BÁO CÁO KỸ THUẬT PHẢN ỨNG : HỆ THỐNG PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN ĐOẠN NHIỆT

Khảo sát sự biến đổi nhiệt độ phản ứng theo thời gian của phản ứng hyđrat hóa Anhydrit Axetic thành Axit Axetic trong thiết bị phản ứng đoạn nhiệt.Xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng.Khảo sát sự biến đổi nhiệt độ phản ứng theo sự thay đổi nồng độ xúc tác.

BÀI 3: HỆ THỐNG PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN ĐOẠN NHIỆT 3.1 Mục đích thí nghiệm

Khảo sát sự biến đổi nhiệt độ phản ứng theo thời gian của phản ứng hyđrat hóa Anhydrit Axetic thành Axit Axetic trong thiết bị phản ứng đoạn nhiệt

Xác định năng lượng hoạt hóa của phản ứng

Khảo sát sự biến đổi nhiệt độ phản ứng theo sự thay đổi nồng độ xúc tác

3.2 Cách tiến hành thí nghiệm

3.2.1 Chuẩn bị thí nghiệm

Nước tinh khiết

Dung dịch Axit sunfuric 0,5M

Dung dịch Anhydrit Axetic 99%

Dung dịch Axit Axetic 99,5%

3.2.2 Các bước tiến hành

Cho vào bình phản ứng 25ml Anhydrit Axetic và 60ml nước tinh khiết

Thêm 5ml Axit Axetic (nước và Anhydrit Axetic không hòa tan vào nhau nhưng

cả hai cùng hòa tan vào trong Axit Axetic)

Sau khi cho Axit Axetic vào bình phản ứng, dùng đũa khuấy nhanh hỗn hợp trong bình phản ứng khoảng 15 giây Đậy nắp bình phản ứng, đồng thời dùng đồng hồ bấm thời gian bắt đầu phản ứng Ghi nhiệt độ hỗn hợp trong bình phản ứng sau mỗi làn 30 giây cho đến khi nhiệt độ trong bình phản ứng không đổi

Ngay khi nhiệt độ phản ứng không đổi, thêm 5ml dung dịch Axit Sunfuric 0,5M làm xúc tác phản ứng Tiến hành tương tự như bước trên bằng cách thay đổi giá trị của xúc tác Axit Sunfuric từ 5ml đến 40ml mỗi bước tăng 5ml Theo dõi sự thay đổi nhiệt độ bên trong bình phản ứng, ghi dữ liệu nhiệt độ khi phản ứng không đổi

Rửa dụng cụ thí nghiệm sau khi kết thúc thí nghiệm

3.3 Bảng số liệu

Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm biến đổi nhiệt độ theo thời gian STT t(s) T(oC) STT t(s) T(oC) STT t(s) T(oC)

Bảng 3.2: Kết quả thí nghiệm nhiệt độ phản ứng theo nồng độ xúc tác

T(oC) 50.1 47.5 45.1 42.9 42.2 41.3 40.6 40.0

3.4 Xử lý số liệu

3.4.1 Công thức

a Phương trình cân bằng năng lượng và sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình phản ứng:

Năng lượng do dòng mang vào: mt.H0.∆t (J)

Năng lượng do dòng mang ra: mt.Hf ∆t (J)

Năng lượng trao đổi với môi trường bên ngoài: K.S.(Tn – Tf).∆ (J)

Phương trình cân bằng năng lượng được viết:

K.S.(Tn – Tf) = mt.Cp.∆T + ∆Hr.(-rA).V.∆t (J) Khi ∆t  0 thì ta được:

m t C P dT

dt =−∆ H r (−r A).V + K S (T n−T f)(J )

Trong điều kiện phản ứng gián đoạn đoạn nhiệt (hệ cô lập), khi đó K.S.(Tn– Tf).∆ 0, nghĩa là phương trình trên được biến đổi thành:

−∆ H r (−r A)=m t

V .C p dT

dt =ρ C P dT

dt

Trong đó:

mt: khối lượng của hỗn hợp phản ứng, kg

Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp phản ứng, J/kg.K

b Phản ứng hydrat hoá Anhydrit Acetic bằng nước:

Quá trình hydrat hoá Anhydrit Aceic bằng nước với chất xúc tác là Acid sulfuric:

(CH3CO)2O + H2O  2CH3COOH Nếu nồng độ của anhydrit acetic tại thời điểm bất kỳ là C, khi đó tốc độ phản ứng được xác định bằng:

r A=−dC

dt

Với điều kiện ban đầu tại  = 0 thì T = T0 Khi đó ta có:

−(C i−C i) (−∆ H )=ρ C P (T i−T o)

Xét phản ứng tổng quát bậc n, tốc độ phản ứng được mô tả theo phương trình Arrhenius như sau:

r A=k C n=A e−E / RT

.C n

Đặt β= ρ C P

−∆ H thì phương trình trên trở thành: Ci = C0 - .(Ti – T0)

Từ đó ta suy ra:

β dT

dt =A e

−E / RT

.[C0−β (T i−T0)]n

Khi phản ứng hoàn toàn thì T = T khi đó (C0 – 0) = .(T - T0)

Như vậy:  = C0/(T - T0), suy ra:

dT dt

T ∞−T0

C0 [C0−C0 T −T0

T ∞−T0]

n=A e−E / RT

Với phản ứng được xem như bậc 1 Khi đó tiến hành lấy logarit hai vế phương trình ta có:

ln| dT dt

T ∞−T0

C0 .[C0−C0 T −T0

T ∞−T0] |=ln|A|−( E

RT)

c Cách tính vi phân nhiệt độ theo thời gian:

Vị trí ban đầu:

dt )t o=

−3 To+4 T1−T2

2 ∆ t

Vị trí thứ i:

(dT

dt )t i=

(T i+1−T i−1)

2 ∆ t

Vị trí cuối:

¿

Chú ý: Hiệu khoảng cách thời gian trước sau phải bằng nhau, nghĩa là:

t = t1 – t0 = t2 – t1 = t3 – t2 = … = tc – tc-1

3.4.2 Tính mẫu

C o=C M=C % 10 d

M =99.

10.1,082

102 =10,507 M Trong đó:

C% = 99%, nồng độ phần trăm khối lượng

D = 1,082 (g/cm3), khối lượng riêng của Anhydrit Acetic 99%

M = 102 (g/mol), khối lượng phân tử của Anhydrit Acetic

T(K)15 = T(oC)15 + 273 = 45,3 + 273 = 318,3 K 1

T=

1 318,3=0,00314

1

K

(dT

dt )t15=

(T16−T14)

2 ∆ t =

319,1−317,5 2.30 =0,0267

B= T ∞−T0

C0 .[C0−C0 T −T0

T ∞−T0]

B=325,3−308,3

10,507 .[10,507−10,507.318,3−308,3

325,3−308,3]=7 K ln

(dT

dt )t15

0,0267

7 =5,57 Nồng độ chất xúc tác Axit Sunfuric:

C xt 5= C xt V xt 5

V xt 5+V(CH 3 CO)2 O+V H 2 O+V CH 3COOH=

0,5.25 10−3 (25+25+5+ 60) 10−3=0,109 M

3.5 Bảng kết quả

Bảng 3.3: Kết quả tính toán hiệu ứng nhiệt phản ứng

dT dt B

Bảng 3.4: Nhiệt độ phản ứng theo nồng độ xúc tác

Cxt (mol/l) 0.026 0.050 0.071 0.091 0.109 0.125 0.140 0.154 T(K) 323.1 320.5 318.1 315.9 315.2 314.3 313.6 313.0

3.6 Đồ thị

308 312 316 320 324 328

Đồ thị biến đổi nhiệt độ theo thời gian

T(K)

t(s)

Hình 3.2: Đồ thị biến đổi nhiệt độ theo thời gian

3 4 5 6 7 8

f(x) = 14642.7 x − 40.55 R² = 0.96

Đồ thị xác định -E/R và ln(A)

1/T

Hình 3.3: Đồ thị xác định –E/R và ln(A) Theo đồ thị trên thì lnA = -40,545  A = e-40,545 = 2,46.10-18 s-1

E = -14643.8,314 = -121741,902 J/mol

0.000 0.030 0.060 0.090 0.120 0.150 0.180 306

308

310

312

314

316

318

320

322

324

Đồ thị ảnh hưởng nồng độ xúc tác đến nhiệt độ phản ứng

mol/l

Hình 3.4: Đồ thị ảnh hưởng nồng độ xúc tác đến nhiệt độ phản ứng

3.7 Bàn luận

Theo đồ thị quan hệ giữa nhiệt độ phản ứng và thời gian, ta thấy rằng nhiệt độ của phản ứng tăng theo thời gian 1 cách tuyến tính => đây là phản ứng tỏa nhiệt

Đặc điểm của phản ứng đoạn nhiệt là trong quá trình phản ứng nhiệt trao đổi với môi trường bằng không (hoặc xấp xỉ không) Vì vậy nhiệt sinh ra trong quá trình phản ứng sẽ làm biến đổi nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng

Khi nồng độ xúc tác tăng thì nhiệt độ phản ứng giảm Do quá trình cung cấp nhiệt cho chất xúc tác và do trao đổi nhiệt với môi trường ngoài khi mở nắp thiết bị

Khi thực hiện phản ứng do quá trình lấy hóa chất chưa thật sự chính xác cũng như thiết bị phản ứng cách nhiệt chưa tốt nên dẫn đến sự sai số trong kết quả