Phương trình tốc ñộ có dạng: [n x A. - ( 2 j f A - i ) - y Ạ = J ^ Ct í f = Í|(1/Xac _ 1)Cm, ■“Âe

(6.54)

v^c

ĐẠ O

Còn ñối với phản ứng: A + B ^ĩ = = í: 2R ^2

4%

C a í' =

- VJC* I

HƯ

, U A

4R

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

(6.62)

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 6. Tính toán trong thiết bị phản ứng gián ñỏậh Với CR() = 0 thì:

eA = (4 - 1)/1 = 3 .

Chú ý rằng:

NA

= N M) (1 -

NH ƠN

134

(6.63)

X A)

kết hợp với phương trình (6.60) ta có: F

Ỉ-X A

N M ạ - x A)

K0 ( 1 + £ AX A)

TP .Q UY

_

AOi + £ AJf A

hay:

CA _ Ỉ - X A AO

ĐẠ O

^ - = 7-----

xAf d X A

V £■

—A

Ỳ Â i

rt

_

V

=> r = ^r = C A0 I ỳ

àXA

.

(7.15)

ĐẠ O

V

TP .Q UY

Trường hợp tổng quát, nếu như dòng chất ñầu ñi vào thiết bị phản ứng ñã chuyển hóa một phần (XA|) và ñi ra khỏi với ñộ chuyển hóa XA[, ta có:

rA

x Ai

NG

ðối với phản ứng không thuận nghịch bậc n ta có: x> d X A | ^

_

(7.,6)

HƯ

r = CA„

NH ƠN

141

A

- r V

V0( \ + £ a X a )

TR Ầ

c

N

Mặt khác:

'-M \ + e AX t

B

Do ñó: 1 xfA ( i + f AT A)nd r A T = —~—r í ------ - - • A kC M n l í ( 1 - * A)"

10

00

(7.17) ,

A

ðổi với phản ứng bậc không phương trình trên trở thành: (7.18)

HÓ

C ao^ a

Í-

ðối với phản ứng bậc 1 bất thuận nghịch:

-L

* r = ( l + f A)ln — í— - £ a X a 1

^

(7.19)

A

TO ÁN

ðối với phảịi ứng bậc 2 bất thuận nghịch: CM)kx = 2ea (1 + e A)ln(l - XA) + £A2XA+ (eA+ I)2— — ^

(7.20) A

ĐÀ N

ðối với phản ứng bậc 1 thuận nghịch dạng:

DI Ễ

N

A

■*f 4= = ±

rR

(7.21)

kìT = ^ ệ ^ - ^ ^ ì n ( l - N . X A)

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

( 7.22 )

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 7. Các thiết bị phản ứng lý tưởng

142 N

= l

+

^ - ( l

k

+

(7.23)

NH ƠN

Với:

S A)

.

Trong trường hợp tổng quát,

T

có thể ñược xác ñịnh theo ñồ thị biểu diễn ở hình ’

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

7 .2 .'

00

B

Hình 7.2. Tính toán rtheo ñồ thị ñối vói thiết bị ống dòng.

10

7.6. T H Ờ I GIAN LƯU THỰC t VÀ T H Ờ I GIAN LƯU BIỂU K IẾN

T

HÓ

A

Khi tỷ khối của hỗn hợp phản ứng không ñổi thì: t = V/V = V.c/F = 1/ s = T

-L

Í-

Phương trình này chỉ ra rằng, khi tỷ khối của hỗn hợp phản úng không ñổi thì thời gian lưu thực ñúng bằng thời gian lưu biểu kiến.

7.6.1.

TO ÁN

Khi tỷ khối của hỗn hợp phản ứng thay ñổi thì quan hệ giữa í và X là ñặc trưng cho từng loại thiết bị phản ứng. Chúng ta hãy xem xét cho từng loạỉ thiết bị phẫn ứng. T h iết bị kh uấy lý tưởng liên tục IM R

DI Ễ

N

ĐÀ N

Do ñặc ñiểm mỗi phần thể tích củạ khốị hỗn hợp phản ứng ñều có cơ hội như nhau ñể ra khỏi thiết bị phản ứng, không phụ thuộc vào việc phần thể tích ñó ñã ở trong thiết bị phản ứng bao ỉâu, nên thời gian lưu thực ỉà khôhg như nhàu ñối vói mọi phần tử. Trong trường hợp này chỉ có thể ñưa ra khái niệm về thời gian lưu trung bình. Giá trị này có thể ñược tính toán như sau:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật F Tốc ñộ dòng thể tích ñi vào thiết bị phản ứng: Vữ = ■ • ' C ao

(7.25)

Tốc ñộ dòng thể tích ñi ra khỏi thiết bị phản ứng: Vị = FM /CA|

(7.26)

TP .Q UY

Như vậy, trong trường hợp này tốc ñộ dòng thể tích ñi vào và ñi ra khỏi thiết bị

NH ƠN

143

phản ứng khác nhau, nhưng ñối với thiết bị IMR thì dòng chất ra khỏi thiết bị phảa ứng thể hiện trạng thái bên trong toàn bộ thiết bị phản ứng, và do ñó ñược dùng ñể xác ñịnh thời gian lưu trung bình. Như vậy: V _

vt

CM V FM)(ỉ + £aX a )

____ V Vữ(ỉ + e AX A)

ĐẠ O

t =

NG

và do ñó:

(7.28)

HƯ

T = ỉ / s = í ( l + f AXAr)

(7.27)

7.6.2. T hiết bị ống .ñòng PFR

TR Ầ

N

ðối với thiết bị PFR thì khái niệm thời gian lưu thực có một ỷ nghĩa xác ñịnh, mỗi phần tử ñược lưu lại trong thiết bị phản ứng với khoảng thời gian như nhau. Trong thiết bị này thành phần của khối hỗn hợp phản ứng thay ñổi dọc theo chiều dài ống phản

B

ứng, và trong trường hợp phản ứng có sự thay ñổi thể tích thì ñiều này dẫn ñến sự thay

00

ñổi tỷ khối của hỗn hợp phản ứng. Kết quả là tốc ñộ dòng thể tích cũng thay ñổi dọc

10

theo chiều dài ống phản ứng. Như vậy, ñể xác ñịnh tốc ñộ dòng thể tích cần phải xác

A

ñịnh thời gian lưu dí trong vi phân thể tích dV, và sau ñó lấy tích phân cho toàn bộ thiết d f=

HÓ

bị phản ứng: w

^ N M ( l ~ X A)dV

TO ÁN

Mặt khác:

dV= —

cLTa

(7.29) V

, _ N Aũd X A dt = — — (-rjv

(7.30)

và

DI Ễ

N

ĐÀ N

Do ñó:

FM)V( ỉ - X a )

-L

Í-

Fa / C a

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

(7.31)

(7.32)

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 7. Các thiết bị phản ứng lý tưởng

144

------ -

(7.33)

NH ƠN

/ = CA0Xf ' ------- ^

(- r A) ( ỉ+ e AX A)

Như vậy, trong trường hợp thiết bị ống dòng thì quan hệ giữa thời gian lưu thực

TP .Q UY

và thời gian lưu biểu kiến không thể ñược biểu diễn bằng một công thức ñơn giản như

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

trong thiết bị khuấy lý tưởng liên tục.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương

NH ƠN

145

8

ĐẠ O

TP .Q UY

HỆ THỐNG CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG (MULTIPLE REACTOR SYSTEM)

8.1. HỆ THỐNG CÁC THIẾT BỊ ỐNCi DÒNG l*FR MÁC SONG SONG

NG

VÀ NỐJ TIẾP

xi d X

V.

ĩ± =

—

'

'

*Í= i - r

(8.1)

B

F q

ị

TR Ầ

N

HƯ

Nếư ta có 7 PFR mắc thành dãy nối tiếp và XV, ^ 2, ^ là ñộ chuyển hóa của cấu tử A khi rời khỏi thiết bị phản ứng 1,2 , Trên cơ sở cân bằng vật chất ñối với tốc ñộ nạp liệu A ñối với thiết bị phản ứng 1, ta tìm ñược biểu thóc sau ñây ñối với thiết bị phản ứíig thứ i:

dX

10

Vị _ Y

00

Phừờhg ừìrih trên nhận ñược từ phương trình:

HÓ

A

•ÂO XAi ~ rA (8.2) ; ............................ ............

Ề '1

V00 thì rs = Tp.

ðối với phản ứng bậc 2: Có thể ñánh giá ñặc tính của hệ IMR mắc nối tiếp dùng ñể thực hiện một phản

DI Ễ

N

ứng bậc 2 nhị phân tử 2A => R hay A + B => R (với CA() = CB0) theo quy trình tương tự như ñối với phản ứng bậc nhất.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 8. Hệ thống các thiết bị phản ứng

148

8.3.1.

NH ƠN

8.3. HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG GỔMIMR VÀ PFR MẮC HỖN HỢP Mắc nối tiếp

Xét một hệ thống gồm 1 IMR mắc nối tiếp với 1 PFR và tiếp ñó mắc nối tiếp với

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

1 IMR theo sơ ñồ:

TR Ầ

N

Ta có:

B

(8.9)

10

00

( 8 . 10)

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

( 8. 11)

—---- ► Xs

X

Hình 8.2. Biểu diễn bằng ñồ thị quy trình tính toán trong hệ thống thiết bị phản ứng mác nối tiếp.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

Các mối tương quan trên thể hiện bằng sơ ñồ ñược nêu ở hình 8.2. Sơ ñồ này cho phép dự ñoán ñộ chuyển hóa chung ñạt ñược ñối với toàn bộ hệ thống thiết bị phản ứng, cũng như ñộ chuyển hóa trung gian ñạt ñược sau từng thiết bị phản ứng riêng biệt. Các tương ứng của các thiết bị traơ ñổi nhiệt ñược lắp vào hệ thống thiết bị phản ứng. 8.3.2. Mắc song song

S

ví:

'

TP .Q UY

giá trị về ñộ chuyển hóa trung gian này rất cần thiết ñể xác ñịnh các ñặc tính kỹ thuật

NH ƠN

149

ĐẠ O

Trong hệ mắc song song người ta ñừầ rà các quy tắc churig sau ñây ñể ñảm bảo công suất của hệ thống thiết bị phản ứng ñạt tối ña:

NG

a. Dòng chảy cấp liệu trong các nhánh song song cần phải ñược ñiều chỉnh thế nào ñể khi gặp nhau chúng có cùng thành phần.

HƯ

b. ðối với các phản ứng mà. ñường cong biểu diễn sự phụ thuôc cua tốc ñộ phản ứng vấo nồng ñộ có dạng lồi, ví dụ các phản ững có bậc lớn hơn 1, thì hệ thống phải

TR Ầ

N

ñược sắp aếịrthế nào ñể nồng ñô của các chất phản ứng giữ ñược càng cao càng tốt. Nếu như ñường cọng biểu diễn sự phu thuốc của tôc ñộ phản úng vào nồng ñộ có dạng lõm thì hệ thống phầi ñược sắp xếp thê nào ñể nồng ñộ chất phản ứng giữ ñược càng thấp ...........- .............. ..........

....

B

..

...

00

càng tốt.

10

8.4. CẮC PHẢN ÚÌNG Tự x ú c TÁC

A

Các phản ứng tự xúc tác xứng ñáng .giành ñược sự chú ý ñặc biệt, vì trong trường

HÓ

hợp này tốc ñ ậ phản ứng bị ảnh hưởng bởi eả các ehất tham gia phản ứng và các sản

Í-

phẩm phản úng.

-L

8.4.1. Sự xem xét ñịnh tính

TO ÁN

Khi chất phản ứng ñược chuyển hóa theo phương trình tốc ñộ của phản ứng bậc 1 hay bậc 2 thì phản úng xảy ra nhanh ở giai ñoạn ñầụ tiên, khi nồng ñộ chất phản ứng là lớn. Tốc ñộ phản ứng sẽ giảm dần cùng với sự giảm nồng ñộ chất phản ứng. Trong phản ứng tự xúc tác thì tốc ñộ phản ứng ở giai ñoạn ñầu là thấp bởi vì lúc ñó sản phẩm phản

ĐÀ N

ứng còn ít. Tốc ñộ phản ứng sẽ tăng dần cùng với sự tạo thành sản phẩm và ñạt ñến giá trị cực ñại. Sau ñó tốc ñộ phản ứng lại. giậm dần cùng với sự giảm nồng ñộ chất phản

DI Ễ

N

ứng. Sự bịen ñổi này của tốc ñộ phản ứng ñược biểu diễn trên ñồ'thị ở hình 8.3.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

150

Trạng thái ñầu

N

HƯ

Trạng thái có tốc ñộ phản ứng cực ñại

Trạng thái cuối

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

Chương 8. Hệ thống các thiết bị phản ứrig

TR Ầ

Hình 8.3. Sự phụ thuộc tốc ñộ phản ứng vào nồng ñộ ñối với các phản ứng tự xúc tác.

00

B

8.4.2. Sự xem xét ñ ịnh lượng

10

Xét một phản ứng xảy ra ở ñiều kiện tỷ khối của hỗn hợp phản ứng không ñổi

A

(£ = 0 ):

hoặc A -> R

HÓ

A + R -> R + R

với phương trình biểu diễn tốc ñộ phản ứng:

Í-

dC,

= kCA*CRr = kCA* (C 0 - C J

-L

dt

C0 —C ạ + C r —C A0 + C R0

TO ÁN

VỚI

ðiểm cực trị của tốc dộ phản ứng ñược xác ñịnh bằng cách lấy vi phân phương trình trên và cho bằng không, tức là:

ĐÀ N

•

^ 2 * 2 = ak e f l(c6- c j -r k c s aỉr

IMR

Xảy ra ở nồng ñộ cao của chất phản ứng

C JC R=a/r

Cả hai thiết bị hiệu quả như nhau

Thành phần ứng với tốc ñộ phản ứng ñạt giá trị lớn nhất

CA/CR < a/r

PFR

Xảy ra ở nồng ñộ thấp cùa chất phản ứng

ĐẠ O

TP .Q UY

ðiều kiện

TR Ầ

N

HƯ

NG

Một thiết kế tối ưu cho các phản ứng tự xúc tác có thể bao gồm việc tiến hành chúng ở giá trị ñộ chuyển hóa trung gian (ứng với tốc ñộ phản ứng ñạt giá trị cao nhất), cùng với việc tách loại và quay vòng các chất chưa phản ứng. Bằng cách như vậy cỏ thể tận dụng ñược ưu thế của việc phản ứng xảy ra nhanh ứng với ñộ chuyển hóa nói trên. Như vậy ñối với các phản ứng kiểu này thì thiết bị IMR thường tỏ ra hiệu quả hơn, ñiều này ngược lại với các phản ứng thuộc những dạng khác.

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

Mặc dù các phản ứng ñồng thể tự xúc tác không nhiều, nhưng trong thực tế tồn tại nhiều phản ứng mang những nét ñặc trưng của loại phần ứng ñó. Ví dụ, xem xét một phản ứng tỏa nhiệt (như kiểu phản ứng oxy hóa), ở ñó các chất phản ứng ñược ñưa vào thiết bị ở nhiệt ñộ quá thấp ñể có thể phản ứng ñược. Ở phản ứng kiểu này (còn ñược gọi là phản ứng tự cung nhiệt - autothermal) thì nhiệt lượng ñược sinh ra do phản ứng có thể ñược xem là sản phẩm phản ứng và chính nhiệt lượng này duy trì phản ứng. Như vậy khi tiến hành loại phản ứng này trong thiết bị IMR thì phản ứng sẽ tự duy trì vì nhiệt lượng do phản ứng tạo ra có thể ñủ ñể nâng nhiệt ñộ của các cấu tử mới ñưa vào ñến nhiệt ñộ mà phản ứng có thể xảy ra.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

TP .Q UY

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

V .

•••

'V:

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

...

ĐẠ O

V’is ^''S

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NH ƠN

153

TP .Q UY

Chương MỘT SỐ KHẢ NĂNG c ó TÍNH NGUYÊN TẮC CỦA

ĐẠ O

KỸ THUẬT TIẾN HÀNH PHẢN ỨNG

HƯ

NG

Do việc thiết kế một thiết bị phản ứng phụ thuộc chủ yếu vào quan hệ pha của những thành phần tham gia phản ứng nên những thiết bị phản ứng dành cho những phản ứng khí ñồng thể phải ñược xây dựng khác một cách cơ bản với những thiết bị phản ứng ñung chớ phản ứng cửa chất khỉ với chất ran. Bên cạnh quan hệ pha, entanpi của phản . ứng cũng có tầm quan trộng ñáng kể. í

00

B

TR Ầ

N

Bên cạnh những tiêu chuẩn chính cho sự lựa chọn một loại thiết bi phản ứng xác ñịnh nêu trên, nhiệt ñộ và tốc ñộ phản ứng cũng có ảnh hưởng trở ỉại quá trình (trừ những trường hợp ñược xử lý trong ñiềụ kiện ñặc biệt). Do ñó những giải pháp có tính nguyên tắc dưới ñây sẽ ñược giải quyêt chủ yếu trên cơ sở quan hệ pha, những yếu tô' khác (entanpi, nhiệt ñộ, tốc ñộ của phản ửng) sẽ ñược coi như những ñiều kiện thứ yếu.

A

10

9.1. PHẢN ÚNG KHÍ ðỒNG THỂ

HÓ

9.1.1. Phản ứng khí ñồng thể phát nhiệt

TO ÁN

-L

Í-

Những phản ứng khí ñồng thể phát nhiệt có ý nghĩa không lớn ñối với sản phẩm hoá học, tuy nhiên chúng rất quan trọng ñối với các quá trình ñốt cháy các hợp chất ở dạng khí cũng như những chất cháy nhẹ, dễ bay hơi trong quá trình sản sinh năng lượng trong các nồi hơi, ñộng cơ pittông và tuabin khí. Chính vì vậy mà nhũng phản ứng khí phát rihiệt khống ñược xếp vào ỉoại những phản ứng quan trọng ñổi với nễn kinh tế quốc dân. Trong lĩnh vực sản xuất các hợp chất hoá học những phản ứng khí phát nhiệt sau

N

ĐÀ N

thường ñược sử dụng: Phản úng tạo khí clo (ñiều chế từ hợp chất hyñroclorua khô), clo hoá các hyñrocacbon (ñể tạo thành các hợp chất chứa clo), nitro hoá các hyñrocacbon (ñể tạo thành các hợp chất nitro ankan).

