Thiết bị phản ứng là các thiết bị trọng tâm của đa số các quá trình biến đổi hóa học

 1
MỤC LỤC 
PHẦN I :KỸ THUẬT PHẢN ỨNG ........................................................................................4 
I PHÂN LOẠI CÁC PHẢN ỨNG HOÁ HỌC .................................................................4 
II CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH CHUYỂN HOÁ HOÁ HỌC .........5 
II.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN ....................................................................................5 
II.1.a Phân loại hệ........................................................................................................5 
II.1.b Phương trình tỉ lượng.........................................................................................5 
II.1.c Bước phản ứng (ξ)..............................................................................................6 
II.1.d Hiệu suất chuyển hoá Xi.....................................................................................6 
II.1.e Độ chọn lựa (Si) của chất tham gia phản ứng Ai chuyển hoá thành sản phẩm 
Ai’ 7 
II.1.f Hiệu suất tính cho từng sản phẩm (Ri)...................................................................7 
II.2 ĐỘNG HOÁ HỌC ..................................................................................................11 
II.2.a Vận tốc phản ứng hoá học................................................................................11 
II.2.b Phương trình động học.....................................................................................12 
II.2.c Một số ví dụ ......................................................................................................13 
II.3 NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC.....................................................................................15 
II.3.a Những nguyên lý cơ bản của nhiệt động học ...................................................15 
II.3.b Phương trình trạng thái....................................................................................15 
II.3.c Nhiệt phản ứng .................................................................................................16 
II.3.d Cân bằng hoá học.............................................................................................17 
PHẦN II : THIẾT BỊ PHẢN ỨNG.......................................................................................20 
I ĐẠI CƯƠNG...................................................................................................................20 
I.1 PHÂN LOẠI THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ...................................................................20 
I.1.a Theo pha của hệ....................................................................................................20 
I.1.b Điều kiện tiến hành quá trình...............................................................................20 
I.1.c Theo điều kiện thủy động......................................................................................20 
I.2 PHÂN LOẠI CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG THEO PHƯƠNG THỨC LÀM 
VIỆC 21 
I.2.a Thiết bị phản ứng gián đoạn : ..............................................................................21 
I.2.b Thiết bị phản ứng liên tục : ..................................................................................21 
I.2.c Thiết bị phản ứng bán liên tục : ...........................................................................22 
I.3 NHIỆM VỤ THIẾT KẾ THIẾT BỊ PHẢN ỨNG .................................................22 
I.4 CÂN BẰNG VẬT CHẤT VÀ CÂN BẰNG NHIỆT TỔNG QUÁT.....................22 
I.4.a Cân bằng vật chất.................................................................................................22 
I.4.b Cân bằng nhiệt .....................................................................................................23 
II MÔ TẢ MỘT SỐ DẠNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐỒNG THỂ CƠ BẢN...............23 
II.1 THIếT Bị PHảN ứNG LIÊN TụC ....................................................................................23 
II.1.a Thiết bị phản ứng dạng ống : ...........................................................................23 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 2
II.1.b Thiết bị phản ứng dạng khuấy trộn lý tưởng ....................................................26 
II.1.c Thiết bị phản ứng nhiều ngăn (étagé) ..............................................................29 
II.2 THIếT Bị PHảN ứNG GIÁN ĐOạN..................................................................................30 
II.2.a Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đoạn :.......................................30 
III ÁP DỤNG PHƯƠNG TRÌNH THIẾT KẾ...............................................................33 
III.1 SO SÁNH CÁC THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ĐƠN .....................................................33 
III.1.a Thiết bị phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định và thiết bị phản ứng dạng ống 
với phản ứng bậc một và bậc hai......................................................................................33 
III.1.b Ảnh hưởng của sự biến đổi tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất trong phản ứng 
bậc hai 35 
III.2 HỆ NHIỀU THIẾT BỊ PHẢN ỨNG ......................................................................38 
III.2.a Thiết bị phản ứng dạng ống mắc nối tiếp và / hoặc mắc song song ................38 
III.2.b Thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng nhau mắc nối tiếp (thiết bị phản ứng nhiều 
ngăn) 39 
IV HIỆU ỨNG NHIỆT ĐỘ .............................................................................................42 
IV.1 KHÁI NIỆM VỀ HIỆU ỨNG NHIỆT ĐỘ ............................................................42 
IV.2 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN HOẠT ĐỘNG ỔN ĐỊNH ...................43 
IV.3 THIẾT BỊ PHẢN ỨNG DẠNG ỐNG ....................................................................44 
V THIẾT KẾ HỆ PHẢN ỨNG DỊ THỂ ..........................................................................46 
V.1 PHÂN LOẠI HỆ PHẢN ỨNG DỊ THỂ.................................................................46 
V.1.a Phản ứng khí - rắn : .........................................................................................46 
V.1.b Phản ứng lỏng - rắn : .......................................................................................46 
V.1.c Phản ứng khí - lỏng - rắn .................................................................................46 
V.1.d Phản ứng lỏng - lỏng........................................................................................46 
V.1.e Phản ứng khí - lỏng ..........................................................................................46 
V.2 ÁP DỤNG VÀO THIẾT KẾ...................................................................................46 
V.3 PHẢN ỨNG XÚC TÁC RẮN.................................................................................47 
V.3.a Khái niệm về chất xúc tác.................................................................................47 
V.3.b Cơ chế của phản ứng hệ khí với chất xúc tác rắn (2 pha)................................52 
V.3.c Thiết bị phản ứng xúc tác rắn một pha lưu thể (khí hoặc lỏng) .......................54 
V.3.d Thiết bị phản ứng xúc tác rắn nhiều pha..........................................................60 
V.4 PHảN ứNG RắN - LƯU CHấT KHONG XUC TAC ...............................................................63 
V.4.a Đại cương .........................................................................................................63 
V.4.b Mô hình phản ứng.............................................................................................64 
V.4.c Vận tốc phản ứng theo mô hình lõi chưa chuyển hóa ......................................65 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 3
MỞ ĐẦU 
Thiết bị phản ứng là các thiết bị trọng tâm của đa số các quá trình biến đổi hóa học. 
