Báo cáo mô tả cách xác định thành phần hỗn hợp cân bằng của nbutane, 1butene, và 1,3 butadiene tại áp suất 1 bar với nhiệt độ thay đổi 800K 1000K với các phép tính khác nhau cụ thể từ trên xuống dưới, giúp các bạn học sinh cao học và nghiên cứu sinh đang học tập môn Hóa lý nâng cao có tài liệu tham khảo hữu ích (có phần tính toán, các bạn mua thì email về địa chỉ ctnew2013@gmail.com để mình gửi file cho các bạn). Hân hạnh!
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐHQG TP HCM
KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC
BÀI TẬP LỚN
NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC
XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HỖN HỢP CÂN BẰNG CỦA N-BUTANE, 1-BUTENE VÀ 1,3-BUTADIENE TẠI
ÁP SUẤT 1 BAR VỚI NHIỆT ĐỘ THAY ĐỒI TỪ 800K-1000K
Người thực hiện:
1 Nguyễn Văn Tú MSHV: 51305919
2 Trần Văn Trí MSHV: 13050199
3 Phan Doãn Kim Long MSHV: 13050190
GVHD: TS Nguyễn Quang Long
Trang 2Đề bài
Dưới tác dụng của xúc tác, n-butane phản ứng dehdro hóa tạo 1- butene, nhưng sau đó 1-butene có thể dehydro hóa tạo 1,3 butadiene Hãy xác định thành phần hỗn hợp cân bằng của n-butane, 1-butene, và 1,3 butadiene tại áp suất 1 bar với nhiệt độ thay đổi 800K - 1000K
Giải:
Phương trình phản ứng:
CH 3
H 3 C H
2 C
CH 3
+ H2
K1
H 2 C
CH 3
H 2 C
CH 2
+ H2
K2
(1) (2)
Trang 3Tra sổ tay hóa lý, ta có các thông số sau:
Thông số n-butane 1-butene 1,3-butandiene H 2
∆H 0
298 (kcal/mol) - 29,812 0,28 26,75 0
∆G 0
298 (kcal/mol) - 3,754 17,22 36,73 0
C 0
p,298 (cal/mol.K) 23,65 21,35 19,08 6,89
S 0
298
(cal/mol.K) 74.10 73.48 66.87 31.211
Tính toán các giá trị nhiệt động cho các phản ứng (1) và (2) (file excel kèm theo) theo các công thức sau:
Trang 41 Tính toán các thông số cơ bản
* Với phản ứng (1)
∆H0
298,(1) = ∆H0
298,butene + ∆H0
298,hydro - ∆H0
298,butane = 30.092 (kcal/mol)
∆C0
p,298,PƯ = C0
p,298,butene + C0
p,298,hydro - C0
p,298,butane = 4.590 (cal/mol.K)
∆S0
298,PƯ = S0
298,butene + S0
298,hydro - S0
298,butane = 30.591 (cal/mol.K)
∆H0
800,(1) = ∆H0
298,(1) + ∆C0
p,298 (800 - 298) 10-3 = 32.396 (kcal/mol)
∆S0
800,(1) = ∆S0
298 + ∆C0
p,298 ln(800:298) 10-3 = 35.124 (cal/mol.K)
∆G0
800,(1) = ∆H0
800,(1) - 800 ∆S0
800,(1) 10-3 = 4.297 (kcal/mol)
Sau đó, tính các giá trị ∆G 0
T ở các nhiệt độ trong khoảng từ 800 - 1000K, theo phương trình Gibbs-Helmholtz (coi trong khoảng nhiệt độ biến thiên hẹp từ
800 - 1000K, ∆H = const = ∆H0
800):
∆ G T2
T2 =
∆ G T1
T1 +∆ H (
1
T2−
1
T1)
Trang 5Và tính K p theo phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff (phản ứng xảy ra ở áp suất thấp P = 1 bar, xem Ka = Kp)
ln K p=−∆ G T0
RT
Với T1 = 298K, T2 là nhiệt độ biến thiên từ 800 - 1000K ,
và R = 1.987 (cal/mol.K)
Ta có các giá trị ∆G 0
T và K p,T theo nhiệt độ như trong bảng tính trên file
excel (sheet “số liệu tính toán”).
* Với phản ứng (2)
Ta tính tương tự như đối với phản ứng (1), ta cũng có các giá trị ∆G 0
T và
K p,T như trong bảng tính trên file excel (sheet “số liệu tính toán”).
2 Tính toán cho hệ cân bằng hóa học nhiều phản ứng
2.1 Gọi x, y, z, t lần lượt là số mol của n-butane, 1-butene, 1,3-butadien
và H 2 trong hệ lúc cân bằng.
