Bài tập thực hành Kỹ thuật phản ứng

Bài tập thực hành Kỹ thuật phản ứng

BÀI TẬP THỰC HÀNH

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

BÀI 1: THỜI GIAN LƯU

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:

- Khảo sát thời gian lưu của hệ thống bình khuấy mắc nối tiếp theo mô hình dãy hộp

- Xác định hàm phân bố thời gian lưu thực với phổ thời gian lưu lý thuyết

- Tìm hiểu các cận của mô hình dãy hộp và thong số thống kê của mô hình thí nghiệm

II LÝ THUYẾT:

1 Thời gian lưu:

Định nghĩa: Thời gian lưu của một phần tử trong hệ là thời gian phần tử đó lưu lại trong bình phản ứng hay trong thiết bị phản ứng bất kì cần khảo sát

Những phần tử lưu chất khác nhau sẽ đi những quãng đường khác nhau trong thiết bị và mất những khoảng thời gian khác nhau Dựa trên các hàm phân bố thời gian lưu xác định, ta có thể đánh giá tương quan về dòng chuyển động trong thiết bị, các nhược điểm khi thiết kế như vùng chảy tù, chảy tắt, phân lớp…từ đó mà ta khắc phục nhược điểm của thiết bị

Dựa trên phổ thời gian lưu mà ta có thể vận hành tối ưu và qua đó thiết lập các thong số, phương pháp điều khiển cũng như tối ưu hóa trong thiết bị

Thời gian thu gọn t t t

V t

Các loại chất chỉ thị đánh dấu đối với môi trường lỏng có thể là: Dung dịch màu, các chất phóng xạ, các chất đồng vị phóng xạ ổn định, các hạt rắn phát sáng…

Các loại chất chỉ thị thích hợp ta có thể để nó vào hệ theo 2 kiểu:

- Tín hiệu ngẫu nhiên

- Tín hiệu xác định: tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn

- Để khảo cứu thiết bị, người ta dung loại tín hiệu xác định không tuần hoàn, loại tín hiệu này có thể được tạo ra nhờ:

 Đánh dấu bằng va chạm (tín hiệu xung)

 Đánh dáu bằng cách cho nhập liệu vào lien tục một lượng xác định (tín hiệu bậc)

 Đánh dấu bằng cách cho nhập liệu chiếm chỗ toàn bộ trong hệ

- Trong thí nghiệm này ta chọn loại đánh dấu bằng va chạm (xung)

- Loại đánh dấu này thường thích hợp với chất chỉ thị là chất màu

- Ta có thể biểu diễn hàm phân bố mật độ xác suất thời gian lưu:

*

( ) ( )

c Mô hình dãy hộp: Khi nối các bình khuấy trộn lý tưởng lai với nhau ta có mô hình dãy hộp Tổng quát với mô hình dãy hộp n bình mắc nối tiếp, ta có hàm phân

bố thời gian lưu lý thuyết (hàm đáp ứng) như sau:

Vẽ hàm đáp ứng Cn theo các giá trị n khác nhau, ta có được đồ thị Ta thấy rằng:

n = 1 phổ của hàm đáp ứng là phổ của bình khuấy lý tưởng

n   phổ của hàm đáp ứng là phổ của bình ống lý tưởng

Với :  : hệ số hấp thu mol (l/mol.cm)

b: chiều dài cuvet chứa mẫu (cm)

T0 (%) Đường kính (d) Chiều cao (h) Lưu lượng (Q)

Thực nghiệm: i

i

t t

n

C D C

2

4 (2 1)!