DI Ễ

Thiết bị phản ứng

Từ ìâu người ta ñã ñể xuất việc sử dụng các ñộng cơ nhiệt (ñộng cơ ñốt trong, tuabin khí) ñể ung dụng vào việc thực hiện các phản ứng khí phắt nhiệt. Trong thực tiễn

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

154

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

với những thiết bị kiểu này, người ta bỏ qua năng lượng cơ học mà chỉ quan tâm ñến nhiệt phản ứng nhằm tạo ra hơi nước trong các thiết bị lớn (như thiết bị clo hoá metan). Tuy nhiên ñối với những thiết bị nhỏ thì việc tạo ra hơi nước không ñủ thoả mãn và nhiệt phản ứng sẽ ñược lấy ñi một cách ñơn giản nhờ hệ thống nước làm mát. Trong kỹ thuật tiến hành phản ứng khí phát nhiệt, luôn phải lưu tâm rằng hỗn hợp nguyên liệu có thể phát nổ trong giới hạn rộng về thành phần. Vì vậy phải cho phản ứng diễn ra ngay sau khi trộn lẫn khí nguyên liộu với nhau. Người ta phải ñảm bảo sao cho phản ứng tiến hành ngay sau khi các khí nguyên liệu gặp nhau. ðể thực hiện việc ñó, người ta ñã ñề xuất thiết kế thiết bị phản ứng kiểu “ñèn ñốt” có cấu trúc tương tư như các loại ñèn ñốt sử dụng trong các xưởng thuỷ tinh. Cả hai khí thành phần ñược ñưa vào hệ thống bằng nhũng vòi phun ñồng trục. Trọng vùng trộn lẫn, nhiệt ñộ thích hợp luôn ñược giữ ñể ñảm bảo cho phản ứng diễn ra ngay tức thì. Trong suốt quá trình xảy ra phản ứng, entanpi của phản ứng duy trì nhiệt ñộ cần thiết. Trong quá trình này ngửời ta phải luôn quan tâm tạo ra mọt cơ chè khơi mào phản ứng (ñánh lửa) an toàn ñể tránh tạo nên những hỗn hợp dễ nổ. Trong kỹ thuật, người ta sử dụng một loại thiết bị gọi là ñèn ñốt, với thiết bị nay, nguyên liệu ñược ñưa văo theo hệ số tỷ lượng, sau ñó hỗn hợp ñược duy trì ở nhiệt ñộ cháy rất cao. Tại nhiệt ñộ này, nếu sản phẩm rriong muốn là những hợp chất hữu cờ (ciometan, nitropropan), chúng sẽ không tồn tại trong trạng thái bền vững. Do ñó ngứcổ ta cồ thể chia nhỏ quá trình phản ứng. Trong hệ ñốt thứ nhất, những thành phần tham già phản ứng ñược ñưa vẫo không thèo hệ số tỷ lượng và do vậy nhiệt ñộ toăn hệ không thể vượt quá giới hạn bền vững của các hợp chất hữu cơ. Sau ñộ toàn bộ sản phẩm vặ nguyên liệu chưa phản ứng hết lại ñược ñưa tiếp sang ñèn ñốt thứ hai giống như hệ thứ nhất. Cứ như vậy hỗn hợp phản ứng sẽ ñược ñiều chỉnh với các thành phần tham gia eho tới khi cuối cùng tại ñầu ra chúng .vẫn tuân theo tỷ lệ hợp thức. Nếu một tỷ lệ hỗn hợp ñược ñưa vàò theo một trật tự như vậy thì sẽ khỗng xuất hiện ngọn ĩửa, do ñó người tạ phải dùng thêm một thiết bị phản ứng dạng ống ñựợc chia thành nhiều phần nhỏ riêng biệt kèm theồ số lượng vòi phun tăng lên ñể ñẫn những cấu tử lựa chọn vào các phần này. Trong thiết bị phẫn ứng này, phận ửng sẽ diễn ra dọc theo suốt chiều dài của ông vấ bản thân chiều dài của ồng cung ñược dùng ñể làin ngùội hỗn hợp (hình 9 .lb).

ĐÀ N

Những thiết bị phản ứng dạng ống sử dụng nước áp suất cao hay muối hoà tán thường ñược dùng cho quả trình clo hoá metan. Khi tetraclorua cacbon là sản phẩm cuối, người ta có thể ñưa vào cả clo ỉẫn metan với những lượng dư. Tuy nhiên trong moi trường hợp, người tà mong muốn tất cả những sản phẩm của quá trình clo hoá ñều ñươc

N

sinh ra theo một tỷ lệ thích hợp. Do ñó người ta chọn metan là thành phần ban ñâu dư

DI Ễ

sau ñó thêm dần những lượng nhỏ clo khác nhau vào ống phản ứng ñể thu ñược thành phần sản phẩm như mong muốn. ðối với phản ứng clo hoá metan và những phản ứng khí thu nhiệt khác , người ta thường sử dụng những thiết bị phản ứng trộn ngược có nguyên

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Hóa kỹ thuật

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

155

'N

NH ƠN

liệu hồi lưu (hình 9.1c). ðiệu cần quan tâm ở ñây là thành phần của hỗn hợp các chất bên trong thiết bị phản ứng sao cho chúng nằm ngoài giới hạn gây nổ.

ĐẠ O

TP .Q UY

A

NG

b)

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

a)

ĐÀ N

Hình 9>.l. Những khả năng mang tính nguyên tác của quá trình tiến hành phàn ứng ñối với các phản ứng khí ñồng thể phát nhiệt:

DI Ễ

N

a) ñèn ñốt; b) ống phản ứng chia ñoạn; c) thiết bị phản úng trộn ngừợc có nguyên liệu hồi lưu.

Nhiệt của phản ứng ñược lấy ñi rihờ những ống xoắn làm lạnh lắp ñật sẵn tròng thiết bị. ðể ñề phòng giới hạn nổ, nhiệt ñộ cao nhất phải thấp hơn nhiệt ñộ giới hạn Và

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

156

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

TP .Q UY

NH ƠN

người ta cũng có thể di chuyển bộ phận làm lạnh xuống phía dưới thiết bị phản ứng. Trong thiết bị phản ứng trộn ngược có nguyên liệu hồi lưu, tất nhiên người ta chỉ chuyển hoá ñược một phần. Nguyên liệu còn dư sẽ ñược hồi lưu trở lại thiết bị phản ứng. v ề một hệ bao gồm nhiều phản ứng nối tiếp nhau như ñối với phản ứng clo hoá metan, người ta

ĐẠ O

có thể hồi lưu các sản phẩm trung gian không mong muổn trở về thiết bị phản ứng. Do ñó ñối với quá trình clo hóa metan bằng thiết bị phản ứng trộn ngược có nguyên liệu hồi lưu, ngưòi ta phải chấp nhận nhược ñiểm là hiệu suất cao nhất có thể của các sản phẩm trung gian (CH,C1, CH2C1, CHCI3) nhỏ hơn so với lò phản ứng dạng ống như ñã miêu tả ở trên.

TR Ầ

N

HƯ

NG

Ngoài thiết bị phản ừng trộn ngược có nguyên liệu hồi lưu, ñối với quá trình clo hoá hyñrocacbon, người ta còn sử dụng thiết bị tầng sôi. Trong lò tầng sôi bao gồm những chất rắn trơ dạng hạt mịn. Những hạt này sẽ ñược trộn lẫn vào hỗn hợp các khí nhung không ñi cùng chúng trong các bưóe tiếp theo. ðường kính hạt phải nằm trong một ngưỡng hẹp và phù hợp với tốc ñộ dòng khí. Những hạt này ñóng vai trò mang nhiệt và giữ cho nhiệt ñộ trong thiết bị phản ứng luôn ổn ñịnh. Hơn thế nữa nó còn nâng cao hiệu suất trao ñổi nhiệt giữa hỗn hợp phản ứng và hệ thống làm lạnh. (Trong hệ tầng sôi, hệ số trao ñổi nhiệt cọ thể lên tới k « 1000 kcal.m 2.K 'h ').

B

9.1.2. Các phản ứng khí ñồng thể thu nhiệt

-L

Í-

HÓ

A

10

00

Những phản ứng khí ñồng thể thu nhiệt bao gồm những phản ứng quan trọng sản xuất những sản phẩm hoá học sơ cấp trong công nghệ hoá dầu như: nhiệt phân ở nhiệt ñộ trung bình (sản xuất olefin) và nhiệt phân ở nhiệt ñộ cao (sản xuất axetylen) từ hyñrocacbon. Trên cơ SỞ thiết lập quan hệ giữa entanpi Cạo thành tự do của những hyñrocacbon khác nhau (tính cho một nguyên tử cacbon) với nhiệt ñộ, người ta thu ñược các ñường thẳng (A//F và ASf của phương trình Gibbs-Helmholtz ñược coi là không ñổi theo nhiệt ñộ) với những ñộ dốc khác nhau (hình 9.2).

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

Ở mỗi nhiệt ñộ, những hợp chất có entanpi tạo thành tự do thấp hơn sẽ bền vững hơn về mặt nhiệt ñộng học so với các hợp chất có entanpi tạo thành tự do cao hơn. Hình 9.2 cho chúng ta thấy trong khoảng nhiệt ñộ trên 500"C etylen bền vững hơn những ankan (với M-hexan là ñại diện). Do ñó, sự sinh ra etylen từ những hyñrocacbon của xăng chỉ xảy ra trên 500°c. Những thiết bị nhiệt phân sản xuất etylen trong kỹ thuật thưòng làm việc ở 700 ñến 90CTC ñể ñảm bảo một tốc ñộ tiến hành phản ứng cao. Hình 9.2 cũng chỉ ra rằng ở nhiệt ñộ cao mức ñộ bền vững của etylen và axetylen không khác nhau nhiều lắm và ở khoảng nhiệt ñộ trên 1300"C axetylen bền vững hơn etyỉen. Do ñó nếu người tạ muốn sản xuất axetylen từ các hyñrocacbon dạng parafin thì ñòi hỏi ñạt nhiệt ñộ trên 1300°c Phản ứng sẽ thu một nhiệt lượng khoảng 70 kcal trên một moi axetylen. Quy trình kỹ thuật của nhiệt phân nhiệt ñộ caò ñối với sản xuất axetylen

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

thường diễn ra ở nhiệt ñộ trong khoảng 1600 - 2000"C. Nếu muốn tạo ra sản phẩm hỗn hợp của axetylen và etylen, người ta thường ñặt nhiệt ñộ 1200 ñến 1500°c.

NH ƠN

157

TR Ầ

N

Hình 9.2. Cơ sở nhiệt ñộng học của quá trình nhiệt phàn hyñrocacbon, entanpi tao thành tư do của một sò hyñrocacbon (tính cho một nguyên tử C); 1: M-hexan; 2: butañien; 3 : etylen: 4 : benzen: 5: axetylen.

B

Thiết bị phản ứng

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

Yếu tố quan trọng ñối với quá trình thiết kế các phản ứng ở ñây phụ ỉhuộc vàò mục ñích muốn thu nhận sẵn phẩm ià etylen hay axetylen. Ở nhiệt ñộ ñiều chế etylen (700 ñến 90Ơ’C) có một số vật liệu kim loại có ñộ bền và sức chịu nhiệt tốt, nên người ta có thể chế tạo những thiết bị bằng những vật liệu kim loại ñó. Ở ñây còn có thể dùng bề mặt của thiết bị phản .úng làm phương tiện ñể truyền nhiệt của phản ứng. ðối với khoảng nhiệt ñộ trên 100CTC, vật liệu kim loại không thể sử dụng ñược nữa. Ngày nay ñối với quá trình sản xuất etylen trên cơ sở nhiệt phân xăng nhẹ, thiết bị phản ứng thường dựa trên nguyên tắc của thiết bị phản ứng dạng ống dòng, tuy nhiên người ta cũng ñã ñề xuất nhiều phương án thực hiện khác nhau về mặt chi tiết. Lò ống ñược cấu tạo từ một ống dài từ 35 ñến 200m làm từ hợp kim rắn và chịu

nhiệt.

DI Ễ

N

ĐÀ N

Trong ống, hỗn hợp nguyên liệu gồm những hyñrocacbon nguyên liệu và hơi nước ñược dẫn vào rồi ñược gia nhiệt từ bên ngoài bằng ñèn ñốt dầu hoặc khí ñốt. Phản ứng thực sự diễn ra ở vùng bức xạ, nơi ống phản ứng ñược ñốt nóng nhờ bức xạ nhiệt của các ñèn ñốt. Trong vùng ñối lưu của thiết bị phản ứng, hỗn hợp các hyñrocacbon nguyên ỉiệu và hơi nước ñược sấy nóng trước tới nhiệt ñộ phản ứng nhờ khói nóng thoát ra ở phía trên thiết bị phản ứng.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứrig

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

158

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

-L

Í-

HÓ

A

vỉ

TO ÁN

Hình 9.3. Những khả năng mang tính nguyên tác của kỹ thuật tiến hành phản ứng khí ñồng thể thu nhiệt: a) quan sát theo mặt cất ngang; b) quan sát theo mặt cắt dọc.

.rỉ Những thiết bị phản ứng dạng ống còn ñược sử dụng cho các phản ứngkhí ñồng thu nhiệt khằc dưới 1000°c V í dụ phản ứng phân iy từ 1,2-ñicloetan thặrứ}

ĐÀ N

thể

N

vinyiclorua ở nhiệt ñộ khoảng 500°c và áp suất khoảng 10 ñến 40 at.

DI Ễ

'-

CHoCl-CFLCl -> CHi=CHCl + HC1 AH = + 17 kcal

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

sfj .o

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

159

Hóa kỹ thuật

-13,9°C) ngưng tụ dễ dàng mà không cần làm lạnh, qua ñó người ta sẽ tiết kiệm ñược chi phí ñầu tư và năng lượng tốn kém cho quá trình làm lạnh.

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

Với các phản ứng khí ñổng thể thu nhiệt, nếu người ta không muốn cung cấp nhiệt cho phản ứng thông qua các tấm trao ñổi nhiệt, ví dụ như trường hợp thiết bị phản ứng dạng ống ñã nêu, người ta có sử dụríg những chất mang nhiệt khác nhau dạng rắn, lỏng hay khí ñể cung cấp năng lượng cho hon hợp phản ứng. ứng dụng ñơn giản nhất của nguyên tắc sử dụng chất mang nhiệt ở dạng rắn cố ñịnh ñược thể hiện trong các thiết bị phản ứng tái sinh (hình 9.4a); Ở ñây thiết bị phản ứng ñược lấp thêm các vách ngăn chế tậo từ các loại gốm chịu nhiệt (gạch samot, vật liệu thiêu ñốt...) ñược nung nóng bằng khí ñốt hay dầu ñốt cho tới khi ñạt ñược nhiệt ñộ xác ñịnh* Sau ñó người ta mới dẫn dòng khí chạy qua thiết bị phản ứng. Vách ngăn của thiết bị sẽ cung nhiệt cho hỗn hợp các phản ứng. Sau khi nhiệt ñộ giảm xuống tới ngưỡng giới hạn, người ta ngừng dẫn hỗn hợp nguyên liêu phản ứng vào. Bây giờ một chu trình mới với quá trình cung nhiệt cho thiết bị phản ứng và các vách ngăn của nó lại bắt ñầu. Rõ ràng ñể ñảm bảo sự hoạt ñộng liên tục cho cả hệ thống, người ta phải vận hành tối thiểu hai thiết bị phản ứng song song, nghĩa là khi một thiết bị ñang ñược nung nóng thì ở thiết bị còn lại phản ứng diễn ra. Tuy nhiên trong thực tế, người ta cần ñến một chu trình có lớn hơn hai pha hoạt ñộng niiư trên bởi vì phải tránh hiện tượng khói tạo thành (thường chứa oxy dư) và hỗn hợp phản ứng có thể gặp nhau ñồng thời. Vì vậy người ta phải tạo ra giữa pha nung nóng và pha phản ứng thêm một pha nữa, trong pha ñó thiết bị phản ứng ñược hút chân không hoặc ñược xả bằng khí trơ. Ngoài ra còn có những chu trình với bốn phà hoạt ñộng (thiết bị phản ứng bốn kỳ) và thông thường luôn ñòi hỏi sự vận hành song song của hơn hai thiết bị phản ứng. ðồng thời cũng dễ hiểu rằng kỹ thuật ño ñạc và ñiều khiển ñối với quá trình lò tái sinh ñòi hỏi chi phí rất cao. ðặc biệt với các phản ứng ở nhiệt ñộ cao, những yêu cầu rất cao không thể tránh khỏi ñối với những hệ thống van chuyển cũng như công tắc ñổi chiều, chúng phải hoạt ñộng rất nhanh trong một khoảng thời gian có vài phút. Chỉ có duy nhất một công nghệ lò tái sinh ở mức ñộ sản xuất lớn chiếm ñược ưu thế ñối với quá trình nhiệt phân hyñrocacbon. ðó là công nghệ W ulff (ñiều chế hỗn hợp axetylen và etylen ở nhiệt ñộ 1200 ñến 1600°C).

NH ƠN

Việc sử dụng áp suất cao có thể giúp cho vinylclorua (nhỉệt ñộ hoá hơi bằng

ĐÀ N

Thay cho việc bố trí chất dẫn nhiệt dưới dạng các vách ngăn cố ñịnh và cáe-ểèag chất mang nhiệt chuyển ñộng như trường hợp nguyên tắc của lò tái sinh, người ta cũng có thể dùng chất mang nhiệt chuyển ñộng, bằng cách thêm vào nhũng chất mang nhiệt dạng hạt, rắn vấ do ñố CO thể ñấm bao cho sự vận hanh liên tục của ỉhiết bị phản ứng.

DI Ễ

N

Nguyên tắc này ñược ñưa vào áp dụng trong ỉò phản ứng với lớp xúc tác tuần hoàn và lò tầng sối. Cả hai thiết bị phản ứng ñều có những bộ phận tham gia thực sự vào phạn ứng, trong ñó những hạt rắn mang nhiệt ñược vận chuyển tuần hoàn sao cho chúng có thể

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

160

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

cung nhiệt cho bộ phận phản ứng và sau ñó ñược nung nóng ñến nhiệt ñộ cần thiết trong bộ phận tái sinh.

Hình 9.4. Những khả năng mang tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng khí ñồng thể thu nhiệt sử dạng các loại vật liệu mang nhiệt ở dạng rắn:

DI Ễ

N

a) công nghệ ỉò tái sinh; b) thiết bị phản ứng với lớp xúc tác luân hồi (lò tuần hoàn); c) thiết bị tầng sôi

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Do việc vận chuyển của các chất mang nhiệt giữa bộ phận tái sinh và bộ phận phản ứng của thiết bị ñược thực hiện nhờ các ống kim loại, vì vậy các thiết bị phản ứng dạng tuần hoàn và tầng sôi chỉ ñược áp dụng trong trường hợp nhiệt ñộ phản ứng nằm dưới giới hạn cho phép thích hợp với vật liệu kim loại ( C H = C H + 3H 2

ñược kết hợp với quá trình ñột cháy khí hyñro sinh ra: AH = - U 5 kcal

Bảng 9.1. Nhũng phản ứng khí ñồng thể quan trọng trong kỹ thuật Loại phản ứng

Nhiệt ñộ (°C)

Những phản ứng phát nhiệt Oxy hoá oxit nitơ

20... 40

ĐẠ O

......

