TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC BỘ MÔN MÁY THIẾT BỊ ĐỀ THI: KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Học kỳ II năm học 2014 -2015. Ngày thi: 31/5/2015 Thời gian làm bài; 90 phút. Cho sử dụng tài liệu Người đề: Vũ Bá Minh 1) Cho phản ứng nối tiếp A → R → S với R sản phẩm có số vận tốc k1 = 10h-1, k2 = 1h-1. Xác định thời gian phản ứng trung bình, thể tích bình phản ứng khuấy trộn họat động liên tục, nồng độ chất dòng với lưu lượng nhập liệu 1.000 lít/h, nồng độ tác chất ban đầu A 2,8 mol/lít. 2) Cho phản ứng A → R + S xảy pha khí đồng thể, đẳng nhiệt 400K bình kín tích không đổi. Cho biết phương trình vận tốc phản ứng (-rA) = (0,2 lít/mol.h) CA2 ; mol/lít.h với CA nồng độ tác chất, mol/ lít Hãy biểu diễn phương trình vận tốc hỗn hợp phản ứng với giá trị hệ số єA hai trường hợp sau: a) Nhập liệu ban đầu A nguyên chất b) Nhập liệu ban đầu có chứa 20% khí trơ. 3) Cho phản ứng sau: A+B → R+S+T Đây phản ứng sơ đẳng với số vän tốc phản ứng k = 5,2 l/mol.h 82 0C. Trên sở số liệu ta xây dựng thiết bị sản xuất thử để xác định tính khả thi việc sản xuất R từ dòng nhäp liệu có sẵn sau : dung dịch 20% khối lượng A nước dung dịch 20% khối lượng B nước. Tìm thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gíán đọan đạt suất trung bình 50kg R/h với tỉ lệ nồng độ ban đầu tác chất CA0 = CB0? Gỉả sử thời gian gián đoạn mẻ 30 phút. Cho biết M A = 80,5 ; MB = 84 ; MR = 62 ; MS = 58,5 ; MC = 44 giả sử khối lượng riêng hỗn hợp phản ứng không đổi 1.020 kg/m3. 4) Phương hướng chọn nhiệt độ phản ứng. Khoảng nhiệt độ tối ưu gì? Trường hợp cần phải áp dụng, nhằm mục đích gì? HẾT ĐÁP ÁN 1) (3đ) Cho phản ứng nối tiếp A → R → S với R sản phẩm có số vận tốc k1 = 10h-1, k2 = 1h-1. Xác định thời gian phản ứng trung bình, thể tích bình phản ứng khuấy trộn họat động liên tục, nồng độ chất dòng với lưu lượng nhập liệu 1.000 lít/h, nồng độ tác chất ban đầu A 2,8 mol/lít. Với phản ứng nối tiếp có R sản phẩm trung gian sản phẩm phản ứng cần dừng thời điểm R đạt cực đại. Từ đồ thị hình 4.18 cho phân phối sản phẩm phản ứng nối tiếp bình phản ứng khuấy trộn họat động liên tục, k2/k1 =0,10 điểm CRmax/CA0 ~= 0,7;CA/CA0~= 0,20 suy CS/CA0 ~=0,10; k1τ = 3,10. Kết quả: τ = 0,31h,V=310 lít; CRmax=1,96 mol/l; CA=0,56 mol/lít; CS=0,28mol/lít; V= 310 lít 2) (2đ) Cho phản ứng A → R + S xảy pha khí đồng thể, đẳng nhiệt 400K bình kín tích không đổi. Cho biết phương trình vận tốc phản ứng (-rA) = (0,2 lít/mol.h) CA2 ; mol/lít.h với CA nồng độ tác chất, mol/ lít Hãy biểu diễn phương trình vận tốc hỗn hợp phản ứng với giá trị hệ số єA hai trường hợp sau: a) Nhập liệu ban đầu A nguyên chất b) Nhập liệu ban đầu có chứa 20% khí trơ. Nồng độ tác chất khí CA = CA0(1 – XA )/ (1 + €A XA ) với €A hệ số biến