Mật độ quang ban đầu của mỗi hệ: 0n 0

D D

n

Với: n là số bình khuấy mắc nối tiếp

D0 là mật độ quang ban đầu đo được ở hệ một bình khuấy

2 So sánh TN và LT trong một hệ và các hệ với nhau:

Thời gian lưu thực nghiệm và lý thuyết trong hệ 1 bình và 2 bình có sự chênh lệch, nhưng xét toàn diện thì thời gian lưu lý thuyết và thực nghiệm gần tương đương nhau

3 Nguyên nhân dẫn đến sai số:

- Lưu lượng nước chảy qua các bình là không đồng đều, thể tích nước ta lấy vào trong các bình và trong các hệ là không đồng đều, không chính xác bằng nhau

- Cách lấy mẫu không chính xác, thời gian lấy mẫu không đồng đều

- Quá trình khuấy trộn không hoàn toàn

- Mức độ phân tán màu trong bình không đều nhau

- Chế độ dòng chảy không ổn định do sự xuất hiện của vũng tù và các dòng chảy tắt

- Bình khuấy không phải bình khuấy lý tưởng

- Sai số trong quá trình tính toán

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

1 Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng:

Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng được đặc trưng bằng quá trình khuấy trộn hoàn toàn, do đó hỗn hợp đồng nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các phần của thiết bị và giống dòng ra của sản phẩm Điều này có ý nghĩa là phân tố thể tích trong các phương trình cân bằng có thể lấy là thể tích V của toàn thiết bị Người ta giả thiết rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng, nồng độ của tác chất giảm một cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn thể tích của thiết bị và nồng độ dòng sản phẩm ra Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng độ của tác chất từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc

2 Phản ứng xà phòng hóa Etyl Axetat (CH3COOC2H5) bằng Natri Hydroxit (NaOH)

CH COOC H NaOH CH C Na C H OHPhản ứng có thể xem là có tổng số mol là không đổi và phản ứng bặc 1 theo Natri hydroxit và Etyl Axetat, tức là bậc tổng quát của phản ứng là bậc 2, phạm vi của thí nghiệm giới hạn nồng độ (0 – 0.1M) và nhiệt độ (200C – 400C)

Phản ứng tiến hành trong thiết bị khuấy trộn liên tục đạt cân bằng cuối cùng khi lượng chuyển hóa bằng lượng chất phản ứng xác định ban đầu

Điều kiện cân bằng phụ thuộc vào nồng độ của chất phản ứng, lưu lượng, thể tích thiết bị phản ứng và nhiệt độ phản ứng

Tốc độ phản ứng được xác định bằng cách đo lượng chất phản ứng chuyển hóa thành sản phẩm ứng với thời gian làm việc của thiết bị Để phản ứng có thể tiến hành thì các phân tử phải tiếp xúc và tương tác với nhau có hiệu quả Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào sự tầng suất va chạm và hiệu suất va chạm của các phân tử hợp chất phản ứng Hệ số này được đạt tối ưu khi tiến hành quá trình khuấy trộn hoàn toàn các chất phản ứng dùng bộ phận khuấy và tấm ngăn trong thiết bị phản ứng Khả năng khuấy trộn không tốt sẽ làm giảm tốc độ phản ứng

Dựa vào phương trình phản ứng, nếu nồng độ ban đầu của các chất bằng nhau (bằng a0) và độ chuyển hóa là (Xa) thì nồng độ các chất sau phản ứng được xác định:

3 Phương pháp xác định nồng độ qua độ dẫn điện

Độ dẫn điện của hỗn hợp phản ứng trong thiết bị phản ứng thay đổi theo độ chuyển hóa và điều đó cung cấp phương pháp hữu ích cho việc theo dõi quá trình phản ứng

Nồng độ dòng nhập liệu có thể tính toán như sau:

Nồng độ NaOH trong nhập liệu: 0 NaOH

0 1 1

2 XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ TÍNH TOÁN

Kiểm tra bơm 1(NaOH): 5 vòng/phút

50ml – t = 1p52s = 112s

50 0.4464( / ) 112

NaOH NaOH NaOH

0.85298

0.5714451.49267

CH C C H

(mS)

t NaOH C

(mol/l)

3 OONa

CH C C

(mol/l)