TP .Q UY

2H 2 + 0 2 -> 2H ,0

400... 450

Clo hoá từ propylen thạnh ankyl-clorua

400 ..450

CIo hoá metan

400 ...500

NG

Nitro hoá propan

Phản ứng tổng hợp khí ñ o (từ HC1)

HƯ

600... 800

ðeankyl toluen

750... 850

N

Những phản ứng thu nhiệt

TR Ầ

Nhiệt phân ñixiclopentañien thành xiclopentadien Nhiệt phân từ 1.2 ñicloetan thành vinylclorua

00

B

Nhiệt phân từ clo-ñiflo-metan thành tetrafluoetylen

Nhiệt phân từ 2-metylpenten-(2) thanfyizopren

10

Nhiệt phân từ axit axetic thành keten

HÓ

A

Nhiệt phân từ khí dầu mỏ hay xãng thành etylen

250... 300 45Ò... 550 700... 900 700... 900 700... 900 800... 900 1500... 1600

Nhiệt phân nhiệt ñộ cao hyñrocacbon thành axetylen

1500... 2500

Í-

Chuyển hoá metan cùng vối amoniac ứiành xianhyñric

TO ÁN

ðehyñro hoá etan thành etylen

-L

Những phản ứng tự cung nhiệt

800... 900 1200... 1500

Nhiệt phân metan (công nghệ Sachsse)

1500 ...2200

ĐÀ N

Khí hoá hyñrocacbon

Người ta trộn vóị oxy (lượng thiếu) và ñưa hổn hợp trên với tốc ñộ cao ñi qua hệ thống các vòi phun, tại ñó ngon lửa với nhiệt ñộ từ 1800 tới 2000°c ñược hình thành.

N

Ví dụ, ñồng phân hoá hyñrocacbon, tinh chế xăng và dầu diezen bằng phương

DI Ễ

pháp sử dụng hyñro dưới áp suất cao.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

166

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NG

Bơm nguyên liệu Khí mới (H2)

TR Ầ

N

HƯ

Khí thải

00

B

san pnam

A

10

Hình 9.7. Những khả năng mang tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng khí xúc tác dị thể trung hoà nhiệt: thiết bị lò phản ứng nhồi ñầy.

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

Phản ứng ñồng phân hoá hyñrocacbon có thể ñược xếp vào loại các phản ứng gần như trung hoà nhiệt. Thông thường người ta sử dụng quá trình ñổng phân hoá trong chưng cất dầu thô của công ñoạn xăng nhằm nâng cao chỉ số octan. Người ta dẫn phân ñoan xăng vào hỗn hợp xúc tác, phần lớn là Ỵ-Aỉ20 3 hay alumosilicat với khoảng 0,5% Pt ở nhiệt ñộ khoảng 400 ñến 500°c với sự có mặt của hyñro và áp suất khoảng 20 ñến 40 at. N hóm chức axit củạ xúc tác sẽ giúp cho quá trình ñồng phân hoá các parafin mạch thẳng thành những isoparafin theo C ơ chế tạo ion cacboni. Còn khả năng hyñrp hoá của xúc tác sẽ làm no hoá các olefin sinh ra. Ở ñây các olefin là những sản phẩm phụ và quá trình hyñro hoá nói trên sẽ ngăn chặn quá trình polyme hoá của các hợp chat olefin, nếu không ở nhiệt ñộ khoảng 50ỌbC sẽ tạo ra các hợp chất cao phân tử dạng hắc ín có thể bao bọc, kiềm chế các chất xúc tác và thậm chí còn dẫn ñến sự tạo cốc. Thông qua sự có mặt của hyñro và xúc tác Ị^yñrổ hoá, tủổi thọ của các chất xúc tác cũng ñược tăng lên ñáng kể. Tuy nhiên sau một thời gian nhất ñịnh người ta cũng phải tái sinh xúc tác. Quá trình tái sinh xúc tác củạ ña số các công nghệ chế biến dầu thô phổ biến thường diễn ra ngay trong thiết bị mà không cần thay xúc tác mới. ðể thực hiện, người ta dẫn

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

khí nitơ có chứa oxy (trộn không khí vào nitơ tinh khiết) qua thiết bị phản ứng tại nhiệt ñộ khọảng 500°c. Khi ñó những cặn bám như than cốc và các chất dạng hắc ín ñọng trên hạt xúc tác sẽ bị ñốt cháy và hoạt tính của chất xúc tác sẽ ñược tặi sinh lại.

TP .Q UY

Quá trình tái sinh chất xúc tác bằng sự gia tăng không khí cần phải thận trọng, cần ñề phòng nhiệt ñộ thiết bị phản ứng tăng lên quá cao, nếu không chất xúc tác sẽ bị phá huỷ hoặc sẽ mất ñi toàn bộ hoạt tính.

NH ƠN

167

NG

ĐẠ O

Những phản ứng ñồng phân hoá trên xúc tác nhị năng cũng diễn ra với những hyñrocacbon tinh khiết. Bằng cách ñó, người ta có thể sử dụng phương pháp chưng cất ñể tách isopentan từ phân ñoạn C5, sau ñó phần còn lại là n-pentan, và rt-pentan lại ñược tiếp tục ñồng phân hoá thành isopentan. Cứ như thế isopentan ñược tạo thành và tách ra bởi quá trình trên (isopentan ñược sử dụng Ịàm nguyên liệu tổng hợp isopren bằng phản ứng ñehyñro hoá xúc tác).

HƯ

Tương tự như vậy, người ta có thể thực hiện phản ứng ñồng phân hoá «-butan (isobutan ñược sử dụng trong quá trình ñiều chế nguyên liệu dạng ankyiat).

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

Quá trình ñổng phân hoá các hợp chất thơm CịỊ giàu m-xylen có một ý nghĩa quan trọng. Hỗn hợp chất thơm C 8 này cọn lại sau khi tách ơ-xylen bằng quá trình chưng cất và / 7-xylcn quạ quá trình kết tinh làm lạnh. Dung dịch gốc có chứa xylen này tiếp tục ñược chuyển hoá ở 400 ñến 500°c với sự có mặt của hyñro trên xúc tác nhị năng sẽ chuyển thành một hỗn hợp cân bằng ban ñầu chứa khoảng 22 % ớ-xylen và 20 % / 7-xyỉen, sau ñó người tạ lại có thể lặp lại quá trìrih tách trên. Qua tổ hợp một loạt các quá trình chưhg cất, kết tinh làm lạnh và ñồng phân hoá, người ta có thể chuyển hoá hỗn hợp thơm. Cỉg thu ñược nhờ quá trình chiết„lỏng - lỏng từ hỗn hợp sản phẩm xăng reforming thành ỡ-xyleri hay/?-xylen gần như trọn vẹn.

-L

Í-

Trong những năm gần ñây, hoá học các hợp chất thơm C8 ñã thu ñược nhiều thành tựu qụan trọng trong kỹ thuặt phản ứng khí trung hoà nhiệt! V í dụ quá trình phân bố lại bất ñối xứng của toluen thành benzen và xylen, người ta cũng dùng xúc tác nhị năng cho phản ứng này.

TO ÁN

Giống như những phản ứng trung hòa nhiệt; người ta có thể tiến hành một vài quá trình tinh chế dầu mỏ phát nhiệt trong thiết bị phản ứng nhồi ñầy, trong ñó xảy ra các phản ứng sau:

ĐÀ N

R 1— s —R 2 + 2 H 2 -> R 'H + H2S + R2H

DI Ễ

N

R ‘— o — R 2 + 2 H 2

R ‘H + H20 + R2H

R\

R2— N + 3 H2 -> R ‘H + R2H + R3H + NH 3 ỵ 1 R

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

168

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng Ở ñây xúc tác thông thường ñược sử dụng là (CoO + M 0 O 3)/ Y-A120 ? và (NiO +

NH ƠN

W O ,) / y - A 1 A .

H 2S, H2ơ cũng như NH 3 tạo thành qua những phản ứng phân huỷ, ñehyñro hoá. Tuy là nhũng phản úng phát nhiệt, nhimg thành phần những hợp chất dị tố trong các

TP .Q UY

phân ñoạn hyñròcacbon thông thường rất thấp nên không cần thiết ñến những biện pháp ñặc biệt nhằm giải toả nhiệt phản ứng. Thông thường người ta tiến hành phản ứng trong thiết bị phản ứng nhồi ñầy ở nhiệt ñộ 300 ñến 4Ơ0°C và áp suất 20 ñến 40 at với sự có mặt của khí hydro.

ĐẠ O

9.2.2. Cáophản ứng khí phát nhiệt

NG

Có nhiều giải pháp kỹ thuật hơn cho quá trình tiến hành những phản ứng khí xúc tác dị thể Lò ống (hình 9.8a). ðối với những phản ứng diễn ra ở áp suất vừa phải (i ñến 25

HƯ

at) và nhiệt của phản ứng cần phải Ịấy ñi không quá lớn, ngưòi ta thường dùng loại thiết

N

bị ống chùm. Thiết bị này bao gồm khoảng từ 50 ñến 250 (trong trường hợp ñặc biệt vài

TR Ầ

ngận) những ống nhồi ñầy chất xúc tác ñược ñặt song song (ñường kính khoảng 1,5 ñến 6 cm), bên ngoài ñược bao quanh bằng chất lỏng lạnh. Dựa vào cảc vùng nhiệt ñộ của

các chất lỏng hoặc dạng nóng chảy ghi trong bảng 9.3 mà người ta chọn sử dụng chất

B

trao ñổi nhiệt cho phù hợp với quá trình. Môi chất làm lạnh ñược bơm lên buồng phẵn

00

ứng với tốc ñộ lởn nhất có thể ñể tạo dòng xoáy ñảm bảo nhiệt phân bố ñược ñồng ñềụ.

10

Bên ngoài buồng phản ứng người ta còn lắp buồng trao ñổi nhiệt, ơ ñó những chất lỏng

A

truyền nhiệt của chúng cho nước hay không khí. Một số chất làm lạnh thoát ra ngoài nên

HÓ

người ta có thể sử dụng chúng như những ỉớp áo làm mát buồng phản ứng. Lò ống ñược dùng trong các quá trình hyñro hoá (benzen thành xiclohexan,

Í-

phenoỉ thành xiclohexanol) và các quá trình oxy hoá (etylen thành etylenoxit, naphtalen

-L

thành anhydric phtalic (AP)).

TO ÁN

Ngoài ra lò ống còn dùng cho quá trình cộng hợp axit H ơ với axetylen (tổng hợp vinylclorua) và axit axetic với axetylen (tổng hợp vinylaxetat). Lò ống do có một số lượng rất lớn các ống nhỏ riêng biệt nằm song song nén nó

ĐÀ N

rấí lớn và do vậy thiết bị phải hàn lại với nhau. Cũng cần phải thiết kế chỗ thay thế chất xúc tác thích hợp. Vì những lý do này giá thành nhà xưởng cho thiết bị lên rất cao. Chi phí này càng lớn khi tăng công suất lò. Vì thế khi sản xuất cần ñạt công suất cao, người

N

ta thích sử dụng thiết bị tầng hơn, thêm vào ñó với quá trình trong thiết bị tầng người ta

DI Ễ

có thể tiến hành tại những nhiệt ñộ xác ñịnh.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

169

Hóa kỹ thuật

-100 ... + 65

Nước

+ 100...+ 250

ðiphenyl/ñiphenyloxit

+100... + 350

Thuý ngân

+300... + 400

Muối nóng chảy

+200... + 700

Natri

+100... + 700

Chì

+350...+ 700

TP .Q UY

Metanol

ĐẠ O

Nhiệt ñộ, °c

NG

Chất lỏng hoặc dạng nóng chảy

NH ƠN

Bảng 9.3. Các chất lỏng dùng làm chất trao ñổi nhiệt

00

B

TR Ầ

N

HƯ

Lò rang (bình 9.8b và c) bạo gồm nhiều lớp xúc tác xếp chồng lên nhau theo trật tự. Phản ứng sẽ diễn íầ trên mỗi lớp này. Nhiệt ñộ của hỗn hợp; phản ứng cũng ñược gia tăng. Sau phản ứng trên lớp xúc tác, hỗn hợp phản ứng ñược làm :Ịạnh bằng chất trao ñổi nhiệt (tuy nhiên thòng thường chứng không ñược lắp ñặt vì sẽ rất khó cho quá trình thay ñổi chất xúc tác) hay bằng sự hoạt ñộng của hỗn hợp ñầu ra lạnh (quá trình khí lạnh). Khi phản ứng tiến tới bậc 0, người ta có thể chọn chiều cao các lớp trên tất cả các tầng như nhau. Trong trường hợp này những dòng của lượng xúc tầc giống nhau chuyển ñến các vị trí như nhau giống nhau và sẽ dẫn ñến nhiệt ñộ của các tầng có chụng một giá trị.

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

Khi phản ứng diễn ra ở những bậc cao hơn, nếu người ta muốn trong mỗi tầng có số lần quay vòng như nhau và cùng với nó là sự gia tăng nhiệt ñộ như nhau của hỗn hợp phản ứng, người ta phải làm tăng ñộ cao của những lớp chất xúc tác cùng với mức ñộ quay vòng. Nhũng kiến thức về quy tắc tốc ñộ không chỉ là quá trình tính toán lượng xúc tác cần thiết m à còn ỉà những quy tắc dự ñoán sự phân chia của những tầng khác nhau của buồng phản ứng. Lò tầng với những chất trao ñổi nhiệt nằm ngoài thưòng ñược dùng cho quá trình oxy hoá S 0 2 thành SOv Lò tầng cùng với chuyển ñộng của khí lạnh thường ñược sử dụng cho quá trình tổng hợp artioniac và metanol. ðối với các phản ứng xảy ra ở áp suất cao, người ta rất khó bố trí những chất trao ñổi nhiệt nằm ngoài hay trong buồng phản ứng, ở ñây thường khí lạnh ñược ñem ra sử dung.

DI Ễ

N

ĐÀ N

Lò tầng sôi (hình 9.8d). Trong quá trình oxy hoá (oxy hoá amoniac và propylen thành acrylnitril, oxy hoá naphtalen hay ớ-xylen thành axit naphtalic), người ta thường dùng lò tầng sôi với với những dây làm lạnh xoắn ñược gắn sẵn bên trong, trong ñó nước ñược ñun nóng hay làm nống bằng hơi nước. Lò tầng sồi có ưu ñiểm là sự truyền nhiệt từ ñáy thiết bị lên vùng lạnh rất tốt, do ñó những phản ứng với entanpi của phản ứng ñặc biệt âm tỏ ra chiếm ưu thế. Tuy nhiên cũng có nhược ñiểm là khoảng thời gian phản ứng diễn ra lớn hơn rất nhiều so với lò ồng hay lò tầng (xấp XI tương ñương với ống dong lý

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

170

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chựơng 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

TP .Q UY

NH ƠN

tưởng). So với lò ống, những ưu thế của lò tầng sôi không ñược ñặc biệt lưu tâm ñối với các phản ứng oxy hoá vì nó không ñẩp ứng ñược một nhiệt ñộ không ñổi như người ta mong ñợi. Qua ñó người phát triển kỹ thuật cho cả hai loại thiết bị phản ứng ñể ñáp ứng những phản ứng khác nhau.

▼

i

r-:‘v

b)

T

c)

Hình 9.8. Những khả năng mang tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng khí xúc tác dị thể phát nhiệt:

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

"•:A: '.[x

HƯ

NG

ĐẠ O

V-W'!-

ạ) lò ống (ñược bao quanh bởi các ống trao ñổi nhiệt); b) lò tầng (bộ phận trao ñổi nhiệt nằm ngoài); c) lò; tầng (dẫn khí lạnh vào thiết bị phần ứng); d) lò tầng sôi (có bộ phận lam lạnh gắn bên trong); e) lò thổi (có bộ phận làm lạnh gắn bên trong).

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Trong lò tầng sôi người ta dùng những xúc tác dạng hạt mịn, sao cho ñộ bền cơ học (ñộ chịu va ñập) của các loại hạt ñọ ñược coi là một yếu tố quan trọng. Những hạt xúc tác này sẽ ñược cuốn vào hỗn hợp phản ứng dạng khí nhưng không bị mang ñi xa. Do ñó tốc ñộ dòng khí phải nhỏ hơn một chút tốc ñộ lắng của hạt xúc tác.

NH ƠN

171

Hóa kỹ thuật

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

Lò thổi (hình 9.8e) có những ưu và nhược ñiểm tương tự như của ỉò tầng sôi, người ta còn có thiết bị thổi. Trong thiết bị thổi, những hạt xúc xéit rắn mịn nằm lơ lửng trong một chất lỏng trơ và người ta dẫn hỗn hợp khí có khả năng phản ứng ñi qua hỗn hợp lỏng rắn này. Quá trình thổi ñể ñảm bảo sự khuếch tán tốt qua ñó có sự truyền nhiệt tốt tới vùng làm lạnh gắn bên trong. Thiết bị thổi ñã ñược áp dụng cho kỹ thuật tiến hành phản ứng khí xúc tác dị thể lần ñầu tiên trong quá trình tổng hợp Fischer-Tropsch (Tổng hợp hyñrocacbon từ GO + 2H 2 với sự có mặt của xúc tác cobàn). Ngày nay người ta dùng ña số thiết bị thổi trong trường hợp chất xúc tác phản ứng hoà tan trong chất lỏng, ví dụ tổng hợp 0 X0 của propionalñehyl từ etylen, c o và hydro với sự c ó mặt của xúc tác

HƯ

C oH(C O)4, chất c ó thể hoà tan trong chất lỏng (ví dụ /2-propalnol). C ũng như th ế ñ ố i với

TR Ầ

N

công nghệ Deacon (sự chuyển hoầ của HC1 với oxy không khí thành clo và nứớc), người ta cũng dùng thiết bị thổi khí (với muối FeCl3 nóng chảy ñóng vai trồ xúc tác). 9.2.3. Các phản ứng khí thu nhiệt

00

B

Người ta ñã phát triển những giải pháp kỹ thuật sau ñây cho những phản.ứng khí xúc tác dị thể thu nhiệt (ñehyñro hoá, phản ứng cracking).

A

10

- Quá trình ñehyñrat hoá butañiol-(l,3) thành butadien (ở 250 ñến 300°c với xúc tác phosphat).

HÓ

- Quá trình ñehyñro hoá etylbenzen thành styren (500 ñến 600°c với xúc tác Fe 20 3).

-L

Í-

Quá trình tạo khí tổng hợp reforming khí tự nhiên, khí dầu IĨ1Ỏ hay xăng nhẹ (750 ñến 950°c, xúc tác Ni).

TO ÁN

Dãy nối tiếp của những lò nhồi ñầy (hình 9.10b)

DI Ễ

N

ĐÀ N

Khi cần công suất càò người ta dùng một dãy lò nhồi ñầy mắc nối tiếp cùng với bộ phận gia nhiệt hỗn hợp phản ứng. Những lóp thiết bị phản ứng này có từ 3 ñến 5 lò, người ta áp dụng cho quá trình reforming xăng nặng. Trong quá trình này, chỉ số octạn ñược cải thiện hơn nhiều, naphten (ñồng phân của xiclohexan và xiclopentan) ñược ñehyñro hoá thành những aromat. Phương trình phản ứng như sau:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tác của kỹ thuật tiến hành phản ứng

172

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

Quá trình ñồng phân hoá của những naphten vòng 5 thành naphten vòng 6 ñược xóc tác nhờ chất mang xúc tác (y-Al20 3, hay alumosilicat), còn quá trình ñehyñro hoá nhờ chất xúc tác chứa khoảng 0,5% platin. Quá trình ñồng phân hoá những naphten vòng 5 thành naphten vòng 6 là một quá trình trung hoà nhiệt,còn quá trình ñehyñro hoá thu nhiệt khoảng ÀHK = +49 kcal.m ol'1. Sản phẩm reforming có khoảng 50 ñến 70% aromat và một quá trình trao ñổi nhiệt rất lớn diễn ra. Quá trình diễn ra ở nhiệt ñộ 500°c và áp ẩiiất trong khoảng 20 ñến 50 at.