đổi thể tích a) Nhập liệu ban đầu A nguyên chất €A (2–1)/1=1 nên CA = CA0(1 – XA )/ (1 + XA ) (-rA) = kCA02 [(1 – XA )/ (1 + XA )]2 b) Nhập liệu ban đầu có chứa 20% khí trơ. €A= 0,80 (-rA) = kCA02 [(1 – XA )/ (1 + 0,8XA )]2 3) (3đ) Cho phản ứng sau: A+B → R+S+T Đây phản ứng sơ đẳng với số vän tốc phản ứng k = 5,2 l/mol.h 82 0C. Trên sở số liệu ta xây dựng thiết bị sản xuất thử để xác định tính khả thi việc sản xuất R từ dòng nhäp liệu có sẵn sau : dung dịch 20% khối lượng A nước dung dịch 20% khối lượng B nước. Tìm thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gíán đọan đạt suất trung bình 50kg R/h với tỉ lệ nồng độ ban đầu tác chất CA0 = CB0? Gỉả sử thời gian gián đoạn mẻ 30 phút. Cho biết MA = 80,5 ; MB = 84 ; MR = 62 ; MS = 58,5 ; MC = 44 giả sử khối lượng riêng hỗn hợp phản ứng không đổi 1.020 kg/m3. C A00 = 20 / 80,5 = 2,53 mol/l; 100 / 1020 C B 00 = 20 / 84 = 2,43 mol/l 100 / 1020 CA00.vA00 = CB00. VB00 suy CA00/CB00 = vB00/vA00= 2,53/2,43 = 1,04 Suy CA0 = CB0 = 1,24 mol/l Phương trình vận tốc phản ứng (-rA) = k.CA02(1-XA)2; 0,9 t = C A0 dX ∫0 kC A20 (1 −AX A ) = kC A0 0, dX ∫0 (1 − XAA ) = kC A0 (1 − X A ) = kC A0 (10 − 1) = kC A0 0, = 1,4h Giả sử thời gian gián đoạn mẻ 30 phút= 0,5h (Trị số thay đổi ảnh hưởng đến kết đây). Vậy thời gian tổng cộng mẻ 1,9h. Năng suất mẻ (50kg/h).(1.9h/mẻ)= 95 kgR/mẻ hay 1,53 kmol R/mẻ. Độ chuyển hóa 0,90 nên mẻ cho vào:1,53 kmol R/mẻ/0,90= 1,70 kmol A 1,70 kmolB. Khối lượng A 136,85kg + khối lượng B 142,8kg = 279,65 kg. Cả hai dung dịch 20% khối lượng nên tổng khối lượng dung dịch cho vào mẻ là: 279,65/0,2= 1.398,25kg/mẻ Thể tích bình hay thể tích hỗn hợp ban đầu 1.370 lít 4) (2d) Phương hướng chọn nhiệt độ phản ứng. Khoảng nhiệt độ tối ưu gì? Trường hợp cần phải áp dụng, nhằm mục đích gì? Khi thiết kế TBPƯ cần quan tâm đến yếu tố là: thể tích bình V, suất F A0 độ chuyển hóa XA. • V nhỏ ứng với FA0 XA cho trước • FAo lớn ứng với V XA cho trước • XA lớn ứng với FA0 V cho trước Trên sở đó, chọn T phản ứng sau: Phản ứng không thuận nghịch: • Thu nhiệt: Chọn T cao giới hạn bởi: - Phản ứng phụ - Nguồn nhiệt - Thiết bị • Phát nhiệt: Chọn T cao giải nhiệt có kiểm soát, giới hạn bởi: - Phản ứng phụ - Thiết bị Phản ứng thuận nghịch: • Thu nhiệt: K k tăng theo T nên chọn T cao giới hạn bởi: - Phản ứng phụ - Nguồn nhiệt - Thiết bị • Phát nhiệt: K giảm theo T, k tăng theo nhiệt độ nên phải thực theo khoảng T tối ưu nhằm: - V nhỏ ứng với FA0 XA cho trước - FAo lớn ứng với V XA cho trước - XA lớn ứng với FA0 V cho trước . KỸ THUẬT HOÁ HỌC BỘ MÔN MÁY THIẾT BỊ ĐỀ THI: KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Học kỳ II năm học 2014 -2015. Ngày thi: 31/5 /2015 Thời gian làm bài; 90 phút. Cho sử dụng tài liệu Người ra đề: Vũ Bá Minh 1) Cho