NaOH X

- Trên đồ thị ta thấy, hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng là k = 0.0072

- Phương trình tốc độ phản ứng của NaOH và CH3COOC2H5 theo dạng

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

1 Phản ứng hydrat hóa Anhydrit Axetic (CH3COO)2O bằng nước

Quá trình hydrat hóa Anhydrit Axetic bằng nước với chất xúc tác là Axit Sunfuruc được mô tả như sau:

CH C3 OO2OH O2  2CH C3 OOH

Phản ứng được xem như có phương trình động học của phản ứng bậc một vơí phương trình R=kCn nếu gần đúng bậc phản ứng của nước bằng 0 Thành phần proton Axit đạt hằng số trong suốt quá trình phản ứng và thực thế k là hằng số tốc

độ của phản ứng xúc tác bao gồm thành phần này cũng như bậc của phương trình Với bất kỳ hệ thống có dạng đặc trưng này thì giá trị nồng độ tức thời của Anhydrit Axetic có thể rút ra giữa phương trình cân bằng vật chất và phương trình cân bằng năng lượng thwo quan hệ tuyến tính (có thể xác địh ngay bằng phương pháp thống kê) Dùng phương trình này hoàn toàn có thể xác định được giá trị biến thiên nhiệt độ với thời gian lưu

Nếu nồng độ của Anhydrit Axetic tại một thời điểm bất kỳ là C, khi đó tốc độ phản ứng được xác định

dT

A e C T T dt

theo 1/T sẽ được đường thẳng có hệ số

góc là –E/R và tung độ giao điểm trục tung là ln(A)

III BÁO CÁO THÍ NGHIỆM:

Nhiệt độ T (0C)

Nhiệt độ T (0C)

2 TÍNH TOÁN VÀ XỬ LÝ KẾT QUẢ:

a Tính toán:

0

t t

T T dT

42.3 31.7

0.66760615.8776

ĐỒ THỊ:

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

III BÁO CÁO THÍ NGHIỆM:

1 BẢNG SỐ LIỆU:

STT Thời gian t

(s)

Vận tốc cánh khuấy (v/p)

Độ dẫn điện trong

 (mS)

Độ dẫn điện ngoài

NaOH

NaOH NaOH NaOH

0.923813

0.5714451.616626

(M)

3 2 5

0 OO

CH C C H C

(M)

3 OONa

trong

CH C C

(M)

3

ài OONa

(mol/l)

3 OONa

CH C C

(mol/l)

NaOH X

(%)

3 OONa

CH C C

1 0

BÀN LUẬN:

- Qua đồ thị độ chuyển hóa NaOH ta thấy độ chuyển hóa tăng dần (hay nồng

độ NaOH giảm dần), tăng đến một giá trị nào đó thì độ chuyển hóa tăng nhưng chậm dần và gần như là một đường thẳng

-

BÀI: HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC

1 Mục đích thí nghiệm

 Xác định hằng số tốc độ phản ứng trong thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục

 Xác định sự ảnh hưởng của khả năng khuấy trộn đến tốc độ phản ứng

 Đánh giá hoạt động của thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục theo thời gian

2 Cơ sở lý thuyết

2.1 xác định nồng độ qua độ dẫn điện

Dựa theo phương trình phản ứng giữa NaOH và Etyl Axetat, nếu nồng độ ban đầu của các chất bằng nhau(bằng ao) và độ chuyển hóa là (Xa) thì nồng độ các chất sau phản ứng sẽ được xác định như sau:

NaOH + CH3COOC2H5 → CH3COONa + C2H5OH (ao – Xa) (ao – Xa) (Xa) (Xa)

Độ dẫn điện của hỗn hợp phản ứng trong thiết bị phản ứng thay đổi theo độ chuyển hóa và điều đó cung cấp phương pháp hữu ích cho việc theo dõi quá trình phản ứng Nồng độ dòng nhập liệu có thể tính toán như sau:

 Nồng độ NaOH trong nhập liệu : ao = a

a = 0,195.{1+ 0,0148.(T – 294)}a cho T  294 Lúc này :

a = 0 nếu ao < bo hoặc

a = (ao - bo) nếu ao  bo

Vì vậy

1 0 o

o o

o

a a X

N (rpm)

T (0C)

V (lit)

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Thiết bị phản ứng khuấy trộn ổn định

a Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng

Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng được đặc trưng bằng quá trình khuấy trộn hoàn toàn, do đó hỗn hợp phản ứng đồng nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các phần của thiết bị và giống dòng ra của sản phẩm.Điều này có ý nghĩa là phân tố thể tích V trong các phương trình cân bằng có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết bị

Người ta giả thuyết rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng, nồng độ của tác chất giảm một cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn thể tích của thiết bị và nồng độ của dòng sản phẩm ra Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng

độ của tác chất từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc như sau:

b Thiết bị phản ứng khuấy trộn gián đoạn

 Cân bằng vật chất

Đặc điểm :

- Trong quá trình hoạt động gián đoạn không có dòng vào và dòng ra

- Các tính chất của hỗn hợp phản ứng sẽ thay đổi: nồng độ của tác chất giảm dần và độ chuyển hóa tăng dần theo thời gian

Vì vậy, trong phương trình cân bằng vật chất:

- Hai số hạng đầu tiên bằng không

- Lượng chất tham gia phản ứng trong khoảng thời gian t là (–rA).V t

- Gọi NA là số mol A tích lũy trong hỗn hợp phản ứng trong khoảng thời gian t

Vậy phương trình cân bằng vật chất được viết là:

-(–rA).V Δt = ΔNA

Chia cả 2 vế cho t và lấy giới hạn khi Δt  0

V = const

 Cân bằng năng lượng

- Hai số hạng đầu của phương trình bằng không

- Nhiệt trao đổi với môi trường bên ngoài K.S.(Tn – Tf) Δt

- Nhiệt tích tụ trong hỗn hợp phản ứng được biểu diễn bằng sự biến đổi năng lượng theo thời gian do sự biến đổi thành phần và nhiệt độ của hỗn hợp

- Nhiệt tích tụ từ sự biến đổi thành phần là do nhiệt phản ứng ΔHr.(-rA).V.Δt và nhiệt tích tụ từ sự biến đổi nhiệt độ ΔT (trong khoảng thời gian Δt) là m.Cp.ΔT

Vậy phương trình cân bằng năng lượng được viết

K.S.(Tn – Tf) = mt.Cp.ΔT + ΔHr.(-rA).V.Δt

Trong đó m: khối lượng của hỗn hợp phản ứng, kg

Cp: nhiệt dung riêng của hỗn hợp phản ứng, j/kg.0C

Khi Δt  0 thì ta được :

2.2 Phản ứng xà phòng hóa Etyl Axetat (CH 3 COOC 2 H 5 ) bằng Natri Hyđrôxit (NaOH)

NaOH + CH3COOC2H5  CH3COONa + C2H5OH

Natri Hyđrôxit + Etyl Axetat  Natri Axetat + Etanol

Phản ứng có thể xem như có tổng số mol là không đổi và phản ứng bậc 1 theo Natri Hyđrôxit và Etyl Axetat , tức là bậc tổng quát của phản ứng là bậc 2, phạm vi của thí nghiệm giới hạn nồng độ (0 – 0,1M) và nhiệt độ (200C – 400C)

Phản ứng tiến hành trong thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục đạt cân bằng cuối cùng khi lượng chuyển hóa bằng lượng chất phản ứng xác định ban đầu

Điều kiện cân bằng phụ thuộc vào nồng độ của chất phản ứng, lưu lượng, thể tích thiết bị phản ứng và nhiệt độ phản ứng