10

a)

▼ b)

lò ống (nung nóng nhò hơi nước áp suất cao hay khói); b) dãy mắc nối tiếp (caskade) nhiều lò nhồi ñầy cùng với bộ phân sấy nóng ỏ giữa.

Í-

a)

HÓ

A

Hình 9.10. Những khả năng mang tính nguyên tắc của quá trình tiến hành phản ứng khí xúc tác dị thể thu nhiệt:

TO ÁN

-L

Hỗn hợp các phản úng ñược sấy nóng từ trưổe bao gồm xãng nặng (nhiệt ñộ sôi từ 100 ñến 200°C) và hyñro ñược ñưa vào thiết bị phản ứng thứ nhất, trong ñó vì quá trình ñehyñro hoá thu nhiệt diễn ra nên nhiệt ñộ giảm ñi khoảng từ 40 ñến 60°c. Tiếp theo người ta ñưa hỗn họp vào trong buồng trao ñổi nhiệt trung gian ñể tăng nhiệt ñộ của hệ lên :nhiệt ñộ ban ñầu, sau ñó phân úng sẽ diễn ra ở buồng phản ứng thứ hai.

DI Ễ

N

ĐÀ N

Trong dãy cáè thiết bị phản ứng'nối' tiếp, người ta tiến hành xử lý xăng nặng với hyñro như quá trình ñồng phân hoá của xăng nhằm tránh sự kết tủa của những hợp chất chứa cốc và hắc ín. Sở ñĩ trong quá trình reforming có thể thực hiện phản ứng ñehyñro hoá các hyñrocacbòn với sự có mặt của hyñro ở 20 ñến 50 at là vì cân bằng phản ứng rất thuận tiện tại 500"C. Áp suất của hydro là 50 at, etylxiclohexan ở nhiệt ñộ 527"C ñược ñehyñro hoá tới hơn 95% ñể tạo thành etylbenzen.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

173

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

Hóa kỹ thuật

HÓ

Hình 9.1L Quá trinh reforming xúc tác của xăng năng:

-L

Í-

xúc tác 0,5% Pt/AUOi; nhiệt c h , - c h = CH-CH, + H 2 a / / = + 28 kcal

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

174

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một sô khả năng có tính nguyên tác của kỹ thuật tiến hành phản ứng

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

C H -C H = CH-CH-, -» CH 2 - CH -CH = CH, + H 2 A H = + 28 kcal

TR Ầ

a)

00

B

H ình 9.12. Những khả năng mang tính nguyên tắc của quá trình tiến hành phản ứng khí xúc tác dị thể phát nhiệt:

HÓ

A

10

a) lò tái sinh (phần sấy nóng nằm giữa các lớp xúc tác); b) lò phản ứng với lớp xúc tác tuần hoàn (phần sấy nóng của chất xúc tác nằm trong bộ phận tái sinh); c) lò tầng sôi (phần sấy nỗng của chất xúc tác nằm trong bộ phận tái sinh).

Ở ñây Cr20 , trên A120 3 ñóng vai trộ là chất xúc tác và chất mang nhiệt tương

-L

Í-

ứng. Phản ứng diễn ra ở nhiệt ñộ khoảng 600"C. Sau 3 ñến 5 phút, các hợp chất dạng cốc và hắc ín ñược sinh ra sẽ làm cho xúc tác trở nên kém hoạt tính, vì thế nhiệt ñộ giảm ñi khọảng 10 ñến 20 ñộ. Khi ñó người ta ñẩy hyñrocacbon còn trọng thiết bị phản

TO ÁN

ứng bằng hơi nước quá nhiệt tại 6 ỔỢ’C, sau ñó người ta hút chân không và cuối cùng thêm khống khí vào một cách rất thận trọng nhằm ñốt hết những chặt bẩn bám trên p ề mặt

XÚC

tác. Qua quá trinh ñếí-này, xúc tác lại ñược ñưa trợ về nhiệt ñộ làm việc tối ưu,

ĐÀ N

Trong pha tiềp theo, người ta ñẩy không khí và hơi ñốt bằng hơi nước nóng và cuối cùng, lại hút chân không ñể loại phần lớn hơi nước ra ngoài buồng phản ứng. Sau ñó một chu. '

.*

DI Ễ

N

kỳ mới của hỗn hợp butan/buten lại bắt ñầu.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

175

Hóa kỹ thuật _____ _____ ;_____X Butañien + /ỉ-buten

>

lEEEESr

ISSESESr

TP .Q UY

VWWX

Chận không

NH ƠN

Butañien + n-buten

~«v"£S5Si5S£$£.., ^SMKKiKWS*

Hơi nước

Butan + H-buten Khói

Khói

Chân không

NG

_1 _

ĐẠ O

~r

Ì S I I

TR Ầ

N

HƯ

'CC“^

r Không khí

10

00

B

Hơi nước

A

Hình 9.13. Gác giai ñoạn làm việc của một công nghệ lò tái sinh:

-L

Í-

HÓ

-ñehyñro hoá butan và /ỉ-buten thành butañien; - xúc tác: C^CyAL.O,; -nhiệt ñộ: 590ñến 60Ó C; -áp suất: 150-170 mmHg; -thời gian mỗi pha: 3 ñến 5 phút.

TO ÁN

Một chu kỳ ñehyñro hoá butan/buten như vậy trải quà tới 6 giai ñoạn (hình 9. Ị 3). Nếu người ta muốn ñảm bảo dòng chảy liên tục của nguyên liệu và sản phẩm cuối thì phải ñồng thời lắp nhiều buồng phản ứng song song, sao cho mỗi thiết bị phản ứng tương ứng với một phạ phản ứng của cả chu kỳ,

DI Ễ

N

ĐÀ N

Lò phản ứng với lớp xúc tác tuần hoàn: Loại thiết bị phản ứng này thường ñược sử dụng trong quá trình ñehyñro hoá /ỉ-butan thành buten (Cr2CVAl20 3 500 ñến 600°C). Những phản ứng này có ý nghĩa ñối với việc chế tạo nguyên liệu ñầu ñể sản xuất nguyên liệu dạng ankylat. Trọng những công nghệ cracking trước ñây người ta cũng sử ñụng kỹ thuật xúc tác tuần hoàn, nhưng bắt ñầu từ những năm 50 thế kỷ trước, kỹ thuật lò tầng sôi ñược ưa chuộng hơn.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

176

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tác của kỹ thuật tiến hành phản ứng

Khơi mào

TP .Q UY

R '-C H 2-C H 2- c h = CH -R 2 + H® 4 R '-C H 2-C H 2-®CH-CH 2- R 2

NH ƠN

Sơ ñồ quá trình cracking và ñồng phân hoá hyñrocacbon

R '-C H 2-C H 2-C H 2 - CH2- R 2 + H® -> R ‘-C H 2-C H 2-®CH-CH 2- R 2 + H 2 Chuỗi phản ứng cùa quá trình _______________________ ______________ í ________________ í__________ _

ĐẠ O

r ' - c h 2- c h 2-® c h - c h 2- r 2 -> r '- ® c h 2+ c h 2= c h - c h 2- r 2

ðổng phân

N

HƯ

NG

r '- ® c h 2+ c h 2= c h - c h 2- r 2-> r ' - c h , + r ' - c h 2~ c h 2- @c h - c h 2- r 2

TR Ầ

.

r ' - c h 2- c h 2- ® c h - c h 2- r 2

——

00 10 A

Í-L

TO ÁN

Ngắt mạch

HÓ

H®

r '- c h - ® g h - c h 2- r 2

B

ĩi CH, /T \ r ' - c h - U : h - c h 2- r 2

cpv

r ' - c h 2- c h 2-® c h - c h 2- r 2

^

------z

R l-*C H -C H -C H 2- R z

ị R'-®GH 2-GH=GH-CH 2- R 2 + H®

N

ĐÀ N

r ' - c h 2- c h 2- ® c h - c h 2- r 2 + h 2-> r ‘- c h 2- c h 2- c h 2- c h 2- r 2 + h®

Lò tầng sôi: Trước kia ngửời ta sử dụng alumosilicat tổng hợp làm chất xúc tác

DI Ễ

và mang nhiệt cho quá trình cracking trong Ịò tầng sồi, ngày nay người ta ñang dần thay thế những xúc tác ñó bằng xúc tác dạng zeolit. Qua trình cracking xúc tác có ưu ñiểm só

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

với cracking nhiệt là ñược kết hợp với một quá trình ñồng phân hoá nên chỉ số octan của sản phẩm ñược cải thiện một cách cơ bản. Ngoài ra trong quá trình cracking xúc tác, người ta còn ñiều khiển mức ñộ phân huỷ thuận lợi hơn so với quá trình cracking nhiệt. Từ giữa những năm 50 của thế kỷ trước, người ta ñã xây dựng những buồng phản ứng

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

với công suất khoảng 1 ñến 3 triệu tấn/năm. Nguyên liệu ñầu (phân ñoạn dầu hoả và có thể cả phân ñoạn chưng cất chân không) sẽ ñược lách thành các hyñrocacbon của phân ñoạn xãng và sản phẩm khí. Các sản phẩm phụ có chứa cacbon tự ño (hắc ín và cốc) sẽ ñơợc bám xung quanh các hạt xúc tác. Một phần xúc tác ĩắng xuống những vùng có tốc ñộ khí nhỏ han và ñược phần tái sinh trơ giúp. Nhiệt phản ứng của quá trình cracking sẽ tăng lêa nhờ. nhiệt của quá trình cháy cặn hữu cơ bẩn bám trên các hạt xúc tác. Phần năng lượng thiếu hụt có thể ñược bổ sung nhờ thổi thêm khí nóng vào phần tái sinh của thiết bị phản ứng. Ngày nay, trong những hệ thống cracking hiện ñại, sản phẩm phản ứng ñược ñưạ trực tiếp vào một cột cất và ỏ 4 0 nó ñược tách bằng phương pháp chưng

NH ƠN

177

N

9.2.4. Quá trình tự cung nhiệt

10

00

B

TR Ầ

Một quá trình ñặc biệt có nhiều ưu thế trong nhũĩig phản ứng khí xúc tác dị thể là quá trình tư cung nhiệt. Trong quá trình này,' người ta kết hợp các quá trình thu nhiệt và phát nhiệt với nhau nên các công ñoạn cung nhiệt hay tản nhiệt từ bên ngoài trở nên không cần thiết. Quả trình này cho phép tiến hành về mặt nguyên lý giống như những phản ứng trung hoà nhiệt ở thiết bị phản ứng nhồi ñầy Người ta ñã tạo ra những phương thức tự cung nhiệt ñược úng dụng một cách rộng rãi, ví dụ như qua trình phân ly các

A

hyñrocacbon của phân ñoạn dầu hoả với sự có mặt của hyñro và các xúc tác

HÓ

hyñro/ñehyñro hoá. Khi ñó các phản ứng thu nhiệt sau ñây ñược tiến hành kế tiếp nhau: - phản ứng cracking xúc tác các parafin mạch hở;

-L

Í-

- phản ứng ñehyñro hoá xúc tác và ñehyñro ñồng phân hoá các hợp chất naphtalen;

TO ÁN

- phản ứng hydro hoá phát nhiệt các hợp chất olefin ñược tạo thành trong quá trình cracking.

DI Ễ

N

ĐÀ N

Áp suất hyñro, nhiệt ñộ vã hoạt tính xúc tác ñược ñiều chỉnh phù hợp sao cho quá trình tự cung nhiệt ñối với phản ứng phân ly hyñro hoá sẽ ñược thực hiện một cách dễ dàng từ những phân ñoạn hyñrocacbon có ñiểm sôi cao. Hỗn hợp xúc tác phân ly hyñro hoá bao gồm những xúc tác hyñro hoá có tính oxy hoá cũng như sunfua hoá (MóO,, WỌj, GoO + MoO -0 ñược ngâm tẩm trên chất mang có tính axit (alumosilicat, zeolit axit) Quá trình phân ly hyñro hoá ñược tiến hành ở nhiệt ñộ 400 ñến 50Ơ’C và 20 ñến 60 at với sự có mặt của khí hyñro. Những xúc tác này có thể giữ hoạt tính trong thời gian hàng tuần hoặc hàng tháng và chúng có thể ñược tái sinh thông qua thiêu ñốt.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một sô khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

178

AH = + 20 kcal

2H, + 0 7 -> 2H ,0

AH = - 1 1 6 kcal

TP .Q UY

CH,OH -> CH20 + H 2

CH3OH + Không khí

c h 4_ + NH,

NH3 _ + Khống khí

ĐẠ O

Tinh thể

NG

Lưới Pt

₩

/

HƯ

₩

₩

Hơi

/

Lưới Pt/Rh

₩

Hơi

/

N

Hơi

NH ƠN

M ột công nghệ tự cung nhiệt rất quan trọng lặ quá trình ñehyñro hoá metanol thành íòrmanñehit trên cơ sở sử dụng xúc tác bạc ở nhiệt ñộ khoảng 600°c. Quá trình này ñược phối hợp với nhau bởi những phản ứng sau ñây:

TR Ầ

Dịch ngưng

Dịch ngưng

Dịch ngung

B

V I/ NO

vy

+ H jO

+N2

+0;

b)

HÓ

A

10

00

c h 2o + h 20 +N> +H>

HCN +H20 +N,

Í-

C):

-L

Hỉnh 9.14. Những khả năng rhang tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng khí xúc tác dị thể: quá trình tự cung nhiệt:

TO ÁN

a) tổng hợp formanñehit; b) tổng hợp axit xyanhiñric; c) tổng hợp oxit nitơ bằng phương pháp ñốt cháy amoniac.

ĐÀ N

Người ta có thể duy trì các phản ứng trên diễn ra trong thòíi gian hàng tháng (cho tới khi hoật tính xúc tác hết tác dụng) mà không cần sự tản nhiệt hay cung nhiệt từ bêil ngoài thông qua ñiều chỉnh hợp lý tỷ lệ metanol với không khí. Trong quá trình tổng hợp

DI Ễ

N

íormanñehit, người ta sử dụng duy nhất một lớp dày từ 5 ñến 10 cm chứa những tinh ứiể bạc ñược ñiều chế bằng phương pháp ñiện phân. Thời gian lưu rất ngắn ở ñây cũng ñủ cho quá trình chuyển hoá hỗri hớp nguyên liêu.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

CH 4 + NH, -> HCN + 3 H 2

AH = + 60 kcal

2H 2 + 0 2 -» 2H20

A ỉỉ = - 1 1 6 kcal

TP .Q UY

Quá trình tổng hợp tự cung nhiệt axit xyanhyñric tờ metan, amoniac và không khí thậm chí chỉ cần thời gian lưu ngắn hơn. Quá trình ñược thực hiện trên lưới platin hay platin-roñi ñựợc sử dụng làm chất xúc tác. Tại quá trình này những phản ứng sau diễn ra kế tiếp nhau ở nhiệt ñộ 800 ñến 1000°c theo công nghệ Andrussow:

NH ƠN

179

4NH, + 5 0 2 -> 4NO + 6H20

AH = - 216 kcal

ĐẠ O

Người ta sử dụng những thiết bị phản ứng hoàn toàn tương tự như công nghệ Andrussow, trong quá trình ñốt cháy amoniac:

TR Ầ

N

HƯ

NG

Ở ñây lưới platin - roñi cũng ñược sử dụng như những chất xúc tầc và phản ứng ñược tiến hành ở nhiệt ñộ khoảng 900°c. Trong trường hợp này không cố phản ứng thu nhiệt nào ñược kết hợp vớị quá-trình ñốt cháỵ amoniac toả nhiệt. Ở ñây có thể bỏ qua quá trình tản nhiệt từ vùng phản ứng vì nguyên liệu (NH 3 và không khí) ñược ñưa vào thiết bị phản ứng ỏ nhiệt ñộ thấp và ngưòi ta lựa chọn một lượng không khí dư sao cho nhiệt của phản ứng sinh ra ñể sấy nóng nguyên liệu.

B

Bảng 9.3. Những phản ứng khí xúc tác dị thể quan trọng trong hoá kỹ thuật

00

Phản ứng

10

Các phản ứng trung hoà nhiệt

A

ðồrig phân hoá xâng nhẹ

HÓ

ðồng phân hoá H-pentan ðồng phân hoá xylen

Nhiệt ñộ (°C)

Pt/AKO,

, 450...500

Pt/Ại/Si/O

450...550

Pt/Al/Si/O

450...500

Al/Si/O

.450...550

Í-

Phân bố lại bất ñối xứng tolùen

Xúc tác

-L

Các phản ứng phát nhiệt

Pd

100... 150

Hyñro hoá chọn lọc c , - và Cj - có chứa liên kết ba

Pd

100...200

TO ÁN

Hyñro hoá chon loc phenol thành xiclohexanon Hyñro hoá phenol thành xiclohexanol

J■

Cộng hợp HC1 vào axetylen

Cộng hợp CH,COOH vào axetylen

ĐÀ N

Oxy hoấ etylen thành etylén oxit

:

Chuyển hoá nhiệt ñộ thấp c o

N

Tổng hợp áp suất thấp metanol

DI Ễ

Clo hoá etylen thành 1,2 - ñicloetan Tổng hợp ấp suất caợ metanol Oxy hoá HC1 thành Cl2

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

^ . . Ni

Ì-.-.

100...200

HgCl2

100...200

Zn(OAc),

170...210

Ag

200...250

Cu/Zn/Cr/O

200...280

Cu/Cr/O

230...280

CuCi,

300.:.350

Zn/Cr/0

350...400

CuCụ

400...450

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Tiếp bàng 9.3

NH ƠN

Chương 9. Một số khả năng có lính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

180

Nhiệt ñộ (°C)

Bi/Mo/O

400...450

Oxy hoá naphtalen thành axit anhyñric phtaíic

V2Os

400...450

Oxy hoá ỡ-xylen thành anhyñric phtalic

VA

Oxy hoá S02thành so,

VA

Amoniác hoá propylen thành acrylnitril

Tổng hợpamoniac

TP .Q UY

Xúc tác

Phản ứng

400...450

450...500

450...500

F eA Mo/Al/Si/O Pt/Rh

Oxy hoá NHj thành NO . L . - r ịj L,

Các phận ứng thu nhiệt

- 550...600

ĐẠ O

ðeankyl hoá toluen

250...300

NaPO,

NG

ðehyñrat hoábutañiol -(1,3)

ZnO

HƯ

ðehydro hoá rượu bậc 2

N

Cracking dẩu hoả hay phân ñoạn chưng cất chân không ðehyñro hoá /í-butan ỉn- buten thành butadien ðehyñro hoá etylbenzen thành styren

TR Ầ

ðehyñro hoá n-butan thành /ỉ- buten

400...500 45O...5Q0

AÍ/Si/O

450...500

Cr.CVAỊịO,

- 500.:.550

Cr20,/A l20 ,

■ . 500...600

:•

500...600 Ni/CaCO,

750...95O

Mo/Al/Si/O

400...500

Ag

600...650

Pt/Rh

800... 1000

00

B

Reforming khí tự nhiên, khí của quá trình lọc dầu hay xãng có sử dụng hợi nước

.

