BÀI 2: HỆ THỐNG PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN ĐẲNG NHIỆT I MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM: - Xác định tốc độ phản ứng thiết bị phản ứng khuấy trộn gián đoạn điều kiện đẳng nhiệt - Xác định ảnh hưởng thành phần chất phản ứng đến tốc độ phản ứng điều kiện làm việc đẳng nhiệt II CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng: Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng đặc trưng trình khuấy trộn hoàn toàn, hỗn hợp đồng nhiệt độ thành phần tất phần thiết bị giống dòng sản phẩm Điều có ý nghĩa phân tố thể tích phương trình cân lấy thể tích V toàn thiết bị Người ta giả thiết đầu vào thiết bị phản ứng, nồng độ tác chất giảm cách đột ngột nồng độ điểm toàn thể tích thiết bị nồng độ dòng sản phẩm Ta biểu diễn thay đổi nồng độ tác chất từ đầu vào đến đầu thiết bị đường gấp khúc Phản ứng xà phòng hóa Etyl Axetat (CH3COOC2H5) Natri Hydroxit (NaOH) CH 3COOC2 H + NaOH → CH 3COONa + C2 H 5OH Phản ứng xem có tổng số mol không đổi phản ứng bặc theo Natri hydroxit Etyl Axetat, tức bậc tổng quát phản ứng bậc 2, phạm vi thí nghiệm giới hạn nồng độ (0 – 0.1M) nhiệt độ (200C – 400C) Phản ứng tiến hành thiết bị khuấy trộn liên tục đạt cân cuối lượng chuyển hóa lượng chất phản ứng xác định ban đầu Điều kiện cân phụ thuộc vào nồng độ chất phản ứng, lưu lượng, thể tích thiết bị phản ứng nhiệt độ phản ứng Tốc độ phản ứng xác định cách đo lượng chất phản ứng chuyển hóa thành sản phẩm ứng với thời gian làm việc thiết bị Để phản ứng tiến hành phân tử phải tiếp xúc tương tác với có hiệu Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào tầng suất va chạm hiệu suất va chạm phân tử hợp chất phản ứng Hệ số đạt tối ưu tiến hành trình khuấy trộn hoàn toàn chất phản ứng dùng phận khuấy ngăn thiết bị phản ứng Khả khuấy trộn không tốt làm giảm tốc độ phản ứng Dựa vào phương trình phản ứng, nồng độ ban đầu chất (bằng a0) độ chuyển hóa (Xa) nồng độ chất sau phản ứng xác định: CH 3COOC2 H + NaOH → CH 3COONa + C2 H 5OH (a0 – Xa) (a0 – Xa) Xa Xa Ta có: kt = − X a(a − X ) k số tốc độ phản ứng t thời gian phản ứng X = a0 – a1 Thay X vào phương trình ta có: kt = − a0 − a1 a0 × a1 a0 − a1 Sau vẽ a × a theo t xác định hệ số góc đường thẳng k Nồng độ X tính từ kết đo độ dẫn điện Phương pháp xác định nồng độ qua độ dẫn điện Độ dẫn điện hỗn hợp phản ứng thiết bị phản ứng thay đổi theo độ chuyển hóa điều cung cấp phương pháp hữu ích cho việc theo dõi trình phản ứng Nồng độ dòng nhập liệu tính toán sau: Nồng độ NaOH nhập liệu: C NaOH = VNaOH × CNaOH , Vhh = Va + Vb Vhh