Người ta định nghĩa thiết bị phản ứng là thiết bị mà trong đó xảy ra các phản ứng hóa 
học, nghĩa là các thiết bị để chuyển hóa các chất tham gia phản ứng thành các sản phẩm hóa 
học. 
Nội dung chủ yếu của giáo trình này là đi sâu vào cơ chế các quá trình phản ứng, quy luật 
và ứng dụng quy luật để giải quyết một số vấn đề công nghệ, đặc biệt là các quá trình phản 
ứng thường gặp trong công nghệ hóa học các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Sau đó, chúng ta sẽ 
khảo sát các loại thiết bị phản ứng khác nhau được sử dụng trong lĩnh vực lọc - hoá dầu cũng 
như sẽ nghiên cứu nguyên lý hoạt động và phương pháp thiết kế các loại thiết bị phản ứng này 
(sẽ đưa ra các trường hợp tính toán cụ thể) . 
Những phản ứng xảy ra trong thiết bị phản ứng không chỉ là những phản ứng hóa học 
tuân theo những định luật về biến đổi chất thuần tuý mà còn bao gồm nhiều quá trình khác 
cùng xảy ra và tác động qua lại lẫn nhau. Mọi quá trình phản ứng đều có kèm theo quá trình 
thu nhiệt hoặc toả nhiệt (nhiệt hóa học). Nhiệt hóa học này làm thay đổi nhiệt độ của phản 
ứng, do đó ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng và chất lượng sản phẩm. Do yêu cầu về chất 
lượng sản phẩm cũng như để trành sinh ra nhiều các phản ứng phụ tạo ra các sản phẩm không 
mong muốn, mỗi phản ứng cần thực hiện ở một chế độ nhiệt nhất định và như vậy đòi hỏi 
phải có quá trình trao đổi nhiệt. Đối với những phản ứng dị thể, quá trình trao đổi vật chất 
 giữa các pha cũng tuân theo cơ chế của quá trình chuyển khối và do đó cũng ảnh hưởng đến 
tốc độ phản ứng. Ngoài ra, chế độ thuỷ động lực trong thiết bị cũng ảnh hưởng đến quá trình 
phản ứng. 
Như vậy, các quá trình xảy ra trong thiết bị phản ứng là quá trình tổng hợp bao gồm quá 
trình thuỷ lực, truyền nhiệt, chuyển khối và phản ứng hóa học. 
Giáo trình này được giảng dạy sau môn hoá lý và hoá công. Vì vậy, để nắm vững các 
kiến thức cần thiết của môn học, chúng ta cần phải ôn lại các nôi dung có liên quan về : 
- Nhiệt động hóa học 
- Động hóa học 
- Thuỷ lực học 
- Các quá trình chuyển khối 
- Các quá trình trao đổi nhiệt 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 4
PHẦN I :KỸ THUẬT PHẢN ỨNG 
I PHÂN LOẠI CÁC PHẢN ỨNG HOÁ HỌC 
Theo các tiêu chuẩn sắp xếp khác nhau, có thể có các loại phản ứng khác nhau. 
Bảng1 : Các loại phản ứng 
Tiêu chuẩn phân loại Loại phản ứng hóa học 
- Cơ chế phản ứng 
- Số phân tử tham 
gia phản ứng 
- Bậc phản ứng 
- Điều kiện thực 
hiện phản ứng 
- Trạng thái pha 
của hệ phản ứng 
- phản ứng một chiều 
- phản ứng hai chiều (thuận nghịch) 
- phản ứng song song : 
- phản ứng nối tiếp 
- phản ứng đơn giản (quá trình biến đổi hóa học chỉ xảy ra theo 
một loại trao đổi nguyên tố) 
- phản ứng phức tạp (đồng thời xảy ra nhiều phản ứng) 
- phản ứng đơn phân tử 
- phản ứng hai, đa phân tử 
- phản ứng bậc 1, bậc 2 , ... 
- phản ứng bậc số nguyên, bậc phân số 
- phản ứng đẳng tích, đẳng nhiệt, đẳng áp, đoạn nhiệt, đa biến 
nhiệt (là phản ứng có trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh 
nhưng không đạt được chế độ đẳng nhiệt, nhiệt độ của hỗn hợp 
phản ứng thay đổi theo thời gian và không gian) 
- phản ứng gián đoạn, liên tục, bán liên tục 
- phản ứng đồng thể : phản ứng xảy ra trong hệ đồng nhất, các 
cấu tử tham gia trong hệ cùng một trạng thái pha (khí, lỏng) 
- phản ứng dị thể : phản ứng xảy ra trong hệ không đồng nhất, 
các cấu tử tham gia phản ứng ở trạng thái từ hai pha trở lên (hệ 
2 pha như : khí-rắn, lỏng-rắn, khí-lỏng, hệ 3 pha : khí-lỏng-rắn)
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 5
II CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH 
CHUYỂN HOÁ HOÁ HỌC 
II.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 
II.1.a Phân loại hệ 
Dựa vào phương thức trao đổi nhiệt và chất với môi trường xung quanh mà người ta phân 
biệt hệ phản ứng là hệ kín, hệ mở hay hệ cô lập 
• Hệ kín : là hệ trong quá trình phản ứng không liên tục trao đổi vật chất với môi trường 
xung quanh. Quá trình trao đổi chất xảy ra theo chu kỳ và là quá trình phụ trong thiết bị 
phản ứng (nạp nguyên liệu và tháo sản phẩm). Trong quá trình biến đổi chất, khối lượng 
phản ứng của hệ không đổi ⇒ Hệ kín gắn liền với quá trình phản ứng gián đoạn. Trong hệ 
kín luôn luôn tồn tại quá trình trao đổi nhiệt giữa hệ với môi trường xung quanh 
• Hệ mở : là hệ trong quá trình biến đổi chất liên tục có quá trình trao đổi chất với môi 
trường xung quanh, có thể là một hay nhiều dòng vật chất theo các hướng khác nhau. Quá 
trình trao đổi chất này luôn luôn gắn với quá trình trao đổi nhiệt. 
• Hệ cô lập : là hệ không trao đổi chất và không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. 
Nhưng trong thực tế, khó có thể thực hiện được phản ứng ở hệ cô lập vì người ta không 
thể bảo ôn, cách nhiệt một cách tuyệt đối 
II.1.b Phương trình tỉ lượng 
• Phương trình tỉ lượng là phương trình biểu diễn quan hệ tương tác mang tính định lượng 
giữa các cấu tử tham gia phản ứng trong hệ. 
Ví dụ : Ta có phản ứng đơn giản : 
 αA1 + βA2 → γA3 
Trong đó : A1, A2 : chất tham gia phản ứng 
 A3 : sản phẩm 
Phương trình tỉ lượng được biểu diễn theo công thức chung sau : 
ν ij iA∑ = 0 i = 1 ÷ S ; j = 1 ÷ R 
với : i- số thứ tự của các cấu tử 
 j- số thứ tự của các phản ứng 
 S - Tổng số các cấu tử 
 R - Tổng số các phản ứng 
 νij - hệ số tỉ lượng của cấu tử i ở phản ứng thứ j (νij = α, β, γ,) 
Người ta qui ước : 
- Đối với các chất tham gia phản ứng : νij < 0 
- Đối với các sản phẩm : νij > 0 
- Đối với các chất trơ, dung môi, xúc tác : νij = 0 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 6
• Phương trình tỉ lượng cũng là một dạng của phương trình cân bằng vật chất 
Ví dụ : Phản ứng tạo NH3 xảy ra theo cơ chế : 
3H2 + N2 ⇒ 2NH3
Mà khối lượng nguyên tử : MH = 1, MN = 14, MNH3 = 17 
Phương trình tỉ lượng cho phản ứng này có dạng : 
-3H2 -1N2 + 2NH3 = 0 
Trong đó : νH2 = -3, νN2 = -1, νNH3 = 2 
Vậy : -3 (2 × 1) -1 (2 × 14) + 2 (2 × 17) = 0 
II.1.c Bước phản ứng (ξ) 
Bước phản ứng là tỉ số giữa số mol thay đổi của cấu tử bất kỳ trong hỗn hợp sản phẩm 
của phản ứng và hệ số tỉ lượng tương ứng của cấu tử đó 
Mỗi phản ứng đều được đặc trưng bởi bước phản ứng ξj
Đối với hệ kín : 
ij
iio
j
nn
ν
−=ξ (mol) 
Trong đó : nio : số mol đầu của cấu tử i, mol 
ni : số mol cuối của cấu tử i, mol 
Đối với hệ mở : 
ij
iio
j
FF
ν
−=ξ (mol/h ou kmol/h) 
Trong đó : Fio : lưu lượng mol đầu của cấu tử i, mol/h ou kmol/h 
Fi : lưu lượng mol cuối của cấu tử i, mol/h ou kmol/h 
Vậy ta có thể biểu diễn cân bằng mol cho mỗi cấu tử Ai như sau : 
 ∑ ==ξν+= R1,j vaìS1,i våïi jijioi nn 
II.1.d Hiệu suất chuyển hoá Xi 
• Hiệu suất chuyển hóa tính theo một cấu tử nào đó - thường cho nguyên liệu, bằng phần 
trăm lượng cấu tử đó đã tham gia vào phản ứng hóa học tạo sản phẩm (so với lượng ban 
đầu). 
• Đối với hệ kín : Ta có : 
 ( )% 100
n
nnX
io
iio
i ×−= 
• Đối với hệ hở : 
( )% 100
F
FFX
io
iio
i ×−= 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 7
• Nếu là phản ứng thuận nghịch : phản ứng sẽ kết thúc ở trạng thái cân bằng hóa học, khi 
đó : 
io
iio
i n
nn
X
−= 
trong đó : ni* - số mol cấu tử Ai còn lại sau khi phản ứng đã đạt đến cân bằng 
II.1.e Độ chọn lựa (Si) của chất tham gia phản ứng Ai chuyển hoá thành  ...  Tổn thất áp suất trên một đơn vị chiều dài của tầng xúc tác được xác định theo công thức 
sau : 
( )( )
( )
( )
( ) ( )
 nguyãn thæïkhäng læåüng âaûi caïc laì âãöu ,,,,,
. : Våïi ,, :Vaì
 : taïcxuïc haût cuía læûc kênh thuyí âæåìng laì d Våïi 
Weber säúchuáøn 
..
..
X1,22 Våïi 
: thæïc biãøu tênh theoâæåüc vaìloíng hoaì baîosäú Hãû Våïi
. 
,,,
/
h
,,0,15-
GL
L
LGLLG
LLGLG
p
p
ph
h
SGG
LGLG
pSLL
L
L
pSLL
L
L
G
SL
SG
G
LL
GLLLLG
LG
FWeReX
WeReXF
e
e
dd
d
V
F
dV
We
dV
Re
V
V
X
WeRe
g
H
P
κ
κκκ
π
ρδ
σ
ρ
µ
ρ
ρ
ρ
β
β
ρβρβδ
Γ
=×+=
⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −==
===
×××=Γ−=
−
−+−=⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ ∆
−−
−Γ−
2505051
31
2
32
2
15020
517331
9
1162
101
1
• Ta cũng tính được phần thể tích của thiết bị phản ứng bị chiếm chổ bởi pha lỏng và pha 
khí theo biểu thức sau : 
eL = βL (1 − ep) và eG = (1 − βL ) (1 − ep) 
V.3.d.1.2 Hệ xuôi dòng chuyển động từ dưới lên 
• Không cần bộ phận phân phối lỏng mà vẫn đảm bảo pha lỏng thầm ướt toàn bộ các hạt 
xúc tác trong tầng xúc tác ; 
• Chỉ sử dụng trong trường hợp năng suất nhỏ, đặc biệt đối với các mô hình thiết bị phản 
ứng thí nghiệm ; 
• Tổn thất áp suất cũng được tính như trường hợp trên với giả thiết rằng tầng xúc tác là cố 
định, các hạt xúc tác không bị kéo theo bởi các dòng lưu thể đi lên. 
V.3.d.1.3 Hệ ngược dòng 
• Được ứng dụng trong một số quá trình thực tế, nhất là Đối với các quá trình phản ứng cân 
bằng ; 
• Đặc biệt hiệu quả đối với thiết bị « chưng cất - phản ứng » (distillation réactive) sử dụng 
trong quá trình tổng hợp MTBE. Chất xúc tác trong trường hợp này là nhựa trao đổi ion 
dạng bi cầu, đường kính khoảng 1 mm. Đây là thiết bị kết hợp giữa tháp chưng cất và thiết 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 62
bị phản ứng, trong đó khu vực phản ứng nằm ở phần trên với nhiều tầng xúc tác. Như vậy, 
người ta thực hiện đồng thời quá trình tách MTBE sản phẩm và quá trình chuyển hóa iso-
butène. Theo nguyên tắc Le Chatellier, với một phản ứng thuận nghịch, khi ta tiến hành 
loại một cấu tử nào đó thì cân bằng sẽ dịch chuyển về phía tạo thành cấu tử này. Ở đây, 
sản phẩm MTBE tạo thành được tách ra liên tục nhờ chưng cất nên cân bằng của phản ứng 
dịch chuyển triệt để về phía tạo thành MTBE nên hiệu suất chuyển hóa iso-butène rất cao. 
V.3.d.2 Thiết bị phản ứng ba pha với tầng xúc tác sôi (A lit bouillonnant) 
• Sơ đồ : 
Sản phẩm 
Khí + Lỏng 
Lỏng 
Khí 
Mực lớp 
xúc tác sôi 
Tầng xúc 
tác sôi 
• Hai pha lỏng và khí vào thiết bị phản ứng, đi từ dưới lên và tạo ra trạng thái chuyển động 
sôi dưới dạng huyền phù cho các hạt xúc tác có đường kính khoảng 1 ÷ 5 mm. Sau đó, 
hỗn hợp sản phẩm khí - lỏng đi ra từ phần trên của thiết bị phản ứng mà không kéo theo 
các hạt xúc tác. 
• Xác định vận tốc bề mặt tối thiểu của các lưu thể : Ta áp dụng biểu thức đã được đề cập 
đến trong phần thiết bị phản ứng tầng sôi xúc tác rắn 1 lưu thể, nhưng ở đây sẽ bao gồm 
hai đại lượng tính cho hai lưu thể lỏng và khí. 
( ) ( )
( ) ( ) 110631733
1
1063
1733
21
2
35
21
2
35
−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −×+=
−⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −×+=
−
−
/
/
,,
,,
G
pGGP
Gp
G
mSG
L
pLLP
Lp
L
mSL
gd
d
V
gd
d
V
µ
ρρρ
ρ
µ
µ
ρρρ
ρ
µ
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 63
• Tổn thất áp suất được tính đơn giản dựa trên áp suất tĩnh : 
∆P = (ρpep + ρLeL + ρGeG) Hg 
Với H - chiều cao của tầng xúc tác sôi. 
Và eL được xác định theo công thức : 
 ( ) ( ) ( ) ( ) 09200820234008605041 ,,,,, WeReFrFre LLGL −−= 
Với Fr - chuẩn số Froude : ( ) ( )
P
SL
L
P
SG
G dg
V
Fr
dg
V
Fr
.
 vaì 
.
22
== 
 We - chuẩn số Weber : σ
µ LSGVWe .= 
Ta lại có biểu thức : ( ) ( ) ( ) PLGL eWeFree −==+ 1401 0780170 ,,, 
Từ đó ta tính được tổn thất áp suất ∆P và nên cộng thêm giá trị tổn thất áp suất do đĩa phân 
phối lỏng khí. 
V.4 Phản ứng rắn - lưu chất không xúc tác 
V.4.a Đại cương 
Xét các phản ứng xảy ra giữa pha khí (hoặc pha lỏng) với pha rắn không phải là chất xúc 
tác : 
♦ 
♦ 
A (lưu chất) + bB (rắn) ⇒ sản phẩm ở pha lỏng (pha khí) /pha rắn hoặc cả hai pha 
Chia làm 2 loại : 
• Những phản ứng trong đó hạt rắn không thay đổi kích thước đáng kể như : 
- phản ứng oxy hóa hoặc phản ứng ngung quặng để cho oxyt kim loại : 
2ZnS(R) + 3O2(K) ⇒ 2ZnO(R) + 2SO2(K) 
4FeS(R) + 11O2(K) ⇒ 2Fe2O3(R) + 8SO2(K) 
- phản ứng điều chế kim loại từ oxyt kim loại : 
Fe3O4(R) + 4H2(K) ⇒ 3Fe(R) + 4H2O(K) 
- phản ứng mạ kim loại để bảo vệ bề mặt kim loại : 
2e- + Cu2+(L) + M(R) ⇒ M + Cu 
• Những phản ứng trong đó kích thước hạt rắn thay đổi đáng kể như : 
- phản ứng cháy của than, củi : 
C(R) + O2(K) ⇒ CO2(K) 
C(R) + O2(K) ⇒ 2CO(K) 
C(R) + CO2(K) ⇒ 2CO(K) 
- phản ứng sản xuất carbon disulfur : 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 64
C(R) + 2S(K) CS⎯⎯⎯⎯⎯ ÷ C1000750
0 →
♦ 
♦ 
2(K) 
- sản xuất cyanur natri từ Natri amid : 
NaNH2(L) + C(R) NaCN⎯⎯ →⎯ C800
0
(L) + H2(K) 
Hạt phản ứng 
một phần 
Hạt phản ứng 
hoàn toàn Hạt ban đầu 
 Hạt cuối cùng kích 
thước không đổi 
Thời gian Thời gian 
Hạt ban đầu 
Hạt co rút 
theo thời gian 
và cuối cùng 
biến mất 
 Thời gian Thời gian 
Tro hoặc sản phẩm 
khí làm hạt co rút 
Thời gian 
V.4.b Mô hình phản ứng 
Để thiết lập biểu thức vận tốc phản ứng rắn - lưu chất không có chất xúc tác, ta phải xác 
định rõ mô hình phản ứng xảy ra. Nếu đã chọn mô hình thì phải chấp nhận biểu thức vận 
tốc tương đương và ngược lại. 