Suy ra: tổng số mol lúc cân bằng là: ∑n = x + y+ z + t (mol)
Ta có các phương trình sau:
K p ,(1)=K n ,(1) .( ∑P n)∆ n=K n ,(1) .( ∑P n)= y t
x (x + y + z +t) (*)
K p ,(2)=K n ,(2) .( ∑P n)∆ n=K n ,(2) .( ∑P n)= z t
(P = 1 bar và ∆n = 1) Với Kp,(1) và Kp,(2) tính được từ bảng trên
Trang 62.2 Tính cân bằng vật chất cho các nguyên tử cacbon và hydro trong phản ứng trên:
Với ban đầu có 1 mol n-butane (C4H10) tham gia
Lúc cân bằng có:
x mol n-butane (C4H10)
y mol n-butene (C4H8)
z mol n-butadien (C4H6)
t mol H2
- Phương trình cân bằng vật chất đối với nguyên tử cacbon:
1 x 4 = 4x + 4y + 4z (***)
- Phương trình cân bằng vật chất đối với nguyên tử hydro:
1 x 10 = 10x + 8y + 6z + 2t (****)
2.3 Từ các phương trình (*), (**), (***), (****), ta có hệ gồm phương trình tổng quát như sau:
y t x(x + y +z +t)=K p ,(1)
z t
y (x+ y+ z+t )=K p ,(2 )
x + y + z = 1 5x + 4y + 3z + t = 5
Trang 7Bằng phương pháp thế các số hạng ta có phương trình quan hệ như sau:
phụ thuộc ẩn x, ta có quan hệ sau:
y=(1−x )+√ ¿ ¿ ¿
Thế vào (4), ta được phương trình 1 ẩn với biến số x như sau:
F ( x )=K p ,2 .[(1−x )+√Ax2−2 Ax+1]2+Bx[(1−x )+√Ax2−2 Ax+1]+C(K p , 1 x2−K p ,1 x)=0
Với A, B, C là các hằng số:
A = Kp,1.Kp,2 + Kp,1 + 1
B = Kp,1 (1 + Kp,2)
C = (1 + Kp,2)2
(1 + K p,2 )y 2 + 2(x-1)y + (2K p,1 x - K p,1 x 2 ) = 0 (3)
K p,2 y 2 + K p,1 x.y + (K p,1 x 2 - K p,1 x) = 0 (4)
Trang 8Giải phương trình trên sử dụng Solver ta được các giá trị x, y, z, t và tính
được phần mol các chất như trong bảng tính trên file excel (phần tính toán ở
trang dưới).
Dựng đồ thị biểu diễn biến thiên số mol và phần mol trong hỗn hợp của n-butane, 1-butene, 1,2-butadien và H2 theo nhiệt độ trong khoảng từ 800 - 1000
K, ta có đồ thị và nhận xét như trên file excel (phần tính toán ở trang dưới).
Trang 9
-© -800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Đồ thị biểu diễn số mol thành phần hỗn hợp khí lúc cân bằng theo nhiệt độ
Số mol butane lúc CB
x (mol)
Số mol 1-butene lúc CB
y (mol)
Số mol 1,3-butadiene lúc CB
z (mol)
Số mol H2 lúc CB
t (mol)
NHIỆT ĐỘ (K)
SỐ MOL
9
Trang 100.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Đồ thị biểu diễn số mol thành phần hỗn hợp khí lúc cân bằng theo nhiệt độ
Số mol butane lúc CB
x (mol)
Số mol 1-butene lúc CB
y (mol)
Số mol 1,3-butadiene lúc CB
z (mol)
Số mol H2 lúc CB
t (mol)
NHIỆT ĐỘ (K)
SỐ MOL
10
Trang 11800 820 840 860 880 900 920 940 960 980 1000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Đồ thị biểu diễn số mol thành phần hỗn hợp khí lúc cân bằng theo nhiệt độ
Số mol butane lúc CB
x (mol)
Số mol 1-butene lúc CB
y (mol)
Số mol 1,3-butadiene lúc CB
z (mol)
Số mol H2 lúc CB
t (mol)
NHIỆT ĐỘ (K)
SỐ MOL
11
Trang 120.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Đồ thị biểu diễn số mol thành phần hỗn hợp khí lúc cân bằng theo nhiệt độ
Số mol butane lúc CB
x (mol)
Số mol 1-butene lúc CB
y (mol)
Số mol 1,3-butadiene lúc CB
z (mol)
Số mol H2 lúc CB
t (mol)
SỐ MOL
12