Nồng độ CH3COOC2H5 nhập liệu: CCH3COOC2 H5 = VCH3COOC2 H Vhh × CCH 3COOC2 H Nồng độ Natri Axetat cuối thiết bị phản ứng điều kiện phản ứng hoàn toàn xác định α 0 CCH = CNaOH CCH3COOC2 H5 < CNaOH 3COONa α 0 CCH = CNaOH CCH3COOC2 H5 > CNaOH 3COONa Chúng ta hoàn toàn xác định độ dẫn điện cuối ứng với nồng độ Natri Axetat phương trình sau: α Λα = ΛαCH3COON = 0.07 × [1 + 0.0248 × (T − 294)] × CCH ×1000 cho T>=294 3COONa Tương tự tính nồng độ NaOH theo kết đo độ dẫn điện bằng: α ΛαNaOH = 0.195 × [1 + 0.0148 × (T − 294)] × C NaOH ×1000 cho T>=294 Lúc 0 α C NaOH = CCH COOC H ≥ C NaOH α 0 0 C NaOH = (C NaOH − CCH ) CCH COOC H ≤ C NaOH 3COOC2 H 5 0 Vì Λ = Λ NaOH (chấp nhận CCH COONa = ) Λα = ΛαNaOH + ΛαCH3COONa Sử dụng giá trị độ dẫn điện thời điểm đầu vào cuối khí tính toán giá trị nồng độ NaOH (a1) nồng độ Natri Axetat (c1) độ chuyển hóa (Xa) (Xc) cho mẫu đo độ dẫn điện thu thập điểm đánh dấu thực nghiệm Vì vậy: Λ − Λ1 a1 = (aα − a0 ) + a0 Λ − Λ α Λ − Λ1 c1 = cα chấp nhận c0 =0 Λ − Λα Xa = a0 − a1 a0 ; Xc = c1 cα III BÁO CÁO THÍ NGHIỆM: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM Thời gian t ( phút ) 10 11 12 13 14 15 t0 C 35.3 35.3 35.4 35.4 35.4 35.4 35.4 35.4 Độ dẫn điện Thời gian t Λ (mS) 9.16 8.72 8.41 8.19 8.22 7.89 7.79 7.71 ( phút ) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 t0 C 35.4 Độ dẫn điện Λ (mS) 7.41 XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ TÍNH TOÁN Kiểm tra bơm 1(NaOH): vòng/phút 50ml – t = 1p52s = 112s ⇒ QNaOH = V 50 = = 0.4464( ml / s) t 112 Kiểm tra bơm (CH3COOC2H5): 10 vòng/phút 50ml – t = 1p24s = 84s ⇒ QCH3COOC2 H5 = V 50 = = 0.5952(ml / s ) t 84 NaOH + CH 3COOC2 H → CH 3COONa + C H 5OH Thời gian bơm đầy bình phản ứng: tmin = 23p53s = 1433s ⇒ VNaOH = Q × t = 0.4464 ×1433 = 639.6912(ml ) = 0.63969(lit ) ⇒ VCH 3COOC2 H5 = Q × t = 0.59524 ×1433 = 852.979(ml ) = 0.85298(lit ) Vhh = 0.63969 + 0.85298 = 1.49267(lit ) ⇒ CNaOH = VNaOH 0.63969 × CNaOH = = 0.42855M ( ) Vhh 1.49267 ⇒ CCH = 3COOC2 H VCH 3COOC2 H Vhh × CCH 3COOC2 H = 0.85298 = 0.571445M ( ) 1.49267 0 Từ ( ) ( ) ta thấy C NaOH < CCH3COOC2 H5 Nên cuối phản ứng α α C NaOH = 0, CCH = C NaOH = 0.042855M 3COONa Ta có : Λ = Λ NaOH = 0.195 × [1 + 0.0148 × (T − 294)] × C NaOH ×1000 = 0.195 × [1 + 0.0148 × (305.8 − 294)] × 0.042855 ×1000 = 9.85( mS ) α Λα = ΛαCH3COONa = 0.07 × [1 + 0.0248 × (T − 294)] × CCH ×1000 3COONa = 0.07 × [1 + 0.0248 × (305.8 − 294)] × 0.042855 ×1000 = 3.88 ( mS ) BẢNG KẾT QUẢ: ST Thời gian t T 10 11 12 13 14 15 16 17 (s) 30 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 1800 1920 C NaOH CCH 3COOC2 H 0.042855 0.022365 0.017532 0.014429 0.012553 0.011255 0.010317 0.009668 0.008946 0.008658 0.008153 0.007792 0.007503 0.007359 0.007143 0.006854 0.006782 0.057145 0.036655 0.031822 0.028719 0.026843 0.025545 0.024607 0.023958 0.023236 0.022948 0.022443 0.022082 0.021793 0.021649 0.021433 0.021144 0.021072 Λ0 (mS) 9.82 6.98 6.31 5.88 5.62 5.44 5.31 5.22 5.12 5.08 5.01 4.96 4.92 4.90 4.87 4.83 4.82 t C NaOH t CCH 3COONa 0.022365 0.017532 0.014429 0.012553 0.011255 0.010317 0.009668 0.008946 0.008658 0.008153 0.007792 0.007503 0.007359 0.007143 0.006854 0.006782 0.020490 0.025323 0.028426 0.030302 0.031600 0.032538 0.033187 0.033909 0.034197 0.034702 0.035063 0.035352 0.035496 0.035713 0.036001 0.036073 Λt (mS) 6.98 6.31 5.88 5.62 5.44 5.31 5.22 5.12 5.08 5.01 4.96 4.92 4.90 4.87 4.83 4.82 Bảng 3: Xác định số tốc độ phản ứng STT 10 11 12 13 14 15 16 Thời gian C NaOH CCH3COONa t(s) 30 120 240 360 480 600 720 840 960 1080 1200 1320 1440 1560 1680 (mol/l) 0.042855 0.022365 0.017532 0.014429 0.012553 0.011255 0.010317 0.009668 0.008946 0.008658 0.008153 0.007792 0.007503 0.007359 0.007143 0.006854 (mol/l) 0.02049 0.02532 0.02843 0.03030 0.03160 0.03254 0.03319 0.03391 0.03420 0.03470 0.03506 0.03535 0.03550 0.03571 0.03600 X NaOH X CH3COONa 0.00 47.81 59.09 66.33 70.71 73.74 75.93 77.44 79.12 79.80 80.98 81.82 82.49 82.83 83.33 84.01 0.00 47.81 59.09 66.33 70.71 73.74 75.93 77.44 79.12 79.80 80.98 81.82 82.49 82.83 83.33 84.01 a0 − a1 a0 × a1 21.3774 12.3280 12.2636 10.3557 9.1914 8.0773 6.5101 8.3418 3.7260 7.1552 5.6788 4.9361 2.6133 4.1179 5.8950 17 1800 0.006782 0.03607 1.5521 ĐỒ THỊ : ĐỒ THỊ THEO THỜI GIAN t t (s) - Trên đồ thị ta thấy, số tốc độ phản ứng phản ứng k = 0.0072 - Phương trình tốc độ phản ứng NaOH CH3COOC2H5 theo dạng r=k.AnBm: r = k An B m = 0.0072 × 0.0428551 × 0.0571451 = 0.000018(l / mol.s ) BÀN LUẬN: ... 0.0067 82 0.057145 0.036655 0.031 822 0. 028 719 0. 026 843 0. 025 545 0. 024 607 0. 023 958 0. 023 236 0. 022 948 0. 022 443 0. 022 0 82 0. 021 793 0. 021 649 0. 021 433 0. 021 144 0. 021 0 72 Λ0 (mS) 9. 82 6.98 6.31 5.88 5. 62 5.44... ) 10 11 12 13 14 15 t0 C 35.3 35.3 35.4 35.4 35.4 35.4 35.4 35.4 Độ dẫn điện Thời gian t Λ (mS) 9.16 8. 72 8.41 8.19 8 .22 7.89 7.79 7.71 ( phút ) 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 t0... 0.0067 82 0. 020 490 0. 025 323 0. 028 426 0.0303 02 0.031600 0.0 325 38 0.033187 0.033909 0.034197 0.0347 02 0.035063 0.0353 52 0.035496 0.035713 0.036001 0.036073 Λt (mS) 6.98 6.31 5.88 5. 62 5.44 5.31 5 .22