Có 2 mô hình được lý tưởng hóa đơn giản là : 
• Mô hình chuyển hóa liên tục : tác chất khí (hoặc lỏng) xâm nhập vào các hạt chất 
rắn và phản ứng xảy ra ở khắp hạt rắn, liên tục với vận tốc khác nhau trong hạt rắn. 
Như vậy, tác chất rắn tham gia phản ứng liên tục trong toàn bộ hạt 
• Mô hình lỏi chưa chuyển hóa : tác chất khí ban đầu chỉ xâm nhập vào lớp vỏ ngoài 
của hạt rắn và phản ứng chỉ xảy ra ở lớp vỏ ngoài này. Vùng phản ứng sau đó tiến dần 
vào bên trong, bỏ lại ở bên ngoài lớp vật chất đã hoàn toàn chuyển hóa và những chất 
trơ (tro). Như vậy, tại thời điểm bất kỳ luôn luôn tồn tại lỏi vật chất chưa chuyển hóa 
có đường kính giảm dần theo thời gian phản ứng 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 65
Thời 
gian 
R O R N
ồn
g 
độ
 tá
c 
ch
ất
 rắ
n 
Nồng độ 
ban đầu 
R O R 
Thời 
gian 
R O R 
Độ p Độ chuyển hóa cao chuyển hóa thấ
Hình : Mô hình chuyển hóa liên tục 
Thực tế cho thấy : mô hình lỏi chưa chuyển hóa phản ánh được nhiều trường hợp của 
phản ứng lưu chất - rắn một cách khá trung thực (ta thường quan sát thấy một lớp tro bao 
bọc lỏi tác chất chưa phản ứng) ⇒ dùng mô hình này để thiết lập phương trình vận tốc và 
sau đó áp dụng vào thiết kế. Để thuận lợi, ta xét lưu thể xung quanh chất rắn là chất khí , 
với chất lỏng chứng minh hoàn toàn tương tự 
♦ 
Thời 
gian 
R O R N
ồn
g 
độ
 tá
c 
ch
ất
 rắ
n 
R O R 
Thời 
gian 
R O R 
Đ p ộ chuyển hóa thấ Độ chuyển hóa cao 
Tro Lõi chưa 
 phản ứng 
 Vùng 
 phản 
 ứng 
Hình : Mô hình lỏi chưa chuyển hóa 
V.4.c Vận tốc phản ứng theo mô hình lõi chưa chuyển hóa 
Mô hình bao gồm 5 giai đoạn xảy ra nối tiếp nhau : 
1- Tác chất khí A khuyếch tán qua lớp phim khí bao bọc xung quanh hạt rắn (lớp biên thuỷ 
lực) để đến bề mặt ngoài hạt rắn 
2- Tác chất khí A tiếp tục khuyếch tán qua lớp tro để đến bề mặt lõi chất rắn chưa phản ứng 
3- phản ứng giữa tác chất khí A và chất rắn xảy ra trên bề mặt lõi chất rắn chưa phản ứng 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 66
4- Các sản phẩm tạo thành ở thể khí sẽ khuyếch tán qua lớp tro để đến bề mặt ngoài hạt rắn 
5- Các sản phẩm tạo thành ở thể khí sẽ tiếp tục khuyếch tán qua lớp phim khí để nhập vào 
trong dòng khí 
Mô hình trên đây là mô hình tổng quát, có nhiều trường hợp sẽ thiếu một hoặc nhiều 
giai đoạn trên, chẳng hạn sản phẩm không sinh ra sản phẩm khí hoặc phản ứng không thuận 
nghịch thì giai đoạn 4 và 5 sẽ không tạo nên trở lực nào cho phản ứng. Ngoài ra, ta còn có thể 
đơn giản hóa mô hình bằng khái niệm giai đoạn kiểm soát vận tốc vì các giai đoạn xảy ra liên 
tiếp nhau và không nhất thiết trở lực của các giai đoạn trên đều có cùng độ lớn. 
Xét phản ứng một chiều : ( ) ( ) Saín pháøm→+ RK bBA
Để đơn giản việc phân tích mô hình lõi chưa chuyển hóa, ta xem hạt rắn là hạt đơn 
hình cầu và các giai đoạn thành phần có thể được xem như thuộc 3 dạng trở lực chính : 
- trở lực do khuyếch tán qua lớp phim khí 
- trở lực do khuyếch tán qua lớp tro 
- trở lực do phản ứng 
V.4.c.1 Giai đoạn khuyếch tán qua lớp phim khí là giai đoạn kiểm soát 
R rc 0 rc R 
CAr = CAc
CAK
N
ồn
g 
độ
 tá
c 
ch
ất
 k
hí
Bề mặt lõi 
chưa phản ứng 
Bề mặt hạt 
Lõi 
Tro
Lớp phim 
khí
Gọi : R - bán kính của hạt rắn ban đầu 
 rc - bán kính lõi chưa chuyển hóa 
 CAk, CAr, CAc - nồng độ tác chất A trong dòng khí, tại bề mặt hạt ban đầu và tại bề 
mặt lõi chưa chuyển hóa 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 67
Trong trường hợp này nồng độ của tác chất tại mặt giao tiếp giữa lớp phim khí và lớp tro luôn 
luôn bằng 0 : CAk - CAr = CAk = const tại mọi thời điểm 
Với phản ứng không thuận nghịch : CAr = CAc = 0 
Từ phương trình tỉ lượng, ta có : dNB = bdNA, nên biểu thức vận tốc có thể viết là : 
( )
( ) 1 kbkb kk constCCC
dt
dN
R4
b
dt
dN
R4
1
dt
dN
S
1r
AkArAk
A
2
B
2
B
0
B
==−=
⋅π−=⋅π−=⋅−=−
( )
Với : kk là hệ số truyền khối của A trong pha khí, m/s 
Nếu gọi ρB là khối lượng mol của B, ta được : 
 ( )2 .. ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ πρ=ρ= 3cBhBB r3
4VN 
Với Vh là thể tích của hạt rắn hình cầu. Lấy vi phân phương trình trên : 
 ( )3 c2cBhBAB drr4dVdNbdN πρ=ρ==
Thay (3) vào (1), ta được biểu thức vận tốc biểu diễn sự biến thiên của bán kính lõi chưa 
chuyển hóa theo thời gian : 
 ( ) ( )4 kb. k Akc2
2
cBc
2
cB
2
B
0
B Cdt
dr
R
r
dt
drr4
R4
1
dt
dN
S
1r =⋅ρ−=πρ⋅π−=⋅−=− 
Sắp xếp lại và lấy tích phân : 
 ∫∫ =ρ−
t
0
Akk
r
R
c
2
c2
B dtCkbdrr
R
c
Từ đó tính được thời gian cần thiết để đạt đến độ chuyển hóa nào đó : 
 ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−ρ=
3
c
Ak
B
R
r1
Ckb3
Rt 
Nếu gọi θ - thời gian để hạt rắn phản ứng hoàn toàn ⇔ rc = 0, ta có : 
Akk
B
Ckb3
Rρ=θ
3
c
R
r1t ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=θ⇒ 
Và gọi xB độ chuyển hóa của hạt rắn : 
3
c
3
3
c
B R
r
R
3
4
r
3
4
x1 ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛=
π
π
===−
 haûtcuía âáöuban Thãø têch 
ïachuyãøn ho chæa loîiThãø têch 
Do đó : B
3
c x
R
r1t =⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=θ 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 68
V.4.c.2 Giai đoạn khuyếch tán qua lớp tro là giai đoạn kiểm soát 
Trong trường hợp này, việc phân tích thiết lập phương trình vận tốc khá phức tạp vì lõi chưa 
chuyển hóa càng lúc càng co lại làm cho bề dày lớp tro càng ngày càng tăng thêm, nghĩa là 
trở lực của lớp tro tăng theo thời gian. Ta chia giai đoạn này thành 2 giai đoạn nhỏ : 
♦ Giai đoạn 1 : trong giai đoạn này, có thể xem kích thước lõi không đổi, trong khi A 
khuyếch tán qua lớp tro để vào bên trong. Điều này cũng hợp lý vì A có thể di chuyển 
qua lớp tro với vận tốc gấp cả ngàn lần vận tốc lõi co rút (tương ứng với tỉ số khối lượng 
riêng của chất rắn và chất khí). Do đó gradient nồng độ A qua lớp tro không đổi theo thời 
gian. Ở trạng thái ổn định này, vận tốc phản ứng sẽ tương ứng với vận tốc khuyếch tán 
qua bất kỳ mặt cầu nào của lớp tro. Aïp dụng định luật Fick II : 
( )5 .
dr
dCDr4
dt
dN A
Ae
2A π=− 
Trong đó, DAe là hệ số khuyếch tán của tác chất khí qua lớp tro, m2/s. Thường rất khó 
xác định giá trị của đại lượng này vì tính chất của lớp tro rất nhạy với các tạp chất không tinh 
khiết trong chất rắn và sự biến đổi môi trường xung quanh hạt. 
Lấy tích phân qua lớp tro với r biến thiên từ R đến rc : 
 ∫∫
=
=
π=−
0C
CC
AAe
r
R
2
A
Ac
ArAk
c
dCD4
r
dr
dt
dN . 
⇒ ( )6 . AkAe
c
A CD4
R
1
r
1
dt
dN π=⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −− 
Giai đoạn 2 : trong giai đoạn này, ta cho kích thước lõi chưa phản ứng thay đổi theo thời 
gian. Lõi càng lúc càng giảm dần kích thước trong khi đó bề dày của lớp tro tăng lên, làm 
giảm thông lượng khuyếch tán của A. Phương trình vận tốc bây giờ chứa 3 biến số : t, NA, 
rc, do đó phải khử bớt 1 biến theo 2 biến kia trước khi lấy tích phân. 
♦ 
Thay phương trình (3) vào (6), tách biến số và lấy tích phân ta được : 
 ∫∫ =⎟⎟⎠
⎞
⎜⎜⎝
⎛ −ρ− t
0
AkAe
r
R
c
2
c
c
B dtCDbdrrR
1
r
1c . 
Hay thời gian cần thiết để đạt đến độ chuyển hóa nào đó : 
 ⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎣
⎡
⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−ρ=
3
c
2
c
AkA
2
B
R
r2
R
r31
CDb6
Rt 
Thời gian θ để hạt rắn phản ứng hoàn toàn ⇔ rc = 0, ta có : ( )7 
AkA
2
B
CDb6
Rρ=θ 
3
c
2
c
R
r2
R
r31t ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛+⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛−=θ⇒ 
Hay tính theo độ chuyển hóa xB của hạt rắn : ( ) ( )B32B x12x131t −+−−=θ / 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 69
V.4.c.3 Giai đoạn phản ứng hóa học là giai đoạn kiểm soát 
Trong trường hợp này, phản ứng không chịu ảnh hưởng của lớp tro mà chỉ phụ thuộc vào bề 
mặt ngoài của lõi : . Do đó, biểu thức vận tốc phản ứng được cho bởi các phương 
trình (1), (2) và (3) : 
2
cc r4S π=
( )8 kb r AkA2
c
B
2
c
C
dt
dN
r4
b
dt
dN
r4
1 =⋅π−=⋅π− 
Với kr là hằng số vận tốc phản ứng bậc một xảy ra trên bề mặt lõi, s-1
Kết hợp (5) và (3), ta được : kb r AkcBc
2
cB
2
c
C
dt
dr
dt
drr4
r4
1 =⋅ρ−=πρ⋅π− 
Hay : ∫∫ =⋅ρ−
t
0
Akr
r
R
cB dtCkbdr
c
Suy ra, thời gian cần thiết để đạt đến độ chuyển hóa nào đó : ( )c
Akr
B rR
Ckb
t −ρ= 
Thời gian θ để hạt rắn phản ứng hoàn toàn ⇔ rc = 0, ta có : ( )9 
Akr
B
Ckb
Rρ=θ 
 ( ) 31Bc x11R
r
1t /−−=−=θ⇒ 
V.4.c.4 Biểu thức vận tốc trong trường hợp tổng quát 
Các trở lực trrên xảy ra nối tiếp nhau, do đó ta có thể kết hợp các trở lực này theo 2 cách : 
Thời gian cần thiết để đạt đến độ chuyển hóa nào đó là tổng thời gian cần thiết để vượt 
qua từng trở lực này : loîitttt trophim ++=Σ 
♦ 
Hay khi chuyển hóa hoàn toàn : loîiθ+θ+θ=θΣ trophim ♦ 
Kết hợp các trở lực riêng để cho biểu thức vận tốc tổng quát : 
( ) ( )
r
2
c
2
Aec
c
k
AA
0
A
kr
R
Dr
rRR
k
1
Cb
dt
dN
S
1r
+−+
−=⋅−=− 
♦ 
Hay ( ) ( )9 
rAe
cc
k
2
2
c
B
B
c
k
1
DR
rrR
kR
r
Cb
dt
dr
+−+
ρ=− 
Ta thấy rằng trở lực thay đổi theo rc nghĩa là theo sự tiến triển của phản ứng. Từ lúc hạt rắn 
bắt đầu phản ứng cho đến khi phản ứng hoàn toàn thì trở lực trung bình của 3 giai đoạn là : 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý 
 70
 ( )7 
rAer
A
Ar
A
0
k
3
D2
R
k
1
CCk
dt
dN
S
1
++
==⋅− 
Ví dụ : 
Nung quặng ZnS : 
1- Dưới dạng các hạt hình cầu đường kính 2 mm trong một dòng khí chứa 8% oxygen ở 
900oC. Phản ứng xảy ra theo phương trình sau : 
2ZnS + 3O2 ⇒ 2ZnO + 2SO2
giả sử phản ứng xảy ra theo mô hình lõi chưa chuyển hóa, tính thời gian cần thiết để chuyển 
hóa toàn bộ hạt 
2- Lặp lại quá trình tính toán trên với đường kính hạt là 0,2 mm 
Biết : - khối lượng riêng của hạt rắn : 4,13 kg/m3
- hằng số vận tốc phản ứng : kr = 2 cm/s 
- áp suất : 1 at 
- hệ số khuyếch tán : DAe = 0,08 cm2/s 
Kỹ thuật - Thiết bị phản ứng ThS. Lê thị Như Ý