,

pự a i 2o

Reforming xăng nặng

800...900

Phân ly hyñro hoa phân ñoạn dầu hoả

10

Các phản ứng tự cung nhiệt

HÓ

A

ðehyñro hoá mẹtanol thành fomandehit

Í-

Amoniac hoá metan thành axit xyanhyñric

-L

9.3. CÁC PHẢN ỨNG TRONG PHA LỎNG

TO ÁN

9.3.1. Các phản ứng trong pha lỏng ñồng thể

DI Ễ

N

ĐÀ N

Những phản ứng khí chỉ có thể ñáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật khi chúng ñược tiến hành ỉiên tục. ðối với những phương pháp gián ñoạn trong những bình phản ứng, những phản ủng khí tỏ ra ñạt sản lượng về tính kinh tế, không gian, thời gian rất thấp. ðiều này khác với các phản ứng trong pha lỏng. Các phản ửng trong pha lỏng này có một mật ñộ rất lớn các chất tham giầ phản ứng nên chúng vẫn có thể ñảm bảo ñược sản lượng về mặt không gian và thời gian khi hoạt ñộng không liên tục. Tuy vậy ñối với một quá trình hoạt ñộng liên tục, ổn ñịnh ngứời ta dễ thực hiện ñược những quá trình tự ñộng hòá và cho phép hoạt ñộng với công suất lớn.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

181

Trong quá trình hoạt ñộng liên tục của các buồng phản ứng, công ñoạn tách các chất trước và sau phản ứng cũng diễn ra Hên tục (nếu không sẽ phải cung cấp thêm một buồng cấp nhiên liệu ở giữa).

TP .Q UY

Một quá trình hoạt ñộng liên tục, ổn ñịnh còn ñảm bảo chất lượng ñồng ñều của sản phẩm cuối.

NH ƠN

Hóa kỹ thuật

ĐẠ O

Ở phản ứng khí xúc tác ñồng thể và dị thể, người ta phải dùng những phương pháp xử lý khác nhau ñối với từng, quá trình thu nhiệt, phát nhiệt hay trung hoà nhiệt. ðối với những phản ứng lỏng, thông thường trong khoảng nhiệt ñộ dưói 20Ơ’C, người ta không thể mong ñợi sự phát nhiệt vì thẹo phương trình Gibbs-Heimholtz: Aơr = AH r - T á S r

NG

Aơ r > 0 và cân bằng sẽ lệch về phía không morig muốn! Do ñó phản ứng thu nhiệt chỉ xảy ra về mặt nhiệt ñộng học khi:

HƯ

ÁHk < T A S r

10

00

B

TR Ầ

N

Khi ñó entrópĩ của các phản ứng trong pha lỏng thông thưống không vượt quá +30 kcalm opñộ ”1 nên ở 200°c (tương ñựợng 473K) phản ứttg chỉ Cữ thể xảy ra khi A//R < +14 kcalmol"1. Thực sự chỉ tồn tại rất ít những phản ứng ưong phaỉỏng thu nhiệt có tầm quan trọng về mặt kỹ thuật (ví dụ sự chuyển hoá của etylenclohyñrin cùng vói bazơ mạnh AHR = +4 kcal.m of). Phần lớn các phản ứng trong pha lỏng có tầm quan trọng về mặt kỹ thuật là nhũng phản ứng toả nhiệt: Một phấn trong số chúng xuất hiện những giá trị rất ñặc biệt, vỉ dụ pỉiản ứng chuyển vị Beckmann của xiclohexanonoxỉm (AHR = -6 0 kcal.mol'1) và sự phân ly của cumoìhyñroperoxit (ốHR —- 5 2 kcal.mol’’).

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

Các phản ứng trong pha lỏng có thể diễn ra trong trạng thái ñồng thể, nhưng có rất nhiều những chuyển hoá quan trọng về mặt ky thuật giữa các dong chất lỏng không hoà tan với nhau. Giữa hai pha của các phản ứng trong pha lỏng (trong ñó các thành phần tham gia phản ứng không hoà tan hay hoà tán rất hạn chế vói nhau), người ta phải ñảm bảo sự chuyển ñộng có tính hỗn loạn cao nhằm tăng cường trộn lẫn và quá trình khuếch tán các chất tham gia phản ứngì ðiều ñó ñòi hỏi phải có một tốc ñộ chuyển ñộng nhất ñịnh. Người ta luôn mong muốn thông qua tăng cường mức ñộ hỗn loạn hệ các phản ứng sẽ ñi ñến một khoảng mà trong ñó tốc ñộ chuyển ñộng là xác ñịnh (khoảng khống chế ñược về mặt ñộng học).

DI Ễ

N

ĐÀ N

Bình phản ứng khuấy và bình phản ứng có bơm hồi lưu (hình 9.15). Nhũng bình phản ứng có bơm hồi lưu có thể dùng ñược cho cả quá trình phản óng liên tục cũng như gián ñoạn. Nhiệt phản ứng có thể ñược trao ñổi qua vỏ lạnh (hay nóng) hay bằng hệ thống ống xoắn làm lạnh Ịắp ñặt ngay trong bình. Khi dùng bình phản ứng có bơm hồi lưu , áp suất cùa bơm sẽ giảm về phía sau, vùng lạnh hơn. Dòng chất lỏng sẽ ñược dẫn

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

182

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phạn ứng

NH ƠN

sang ống ñặt song song với bình, sau ñó sẽ ñược dẫn ngược trở lại bình, trong bình nó lại ñược trộn lẫn một lần nữa.

A

-o

HÓ

ị—

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

ðối với những phản ứng toả nhiệt, người ta có thể áp ñụrig nguyên lý làm lạnh nhiệt tự ñộng, trong ñó hỗn hợp của phản ứng sẽ diễn ra ở ñiểm sôi và quá trình trao ñổi nhiệt sẽ diễn ra thông qua những thành phần phản ứng cũng như chất lỏng hoá hơi. Trong trường hợp này người ta bỏ qua phần làm lạnh trorig bình phản ứng và làm ñông ñặc sản phẩm hơi ngay bên trong bình. Quá trình làm lạnh nhiệt tự ñộng cộ ưu ñ iể m jà tồn tại ít vùng lạnh hơn so với trường hợp làm lạnh bằng những vòi xoắn gắn bên trong bình phản ứng. (Hệ số truyền nhiệt giữa một vách ngãn rắn với hơi ngưng tụ cao hơn một vách ngăn rắn với chất lỏng chuyển ñộng tới một bậc). Ngoài ra sản phẩm hơi ngưng tụ bản thân nó phần lớn ãn mòn ít hơn hỗn hợp long.

a)

-L

Í-

b)

TO ÁN

H ình 9.15. Những khả năng mang tính nguyện tác của kỹ thuật tiến hành phản ứng trong pha lỏng ñồng thể: a) bình khuấy; b) bình phản ứng với bơm hồi lửu; c) bình phản ứng lớp mỏng; d) bình phản ứng ống dòng

DI Ễ

N

ĐÀ N

Với những phản ứng phát nhiệt mạnh, sản xuất theo phương thức gián ñoạn rất nguy hiểm Ví dụ trong trường hợp nồng ñộ các chất tham gia phản ứng tăng hay lượng nhiệt truyền kém ñi (dò cặn bám trên lớp vỏ làm lạnh hay do sự giấm áp suất của nước làm lạnh), lượng nhiệt mang tới phản ứng trong một ñơn vị thời gian sẽ lớn hơn lượng nhiệt thắi ñi quà vùng làm lạnh và kết qúả có thể dẫn ñến tai nạn. Những tai nạn như thế ñã luôn xảy ra trong quá trình chuyển hoấ/?-nitroclobenzen cùng với sự có mặt của nước amoniac, quá trình này trong các hệ thống cũ thường diễn ra ở nhiệt ñộ khoảng 200°C:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

— n h 2 + NH 4C1

TP .Q UY

C1 + 2NH3_ ^ ; 0 2n

NH ƠN

183

HƯ

NG

ĐẠ O

Vì thế ñối với những phản ứng trong pha lỏng phát nhiệt mạnh, tốt nhất nên tiến hành hoàn toàn liên tục hay ít nhất cũng bán liên tục. Ví dụ quá trình nitro hoá toluen hay benzen có thể thực hiện bán liên tục. Trong bình khuấy, người ta ñặt dung dịch nước cường toan (hỗn hợp của axit sunfuric và axit nitơric) chạy với tốc ñộ phù hợp với tốc ñộ phản ứng và tốc ñộ truyền nhiệt ñối với những hyñrocacbòn ñã ñược nitro hoá. Ngay cả với những phản ứng bán liên tục như vậy, vẫn có thể có những tai nạn xảy ra nếu những phản ứng ñầu tiên không bắt ñầu vì yếu tố xúc tác hay do máy khuấy không làm viêc. Trong trường hợp này phải gom lại những hỗn hợp dễ gây phản ứng và ngãn chặn không cho phản ứng xảy ra.

TR Ầ

N

ðối với những phản ứng trung hòa nhiệt hoặc ñược coi lă trung hòa nhiệt, người ta hoàn toàn có thể tiến hành gián ñoạn dễ dàng trong những bĩnh khuấy hay bình có bơm hồi lưu.

Í-

HÓ

A

10

00

B

■Ngưcíi ta cũng rất hay dùng nổi hơi hay bình phản ứng với bơm hồi lưu cho những phản ứng liên tục. Trong trứờng hợp phản ứng toầ nhiệt rất nhành và Iĩiặnh (ví dụ quá trình tụ hợp xiclohexanonoxim vởi oleum hay quá trình phân ly cumolhyñropeoxit với axit sunfuric) tốc ñộ ñi vào một bình khuấy lý tưởng sẽ giảm. Tròng, trường hợp này, những phương pháp gián ñoạn hay liên tục trong ống dòng ñều trở nên không thể vì nhiệt của phản ứng sẽ ñi theo tốc ñộ nạp mà giải phóng hết ra ngọài. Chính sự giảm tốc ñộ ảnh hưởng khiến cho quá trình tiến hành phản ứng chỉ có thể diễn ra theo một cách duy nhất.

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Sự ưu tiên tổng hợp của những phản ứng cuối phải ñược chấp nhận trong sự hoạt ñộng của những lò phản ứng hỗn hợp. Chính vì sự ưu tiên nàỵ nên trong quá trình phân ly cumolhỵñropeoxit ñã sản sinh ra những dạng vô cùng phức tạp từ sản phẩm ngưng tụ của axeton (mesityloxit, phoron, isophoron). Người ta cũng tiến hành những phản ứng có tốc ñộ trung bình trong các bình khuấy hay binh có bơm hồi lưu. ðộ giảm tốc ñộ ảnh hưởng thấp ñi nếu người ta thoả mãn với mức ñộ chuyển ñộng thấp. V í dụ trường hợp ankyl hoá isobutan với buten:

N

CH,

DI Ễ

C H -C -H + CH, -C H =C H -C H 3

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

CH, CH, H® —

CH - c - CH-CH 2-C H 3

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

184

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

TP .Q UY

5 0 °c. (Những chất ban ñầu: kaliperoxitñisulíat, chất nhũ tương: parafinsunfat).

NH ƠN

phản ứng diễn ra ở 0"C với sự có mặt của H 2S0 4 hay HF. Ở ñây người ta có thể bao gồm nhũng phần quay trở lại bởi vì sự phân ly của những sản phẩm ñầu ra từ hỗn hợp phản ứng và nhằm giảm chi phí của quá trình phản ứng. Trưòng hợp tương tự như vậy ñối với quá trình polyme hoá nhũ tương vinylclorua, phản ứng ñược tiến hành trong khoảng

ðể ñạt ñược mức ñộ chuyển ñộng cao rigười ta sử dụng ống dòng hay một lớp của bình khuấy vối ñiều kiên phản ứng không ñặc biệt nhanh và là phản ứng ñặc biệt thu nhiệt.

ĐẠ O

Lò phản ứng ổng dòng (hỉnh 9.15)

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

Người ta có thể ñể tốc ñộ thẳng của dòng chảy w > 0,5 m.s~' ñối với sự trộn lẫn các chất lỏng trong lò phản ứng ống dống, những lố phần ứng nhừ vậy (ống dong) chỉ eồ thể áp dụng với những phản ứng có chuyển ñộng rất nhãnh (thời gian phản ứng nhỏ hơn 30 phút tương ñương với chiều dài ống / < 1000 m). Những lò phản ứng ống dòng dài nhu vậy thường ñược cấu tạo từ những ống song song dài từ 5 ñến 20 ra và chúng ñược hối với nhau bằng những ñoạn ống cong. Toàn bộ một bó khoảng 50 ñến 200 ống như vậy ñược ñặt trong lốp vỏ phục vụ cho mục ñích gia nhiệt hay làm mát. Lò phản ứng ống dòng cũng thích hợp cho những phản ứng lỏng hai pha, vì vói tốc ñộ dòng cao sự khuếch tán xoáy sẽ ñảm bảo cho quá trình trộn ñều các chất giữa Gác pha. Ví dụ người ta dùng lò phản ứng ống dòng cho quá trình thuỷ phân etylenoxit:

00

CH2— CH 2 + H20 — — ► HOCH 2 — CH2OH

10

o

.

,

HÓ

A

ở nhiệt ñộ từ 50 ñến 200°c và 25 at (phản ứng ñồng thể) hoặc cho quá trình xà phòng hoá ở môi trường kiềm ñối với clobenzen: • -r

Pha + OH ------ * PhOH + c f

-L

Í-

ở nhiệt ñộ 200 ñến 25CTC và áp suất 50 at (phản ứng hai pha). Hệ mac nối tiếp của các bình phản ứng khuấy

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

Với những phản ứng chậm (thời gian lưu của tác nhân phản ứng cần ihiết tm>30 phút), quá trình sản xuất, lắp ñặt và bảo dựỡng cùa những lò phản ứng ống dòng trở nên quá tốn kém vì chiều dài cậc ống (/ > 1000 m) và vì thế nó trở nên không kinh tế. Trong trường hợp này người ta hay dùng hệ mắc nối tiếp các bình phản ứng khuấy hay bình phản ứng có bơm hồi lứu. Ví dụ quá trình tổng hợp Raschig của hydroxylamonisunfat từ amoninitrit và amonihydrosunfit:

0-N =0 + HSO, -> 0=N-S03"+ OH 0=N-S03"+HS03' -> HN-N(S03)2 HO-N(SO,")2+ h 20 -» h o - n h - s o ; + h s o 4"

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật HO-NH-SCV + H20

NH2OH + HS0 4

xảy ra ở nhiệt ñộ khoảng 100°c. Ở ñây người ta mắc nối tiếp từ 3 ñến 4 bình khuấy hay bình phản ứng có bơm hồi lưu.

TP .Q UY

Lò p hả n ứng ñĩa chuông (hình 9.ì 6)

NH ƠN

185

NG

ĐẠ O

Một giải pháp kỹ thuật rất thú vị theo nguyên lý hệ mắc nốitiếp nhiều bình phản ứng, lò phản ứng ñĩa chuông ñã ñược phát triển. Những lò phản ứng này ñược áp dụng cho quá trình este hoá phtalic anhyñrit với 2 -etylhexanol:

HƯ

o

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

Trong trường hợp này lò phản ứng ñĩa chuông thể hiện như một sự kết hợp giữa cột cất và thiết bị phản ứng. Sự pha trộn của anhyñrit và este không thể xảy ra vì chúng ehỉ có thể xảy ra trong pha lỏng. Người ta tiến hành cất nước va cồn, những thành phẩn này sẽ chạy tụr cột dưới (nhũng bình phản ứng cuối tương ñứơng với một lớp) iên trên (những bình phản ứng ñầu tiên cũng tương ñương với một lớp). Chính vì lý do này, sự kết hợp giữa cột cất và thiết bi phản ứng không loại bỏ hoàn toàn khả nãng pha trộn một phần các thành phần phản ứng; Quá trình túih toán vì thế rất khó khăn (phải ñưa vào tất cả các thông số về ñộng học, cân bằng phản ứng, cân bằng pha). Trên nguyên tắc, người ta vẫn có thể dùng lò phản úng ñĩa chuông nếu phản ứng không bao gồm quá trình chưng cất. Trong trường hợp này ngựời ta phải thiết kế một hệ thống dẫn khí trơ từ dưới ĩển trên ñe trộn ñều hỗn hợp sản phẩm.

Í-

Lò p hả n ứng lớp mỏng

TO ÁN

-L

Lò phản ứng lớp mỏng chỉ dành chq những phản ứng diễn ra râi nhanh, tuy nhiên không thích hợp với những phản ứng phát nhiệt quá mạnh Lò này thường áp dụng cho quá trình sunfo hoá như: ROH + Cl-SO,H

R -O -S O 3H + HC1

ĐÀ N

Lò phản ứng lớp mồng còn ñược áp dụng cho quá trình ñiazo hoá các hợp chất amin thơm cũng như các phản ứng cộng hợp ñiazo: 9.3.2. C ác p h ản ứng khí - lỏng

DI Ễ

N

Các phản ứng khí - lỏng có thể tiến hành liên tục hay gián ñoạn như phản ứng giữa các chất lỏng tinh khiết. Nói chung khi sự lựa chọn các thiết bị, ngoài vấn ñề chất lỏng và khí ra còn có chất xúc tác rắn hay không là ñiều không quan trọng.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

186

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

Vì vậy không chỉ những phản ứng khí lỏng ñồng thể mà cả những phản ứng khí lỏng với xúc tác dị thể (phản ứng ba pha hay phản ứng các pha gần ñiểm tới hạn) cũng ñược ñề cập ñến.

HÓ

Trong quá trình tiến'hành những phản ứng khí - lỏng, những nguyên tắc phát triển của lò thổi và lò nhỏ giọt ñều có những ý nghĩa chung. I

Í-

Lò thổi (hình 9.17a)

Quá trình oxy hoá hyñrocacbon nhờ oxy không khí có thể diễn ra mà không cần tác ở nhiệt ñộ 100 ñến 150°c (thông thường 130 ñến 15Ọ°C) và hyñrocacbon ñược hoá ñến tận những axit hữu cơ thông qua một ỊoạL£â£.phản ứng nối tiếp. Quá trình hoá hyñrocacbon tăng mạnh khi có mặt dung dịch muối ñồng thể của M n và Co hoà Bằng cách ñó, người ta có thể dễ dàng ñiều chế ñược axit benzoic từ toiuen:

ĐÀ N

xúc oxy oxy tan.

TO ÁN

-L

Loại lò này thích hợp chọ cả quá trình gián ñoạn lẫn liên tục. Hình 9.17 minh hoạ hai ví dụ của phản ứng k hí - lỏng gián ñoạn. 4

A tf= - 1 5 0 k c a l

N

Ph-C H , + 1,5 0 2 --------- * Ph-COO H + H20

DI Ễ

hay ñiều chế axit béo từ n-parafin: ầ H = - 400 kcal R ‘-C H 2 -C H 2 - R 2 + 2 ,5 0 2 — -----►R '-C O O H + R 2 -C O O H + H20

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

§

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

187

Chất lỏ n g

±_ Chất iỏng

thải

Khí

NH ƠN

Khí

Khí thải

Chât lóng

ịi.

