THÔNG TIN VỀ TÁC GIẢ GIÁO TRÌNH “KỸ THUẬT HOÁ VÔ CƠ” 1 Thông tin về tác giả : + Họ và tên : Th.S LÊ NGỌC TRUNG + Quê quán : + Cơ quan công tác : KHOA HOÁ Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng + Email: 2 Phạm vi và đối tượng sử dụng : + Giáo trình dùng tham khảo cho các ngành Công Nghệ Hóa hóa học + Có thể dùng ở các trường có đào tạo các chuyên ngành Hóa học + Từ khóa : Vô cơ, xúc tác, nồng độ, điều chế, điện phân, hợp chất, tinh chế, hóa chất, năng lượng, hàm lượng. + Yêu cầu kiến thức trước khi học môn này : hóa vô cơ, hóa hữu cơ, hóa lí, quá trình và thiết bị.vn CH NG I NHỮNG Đ NH LU T C B N C A CÔNG NGH HOÁ H C I. Một số khái ni m và định nghĩa: 1. Năng suất: Năng suất thiết bị, phân xưởng hay nhà máy,.
là số lượng sản phẩm tạo ra (hay nguyên liệu chế biến) trên một đơn vị thời gian. Nếu G là trọng lượng, Vs là thể tích (sản phẩm hay nguyên liệu), τ là thời gian thì năng suất P bằng : P= hay P = τ τ G Vs 3 P có thể tính bằng T/s, kg/h, m /s,. Công suất: Q là năng suất tối đa có thể đạt được cường độ làm việc I của thiết bị là năng suất của thiết bị tính cho đơn vị của một đại lượng đặc trưng (thể tích, diện tích, kích thước,. Ví dụ nếu V là thể tích của thiết bị thì có thể biểu diễn cường độ bằng: I= = V τ ×V P G I có thể tính bằng T/h.
Tiêu phí: Nguyên liệu, nược, năng lượng,. là lượng nguyên liệu, nước, năng lượng,. tiêu hao để tạo ra đơn vị sản phẩm. Ví dụ Tnguyên liệu/Tsản phẩm; m3 nước/T; kwh/m3 4.
Độ chuyển hoá: Độ chuyển hoá nguyên liệu A (tác chất) là tỷ lệ giữa lượng tác chất A đã chuyển hoá và lượng ban đầu. thời điểm τ, V là thể tích của hệ thống tác dụng, GA là trọng lượng chất A, CA là nồng độ của chất A và XA là độ chuyển hoá của - thời điểm ban đầu τo = 0, các đại lượng trên có trị số tương ứng Vo, GAo, CAo chất A. - thời điểm τ1 chất A đã chuyển hoá hoàn toàn thì các trị số tương ứng là V1, và XAo. GA1, CA1 và XA1= 1.
Nếu có nhiều tác chất A, B, C,. thì mỗi chất có độ chuyển hoá của mình XA, XB, Theo định nghĩa ở thời điểm τ, độ chuyển hoá là: XC,. G − GA G −G X A = Ao hay X = o (1) G Ao Go Go − G Nếu tính theo phần trăm thì X % = 100 × Go Từ (1) ta có: G = Go (1 − X ) (2) = (1 − X ) G Go Chia 2 vế cho Vo ta có: Vo Vo = Co ⇒ = C o (1 − X ) Go G Vì Vo Vo 5 http://www.vn - Nếu hệ thống là chất lỏng hay dung dịch (thể tích V thay đổi không đáng kể), hay là khí mà tổng thể tích không thay đổi trong quá trình chuyển hoá thì: = = C và C = C o (1 − X ) G G (3) Vo V - Nếu trong chuyển hoá thể tích thay đổi và V = γVo thì: = = o (1 − X ) V γVo γVo G G G C = o (1 − X ) γ C hay (4) Nhưng γ biến đổi theo thời gian τ nên dùng không tiện. Người ta dùng khái niệm độ thay đổi tương đối β của thể tích hệ khi chuyển hoá đã hoàn toàn (X=1): V − Vo V1 β= 1 = −1 V1 = Vo (1 + β ) Vo Vo ⇒ Ví dụ trong quá trình: 2H2 + O2 = 2H2O β = −1 = − 2 1 Ta có: 5.
Hi u suất sản phẩm: Hiệu suát sản phẩm thu được φs là tỷ lệ giữa lượng sản 3 3 phẩm thực tế thu được Gs và lượng tối đa thu được Gmax (nếu chuyển hoá hoàn toàn): φ s = s (%) G Gmax cũng có thể biễu diễn φs qua lượng tác chất (nguyên liệu) G − GA φ s = Ao G Ao Như vậy φs= XA: hiệu suất sản phẩm bằng độ chuyển hoá của nguyên liệu. Nếu phẩn ứng thuận nghịch thì φs không thể nào đạt đến φmax đượcmà cao nhất là lúc đạt cân bằng φ*s và lúc đó: φ s max = = X A* G s* G s max φs là hiệu suất cân bằng hay hiệu suất lý thuyết. Đôi khi sử dụng khái niệm hiệu suất so với lý thuyết: ϕ s = s* G φ Gs ϕs = × s max = s = A* φ s max X A Gs G X * G s max Gs 6. Tốc độ quá trình: Tốc độ của quá trình biểu diễn qua lượng sản phẩm chính S thu được hay lượng nguyên liệu chính A tiêu hao trong một đơn vị thời gian.
u= hay u = − dτ dτ dG s dG A Cũng có thể biễu diễn qua các đại lượng ấy nhưng trong đơn vị thể tích 6 http://www.vn u= hay u = − V dτ V dτ 1 dG s 1 dG A =C G Nếu thể tích của hệ thống không đổi có thể biễu diễn qua nồng độ vì V u= hay u = − A dτ dτ dC s dC 7. Chi phí c bản cho đ n vị công suất: Nếu K là chi phí cơ bản cho cả thiết bị (hay phân xưởng), ví dụ tính bằng đồng và Q là công suất của thiết bị tính bằng T/năm thì chi phí cơ bản cho đơn vị công suất là: R= K Q * Nếu công suất thay đổi, thực tế cho thấy: R = aQ-0.4 a: là hệ số phụ thuộc vào tính chất của sản xuất Nếu so sánh 2 hệ thống với công suất Q1 và Q2 với Q2 = 2Q1 thì: R2 aQ2−0.4 R1 aQ1 Q1 Nghĩa là công suất tăng lên 2 lần thì chi phói cơ bản cho một đơn vị công suất chỉ còn 76% hay giảm đi 24%. * Nếu S là giá thành sản phẩm tính theo đơn vị (ví dụ đồng/T) thì: S = mQn m, n: là hệ số, và n = -0.3 So sánh 2 công suất Q1 và Q2 với Q2 = 2Q1 và lấy n = -0.2 S1 mQ1 Q1 Nghĩa là nếu công suất tăng lên 2 lần thì giá thành sản phẩm giảm đi 13%. Cân bằng trong các quá trình công nghê: 1.
Nguyên lý Le Chatelier: Đa số các phản ứng thực hiện trong CNHH là các phản ứng thuân nghịch. Các phản ứng này đều dẫn đến trạng thái cân bằng. Trong các điều kiện có ảnh hưởng đến trạng thái cân bằng thì sự thay đổi nhiệt độ, áp suất, nồng độ các chất tham gia phản ứng có vai trò quan trọng hơn cả. Các yếu tố này tác động đến trạng thái cân bằng theo nguyên lý Le Chatelier: Một hệ ở trạng thái cân bằng bền, nếu chụi một tác động từ bên ngoài làm thay đổi một trong các yếu tố quyết định đến vị trí cân bằng thì trong hệ sẽ xảy ra một quá trình theo chiều làm giảm ảnh hưởng của tác động đó.
Từ đó suy ra: * Khi tăng nhiệt độ của hỗn hợp các chất phản ứng thì cân bằng sẽ chuyển dịch theo chiều phản ứng thu nhiệt, tức hạ nhiệt độ của hỗn hợp các chất phản ứng. * Khi tăng áp suất cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm thể tích của hỗn hợp. * Khi tăng nồng độ của một trong các chất phản ứng thì cân bằng chuyển dịch theo chiều giảm nồng độ của nó. Hằng số cân bằng của phẩn ứng hoá học: a/ Hằng số cân bằng: 7 http://www.vn */ Phản ứng thuận nghịch: aA + bB ⇔ rR + sS + Q Tốc độ phản ứng thuận: u1 = k1CAaCBb Tốc độ phản ứng nghịch: u2 = k2CRrCSs k1, k2: hằng số tốc độ phụ thuộc vào nhiệt độ.
= = Kc k1 C R*r C S*s Nếu u1 = u2 ta có: (1) k 2 C A*a C B*b (dấu * có nghĩa là trị số ở trạng thái cân bằng) Kc:hằng số cân bằng */ Nếu tính thành phần theo phần mol N NA + NB + NR + NS = 1 thì: K N = *a *b N R*r N S*s (2) NA NB */ Nếu là khí thì có thể lấy áp suất phần PI PA + PB + PR + PS = P (áp suất chung) thì: K P = R*a S*b P *r P * s (3) PA PB */ So sánh các trị số của K Kp = Kc(RT)∆n (4) Kp = KNP∆n Với ∆n = (r + s) - (a + b) (5) b/ Ý nghĩa của trị số hằng số cân bằng: */ Ta thấy K tăng thì tử số tăng so với mẫu số, nghĩa là nồng độ sản phẩm tăng lên. K đánh giá độ sâu của phản ứng hoá học, độ chuyển hoá của tác chất. */ k1, k2 phụ thuộc nhiệt độ nên K cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. */ Mối liên hệ giữa K và độ chuyển hoá cân bằng X* = α aA + bB ⇔ rR + sS A + b/aB ⇔ r/aR + s/aS Ví dụ: Đưa về 1mol A Nồng độ các chất đầu CA , CB , CR , CS , nếu độ chuyển hoá là α thì đã có CAα mol A tác dụng CAαb/a molo B để tạo thành CAαr/a mol R và CAαs/a mol S, và lúc đó nồng độ các chất là CA(1-α); CB - CAαb/a; CR + CAαr/a; CS + CAαr/a, như vậy: (C R + C Aα ) r (C S + C Aα ) s r s Kc = a a (C A − (1 − α )) (C B + C Aα ) (6) a b b Tương tự ta tính được KN, KP phụ thuộc vào α.
a */ K có thể tìm trực tiếp ở sổ tay hoá lý; cũng có thể tính K từ ∆H độ biến đổi entapi ở điều kiện chuẩn (1atm, 298oK) theo phương trình Van't Hoff: ∆H = d ln K p (7) ∆H dT RT 2 ln K p = − +B R: hằng số khí (R = 1.oC); ∆H (cal/mol) RT III. Tốc độ phản ứng và vai trò của nó đối với các quá trình công ngh : 8 http://www.vn Công thức chung của tốc độ là: u = k×F×∆C Nếu hệ đồng thể thì: u = k×∆C k: hệ số tốc độ; F: bề mặt tiếp xúc pha; ∆C: động lực quá trình. H số tốc độ k: không chỉ phụ thuộc tính chất hoá học của tác chất mà còn phụ thuộc cả tính chất vật lý của chúng, cấu tạo thiết bị, tốc độ các dòng và độ khuấy trộn các chất trong môi trường đồng thể. k là hợp thành của các hằng số tốc độ thuận k1, nghịch k2, phụ k'p, k''p .