Bài báo cáo thực hành kỹ thuật phản ứng

Thời gian lưu: Định nghĩa: Thời gian lưu của một phần tử trong hệ là thời gian phần tử đó lưulại trong bình phản ứng hay trong thiết bị phản ứng bất kì cần khảo sát.. Bình khuấy lý tưởng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TPHCM VIỆN CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM-SINH HỌC

  

TP Hồ Chí Minh, Tháng 12, năm 2010

MỤC LỤC

BÀI 1: THỜI GIAN LƯU BÀI 2: HỆ THỐNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN VỚI ĐIỀU KIỆN ĐOẠN NHIỆT BÀI 3: HỆ THỐNG THIẾT BỊ PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN LIÊN TỤC BÀI 4: HỆ THỐNG PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN VỚI ĐIỀU KIỆN ĐẲNG NHIỆT

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 dãyhộp

- 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 thínghiệm

II LÝ THUYẾT:

1 Thời gian lưu:

Định nghĩa: Thời gian lưu của một phần tử trong hệ là thời gian phần tử đó lưulại 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 trongthiết bị và mất những khoảng thời gian khác nhau Dựa trên các hàm phân bố thờigian 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 khắcphục nhược điểm của thiết bị

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

Thời gian thu gọn t t t

V t

V là lưu lượng của dòng lưu chất vào thiết bị phản ứng

2 Các phương pháp đánh dấu:

Để đo thời gian lưu, mà trong thời gian đó một phần tử xác định lưu lại trongmột hệ dòng chảy, người ta phải phân biệt nó với các phần tử khác bằng cách đánhdấu Các phần tử đánh dấu phải có đặc điểm là không được ảnh hưởng và khác biệtvới các phẫn tử tạo nên tương quan trong hệ

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 (tínhiệu 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:

*

( )( )

a Bình khuấy lý tưởng: có tính chất là quá trình khuấy trộn là hoàn toàn do đó

hỗn hợp đồng nhất trong tất cả các phần của thiết bị và giống với dòng ra Điều này

có ý nghĩa là phân tố thể tích trong các phương trình liên quan có thể được lấy là thểtích V của toàn thiết bị phản ứng

b Bình ống lý tưởng: Có tính chất của dòng chảy thay đổi theo phương dọc trục

(từ đầu vào đến đầu ra) chỉ do quá trình phản ứng Các điểm trên cùng một tiết diệnvuông góc với phương dọc trục đều có cùng một tính chất

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)

1

1

k

i i

k

i i i

D

t D

Đối với hệ hai bình:  

4473.1298

1

1

k

i i

k

i

i i

D

t D

2 2

h d

Nên

1710 1000

52202 1187

04405 2375

4 (2 1)!

Với: n là số bình khuấy mắc nối tiếp

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

1

1

k i i

k i

i i

D

t D

Thời gian lưu rút gọn thực nghiệm: i

i

t t

  với i = 1…K

064 , 490

52202 1187

Nên ta có bảng kết quả tính toán cho hệ một bình như sau:

D0 Đường kính (d) Chiều cao (h) Lưu lượng

(Q)

Lý thuyết

HỆ HAI BÌNH:

Ví dụ tính toán hệ 2 bình: Tính Tương tự như thí nghiệm hệ 1 bình

Nên ta có bảng kết quả tính toán cho hệ 2 bình như sau:

ĐỒ THỊ KHẢO SÁT ĐƯỜNG VÀ HỆ 2 BÌNH

Thực nghiệm

Lý thuyết

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 chênhlệch, nhưng xét toàn diện thì thời gian lưu lý thuyết và thực nghiệm gần tươngđương nhau

3 Nguyên nhân dẫn đến sai số:

- 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 dòngchảy tắt

- Bình khuấy không phải bình khuấy lý tưởng.

BÀI 2: HỆ THỐNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN

VỚI ĐIỀU KIỆN ĐOẠN NHIỆT

I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:

Mô tả sự ảnh hưởng của tốc độ phản ứng hydrat hóa Anhydrit Axetic thànhAxit Axetic trong thiết bị phản ứng đoạn nhiệt

II CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

1 Phản ứng hydrat hóa Anhydrit Axetic (CH 3 COO) 2 O bằng nước:

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

CH C3 OO2O H O 2  2CH C3 OOH

Phản ứng được xem như có phương trình động học của phản ứng bậc một vơíphương trình R=kCn nếu gần đúng bậc phản ứng của nước bằng 0 Thành phầnproton 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 củaAnhydrit Axetic có thể rút ra giữa phương trình cân bằng vật chất và phương trìnhcân bằng năng lượng thwo quan hệ tuyến tính (có thể xác địh ngay bằng phươngpháp thống kê) Dùng phương trình này hoàn toàn có thể xác định được giá trịbiến thiên nhiệt độ với thời gian lưu

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

dC R dt



Với C = C0 khi t=0 Nhiệt tổng quát của phản ứng là:

Tiến hành lấy logarit hai vế phương trình, ta có:

theo 1/T sẽ được đường thẳng có hệ số

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

I Kết quả thí nghiệm 1

Ban đầu 15ml ANHIDRIT axetic + 40ml H2O sau đó

thêm 40ml Axit axetic => khuấy

20ml +5 ml H2SO4

25ml +5 ml H2SO4

30ml +5 ml H2SO4 40 ml +5 ml H2SO4 45 ml +5 ml H2SO4

05 1 10

% 5 98 10

o O

O

T T

T T C C C

30

9776 15 9776 15 9776 15 30

ở thời gian 60s nhiệt độ 30,2 thế vào công thức ta có

30 2 , 30 9776 15 9776 15

30

9776.159776.15.9776.15

3040

1 2

T dt

T T Ln

T T

T T C C C

T

T

dt dT

o

o o

o o

30 2 , 30 9776 15 9776 15 9776 15

30 40

30

30 2 , 30

.

T T

T T C C C

T

T

dt dT

o

o o

o o

O

T T

T T C C C

T T

.

o

T T

T T C C C

T T

dt dT

ln

STT Thể tích Nhiệt độ

Số mol H2SO4 ban đầu

V tổng

Nồng độ H2SO4 lúc sau

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ và thời gian

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nhiệt độ phản ứng và nồng

C( xuc tác)

Bàn luận:

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

Do nồng độ của hỗn hợp thay đổi khi thêm dung dịch Axit Sunfuric

- Giả thiết cơ chế và từ đó viết được phương trình vận tốc ở nhiệt độ

không đổi

A A

dC

dt

- Từ đường cong thực nghiệm nồng độ - thời gian ta xác định –(dCA/dt)

tại những thời điểm khác nhau

- Tại những thời điểm đã chọn lập bảng giá trị nồng độ của tác chất và sản phẩm khác nhau, –(dCA/dt), từ đó xác định hàm số f(C)

- Vẽ –(dCA/dt) theo f(C), nếu được đường thẳng thì phương trình vận tốc ban đầu phù hợp với thực nghiệm.

- Nếu không được đường thẳng qua gốc tọa độ, giả thiết lại cơ chế khác.

- Trong quá trình tiến hành thí nghiệm nhiệt độ môi trường thay đổi

NaOH + CH3COOC2H5 → CH3COONa + C2H5OH

Thời gian bơm đầy bình phản ứng:

=> VCH3C00C2H5 = Q x t = 9,4339x10-4 x 867 = 892,8171 ml = 0,81836(lít)

=> QCH3COOC2H5

V t

50 53

ai= (a - a0)   0 , 045471

0,003999 010179

, 0

0,010179

45471 0 0

0 0

, 0

0,010179

45471 0

0 1 0

, 0

006185 ,

0 0,010179

045471

006185 ,

0 0,010179

0

045471 ,

a

a a

0

045471 ,

0

9 0,01608407 045471

, 0

=0,646278317

Độ chuyển hóa CH3COONa

Trung bình (mS)

C NaOH (M)

C CH3COONa (M)

X NaOH (%)

X CH3COONa (%)

79

0,029386921

0,737853316

0,642899177

36

0,030895264

0,775725106

0,675897256

03

0,031115997

0,781267319

0,680726244

94

0,032072506

0,805283577

0,701651855

17

0,032808283

0,823757621

0,71774848

5

0,03225645

0,809902088

0,705676011

72

0,032330028

0,811749492

0,707285674

83

0,032366817

0,812673194

0,708090505

27

0,032182873

0,808054683

0,704066349

61

0,032293239

0,81082579

0,706480843

83

0,032366817

0,812673194

0,708090505

12 1,1988 1320 6,79 0,0205355 0,0249354 0,6260853 0,545514

28 72 5 599

06

0,032771494

0,822833918

0,716943649

04

0,031778196

0,797893959

0,695213206

61

0,032624339

0,81913911

0,713724324

A

A Af

X M X

C

X X

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa độ chuyển hóa và thời gian

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 trộnhoàn toàn, do đó hỗn hợp đồng nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các phầncủa thiết bị và giống dòng ra của sản phẩm Điều này có ý nghĩa là phân tố thể tíchtrong 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 chấtgiảm một cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn thể tích củathiết bị và nồng độ dòng sản phẩm ra Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng độ củatác chất từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc

2 Phản ứng xà phòng hóa Etyl Axetat (CH 3 COOC 2 H 5 ) 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 theoNatri hydroxit và Etyl Axetat, tức là bậc tổng quát của phản ứng là bậc 2, phạm vicủa 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 cùngkhi 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, thểtích thiết bị phản ứng và nhiệt độ phản ứng

Tốc độ phản ứng được xác định bằng cách đo lượng chất phản ứng chuyển hóathành sản phẩm ứng với thời gian làm việc của thiết bị Để phản ứng có thể tiếnhành thì các phân tử phải tiếp xúc và tương tác với nhau có hiệu quả Tốc độ phảnứng phụ thuộc vào sự tầng suất va chạm và hiệu suất va chạm của các phân tử hợpchất phản ứng Hệ số này được đạt tối ưu khi tiến hành quá trình khuấy trộn hoàntoàn 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:

 theo t và xác định hệ số góc của đường thẳng k

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

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 độchuyển hóa và điều đó cung cấp phương pháp hữu ích cho việc theo dõi quá trìnhphản ứng

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

Nồng độ NaOH trong nhập liệu: NaOH0 NaOH NaOH

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM:

1 Số liệu thí nghiệm:

STT

Thời gian t(s)

a a

C NaOH (M)

C CH3COONa (M)

X NaOH (%)

X CH3COONa (%)

i

a a

a a

Vậy ta có được bảng số liệu sau đây:

Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa nồng độ và thời gian

Dựa vào đồ thị nên ta suy ra hằng số tốc độ phản ứng K = 118,36

3 2 5

118,36. NAOH. CH COOC H

Bàn luận:

 Cơ sở phương pháp xử lý dữ kiện động học

Phương pháp tích phân để xử lý số liệu

Bước 1: Giả thiết cơ chế và phương trình vận tốc tương ứng

( )

A A

 Sự ảnh hưởng của nhiệt độ phản ứng đến giá trị hằng số tốc độ:

Sự biến đổi nhiệt độ làm cho hằng số tốc độ thay đổi theo Giảm nhiệt độ làm cho vận tốc phản ứng giảm

 Sự biến đổi hằng số tốc độ khi thay đổi nồng độ ban đầu của tác chất: trong quá trình tiến hành thí nghiệm, tốc độ phản ứng tùy thuộc vào nồng độ các chất phản ứng Theo lý thuyết va chạm mô tả tốc độ quá trình tăng lên nếu thành phần 1 hoặc cả hai chất phản ứng được tăng lên Việc tăng thành phần các chất

có thể làm tăng hoặc giảm tốc độ phản ứng tùy theo từng loại phản ứng cụ thể

 Các sai số chính trong quá trình tiến hành thí nghiệm và nguyên nhân sai số

- Khả năng khuấy trộn không đồng đều

-Thành phần các chất thay đổi khi thêm vào

-Nhiệt độ môi trường thay đổi