Khi

n r* Sản p h ẩm

TP .Q UY

ỊJ

phản ứng

Khí

ĐẠ O

Khí thải ^

Sản phẩm phản ứng

Sản phẩm phản ứng

a) lò thổi;

HƯ

NG

Hình 9.17. Một số khả năng mang tính nguyên tác của quá trình tiến hành phản ứng các phản ứng khí- lỏng: b) lò nhỏ giọt;

c) lò phun

Khí thải

TR Ầ

N

Khí thải Nguyên liệu

Q

B

Nguyện liệu

10 A

HÓ

Y

00

Í t

TO ÁN

-L

Í-

H ,0

Không

b) Sản phẩm hyñro hoá

ĐÀ N

a) Sản phẩm oxy

1-------H,

DI Ễ

N

Hình 9.18. Quá trình sản xuất gián ñoạn của những phản ứng khí - lỏng trông lò thổi.

Cả hai phản ứng ñều ñựợc tiến hành phần lớn trong ñiều kiện gián ñoạn, mặc dù cũng tồn tại những phương thức ñể có thể tiến hành liên tục. Nhiệt phản ứng ñược lấy ñi tot nhất theo nguyên tắc tự cung nhiệt nhờ sự bay hơi của hyñrocacbon. Người ta lấy

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

188

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 9. Một sô' khả năng có tính nguyên lắc của kỹ thuật tiến hành phản ứng

a) Oxy hoá hyñrocacbon : 100...150"C

Áp suất

: 1-..10

Xúc tác

: Mn2+ hoặc Co2+

150...200 °c 5...15

at

Cu + Ni

TP .Q UY

Nhiệt ñộ

b) Hyñro hoá dầu ăn

NH ƠN

hyñrocacbon ra ngoài cùng với nước trong hỗn hợp. Hyñrocacbon ñược tách nước sau ñó quay lại bình phản úng.

ĐẠ O

Nếu ñiểm sôi của hyñrocacbon nguyên Liệu cao hơn khoảng 200°c, quá trình trao ñổi nhiệt tự ñộng không diễn ra nên người ta phải lắp thêm hệ thống làm lạnh xoắn bên trong bình phản ứng (ví dụ sự oxy hoá các parafin bậc cao thành axit béo).

TR Ầ

N

HƯ

NG

Một ví dụ rất quan trọng ñối với kỹ thuật tiến hành phản ứng ba pha là quá trình hoá rắn chất béo. Những dầu ăn (dầu thực vật, dầu gan cá voi) ñượe chuyển hoá thành những sản phẩm cao hơn dạng hoà tan hay rắn thông qua quá trình hyñro hoá với sự có mặt xúc tác Ni/Cu. Theo ñó người ta cỏ thể tiến hành chuyển hoá những axit C1Xkhông no thành axit stearic. Những chất béo rắn nhất sẽ ñược dùng cho công nghệ sản xuất magarin. ðiểm ñông ñặc của những hợp chất ñó phải phù hợp với thân nhiệt người, tức là vào khoảng 37°c.

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

Quá trình hyñro hoá ñược tiến hành ở nhiệt ñộ 200°c và áp suất 10 at, dựa trên cơ sở của những ñiểm ñông ñặc. Những chất béo ñó phải bị phân huỷ khi ñiểm ñông ñặc lên ñến 37°c. Ngưòi ta lọc bỏ chất xúc tác và bây giờ sản phẩm ñã sẵn sàng cho quá trình sản xuất magarin. Quá trình hoá rắn chất béo bằng hyñro hoá có ưu ñiểm là những hợp chất tham gia trong quá trĩnh ñó là những hợp chất khống mùi, ñiều này sẽ giúp cho sản phẩm dầu ăn ñó không bị nhiễm những mùi vị lạ. Mặc dù những thiết bị hoá rắri chất béo có công suất lớn hơn ngàn tấn/năm nhưng người ta vẫn không tiến hành phản ứng liên tục vì tính ñồng nhất của sản phẩm ñầu ra không ñảm bảo (ví dụ thành phần sản phẩm dầu củ cải phụ thuộc vào nhiên liệu, vào vị trí trồng củ cải...) và phải tuân thủ những chỉ tiêu irất nghiêm ngặt của chất lượng sản phẩm ñầu ra. Lò thổi ñã ư ở nên rất quen thuộc ñối với những quá trình Hên tục vì nó luôn cho phép một sự khuấy trộn lý tưởng trong chất lỏng.

DI Ễ

N

ĐÀ N

Nếu sản phẩm mong muốn dưới ñiều kiện của phản ứng có thể tiếp tục bị chuyển hoá thì khổng nên cùng duy nhất một lò thổi ñể tiến hành phản ứng liên tục mà tốt hom nên dùng một dãy các lò thổi mắc nối tiếp với nhau.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

189

NG

Ankylat

HƯ

Benzen

HjO

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

Olefin

Hình 9.19. Quá trình sản xuất liên tục của những phản ứng khí lỏng trong ]ò thổi:

DI Ễ

N

a) ankyl hoá benzen với etylen hay propylen nhiệt ñộ : 90-10ơ’C ; áp suất: 1 at: xúc lác: A1C1,-

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

b) hyñrat hoá etylen thành xetanñehit nhiệt ñộ : 95-105 "C ; áp suất: 1 at; xúc tác : HgS04 + H2S04.

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Chương 9. Một số khả năng có tính nguyên tác của kỹ thuật tiến hành phản ứrig

NH ƠN

190

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Khí thài

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

Khí thải

A

10

00

B

'■'.'tí;

b)

HÓ

a)

V' :Ệ

a) công nghệ một bước; b) công nghệ hai bước

TO ÁN

-L

Í-

Hình 9.20. Kỹ thuật tiến hành phản ứng của các quá trình oxy hoá trực tiếp từ etylen thành axetanñehit

*

P h-H + CH 7=CH,

(AỈC1,)

'

Ph-C H 2-C H 3

DI Ễ

N

ĐÀ N

Hình 9.19 minh họa hai ví dụ những phản ứng khí - lỏng diễn ra liên tục trong thổi. V í dụ thứ nhất là quá trình ankyl hoá benzen với etylen hay propylen thài etylbenzen hay cumol trong sự có mặt của AlClv

CH, (AlClj)

P h-H + CH 2=CH -CH ,

Ể :'

■M '■-ẵ 2 H20

AH = -1 1 5 kcal

TP .Q UY

Người ta trộn với oxy (lượng thiếu) và ñưa hỗn hợp trên với tốc ñộ cao ñi qua hộ thống các vòi phun, tại ñó ngọn lửa nhiệt ñộ từ 1800 tới 2000°c ñược hình thành (hình 9.25).

— - Hơi nước

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

Hydrocacboa — "►

ĐẠ O

o,

b)

-L

Í-

a)

Hơi nước +CO+FL,

TO ÁN

Hình 9.25. Những khả năng mang tính nguyên tác của kỹ thuạt tiến hành phản ứng khỉ ñồng thể phát nhỉệt: Quá trình nhiệt tự ñộng:

DI Ễ

N

ĐÀ N

a) ñiều chế axetylen theo phương pháp SACHSSE; b) ñiều chế khí tổng hợp theo phương pháp chế hoá khí dưới áp suất các hyñrocacbon.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

HƯ

Phần III TR Ầ

A

...

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

.

N

KỸ THUẬT VÔ Cơ

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

NH ƠN

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

KỸ THUẬT SẢN XUẤT CÁC LOẠI AXIT 10.1. SẢN XUẤT AXIT SUNFURIC

TP .Q UY

Chương

NG

ĐẠ O

Axit Sjunfuric ñặc có hộn hợp ñẳng phí với nước ở nồng ñộ 98,3% và có nhiêt ñộ sôi ở 336,6°c. Axit ñặc rất háo nước, có tính oxy hóa mạnh, ñặc biệt là khi ñun nóng. Axit ñặc còn có khả năng hòa tan khí SO} tạo ra oleum. Oleum ñược tạo thành trong thực tế thường là các loại chứa 20; 25; 30; 35 và 65 % s o , tư do.

cơ...

f V

•!"

TR Ầ

N

HƯ

Axit sunfuric là hóa chất cơ bản quan trọng trong công nghiệp hóa chất, ứng dụng của axit sunfuric rất rộng rãi như trong sản xuất phận bón, sản xuất các axit khác? sản xuất các muối gốc sunfat, làm chất ñiện ly trong công nghiệp mạ, hoàn nguyên các kim loại, trong G ô n g nghệ sản xuất acquy, làm xúc tác trong công nghệ tổng hợp hữu '■

JCUC

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

10.1.1. Sản xuất axit sunfuric theo phương pháp tiếp

...... -

N

Hình 10.1. Sơ ñồ khối quá trình sấn xuất axit sunfuric.

■sau:

DI Ễ

Công nghệ sản xụất axit sunfuric theo phương pháp tiếp xúc gồm các giai ñoạn - Chuẩn bị nguyên liệu.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 10. Kỹ thuật sản xuất các loại axit

204

NH ƠN

- Sản xuất khí S 0 2 - Tinh chế khí S 0 2 - Oxy hóa có xúc tác S 0 2 thành SO3.

TP .Q UY

- Hấp thụ SO, ñể tạo ra axit sunfuric (hoặc oleum) - Hoàn thành sản phẩm 10.1.1.1.Sản xu ấ t khí S 0 2 và S 0 3

ĐẠ O

a. Sản xuất k h í s o 2

NG

Trong công nghiệp, khí S 0 2 thường ñược sản xuất từ lưu huỳnh nguyên tố. các khoáng sunphua hoặc hiếm khi ñi từ H2S trong khí tự nhiên; thông qua phản ứng ñốt cháy với oxy không khí hoặc khí oxy sạch:

4 FeS2 + 1 1 0 , =

02 =

8 S0 2 + 2Fe20 3

S 0 2 +' H20

( 10-1 ) ( 10 .2 ) (10.3)

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

+

HƯ

s + 0 2 = S0 2

DI Ễ

N

Hình 10.2. Lò tầng tinh có cánh g ạ t:

1. phễu chứa nguyên liệu; 3. trục quay; 5. cửa xuống của quặng; 7. cửa không khí vào; 9. ñế lò;

2. thân lò; 4. cánh gạt; 6. cửa khí ra; 8. cửa lấy xỉ ra; 10. bộ giảm tốc.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

Hình 10.3 . Lò tầng sỏ i: 1. cửa nguyên liệu vào; 2. cửa khí vào; 3. cửa xỉ ra; 4. vùng ñốt; 5. cửa lấy khí s o , ra .

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

TP .Q UY

Pyrit (F e^) là khoáng sunphua ñược sử dụng nhiều nhất trong công nghiệp sản xuất khí S 0 2. Khoáng pyrit có thể ñốt trực tiếp nếu môñun lưu huỳnh cao (khoảng trên 30%); nếu môñun lưu huỳnh thấp, trong khi ñốt người ta thường phải thêm lưu huỳnh nguyên tố mới ñảm bảo hiệu suất ñốt cao. Có hai loại lò thông dụng ñể ñốt pyrit: lò tầng tĩnh có cánh gạt và lò tầng sôi.

NH ƠN

205

HƯ

NG

ĐẠ O

Sơ ñồ lò tầng tĩnh ñốt pyrit ñược mô tả như trên hình 10.2. Quá trình ñốt trong lò tầng tĩnh xảy ra như sau: Nguyên liệu (pyrit) ñược nạp ñầy vào phễu chứa 1. Khi lò ñã cháy, cần gạt Ưong cẳc tầng quay ñều sẽ phân phối dần nguyên liệu từ trẽn phễu chứa xuống tầng 1, từ tầng 1 xuống tầng 2 và cứ như thế xuống ñến tầng cuối cùng theo các cửa xuống của quặng 5 rồi ra ngoài theo cửa 8. Không khí ñược ñưa vào theo eửa 7, sau khi trao ñổi nhiệt với XI ở các tầng dưới (ñang có nhiệt ñộ cao do vừa tham gia phản ứng cháy) sẽ cấp oxy cho quá trình ñốt ở những tầng trên. Khí S 0 2 hình thành ñược lấy ra theo cửa 6 và ñược dẫn qua hệ thống xử lý ñể loại bỏ bụi và các tạp ehất khác. Người ta thường giữ nhiệt ñộ ở vùng phản ứng cháy trớog khoảng từ 600 ñến 700"C.

10

00

B

TR Ầ

N

Như vậy, nguyên liệu ñi từ trên xuống và khi rá ngoài ñã chuyển hoá ñược trên 90%. Nếu bảo ñâm nghiêm khắc các ñiều, kiện chạy lò thì hiệu suất ñốt có thể ñạt tới 96%. Không khí ñi từ dưới lên và ra khỏidò eùng với khỉ sản phẩm (S 0 2). Sau khi làm nhiệm vụ cung cấp oxy cho lò ñốt, không khỉ tiếp tục ñóng vai trò iìhư một khí mang. ðốt pyrit bằng lò tầng tĩnh thường cho hiệu suất thấp hơn nhưng ít bụi hơn so với lò tầng sôi. Lò tầng sôi ñược mô tả như trên hình FÕ'3.

HìnhlOÂ. Sơ ñồ lò ñốt lưu huỳnh: 1. cửa thổi không khí vào; 2. cửa cấp lưu huỳnh; 3. vùng cháy; 4. cửa lấy khí SO-, ra; 5. cửa lấy xỉ ra; 6. bộ phận làm lạnh.

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

s

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 10. Kỹ thuật sản xuất các loại axit:

206

TP .Q UY

NH ƠN

Lò tầng sôi ñược vận hành như sau: Bột pyrit ñược cấp vào lò theo cửa ỉ và không khí ñi vào theo cửa 2 ñể gặp nhaụ tại vùng ñốt. Tại vùng ñốt 4, nhiệt ñược cấp vào bằng dây ñiện trở hoặc bằng ngọn lửa khí hoặc dầu. Xỉ oxit sắt ñược thải ra qua cửa 3 và khí sản phẩm lấy rạ theo cửa 5. Từ cửa 5 khí ñược dẫn qua hệ thống xử lý bụi và tạp chất. Hiệu suất chuyển hoá của lò tầng sôi có thể ñạt tới 99%. Sau khi qua hệ thống xử lý, ta thu ñựợc SOz khô và sạch tạp chất.

ĐẠ O

Sản xuất khí S 0 2 từ lựu huỳnh nguyên tố ñòi hỏi thiết bị ñốt ñơn giản hơn nhiều.! Ở ñây chí cần lượng oxy trong không khí cấp phải tỷ lệ vói lượng luu huỳnh và nhiệt ñộ. trong lò không ñược quá cao ñể tránh sự thăng hoa của lưu huỳnh. Sơ ñồ Ịò ñốt lựu huỳnh ñược thể hiện trên hình 10 A

C aS0 4 + 2C = CaS + 2 C 0 2 + 3CaS0 4 = 4CaO + 4S0 2

HƯ

CaS

NG

M ột phương pháp khác ñược dùng ñể sản xuất S 0 2 là phương pháp khử sunfat trong thạch cao (C aS04) bằng than ỏ nhiệt ñộ cao: (10.4) (10.5)

TR Ầ

N

Phản ứng (10.4) thực hiện ờ nhiệt ñộ khoảng 900"C và phản ứng (10.5) ở khoảng 1200°c. ðây là phương pháp kha ton kém do phải cung cấp một lượng nhiệt lớn, song nếu kết hợp với việc sản xuât ximang thì vấn ñề giầ thành sẽ không còn là trở ngại.

HÓ

b. Sản xu ấ t k h í s o Ị

A

10

00

B

Khí S 0 2 ra khỏi lò ñôt có chứa nhiều bụi và hơi nước (hai thành phần chính ảnh hưởng ñến quá trình sản xuất và chất lượng sản phẩm axit sau này). ðể loại bụi khỏi sản phẩm khí, thường người ta phải xử lý qua nhiều công ñoạn: ( 1) loại bỏ bụi lớn qua hệ thống buồng lắng; (2) hệ thống các xyclon; (3) loại bỏ bụi nhỏ hơn bằng các thiết bị rửa khí và cuối cùng là (4) lọc tĩnh ñiện ñể loại bỏ triệt ñể bụi ra khỏi khí.

-L

Í-

Khí s o , ñược sản xuất từ khí S 0 2 chủ yếu bằng hai phương pháp gắn liền với hai phương pháp sản xuất axit sunfuric là: phương pháp oxy hóa xúc tác (phương pháp tiếp xúc) và phừơng pháp oxy hóa bằng NOz (phương pháp nitrozo).

TO ÁN

Phừơng pháp oxy hóa xúc tác ñược thực hiện theo phản ứng sau: _ZSQ 2 + 0 2

V,0

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

Vùng bão hòa NaCl trong KC1 ■■■■'-.

Hình 12.3. Giản ñồ hệ bạ cấu tự KC1 NaCl H ,ọ .

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 12. Sản xuất một số muối vô cơ quan trọng

244

TP .Q UY

NH ƠN

Xét giản ñồ cân bằng hệ ba cấu tử KC1 - NaCl - H20 trên hình 12.3, nếu nối các ñiểm toạ ñộ chỉ thành phần hai muối trong dung dịch bão hòa ở các nhiệt ñộ khác nhau ta nhận ñược ñoạn thẳng hầu như song song với trục KCl. ðiều ñó chứng tỏ rằng ñộ tan của NaCl rất ít thay ñổi theo nhiệt ñộ; ngược lại ñộ tan của KC1 lại phụ thuộc mạnh vào nhiệt ñộ dung dịch.

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Như vậy, ñể tách KC1 ra khỏi NaCI ta có thể sử dụng hiệu quả yếu tố nhiệt ñộ trong chu trình hòa tan và kết tinh lại.

Hình 12.4. Sơ ñồ lưu trình sản xuất muối KCI từ sylvinit.

N

ĐÀ N

Trong công nghiệp, nguời ta tiến hành sản xuất K G từ sylvinit như sau: Muối sau khi khai thác về ñược nghiền nhỏ và ñưa vào sản xuất ngay. Trước tiên người ta chuẩn bị dung dịch có các thông số như tại ñiểm Pị trên giản ñổ ở hình 12.3. Sau ñó dung dịeh ñược ñun nóng tdi nhiệt ñộ 115°G và thêm từ từ lượng sylvinit vào; khi ñó

DI Ễ

nhiệt ñộ sẽ bị hạ xuống chĩ còn khoảng 90°c. KC1 sẽ tiệp tục tan nhưng lượng NaCl vượt quá bão hoà sẽ kết tinh và tách ra dưới dạng những hạt chất rắn. Tất nhiên trong sản

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

TP .Q UY

xuất, những lượng sylvinit thêm vào ñã ñược tính toán trưốc sao cho dung dịch trước khi lọc cố thành phần giống như toạ ñộ ở ñiểm Pj. Dung dịch sau ñó dược lọc loại bỏ cặn bẩn, cùng muối NaCl kết tinh và ñược làm lạnh (từ 90°c ở P3 xuống 30°c tại Pị). KC1 kết tinh và ñược ỉọc tách ra khỏi dung dịch. Nước cái khi ñó lại có thành phần như tại ñiểm Pị và tiếp tục ñược quay vòng sản xuất như chu trình trên. KC1 sản xuất theo cách này ñạt ñược ñộ tinh khiết khá cao. Sơ ñồ công nghệ ñược mô tả trên hình ỉ 2.4.

NH ƠN

245

ĐẠ O

Kali clorua ñược dùng nhiều trong nông nghiệp và nuôi trồng thủy hải sản. Trong công nghiệp, KC1 chù yếu ñể sản xuất ra những hóa chất cơ bản, hóa phẩm có chứa kali. Mặc dầu khối lượng của kali xấp xỉ khối lượng natri trên vỏ trái ñất, song dạng muối tan của kali tồn tại hiếm hơn nhiều so vói natri. BaS04 bôt thô

—► Phân cấp hat

Phu gia dung dịch khoan

NG

Nghién, tuyển

HƯ

Baryt —»

N

Than, nhiệt

+o 2 HC1

B

c o 2,c o ;

ZnCl,

»

4

Ỷ

■

-'-''í?'* ZnS04

HÓ

A

HNO,

BaCl,

10

P m ■ •: ■ ■'V ••

00

HCl

Na2S04

TR Ầ

BaS h 2o

Ba(NO,)

BaO

SO /

-L

Í-

o,

HjO

HA

TO ÁN

BaQ2

- Lithopen ZnS + BaSO,

H,S04

ĐÀ N

Axit

— --------Í-*. -

Các hợp chất chứabari

BaS04 Blanc fixe

DI Ễ

N

-*> Ba(OH)2 ■ -.............

Hình 12.5. Sơ ñồ tổng thể chế biến baryt

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chtíơng 12, Sản xuất một số muối vô cớ qiian trọng

246

!Ĩ

NH ƠN

12.1.3. Khai thác và sản xuất bari sunfat

Bari sunfat trong tự nhiên tồn tại dưới dạng khoáng baryt. Baryt là một trong những nguyện liệu ñầu quan trọng trọng sản xuất bari sunfat yà các hóa phẩm khác của .... ,

.

,':,ị

q

TP .Q UY

bari.

Với mục ñích sử dụng làm dung ñịch khoan trong ngành dầu khí, bari simfat khai thác từ các mỏ báryt chỉ cần nghiền, tuyển là dùng ñược; không cần qua các công ñoạn xử lý có sự chuyển ìhóa về hóa học. Khi ñ ã phải qua sự chuyển hổa thì thường chất

ĐẠ O

lượng củà sảii phẩm ñòi hỏi eao hơn, ñồrig thời giá thành cũng sẽ tăng cao hơn nhiều .1Sơ ñồ tổng thể chế biến baryt có thể tham khảo trẽn hình 12.5.

;

; :ỉ'^

^

yaạb “Ị

NG

12.2. TỔNG HỢP MỘT s ổ MUỐI VÔ c ơ THÔNG DỤNG

Trong thực tế chỉ một số rất ít các muối kim loại có thể khai thác và tinh chế từ

HƯ

nguồn khoáng tự nhiên, phần ña số còn lại ñều phải qua con ñường ñiều chế nhân tạo

N

thông qua các quá trình biến ñổi hóa học. ðể tổng hợp ñược một muối nói chung chúng

TR Ầ

ta có thể sử dụng các phản ứng hóa học tương ứng. Từ bản chất của phản ứng ñược sử dụng và quá trình tiên hành phản ứng, có thể chia việc tổng hợp các muối ra làm cẩc! nhóm phương pháp khác nhau thí dụ nhừ:

phương pháp oxy hóạ khử,

phương

phương pháp ñiện hóa học ... Các hợp

00

B

pháp trung hòa,

phương pháp trao ñổi tương hỗ,

10

chất loại này rất nhiều và rất ña dạng, trong khuồn khổ của giáo trình này chúng ta chị nghiên cứu một số hợp chất ñặc trưng và thông dụng trong công, nông nghiệp và trongj

HÓ

A

ñời sống hàng ngày.

.................... . ;

— y. N ỉụ ic o ,

: -

Ị

TO ÁN

-L

Í-

NaHCO,

.

L [

" ; ■’í '

DI Ễ

N

ĐÀ N

Hình 12 .6. Cân bàng trọng hệ H20 , Na.CI, ^' NaHCC>3, NíI 4C1 và NH4HCO3 ờ các nhiệt ñộ khác nhau VÓI các ñường liên hợp quan ■ trọng tr ong ñiều chế natri hyñrocacbonat.

NaCl

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

NH4CỊ

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

Hóa kỹ thuật < -Vi-

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

;í-:yy u

247

NH ƠN

12.2.1.Phương pháp chuyển hóa tương hỗ sản xuất soñá

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

Có nhiều phương pháp sản xuất soña (Na 2C 0 3) Ỉróng cong nghiệp như phương pháp Leblanc, phương pháp Solvay, phương pháp cryolit, phương pháp trung hòa trực tiếp... nhưng phương pháp Solvay hay cồn gội là phường pháp amoniac, phương pháp amoniac - soña là phương pháp sản xuất ưu việt và chiếm .tỷ trọng lớn nhất hiện nay.

N

Hình 12.7. Sơ ñồ sản xuất soña theo phương pháp Solvay.

DI Ễ

ðể mô tả cân bằng trong hệ ta có biểu ñồ trên hình 12.6. Phương pháp Solvay ñược ñặc trưng bằng, các phản ứng chuyển hóa sau:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 12. sản xuất một số muối vô C0 quan trọng 2NH3 + 2 C 0 2 + 2H20

= 2NH4HCO3

(12.1)

NH ƠN

248

2NaCl + 2NH4HCOj = 2NaHC0, + 2NH4CÌ

(12.2)

2NaHC0,

-

Na2C 03 + H20

(12.3)

CaCO,

=

CaO + C 0 2

+ C 02

2NH4a

+ CaO = 2NH, + CaCl2 + HzO

2NaCl

+ CaCƠ, = Na2C 03 + CaCÌ2

TP .Q UY

(12.4)

(12.5)

(12.6)

NG

ĐẠ O

ðiều quan trọng nhất ỏ ñây mà Solvay ñã phát hiện ra và ứng dụng cho việc sản xuất soña là sản phẩm NaHCO, của phản ứng (12.2). NaHCO, có ñộ tan thấp hơn và ñược tách ra liên tục trong suốt quá trình chuyển hóa. Qúá ịrình này xảy ra trong côrig ñoạn cacbonat hóa dung dịch NaQ bão hòa amonỉac.

HƯ

Sơ ñồ công nghệ sản xuất soña theo phương pháp Sọlvay có thể tham khảo trên .hình 12.7. Quá trình sản xuất có thể tóm tắt quạ các công ñoạn sau:

TR Ầ

N

ðiều chế dung -dịch NaCl trong amoniac. Dung dịch muối N a ơ kỹ thuật bão hòa có. nồng ñộ khoảng 310 g/ỉ ñược thêm sữa vôi và soña vào ñể kết tủa hoàn toàn ion kim loaỊ kiềm thổ. Lọc lấy dung dịch ưong suốt và ñem bão hoà NH, bằng hợi amoniac. - Cacbonat hóa dung dịch NaCl - amoniac bằng C 02 ñể tạo kết tủá NaHCO,.

00

B

- Tách NaHGO, và nung phân hủy thu Na 2CO;, và C 0 2.

10

- Tái sing tận^dụng amoníac từ các sấĩi phẩm cuối.

A

■' - Nung vôi ñể lấy CaO và C 0 2 curig cấp cho sản xuất.

HÓ

Bảng 12.4. ðộ tan theo nhiệt ñộ của các maốĩ có liên lịuan

-L

30

40

50

60

70

80

90

100

37^

41,4

45,8

50,4

55,2

60,2

65,6

71,3

77,3

16,1

21,4

28,4

36,5

A6H

78,6"

109

170

355

8,1

9,6

11,1

12,7

14,5

16,4

-

-

12^

21,5

38,8

48,5

-

46,4

46,2

45,8

NH4HGO3

45,7

45,5

ĐÀ N

TO ÁN

NH4C1

Na2COj

ðộ tan (g/100g nưóe) theo nhiệt ñộ, °G

20

10 33,3

NaHCO,

Í-

Muối

DI Ễ

N

Dung dịch muối gần bão hòa (nồng ñộ khoảng 310 g//) sau khi loại bỏ các iọn kim loại kiềm thổ và các tạp chẩt cơ học, bùn lơ ỉủng sẽ ñược dẫn vào tháp hấp thụ kiểu ñĩa quay ñể bãọ hòa amoniac. Amoniac lấy từ nguồn tái sinh và ñược bổ sung từ ngoài ñược dẫn vào tháp theo hướng từ dưới ñi lên và dung dịch muối ñược phun từ trên xuống. Dung dịch muối bão hòa amoiiiac ñi ra từ ñáy tháp hấp thụ amoniác ñược bơm

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

TP .Q UY

lên tháp cacbonat hóa. Tháp này vận hành giống như tháp hấp thụ amoniac. Khỉ C 0 2 ñùng ñể cacbonat hóa ñược lấy từ lò nung vôi hoặc bộ phận sản xuất khí than. Tại ñây natri hyñrocacbonat ñược hình thành (theo phương trình 12.1 và 12 .2 ) , sau khi làm nguội dung dịch, nó ñược lọc tách ra và ñem nung phân hủy ñể thu Na 2CO, và C 0 2 (theo

NH ƠN

249

phương trình 12.3). Như vậy là chỉ một nửa khối lượng C 0 2 trong bán thành phẩm NaHCO, ñi vào sản phẩm, còn một nửa ñược quay vòng trở lại.

ĐẠ O

Phần nước cái sau khi lọc lấy NaHCOj sẽ còn chứá một lượng lớn NH 4G , lượng ñáng kể NH4 HCO3 và một lượng nhỏ NaHCOv ðể tái sinh amoniac, trước tiên người ta sục thêm amoniac và hơi nước vào nước cái ñể chuyển toàn bộ muối amoni hyñrocacbonat thành muối cacbonat,muội này sẽ tự phân hủy tạo ra amoniac ở nhiệt ñộ tren58wC: ........... ..........

NG

NH 4HCO, + NHV = (NH 4)2COr

N

!

( 12 .8 )

Lượng amoniac có trong amoni clorua chiếm khoảng 70% tổng lượng amoniac ñược tái sinh bằng cách cho trao ñổi với canxi byñroxit và ñẩy ra khỏi dung dịch bằng hơi nước rồi ñược dẫn trở lại dây chuyền sản xuất:

TR Ầ

!

HƯ

(NH 4) 2CO, = C0 2 + H A + NH,

(12.7)

5

2NH4a + Ca(OH)2 ■- 2NH, + C aa2 + 2H20

(12.9)

I ì

Bên cạnh phựợng pháp Solvay, như ñã nhắc tói ở trên, còn haiphương pháp quan trọng nữa là phương pháp Leblanc và phương pháp cryoỉit.

I

Phương pháp Leblanc sản xuất soña lừ Nà2S 0 4, một sản phẩm từ phản úng trao ñổi giữa N aQ và axit sunfuric bên canh sản phẩm quan trọng ỉà HC1:

00

10

A

HÓ

-L

I

Í-

I

B

I

Từ nguyên liệu ñầu ỉà NaCl, sọña ñược sản xuất ra và chất thải cuối cùng là CaCl2 cũng cố giá tộ hàng hốa ñôi khi còn hơn cả NaCl. ðây là một công nghệ sản xuất khép kín khá lý tưỏng ñược E. Solvay (người Bỉ) xây dựng từ năm 1863 và cho tới nay vẫn tỏ ra ưu việt. ' ■

TO ÁN

2N aQ + H 2S 04. = Na 2S0 4 + 2H Q

( 12. 10)

ĩ)ể tạo ra sodta, người ta ñem nung Na 2S0 4 với than và canxi cacbonat: (12.11)

Na2S + CaCOv = Na 2CO, + CaS

(12.12)

ĐÀ N

Na 2S 0 4 + 2C = Na2S + 2C 0 2

DI Ễ

N

Sản phẩm nóng chảy sau khi nguội ñược hòa tan trong nước ñể tách soña (tan) khỏi sản phẩm phụ khòng có giá trị là GaS (không tan). Phương pháp này ñược Leblanc xây dựág từ năm 1791; sau ñó ñược Viện Hàn lâm khoa học Pháp ghi chép lại, còn nhà phát minh thì ñã chết năm 1806 trong nghèo ñói.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 12. Sản xuất một số muối vô cơ quan trọng

250

NH ƠN

: Phương pháp cryplit ít ñược ứng dụng hom (ñược triển khai tại một vài nơi ở Mỹ). Phương pháp này ñi từ cryolit và dựa ưên phản ứng phân hủy cryolit ò nhiệt ñộ cao cùng với canxi cacbonat: . ỉi Na 3AlF 6 + 3C aC0 3 = Na.AlO, + 3CaF 2 + 3 C 0 2

(12.13)

;;

2Na 3A10 3 + 3H20

TP .Q UY

Natri aluminat sau khi hình thành ñược hòa tan trong nước và sục C 0 2 sẽ chỏ dung dịch soña và nhôm hyñroxit kềt tủa: (12.14)

+ 3C 0 2 = 3Na2CO, + 2Al(OH )3

NG

ĐẠ O

Ưu ñiểm của phương pháp này ià sản phẩm soña rat sạch. Tất nhiên nếu chỉ sản xuất riêng soña thì hoàn toàn không kinh te; song nếu soña ñược coi như là sản phẩm phụ trong quy trình sản xuất nguyên liệu nhôm oxit cho công nghiệp luyện nhôm ñị tự cryolit thì ñây cũng là một phương pháp tượng ñối kinh tế.

TR Ầ

N

HƯ

Soña là một trong những sản phẩm quan trọng trong công nghiệp hóa chất. Khối lượng lớn nhất ñược sử dụng cho công nghiệp thủy tirih và cổng nghiệp chất tẩy rửa, tiếp theo là công nghiệp giấy và bột. Một íượng nhỏ sôña ñược dùng trong công nghệ làm mềm nước công nghiệp và troiig lĩnh vực dân dụng. 12.2.2. Phương p h áp chuyển hóa tương hỗ sản x u ất kali n itrat

ðộ tan (g/100g nước) theo nhiệt ñộ, °c

0

10

20

30

40

50

60

73

80

88

96

104

114'

124

NaCl

35,7

36,0

36,3

36.6

37,0

' 37,3

KNO3

13,3

20,9

31,6

45,8

63,9

85,5

KC1

27,6

31,0

34,0

37,0

40,0

42,6

N

NaNO,

DI Ễ

Bảng 12.5. ðộ tan theo nhiệt ñộ của các muối liên quan

w:K JT 00

ĐÀ N

Muối

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

Từ xa xưa, kali nitrat ñược coi là sản phẩm quan trọng dùng trong quốc phòng (ñể sản xuất thuốc nổ) nên nó là một trong những hóà chất ñérợc con người biết ñến sớrn nhất. Trướctiên người Trung H oañ ãtách ñượcK N O } từ phân dơi ñể làm thuốc nổ; ngày nay ñã có nhiều phương pháp công nghiệp ñể sản xuất K N 0 3 với khối lượng lớn và có ñộ tinh khiết cao. Ta có thể kể ra những phương phập chính như phương pháp trao ñổi giữa KC1 và NaNO, (các sản phẩm khai thác từ mỏ), phương pháp phân hủy kali cacbonat hoặc trung hòa kali hyñroxit. bằng axit nitrịc hay khí nitro. Trên thế giới phương pháp ñược coi là kinh tế nhất và ñược ứng dụng rộng rãi nhất là phương pháp trao ñổi. Các phương pháp còn lại thường ñi ñôi với việc tận dụng axit nitric loãng hoặc xử lý khí nitro dư.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

70

80

90

100 r

148

-

180

37,8

38,4

39.0

39,8;

110

• 138

169

202

246-

45,5

48,1

51,1

54,0

56,V

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

251

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

Công nghệ sản xuất K N 0 3 bằng phướng pháp traỏ ñổi cũng ñựá trên nguyên lý về ñộ tan khác nhau giữạ các chất ñầu và sản phẩm sau phản ứng. Ta có thể xem xét sự thay ñổi về ñộ tan theo nhiệt ñộ ở bảng 12.5 và giản ñồ cân bằng hệ N aN 0 3 - KC1 KNO, - NaCl - H20 trên hình 12.8.

10

Hình 12.8. Giản ñồ cân bằng Ịíệ NaCI, KCI, NaNOj, NaCI và nước ở nhiệt ñộ khầc nhau.

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

Từ giản ñồ cân bằng ta thấy nếu xuất phát từ hỗn hợp bằng nhau củà NaNO, và KC1 trong nước; ở 10CTC NaCl rắn sẽ tách ra và chúng cho ta (dung (dịch B. Lọc tách NaCl ra khỏi dung dịch và hạ nhiệt ñộ từ từ ñể kết tinh KNQ 3 cho tới khi xuất hiện dung dịch c Người ta dùng dung dịch c ñể ñiều chế dung dich Ạ rồị Ịạí tiếp tục vòng tuần hoàn tách NaCl và KNO, như trên. Như thế lượng kết tủa NaCl rất ít chỉ tương ứng với ñoạn A-B cho nên không có lợi cho việc sản xuất Vì vậy trong thực tế, người ta xuất phát từ phức hợp E. Ở nhiệt ñộ 100°c, phức hợp E ẹậ tách ra NạCl cho tới khi có ñược dùng dịch P2. Người ta tiến hành lọc bỏ NaCl sau ñó làm nguội dung dịch xuống tới 5°c, KNOạ tách ra và ñược thu lại. Nước cái tiếp tục ñược bổ sung các thành phần và tiếp tục vòng tuần hoàn sản xuất KNO,

N

12.2.3. Phương pháp chuyển hóa tương hỗ sản xuất amoni sunfat-

DI Ễ

ðây là phương pháp sản xuất dựa trên phản ứng trao ñổi giữa amoni cacbonat với canxi sunfat. Sản phẩm của phản ứng là carixi cacbonat (hầu nhừ không tan) và amoni sunfạt.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 12. sản xuất một số muối vô cơ quan trọng

252

(12.15)

CaS04 + (NH4)2C 03 = CaCO, + (NH4)2S04

(12.16)

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

2NH4OH + C 02 = (NH4)2CO, + H2ơ

Hình 12.9. Sơ ñố công nghệ sần xuất amoni sunfat.

ĐÀ N

Trước ñây amòni sunfat dược dùng khá phổ biến làm phân bón cho cây trồng, song vì nó cố phản ứng axit, làm chua hóa ñất trồng, ñặc biệt ñối với các vùng nước ít

DI Ễ

N

lưu thông cho nên hiện nay chỉ ñược sử dụng một cách hạn chế. Mặt khác hàm lượng ñạm trong amoni sunfat không cao (khoảng 21% theo N) nên nó dần bị thay thế bẵng các loại phân ñạm khác cố nhiều ưu ñiệm hơn như amoni nitrat, ure hay phân bón tổng hạp NPK. Quá trình sản xuất amoni sunfat ñược mô tả trên hình 12.9.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

253

NH ƠN

Hóa kỹ thuật

NH,

KC1

Hòa tan KC1 trong axĩtmtric

Oxy hóa NH, tạo nitơñióxit

-------- 1 Trao ñổi . nhiệt

Kết tinh KNO, ở nhiệt ñộ 3Ơ’C

..

Chuyển hóa với ... HNO, tạo N20 4 1f

..'.7-1í v .

Hóa lòng N20 4

Qin — -O ỈUl ptuxlll KNO,

V

B

TR Ầ

Chuyển hốa NịO*' -r+' với HCTlhu HNO, vàNOQ

N

♦

. .. ■■T'11_ • —1

HƯ

NG

Lọc, rửa, làm khô săn phẩm KNOj

ĐẠ O

---

4

4-------------

TP .Q UY

[

Gia nhiệt vàoxy hóa hỗn hợp bằng oxy không khí

00

Oxy không khí

HÓ

A

10

nhiệt

Clj sản phẩm

TO ÁN

-L

Í-

Chưng cất thu Cl2

ĐÀ N

Hình 12.10. Sơ ñồ công nghệ sản xuất KNOj từ KC1 và HNO,.

12.2.4. Tổng hợp KNOjtừ KC1 và H N 0 3

DI Ễ

N

Ngoài phương pháp trao ñổi sản xuất KNO„ ưong thực tế còn một phương pháp nữa sản xuất KNOj cùng vồi Cl2 từ KC1 và HNOj với quy trình khép kín rất ñược chú ý. Cơ sỏ của phương pháp ỉà các phương trình phản ứng sau: 2KC1 + 2HNỒ3 = 2KNO, + 2HC1

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

(12.17)

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 12. sản xuất một số muối vô cợ quan trọng 2HC1 + 2N 20 4 = 2N0C1 2N0C1 +

02

+ 2H N 0/

(12.18)

= N 20 4 + Cl2

(12.19)

2KC1 + N 20 4 + 0 2 = 2KNỒ, + Cl2

NH ƠN

254

(12.20)

TP .Q UY

Sơ ñồ công ngtiệ của phương pháp này có thể xem trên hình 12.10. 12.2.5. Phương pháp trung hòa sản xuất amoni nitrat

NH 3 + H N 0 3 = NH 4N 0 3 + 148 kcal

ĐẠ O

Nguyên lý của phương pháp dựá trẽn phân ứng trung hòa axit nitric bằng amoniac: ị '• ; 1 ,

I (12.21)

NG

Nhiệt dơ phản ứng sinh ra sẽ ñược tận dụng ñổ CÔ ñặcdung dịch amoni nitrat và làm nóng chảy sản phẩm. Thông thường trong sản xuất, ngưòi ta, tiến hành tổng hợp amoni nitrat dưới áp súất 0,25 ñến 0,35 MPa. Sơ ñồ công nghệ sản xuất ñược mô tả trên

HƯ

hình 12.11.

TR Ầ

N

12.2.6. Sản xuất ure (NH2CONH2)

1

00

B

Ure hiện nay ñược coi là một trong những, loại phân ñạm có hàm lượng nitơ cao nhất (46 %) và ñược dùng rộng rãi trong sản xuất nông nghiệp. Mặt khác ure còn là một trong những hóa chất ñầu quan trọng trọng sản xuất fomandehyt, melamin ñể sản xuất chất dẻo, nhựa và nhiều dẫn xuất khác. Chính vì lý do ñó mà ure ñược sản xuất khá

10

nhiều trên thế giới.

A

Sản xuất ure ñi từ nguyên liệu ñầu là NH 3 và C 0 2, qua hai công ñoạn chính sau:

HÓ

1. Tổng hợp amoni cacbámat: NH 2C 0 0 N H 4 + 159,1 kJ

(12.22)

Í-

2NH, + C 0 2 =

-L

2. ðehyñrat hóa tạo thành cacbamit Cure): NH 2COONH 4

=

NH 2CONĩI 2 + H20

- 258 kJ

(12.23)

ĐÀ N

TO ÁN

Xét quá trình thứ nhất ta thấy ñây là phản ứng xảy ra giữa các pha khí và ỉà phản ứng toả nhiệt mạnh. Vì vậy quá trình tạo thành cacbamat xảy ra song song với quá trình giảm áp suất và tăng nhiệt ñộ trorig vùng phảri ứng. Như thế có nghĩa là áp suất trong vùng phản ứng tăng và giảm nhiệt ñộ sẽ có lợi cho việc tăng hiệu suất của quá trình (h ìn h 1 2 .1 2 ). r, . v ? V ' s ì ĩ

DI Ễ

N

■, Công ñoạn thứ hai là quạ trình ñehyñrat hóa cacbamat, ñây là .quá trình cần phải cấp nhiệt. Trên biểu ñồ-hình 12.13 là các ñường cong thể hiện sự phụ thuộc của hiêụ suất ñehyñrat hóa cacbamat vào thời gian ñehyñrat ở cáp nhiệt ñộ khác nhạụ. Ớ Ịìhiêt,(|ô 14Ọ°C ta thấy hiệu suất ñehyñrtat tăng dần theo thời gian yà không có sự phân hủy sản

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

255

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

NH ƠN

phẩm. Nhưng muốn ñạt tới hiệu suất tối ña phải mất khoảng thời gian rất dài, ñiều này không phù hợp với ñiều kiện sản xuất. Ở nhiệt ñộ Ị60"C thì hiệu suất ñehyñrat hóa ñạt cực ñại sau hơn hai giờ và ỏ nhiệt ñộ ISO ñển 20ồ°c hiệu suất ñạt cao nhất chỉ sau 0,5 ñến 1 giờ. Nhưng ñiều cần lưu ý ở ñây là trong môi trường nhiệt ñộ càng cao (trên 180°C) thì quá trình phân hủy sản phẩm cacbamit diễn ra càng mạnh, ñiều này sẽ dẫn ñến giảm hiệu quả sản xuất.

DI Ễ

N

ĐÀ N

có lợi, vì ñến một lúc nào ñó khi hàĩĩLlượng nước lăng cao, phản ứng có thể bị chuyển hóa theo hướng ngược lại. Chính vì vậy mà người ta liên tục phải tách nước bằng cách chưng cất. Hơi nước ñược ngưng tụ lại và ñược sử dụng vào việc hấp thụ hơi amoniac thừa và amoniac phân hủy từ sản phẩm amoni cacbonat tận dụng. Phần lớn lượng amonĩác dư, amoriiac vấ C 0 2 phân hủy ñửợc ñẫn trở iại tháp tổng hợp ñầu tiên.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

256

NH ƠN

Chương 12. sản xuất một số muối vô cơ quan trọng

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

Hiệu suất tạo cacbamat, [%]

TR Ầ

N

Hình 12.12. Sự phụ thuộc của hiệu suất vào áp suất buồng phản ứng.

• —

/,giờ

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

Hiệu suất chuyển hóa. %

Hình 12.13. Sự phụ thuộc của hiệu suất chuyển hóa vào thời gian ở các nhiệt ñộ khác nhaụ.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Thực tế cho thấy, hiộu suất của phản ứng tạo thành amoni cacbamat phụ thuộc

TP .Q UY

rất nhiều vào lượng amoniac dư. Ngược lại nồng ñộ cacbonñioxit hầu như không ảnh hưỏng ñến hiệu suất chuyển hóa. Như biểu ñồ trên hình 12.14 cho thấy, tỷ lệ mol giữa NHịi và C 0 2 càng tăng thi hiệu suất chuyển hóa càng tăng. Nhưng trong sản xuất chỉ có

NH ƠN

257

Hóa kỹ thuật

thể chấp nhận tội một tỷ lệ nhất ñịnh, vì còn phải cân ñối với hiệu quả sản xuất. Thông thưòng tỷ lệ ñược sử dụng là N H ,: C 0 2 : H20 bằng 4,5 : 1,0 : 0,5 và hiệu suất chuyển hóa ñược chấp nhận là 62%.

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

Quá trình sản xuất ure ñược mô tả trèn sơ ñồ ở hình 12.15. Theo quy trình này thì amoniac và c ọ 2 ñược nén và trộn ñều,sau ñó ñược ñưa vào tháp tổng hợp. Tại ñây áp suất ñược duy trì ở 20 MPa và nhiệt ñộ là 185°c. Sau thời gian phản úng từ 40 ñến 45 phút, hiệu suất chuyển hóa ñã ñạt ñược khoảng 62 %, hỗn hợp nóng chảy có thành phần j30_j 31% ure, 21 Ỷ 22% ạmoni cacbamat, 33 -fc 34% amoniac dư 1 6 - 1 r% nước ñược tháo ra và hạ áp suất xuống khoảng 1,8 ñến 2,0 MPa vã ñứợe ñem ñi chưng tách nước lần mệt, Pha khí từ tháp chung thứ nhất chứa :75 ñến 76% ạmoniae, 21 ñến 22% C 0 2 và khoảng 3% nước ñược dẫn vào buồng rửa khí. Tại ñây một phần amoniac và C 0 2 tác ñụng với nhaù và ñược giữ ỉại trong pha nước. Pha khí ñi ra từ buong rửa khí ià amoniac gần như nguyên chất ñược ñẫn trồ lại bồn chứa NH 3 nguyên liệu. Pha nước ñược dẫn về buồng trộn khí ban ñầu.

10

t 80

HÓ

I

70

o *

>> 'Ĩ3

60

Cl + 2 0 H

NG

Trên catot:

CIO," + 3H20 + 6e -> c f + 60H" 2H20 -» 0 2 + 4H+ + 4e.

•

(12.43) (12.44)

HƯ

Trên anot:

(12.42)

TR Ầ

N

Khi anot ñược làm bằng plátin, magnhetit và chì ñioxit, có thể CÒÍ1 xảy ra sự oxy hóã tiếp theo ion clorat thành ion peclorat: CIO," + H20 -> C104" + 4H+ + 4e

( n ' 45 )

00

B

Trong khối dung dịch ñiện phân cũng có thể xảy ra quá trình phân hủy hypoclorit tạo ra oxy: (12.46)

10

2HC10 -» 2HC1 + 0 2

HÓ

A

Nhữrig phản ứng này luổư ñược các nhà cỗng nghệ tìm cách hạn chế. ðể tránh sự khử sản phẩm ñiện phân trên catot người ta cho thêm vào dung dịch ñiện ly từ 5 ñến 6 g //N a 2Cr20 7. °

II III

ĐÀ N

IV

Mật ñộ ñòhg ...... kÂ/m2

Hiệu suất dòng, %

Tiêu hao H20 làm lạnh

20

4,2

1,0

83 -85

7,0 m3/h

25

4,2

1,0

83 -8 5

8,5 m7h

25

3,9

0,69

8,5 m3/h

37

4,2

1,02

8 2 -8 4

12,5 nr7h

Dòng ñiên, kA ’

TO ÁN

I

ðiên áp, V

*/■> OO ch 00

Kiểu ; ñiện phân

-L

Í-

Bảng 12.6. Một số thông số ñặc trưng của 4 kiểu ñiện phân sản xuất natri clorat trong công nghiệp

:

-

N

Catot sử dụng ờ ñây thường là sắt CT3 và ạnọt là graphit hoặc titan phủ lớp chì

DI Ễ

ñịoxit hoặc hỗn hợp oxit titan và ruteni hoạt hoá. Theo thời gian ñiện phân, nồng ñộ ion clorat ngày càng tăng và ngược iại thì ion clorua ngày càng giảm. ðiều này sẽ làm giảm hiệu suất dòng tính theo sản phẩm clorat.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật — — —

267

■'»!.!

; ' ■ ' I '■

—

'

—

— .

■

- - --

NH ƠN

ðể khắc phục nhựợc ñiểm vừa nêụ, người ta tiến hành ñiện phân nhiều bậc liên tục, thường từ 4 ñến 6 bậc. ðặc trựng của một số kiểu ñiện phân oxy hóa sử dụng anot ,; graphit thể hiện ở bảng 12 .6 .

TP .Q UY

Thành phần dung dịch ñiện ly cho quá trình ñiện phân ọxy hóa NaClthành NaClOj thường ñược chia ra làm hai loại chính: (1) cho quy trình sản xuất có kèm theo công ñoạn cồ ñặc và ( 2 ) cho quy trình không có công ñoạn cô ñặc. Thành phần dung dịch ñiện ly “có cô ñặc” tính theó g//. Trước ñiện phân

Sau ñiện phân

6 -7

NaCl

280

10 0-12 0

4 0 -8 0

3 50 -3 7 5

Na 2Cr20 7 Clo hoạt tính

3 -6

3 -6

-

3 -4

HƯ

NaC10 3

NG

pH

ĐẠ O

Thành phần

TR Ầ

N

Hiệu suất dòng tính theo clorat ỉà 80 ñến 85%. Dung dịch sau khi cô ñặc chưa tới 900 - 950 gíỉ NaClOj và 80 - 90 g// NaCl Thành phần dung dịch ñiện ly cho quy trình không cô ñặc tính theo g//: Trước ñiện phân

B

Thành phần

pH

. .....

;

NaCl NaC10 3

"-',

00

r

V

1 0 0 -1 2 0 5 0 0 -5 5 0

3 -6

.3,-6

HÓ

A

Na 2Cr20 7

2 ;r

; , 200 340

10

V

Sau ñiện phân

-

3-4

Í-

Q o hoạt tính

TO ÁN

-L

Hiệu suất dòng ñối vói clorat ñạt 80 ñến 83%. Nồng ñộ NaCl và nồng ñộ NaClO, trong dây chuyẻn ñiện phân oxy hóa nhiều bậc thay ñổi ở các bậc (6 bậc) như trên bảng 12.7. ' Bảng 12.7. Nồng ñộ clorua và clorat trong 6 bậc liên tục (g/ỉ)

NaCl

Thứ ba

Thứ tư ;

180

165

150

135

120

362

395

429

462

499

Thứ sáu

Thứ năm ■"

105 530

DI Ễ

N

NaClO,

Thứ hai

Thứ nhất

ĐÀ N

Bậcñiện phân

Tiêu hạo quy ñịnh cho một tấn sản phẩm NaGlOị sản xuất theo phương pháp ñiện phân oxy hóa sử dụng ñiện.cực graphit như sau:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chỉ tiêu

Có cô ñặc

Không cô ñặc

0,55 - 0,60

0,55 - 0,60

Muối ăn (tính cho 100% NaCl), tấn Sôña khan (95% Na 2CO,), kg

6 -1 0

Xút (100% NaOH), kg

1 5 -4 0

Axit cỉohyñric (35% HC1), kg

TP .Q UY

N guyên liệu ñầu vào:

6 -1 0

1 5 -4 0

8 0 -1 0 0

Natri bicromàt, kg

80 -1 0 0

4 -6

4-6

12-1 5 :

Tiêu hao khấc:

ĐẠ O

Anot graphit, kg

1 2 -2 0

6700-7300

Năng ỉượng cho bay hơi, xl06kJ

10,9

4,19

Nãng lượng ñể làm lạnh, x l06kJ

-

2,5 - 3,4

500 - 1000

100 - 200

HƯ

NG

6700-7300

ðiện năng, kW.h

TR Ầ

N

Nước, m 3

NH ƠN

Chương 12. Sản xuất một số muối vô cơ quan trọng

268

HÓ

N guyền liệu ñầu vào:

A

10

00

B

Cồng ñoạn cuối cùng là trao ñổi giữa NaC10 3 với KC1 ñể thu KC10-,. ðây là công ñoạn sản xuất gần giống như quy trình sản xuất KC1 ñã trình bày ờ phần trên. KC1 thu ñược sau phản úng trao ñổi ñã tương ñối sạch. Nếu cần sản phẩm sạch hơn, người ta tiến hành kết tinh lại. Tiêu hao quy ñịnh cho sản xuất KCIO3 theo phương pháp trao ñổi tính trên một tấn KCIO3 như sau:

Kali clorua (100% K ơ ) , tấn

0,625 5

Xút (100% NaOH), kg

5

-L

Í-

Sôña (95% Nạ 2C 0 3), kg

TO ÁN

Axit clohyñric (31% H Q ), kg Natri bicromat, kg

60 3

Các tiêu hao khácỉ

ĐÀ N

ðiện cựe graphit, kg ðiện năng, kW.h

6500 - 6700 200

Hiệu suất dòng.trung bình ñạt từ 80 ñến 85%. NaCl sinh ra sau trao ñổi có lẫn

DI Ễ

N

Nước, m 3

15

một ít cỉorat sẽ\ñược quay vòng teở lại dây chuyền sản xuất. Tiêu hao NaCỈ ñược coi như không ñáng kể.

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Hóa kỹ thuật

DI Ễ

N

ĐÀ N

TO ÁN

-L

Í-

HÓ

A

10

00

B

TR Ầ

N

HƯ

NG

ĐẠ O

TP .Q UY

Sản xuất natri peclorat có thể coi như công ñoạn tiếp theo là ñiện phân oxy hóa natri clorat có ñiều kiện.

NH ƠN

269

Các phản ứng phụ có thể xảy ra ưên các ñiện cực như sau:

Đóng góp PDF bởi GV. Nguyễn Thanh Tú

WWW.FACEBOOK.COM/BOIDUONGHOAHOCQUYNHON

WWW.DAYKEMQUYNHON.UCOZ.COM

WWW.FACEBOOK.COM/DAYKEM.QUYNHON

Chương 12. Sản xuất một số muối Vô cơ qúan trọng Trênanot:

2H20 -» 0 2 + 4H+ + 4e

(12.51)

Trêncatot:

CIO3 + 3H20 + 6e -» Cl + 6 OH

NH ƠN

270

(12.52)

ðể hạn chế các phản ứng phụ này xảy ra, người ta cho thêm vào dung dịch ñiện phân một lượng nhỏ muối natri bicromat.

TP .Q UY

Các ñiện cực sử dụng ở ñây ñòi hỏi sự chống ãn mòn cao. Anot thường là bạch kim hoặc graphit hay titan có phủ ñioxit chì. Catot thường là thép không gỉ.

ĐẠ O

Từ natri peclorat có thể trao ñổi với HC1 ñể thụ axit pecloric. Cũng thông qua các phản ứng trao ñội, người ta sẽ thu ñược các muối amoni hay kali peclorat. 12.3.2. Sấn x u ất m uối kali pem anganat

.Q

í

HƯ

NG

Hiện nay sản xuất pemanganat trên th ế giội thông, thường ñược tiến hành theo hai công nghệ chính: công nghệ bán ñiện phân và công nghệ ñiện phân. Ngoài ra còn có phương pháp sản xuất thuần túy hóa học.

N

12.3.2.1. Công nghệ bán ñiện phân

TR Ầ

Phương pháp bán ñiện phân ñược thực hiện theo ba giai ñoạn: (1) oxy họa hóa hóa học chuyển hóa mangan ñioxit (M n02) thành manganát (M n042 ), (2) ñiện phân manganat thành pemanganat và (3) xử lý dung ñịch sau ñiện phân.

10

00

B

Giai ñoạn một là giai ñoạn chuyển hóa hóa học thuần tuy. Quặng mangan (pyroluzit) sau khi nghiền nhỏ sẽ ñược nung chảy cùng với KOH và oxy không khí. Trong ñiều kiện ñó, manganñioxit chuyển thành manganat: 2M n0 2 + 4KOH + 0 2 = 2K 2M n0 4 + 2H20

A

(12.53)

Í-

HÓ

Giai ñoạn hai là ñiện phân oxy hóa mangãnat thành pemanganat. Trên các ñiện cực xảy ra các phản ứng như sau:

-L

Trên anot:

Trên catot:

2M n0 42 -» 2M n0 4 4- 2e

(12.54)

2H20 + 2

HÓA KỸ THUẬT - PHẠM NGUYÊN CHƯƠNG

Short Description

Description

Comments

We need your help!