Tốc độ phản ứng được xác định bằng cách đo lượng chất phản ứng chuyển hóa thành sản phẩm ứng với thời gian làm việc của thiết bị Để phản ứng có thể tiến hành thì các phân tử phải tiếp xúc và tương tác với nhau có hiệu quả Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tầng suất va chạm và hiệu quả va chạm của các phân tử hợp chất phản ứng Hệ số này đạt được tối ưu khi tiến hành quá trình khuấy trộn hoàn toàn các chất phản ứng dùng bộ phận khuấy và tấm ngăn trong thiết bị phản ứng Khả nămg khuấy trộn không tốt sẽ làm giảm tốc độ phản ứng

Dựa theo phương trình phản ứng giữa NaOH và Etyl Axetat, nếu nồng độ ban đầu các chất bằng nhau (bằng a0) và độ chuyển hóa là (Xa) thì nồng độ các chất sau phản ứng sẽ được xác định như sau:

NaOH + CH3COOC2H5  CH3COONa + C2H5OH

(ao – XA) (ao – XA) (Xa) (Xa)

Từ việc phân tích phương trình động học cho phản ứng bậc 2, ta có được

Ở đây k là hằng số tốc độ phản ứng và t là thời gian phản ứng

X = a0 – a1

Thay X vào phương trình trên, ta có

Sau đó vẽ theo t và xác định hệ số góc của đường thẳng k

Nồng độ X có thể được tính toán từ kết quả đo độ dẫn điện

Phản ứng tiến hành trong thiết bị khuấy trộn gián đoạn từ lúc bắt đầu đến lúc hoàn tất

Kết quả đo độ dẫn điện của hỗn hợp trong thiết bị phản ứng thay đổi theo độ chuyển hóa và phương pháp khảo sát quá trình phản ứng thích hợp

Trong quá thình phản ứng đồng thể, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ các chất phản ứng Theo lý thuyết va chạm mô tả tốc độ quá trình tăng lên nếu thành phần một hoặc cả hai chất phản ứng được tăng lên Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của nồng độ đặc trưng thay đổi trong hệ thống phản ứng phải được xác định bằng phương pháp thực nghiệm Việc tăng thành phần chất A so với chất B có thể làm tăng, giảm tốc độ phản ứng hoặc không ảnh hưởng – tùy theo từng loại phản ứng cụ thể Quan trọng là chấp nhận rằng phương trình cân bằng của chuỗi phản ứng không

mô tả tốc độ phản ứng ảnh hưởng thế nào bởi sự thay đổi nồng độ chất phản ứng

n, m = bậc tương ứng (dựa vào thực nghiệm)

Vẽ đồ thị log của tốc độ phản ứng theo các mức nồng độ sẽ xác định được hệ số góc của phương trình đường thẳng suy ra bậc phản ứng yêu cầu

2.3 Phương pháp xác định nồng độ qua độ dẫn điện

Độ dẫn điện của hỗn hợp phản ứng trong thiết bị phản ứng thay đổi theo độ chuyển hóa và điều đó cung cấp phương pháp hữu ích cho việc theo dõi quá trình phản ứng

Nồng độ dòng nhập liệu có thể được tính toán như sau:

Nồng độ NaOH trong nhập liệu:

Nồng độ CH3COOC2H5 trong nhập liệu:

Ở đó:

V = thể tích dung dịch NaOH sử dụng

Nồng độ Natri Axetat cuối cùng trong thiết bị phản ứng tại điều kiện phản ứng hoàn toàn được xác định

Lúc này

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM

Bảng 1: Kết quả thí nghiệm với điều kiện cách khấy 4 vòng/phút

 (%)

Đường thẳng nội suy

Vậy hệ số góc của đường thẳng là: 0,3252 => k = 0,3252

Vậy phương trình vận tốc phản ứng của NaOH và CH3COOC2H5 là:

 (%)

Vậy hệ số góc của đường thẳng là: 0,432 => k = 0,432

Vậy phương trình vận tốc phản ứng của NaOH và CH3COOC2H5 là: