Bài tập kỹ thuật phản ứng

v u BẢ MINH ĐẠI HỌC Qưoc GIA TP HO CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Vũ Bá M inh BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC Q u ố c GIA TP HỒ CHÍ MINH - 2009 ĐHQG.HCM -09 484-2009/CXB/39-45/ĐHQGTPHCM KTh.TK.890-09 (T) MỤC LỤC ■ ■ Các th í dụ Bài tập TẢI L IỆ U T H A M KHẢO BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG CÁC THÍ DỤ T h í dụ N hiệt phản ứng Tính nhiệt phản ứng cho phản ứng CO(k) + 2H2 (k) -> CH3OH(k) nhiệt độ 600 K áp suất 10,13 MPa (100 atm) G iải 1- Tính nhiệt phản ứng 298 K, AH°298K N hiệt phản ứng 298 K thường gọi nhiệt phản ứng chuẩn tính từ nhiệt cấu tạo chuẩn (H°f298K) cấu tử tham gia phản ứng N hiệt cấu tạo chuẩn tra s ổ tay Từ [6] ta có nhiệt cấu tạo chuẩn H°f_298K cấu tử tham gia phản ứng là: CH3OH : - 48,08 kcal/mol Do CO : - 26,416 kcal/mol H2 : AH°298K = -4 ,0 - [-26,416 + 2(0)] = -2 ,6 kcal/mol 2- Tính giá trị số nhiệt dung riêng N hiệt dung riêng mol cấu tử Cp hàm số theo nhiệt độ tuyệt đơi T có dạng Cp = a + bT + cT2 + dT3 Theo [6], ta có CO h2 4,55 6,726 6,952 b (X 102 ) 2,186 0,04001 -0,04576 c (X 105 ) -0,291 0,1283 0,09563 d (x 1o9 ) -1,92 -0,5307 -0,2079 CH3OH a Tính ACp = Aa + AbT + AcT2 + AdT3, cal/ mol.K Với: Aa = 4,55 - 6,726 - 2(6,952) = -1 ,0 Ab = [2,186 - 0,04001 + 2(0,04576)] = 2,2375 X X 10 " 10“ Ac = [-0 ,2 - 0,1283 - 2(0,09563)] X 10 “ = -0,6 X 10 ‘ BÀI TÃP KỸ THUÂT PHẢN ỨNG Ad = [-1,92 + 0,5307 + 2(0,2079)1 = - 0,9735 X 10 X (T 3- Tính nhiệt phản ứng 600K, ÁH°eooK N hiệt phản ứng 600K, AH°600K tính theo phương trình sau: AHx - AH2y8K + jỊ/\a + AbT + AcT2 + AdT3 dT 298K Tích phân ta AH^ = AH^98K + Aa(T - 298) + — (T2 - 2982 ) + ^ (T3 - 2983) + — (T4 - 2984 ) AH^ook = - 21,664 - 16,08(600 - 298) / V / V 0,9735x10— V 0 _ 2984 ) ỷ ’ V = - 2,39 X 104 cal/mol 4- Tính nhiệt phản ứng thực cách điều chỉnh cho ảnh hưởng áp suất Giá trị AH°600K tính cho áp suất latm Áp suất thực tế trường hợp 100 atm Phương trình hiệu chỉnh cho trường hợp với Với AH° AH’ thơng số có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ thu gọn áp suất thu gọn, 0) thừa số phi tâm (acentric factor) BÀI TÂP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Theo [6] giá trị thơng số cho thí dụ Cừ Cấu tử AH° AH’ AH1 CH3OH 0,556 1222 305,5 1392 CO 0,041 0 h2 0 0 Do AH 0 K , l O O a t m = - 2,39.104 - 1392 = - 2,592.104 cal/mol T h í dụ Xác định vận tốc phản ứng Một động hỏa tiễn đốt cháy hỗn hợp nhiên liệu gồm hydrogen oxygen lỏng Buồng đốt hình trụ có đường kính 60 cm, chiều dài 75 cm trình đốt sinh sản phẩm cháy 108 kg/s Nếu trình cháy hồn tồn, tìm vận tốc phản ứng hydrogen oxygen h + — -> h 20 G iải Phương trìnnh vận tốc phản ứng hydrogen oxygen dN H2 V' * h hay r0 (ỈNq2 V ■ dt Thế tích buồng đốt thể tích thiết bị phản ứng thể tích hỗn hợp phản ứng V = (tc/4) (0,6)2 (0,75) = 0,2121 m3 Suất lượng mol nước sinh (108 kg/s)/(18kg/kmol) = kmol/s Dựa phương trình lượng hóa học: - Suất lượng mol H2 phản ứng kmol/s - Suất lượng mol phản ứng kmol/s Vận tốc phản ứng hydrogen oxygen là: - rH2 = (6 kmol/s) / (0,2121 m3) = 28,29 kmol / m3.s - TQ2 = (3 kmol/s) / (0,2121 m3) = 14,15 kmol / m3.s T hí dụ Xác định vận tốc phản ứng Một người nặng 75 kg tiêu thụ khoảng 6.000 kJ thực phẩm BÀI TÂP KỸ THUẬT PHẢN ỨNGỈ ngày Giả sử tất thực phẩm glucose phản ứng tổng' quát sau: C6H 12 + -> CO2 + 6H20 - AHr = 2.816 kJ Tính tốc độ biến dưỡng theo số mol oxygen sử dụng m cơí thể giây Cho biết 2.816 kJ/mol glucose G iải — T° = -02 Y dN G2 _ mol dt m s nguoi Khối lượng riêng thể người khoảng p = 1.000 kg/m do) thể người tích 0,075 m d0 dt f 6.000 kJ/ngày N v2.816 kJ/ mol glucosey = 12 ,8 mol 1 mol glucose mol J /ngày (1 , mol / ngày) 0,075 m mol 0,002 m 3s r° ngày 24 h 3600s T h í d ụ Xác định lượng hoạt hóa Tính lượng hoạt hóa phản ứng phân hủy cloruir benzen diazonium thành clorobenzen nitrogen C6H 5N 2C1 -> C6H 5C1 + N với số liệu sau cho phản ứng bậc k, s T,K 0,00043 313 0,00103 319 0,0180 0,00355 0,00717 323 328 333 G iải Từ phương trình biểu diễn định luật Arrhénius, lấy log vài chuyển logarit thập phân log k = log A - E 'ì' 2,3 R vT , BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG Vẽ đồ thị semilog log k theo 1/T 0,00043 k, s " 0,00103 3,20 1.000/T,K" 0,0180 3,14 0,00355 0,00717 3,05 3,0 3,10 ữ n g với hai trị sơ’ k hai nhiệt độ, ta có lo g k j = log k k l E = E = E ' l ' 2.3 R vTi ; log A E ' l ' 2.3 R E 2,3 R vT2 k2 log ~ hay lo g A - (2,3)(R) log (k /k j) 1/T2 - 1/Tt 120 kJ/mol = 28,7 kcal/mol T h í d ụ Xác định nồng độ chất theo độ chuyển hóa Cho hỗn hợp gồm 28% S 72% khơng khí cho vào th iế t bị phản ứng dạng ông để thực h iện phản ứng oxit hóa S + 1/2 —> S với áp suất không đổi 1,485 kPa n h iệ t độ 227°c Cho b iết k = 200 lít/m ol.s, xác định biểu thức vận tốc phản ứng theo độ chuyến hóa G iải Dựa vào phương trình lượng hóa học ta có bảng sau: Cấu tử Ký hiệu 502 A o2 Ban dầu Còn lại Thay đổi ' FAO Xa Fa = Fao (1 - XA) B FAO FB0 = MgF A0 - Fao Xa / F b = Fao (Mb - XA) 503 R + FA0 XA l"R = f"A0 XA n2 I (trơ) F,0 = M, Fao F I =fr o = M ,F ao FTO c T = c TO ^AO ■ Ban đầu không khí chiếm 72% tổng sơ" mol 21% Ơ2 79% N Fbo M B AO 10 BÀI TÃP KỸ THUẢT PHẢN ỨNủ Fao - 0,28 Fto Fbo = (0,72X0,21) Fto M b = M t = Fẹo = (0,72X0,21) 0,28 ^AO 54 (0,72X0,79) 0,28 Fio F ao 2,03 Phản ứng pha khí Ca -X A với eA = - 0,14 + eA X A j c AO = _ 1.4 85 kPa 0,28 AO = 0,1 mol/lit 8,314 k- a — 500K mol K Biểu thức tính nồng" độ Ca c AO = = 0,1 V MB BO - + A^A AX 0.1 + eAX A Cạo Mị + e AX A 0,1(2,03) , mol/lit - 0,14 X A , mol/lit / 0,54 - 0,5X N v - X 0,1 X A , mol/lit - 0,14 X A AO X Cc = Ci = X - 0,14Xy Nồng độ chất tính bảng sau Lưu ý mồng độ N thay đổi theo độ chuyển hóa N cấu tử trơ 0,078 0,054 0,028 ,00(0 CB = 0,054 0,043 0,031 0,018 0.00:5 Cr = 0.000 0,026 0,054 0,084 0,11(6 C| = 0.203 0.210 0.218 0.227 0.23(6 Ct = 0,357 0,357 0,357 0,357 0,357 II Ca = o 0,100 so2 o2 so3 < X XA = 0,75 < o II XA = 0,5 C| m o l/lít X XA = 0,25 Cấu tử n2 BÀI TÁP KỸ THUÂT PHẢN ỨNG 40 I = C ao ( d iệ n t íc h t íc h p h â n ) = (4 mol/lít)(0,405 lít.ph/mol) = 1,62 ph V = F ao (diện tích tích phân) = (1.000 mol/ph)(0,405 lít.ph/mol) = 405 lít b) Đường biểu diễn XA T theo chiểu dài bình phản ứng Lấy khoảng 10% chiều dài bình phản ứng tương ứng với 10% diện tích Kết cho XA = 0,34 10% nhiệt độ tương ứng 362 K, X a = 0,485 20% nhiệt độ tương ứng 354 K Kết trình bày đồ thị T h í d ụ 27 Dung dịch A thí dụ (FA0 = 1.000 mol/ph với Cao = mol/lít) thực bình phản ứng khuây trộn hoạt động ổn định để đạt độ chuyển hóa A 80% a) Tìm thể tích bình phản ứng b) Xác định q trình trao đổi nhiệt nhiệt độ dòng nhập liệu dòng sản phẩm 25°c c) Thể tích bình phản ứng ống hoạt động đoạn nhiệt? d) Lặp lại câu (c) bình phản ứng ống hoạt động đoạn nhiệt với dòng hồn lưu Cho biết C„A Ỉ M -A iit n Ạ == l1.000 u u u p kg.K lit mol A 250 ——— -mol A K G iải a) T h ể tích bình phản ứng Với Cao = mol/lít, sử dụng đồ thị XAtheo t với giá trị vận tốc nhân cho Từ đồ thị cho thấy điểm làm việc ưu cho bình khuấy xác định giao điểm đường tối Ưu đường độ chuyển hóa 80% (điểm C) T-ốc độ phản ứng là: - r A = 0,4 mol/ph / lít Từ phương trình thiết k ế cho bình khuấy hoạt động ổn định: y Xạ ( - r A) = f ao = (lOOO mol/phX0,8) 0,4 mol/lít.ph 2.000 lit BÀI TẬP KỸ THUÂT PHẢN ỨNG 41 b) Xác định q trình trao đổi nhiệt Có th ể tính theo đơn vị Joule, nhiên có sẵn đơn vị nên tính theo calori Hệ số góc đường cân nhiệt lượng là: Hê số góc = -— - AH 250 cal/mol A K _ 18.000 cal/mol A " 72 Vẽ đường thẳng qua điểm c (đường BCD) ta thấy nhập liệu phải làm nguội xuống 20°c (từ điểm A đến điểm B) trước vào phản ứng đoạn nhiệt Ngồi sản phẩm làm nguội xuống 37°c (từ điểm c đến điểm E) Như trình trao đổi nhiệt L àm nguội trước Qab = (250 cal/mol A.KX20K) = 5.000 cal/mol A nhập liệu = (5.000 cal/mol A nhập liệu)( 1.000 mol A/ph) = 5.000.000 cal/p h = 348,7 kW L àm ngu ội sau Qce = (250 cal/mol A.KX37K) = 9.250 cal/mol A nhập liệu = (9.250 cal/mol A nhập liệu)( 1.000 moi A/ph) = 9.250.000 cal /ph = 645,0 kW c) T h ể tích bình phản ứng ống Tích phân điều kiện tối ưu để đạt giá trị cực tiểu: Tại điều kiện bình phản ứng hoạt động đoạn nhiệt, th ể tích bình là: 42 BÀI TÁP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG = F ao (diện tích bên đường cong CD) = (1.000 m ol/ph)(l,72 lít.ph/mol) = 1.720 lít Thể tích nhỏ thể tích bình khuấy, gấp lần tích cực tiểu Theo hình vẽ, nhập liệu làm nguội xuống 16°c, qua bình phản ứng ơng đoạn nhiệt khỏi bình với độ chuyển hóa 80%, nhiệt độ 73,6°c d) hồn lưu B ình phản ứng ống hoạt động đoạn n h iệ t với dòng T h í d ụ 28 [8] Dòng khí khỏi th iết bị phản ứng oxit hóa N H làm lạnh nhanh xuống đến nhiệt độ thường để ngưng tụ tách nước thành phần dòng khí lại là: 9% (mol) oxit nitric, 1% peroxit nitrogen 8% oxygen Trước vào tháp hấp thu để sản xuất axit nitric dòng khí cho oxit hóa tiếp đế đạt đến tỉ sô N :N bàng 5:1 (cần tỉ s ố moi cao p h ả n ứng hấp thu tạo axit nitric thuận nghịch N + H20 = H N O + NO) Tính th ể tích th iế t bị phản ứng dạng cmg để thực h iệ n phản ứng oxit hóa NO, giả sử phản ứng làm nguội để n h iệ t độ khơng đối 20°c, lưu lượng dòng nhập liệu 10.000 m :i/h (0°c, latm ) Cho biết phản ứng 2NO + = NO phản ứng sơ đẳng đồng thể pha khí khơng thuậri nghịch với giá trị sô vận tốc phản ứng 1,4.104 G iải Phản ứng 2NO + = NO viết lại 2A + B = 2R Phương trình thiết kê cho thiết bị phản ứng dạng ông là: BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG XAf V„=G 43 dỵ k cị CB với G - suất lượng khối lượng dòng nhập liệu, kg/s y - nồng độ N theo mol/kg dòng Đế đơn giản ta bỏ qua diện với lưựng nhỏ N20 cân với N (cũng bỏ qua N 20 3) Xét mol d ò n g k h í đ i v o v g ọ i X s ố rnol NƠ t o t h n h t i v ị t r í b ấ t kỳ th iết bị, ta có: Cấu tử mol tro n g d ò ng k h í vào m ol tạ i vị t r í b ấ t kỳ NO 0,09 ,0 - X no2 0,01 0,01 + X 0, 0,08 0,08 - 1/2 X n2 0,82 0,82 T 1,00 1,00 -1 /2 X Thể tích ìượng khí tương ứng với sô" mol 1,00 - 1/2 theo định luật khí lý tưởng là: X 0,082 T ( , 0 - 1/2.x) / p Nồng độ A B tương ứng là: (0,09 - x) p NO - 0,082 T 1 X V o8-|xjp CB = Coo 02 = 0,082 T ( - 1- X ^ V , Để phản ứng đạt yêu cầu tỉ sô mol N : N O : ly tìm biếu thức liên hệ X y Gọi M phân tử lượng trung bình hỗn hợp dòng khí nhập liệu (M = 28,7 g/mol), M gram nhập liệu, vị trí có 0,01 + X , vậy: 44 BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG y = (0,01 + x)/M dy = dx/M Để đạt tỉ số mol N : NO : với đầu thiết bị phản ứng ta có: Xf sơ" mol N 0,01 + X f = 5,0 0,09 - X f Suy Xf = 0,0733 Thay biểu thức biết vào phương trình th iết kế, ta được: x Af = 0,0733 M rp3 dx Z L _ 0,082 T V / k p (0,09 - x)2 0,08 V = (106lit/h)(28,7 g/mol) (3.600 s/h)(22,4 lit/mol) = Với T = 293K p = latm , ta xác định được: Vo = 1,1.10® lít -1 - - X 2 BÀI TÂP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG 45 BÀI TẬP Xác định phương trình vận tốc Acetaldehit bị phân hủy theo phương trình lượng hóa học sau: CH CHO -> c h + CO Phản ứng thực cách cho acetaldehit qua th iế t bị phản ứng dạng ống áp suất thường nhiệt độ 600 °c thu kết sau: T, s C a/ C ao 10 20 40 80 160 320 0,917 0,842 0,733 0,577 0,401 0,254 Xác định phương trình vận tốc Bình phản ứng khuấy trộn hoạt động liên tục tích m3 thực phản ứng với dòng nhập liệu có lưu lượng 100 lít/ph, nồng độ tác chất A C ao = 100 mmol/Iít Phản ứng thuận nghịch với phương trình lượng hóa học tốc độ phản ứng là: A R, enzym - rA = — ^ A— , mol/lít.ph + 0,5Ca Cho phản ứng xảy pha khí lý tưởng 2A -» R + 2S n h iệt độ 420 K với nhập liệu ban đầu mol A nguyên chất 10 atm Phương trình vận tốc phản ứng đ iề u kiện là: BÀI TÁP KỸ THUÂT PHẢN ỨNG - rA = - — -A V dt = 700 c mol/lít.h A Tính nồng độ chất thời diổm vận tốc phản ứng 0,1 mol/lít.h khí phản ứng xảy điều kiện (a) đẳng áp; (b) đ ẳ n g t íc h [6] Cho phản ứng metan nước 600°c sau: CỈĨ4 + H20 CO + H20 c o o + 3H2 K, = 0,574 C + H2 K2 = 2,21 Với nhập liệu ban đầu mol metan mol nước, xác định số mol chất điều kiện cân [6] N hiệt phân etan 1.000 K phản ứng bậc với số vận tốc 0,132s_1 Xác định độ chuyển hóa etan qua bình phản ứng khuấy trộn thí nghiệm hoạt động liên tục tích 129 cm3, áp suất bar, nhập liệu etan nguyên chất có lưu lựợng cm3/s (27°c, bar) Cho phản ứng bậc sau: 2NO 4- = N xảy bình phản ứng tích khơng đổi, áp suất khí Hằng số vận tốc phản ứng 30°c 2,65.104 lít2/ (gmol)2.s Xác định thành phần hỗn hợp sau thời gian phản ứng lOs thành phần ban đầu hỗn hợp 9% NO, 8% 83% N Cho phản ứng với dòng nhập liệu có lưu lượng 10 lít/ph, nồng độ mol A/lít, đạt độ chuyền hóa 99% Phương trình lượng hóa học tốc độ phản ứng A -> R - rA = — —^ r ~ >mol/lít.ph A 0,2 + C A Sử dụng hai bình phản ứng khuấy trộn, đề nghị mơ hình lắp đặt tính tích bình Phản ứng oxit hóa acid clorhydric theo phản ứng Deacon sau: BÀI TẢP KỸ THUÁT PHẢN ỨNG 47 Lưu lượng nhập liệu 100 m3/h (điều kiện chuẩn) gồm khơng khí 10% acid Tại dòng khỏi thiết bị phản ứng đo 50 mol Clor/h Xác định suất lượng mol câu tử khác độ chuyển hóa acid 10 Thực h i ệ n p h ả n ứng thủy phân ester R.COO.R’ với lượng thừa sút hai bình phản ứng khuấy trộn mắc nối tiếp Lưu lượng nồng độ dòng ester sút lít/s, 0,01 0,1 mol/lít Hằng số vận tốc phản ứng 0,11 lít/m ol.s Xác định thể tích bình phản ứng để đạt độ chuyến hóa ester 95% 11 Tính thời gian phản ứng bình phản ứng khuấy trộn hoạt động giàn đoạn [1] 5.14 Cho phản ứng dị pha khí hydrogen hóa acetylen thành etan 1.000 K C2H2 + 2H2 -> C2H6 Với biểu thức vận tốc phản ứng ~ rC2H2 = k C H2C C2H2 Thí nghiệm xác định số vận tốc phản ứng 105 m ol/lít.ph Nếu hỗn hợp khí ban đầu đưa vào bình khuây hoạt động gián đoạn có th ể tích lit với tỷ lệ 75% mol hydrogen 25% mol acetylen lượng acetylene 0,001 mol Tính thời gian phán ứng đế đạt độ chuyến hóa acetylen thành etan n h iệt độ không đổi 1.000 K 12 [ 1 Sơ liệu thí nghiệm cho phản ứng đồng th ể pha khí khơng thuận nghịch 2A + B 2R Với sô vận tốc phản ứng 105 (m o l/lítr s -1 500°c Phân tích sơ' liệu cho thấy phương trình vận tốc phản ứng có dạng - rA = kCACB2 500°c 101,325 kPa (1 atm) Tính thể tích th iết bị phản ứng dạng ống hoạt động đẳng nh iệt, đẵng áp với nhập liệu có lưu lượng lít/s, 48 BÀI TẬP KỸ THUẢT PHẢN ỨNG thành phần 25% A, 25% B 50% khí trơ theo tích độ chuyền hóa A đạt 90% 13 Dung dịch acetat etil có nồng độ 1,21.10'2 m ol/lít dung dịch sút có nồng độ ,6 10'2 m ol/lít nhập liệu vào bình phản ứng khy trộn hoạt động liên tục có th ể tích hổn hợp phản ứng 6,0 m3 với lưu lượng dòng 3,12 3,14 lít/s Cho biết số vận tốc phản ứng 0,11 lít/mol.s Tính nồng độ độ chuyển hóa acetat etil dòng khỏi bình phản ứng —> (0,002 mo 1/1ít 67%) 14 Thực phản ứng thủy giải dung dịch ester R.COO.R’ VỚI lư ợ n g th a n h iề u d u n g d ịc h s ú t t r o n g h ệ h a i b ìn h k h u ấ y b ằ n g mắc nối tiếp Hai dòng riêng biệt dưng dịch ester sút chảy vào bình khuấy thứ với lưu lượng nồng độ theo thứ tự sau: lít/s; 0,01 0,10 mol/lít Cho biết phản ứng bậc với số vận tốc phản ứng 0,11 lít/mol.s Tính thể tích bình phản ứng đế đạt độ chuyến hóa ester 95%? (4.100 lít) 15 Cho phản ứng bậc xảy dung dịch A + B —> R + s với nồng độ ban đầu hai tác chất Trong bình khuấy trộn hoạt động gián đoạn phản ứng đạt độ chuyến hóa 99% sau 10 phút Xác định thời gian cần thiết để đại độ chuyển hóa phản ứng thực lần lượt: a) Trong bình khuấy trộn liên tục; b) Trong hai bình khuấy trộn liên tục mắc nôi tiếp, (l.oooph; 79 ph.) 16 Ba bình khuấy trộn tích bình 10 lít mắc nối tiếp lưu lượng nhập liệu lít/phút Một lượng chất khơng tinh khiết ngẫu nhiên vào bình thứ thời điểm t = Xác định: a) Thời gian để nồng độ chất khơng tinh khiết giảm 1% nồng độ ban đầu; BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẦN ỨNG 49 b) Thời gian đạt giá trị nồng độ chất không tinh khiêt đạt cực đại bình khuấy thứ thứ (tính theo % giá trị nồng độ ban đầu)? (84phỉ lOph; 20phỉ 37%; 27%) 17 Một phản ứng pha lỏng bậc có số vận tốc phản ứng 0,01 s'1 thực hai bình khuấy trộn liên tục mắc nối tiếp Mỗi bình tích 200 lít, lưu lượng dòng nhập liệu lít/s Hệ hoạt động ổn định, thời điểm, nồng độ tác chất dòng nhập liệu vào bình thứ tăng lên gấp đơi Tính thời gian cần thiết để nồng độ tác chất khỏi bình thứ hai 1% giá trị nồng độ ban đầu? 18 Khảo sát phân bô thời gian lưu nhằm xác định đặc trưng bình khuấy hoạt động liên tục Bình khuấy liên tục tích 1.000 lít lưu lượng nhập liệu 200 lít/ph Tại thời điểm t = cho vào dòng nhập liệu khuấy trộn nhanh 2.000 mg chất thị Tất dòng xem khuấy trộn Theo dõi nồng độ chất thị (mg/lít) dòng ta kết sau: t, (ph) 0.1 0,2 1,0 2,0 5,0 10,0 20,0 30,0 1,960 1.930 1,642 1,344 0,736 0,268 0,034 0,004 Nồng độ, (mg/lít) Bình khuấy cho kết phân phối thời gian lưu có bình khuấy lý tưởng? Độ chuyển hóa tác chất phản ứng bậc có số vận tốc phản ứng 1,8 ph nhiệt độ không đổi? (89,5%) 19 Dòng nhập liệu vào thiết bị phản ứng gồm 60% khí N 40% khí PH với lưu lượng 50m3/h (1 atm, 0°C) Trong thiết bị phản ứng, PH3 phân huỹ thành khí phosphor hydrogen theo phản ứng sau 4PH3 —> p + 6H2 Tại đầu thiết bị phản ứng độ chuyển hóa PH3 đạt 70%, áp suất tổng cộng atm nhiệt độ 650°c Tính lưu lượng thể tích, lưu lư ợ n g m o l, p s u ấ t r iê n g p h ầ n v n n g đ ộ c ủ a c c cấ u tử 50 20 BÀI TẬP KỸ THUÁT PHẢN ỨNG Cho phản ứng hôn hợp sau: R + B -> R + T + s u T + V + Y A + B -» B -> Viết phương trình vận tốc cho cấu tử 21 Phản ứng nhiệt phân etan không thuận nghịch 1.000 K sau: C2IỈ6 —> C2H + H2 k = 0,132 s" Xác định độ chuyên hóa etan phản ứng thực qua bình khy trộn lý tưởng tích 120 cm3 với nhập liệu e t a n n g u y ê n c h ấ t có p s u ấ t b a r , 27uc , lưu lư ợ n g c m 3/s (0,73) 22 Xà phòng hóa acetate etil với dung dịch hidoxit sodium theo phương trình lượng hóa học sau: CH COOC2H + NaOH = CH3COONa + C2H 5OH Xảy nhiệt độ 298 K bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đoạn Thu thập số liệu nồng độ NaOH theo thời gian phản ứng sau: Thời gian, (ph) ^NaOH J (gmol/L) 13 20 25 33 37 0,00755 0,00633 0,00541 0,00434 0,00385 0,0032 0,00296 Hỗn hợp ban đầu có nồng độ tác chất 0J gmol/L Xác định phương trình vận tốc cho phản ứng 298 K [1] 23 Phản ứng oxit hóa acid clorhydric theo phản ứng Deacon sau: HC1 + = 2C12 + 2H 20 Lưu lượng nhập liệu 100 m3/h (điều kiện chuẩn) gồm khơng khí 10% acid Tại dòng khỏi thiết bị phản ứng đo 50 mol Clor/h Xác định suất lượng mol cấu tử khác độ chuyển hóa acid BÀI TẬP KỸ THUÂT PHẢN ỨNG 24 51 Dòng nhập liệu vào thiết bị phản ứng gồm 60% khí N 40% khí PH với lưu lượng 50m3/h (1 atm, 0°C) Trong thiết bị phản ứng, PH phân hũy thành khí phosphor hydrogen theo phản ứng sau 4PH3 —> p + 6H2 Tại đầu thiết bị phản ứng độ chuyên hóa PH đạt 70%, áp suất tổng cộng atm nhiệt độ 650°c Tính lưu lượng thề tích, lưu lư ợ n g m o l, p s u ấ t r iê n g p h ầ n v n n g đ ộ củ a c c cấ u tử 25 Cho phản ứng hydrodealkyl hóa toluen sau: c 6h 5.c h + h2 c 6h + ch4 Nhập liệu vào thiết bị phản ứng gồm hidrogen toluen theo tỷ lệ : a) Với nhập liệu này, nhiệt độ dòng 900 K đạt độ chuyến hóa cực đại (cân bằng) theo toluen 0,996 Hằng số cân phản ứng 900 K Kp = 227 b) Tính độ tăng nhiệt độ trình hoạt động đoạn nhiệt độ chuyến hóa đạt cân Ở 900 K, AHr = - 50.000 kJ/kmol c) Nếu nhiệt độ cho phép tăng 100 K, đề nghị thiết kế phù hợp cho thiết bị phản ứng Nhiệt dung riêng 900K (kJ/kmol.K): C6H6 : 198; C6H 5CH3 : 240; CH, : 67; H2:30 2(5 Quá trình sản xuất hydrogen dùng cho tổng hợp amoniac cách reforming khí thiên nhiên (CH4) với nước theo phương trình phán ứng sau: CH4 + H20 » co + 3H2 Kp (ở 1173K) = 1,43 1013 N 2/m CO + H ,0 o C 02 + H2 Kp (ở 1173K) = 0,784 Khí thiên nhiên trộn với nước theo tỷ sô mol : vào thiết bị phản ứng xúc tác rắn 30 bar Dòng khí khỏi thiết bị phản ứng đạt cân nhiệt độ 1173 K 52 BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG a) Chứng minh với giá trị số cân với lm ol CH4 nhập liệu phản ứng 0,95 mol tạo nên 0,44 mol C Giải thích không cần phải xem xét phản ứng khác như: CH4 + 2H 20 C02 + 4H b) Xét phản ứng 2C CƠ2 + c với số cân b ằ n g Kp = PC02/ (Pco)2 = 2,76 10'7 m2/N 1173K Chứng minh trình tích tụ carbon chất xúc tác khơng đáng kể điều kiện phản ứng c) Xác định ảnh hưởng lên dòng khí khỏi thiết bị phản ứng khí tăng áp suất tổng cộng? Từ cho biết phản ứng tổng hợp NH3 vận hành áp suất 30 bar thay áp suất thấp hơn? Phản ứng reíbrming phản ứng hấp phụ C 2: N2 27 + H2 NH Cho phản ứng A -> R (chính) với (+rR) = ki CA = (1 ph-1) CA A -» s A -> R (phụ) với (+rT) = (phụ) với (+rs) = k2 = 0,008 gmol/lít.ph Cạ2 = (3,6 lít/mol ph) C\ Với R sản phầm chính; s , T sản phẩm phụ a) Chọn loại thiết bị phản ứng để thực phản ứng b) Tính thể tích thiết bị phản ứng để đạt độ chuyến hóa A 90%, suất 1.000 gmol/ph A nguyên chất Thiết bị phản ứng hoạt động áp suất atm, 227 °c Xác định tỷ lệ phân phối sản phẩm TÀI LIỆU THAM KHẢO ■ [1] Nicholas p Chopey, Handbook of Chemical Engineering Calculations, McGraw-Hill, INC., 1994 [2] Stanley M W alas, Reaction Kinetics for Chemical Engineers, McGraw-Hill, INC., 1990 [3] E Bruce Nauman, Chemical Reactor D esign, John W iley & Sons, 1987 [4] Coulson & Richardson’s, Chemical Engineeringy Vol.3, 1994 [5] Coulson & RichardsoiVs, Chemical Engineering, Vol.õy 1994 [6] Perry [7] Octave Levenspiels, Chemical Reaction Engineering, John W iley & Sons, 1999 [8] K.G.Denbigh, Chemical Reactor Theory, Cambridge University Press, 1966 [9] H.Scott Fogler, Elements o f Chemical Reaction Engỉneering, Prentice Hall International Editions, 1997 BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG VŨ Bá Minh NHẢ X U Ả T B A N ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP H CHÍ MINH Khu phố 6, phường Linh Trung, quận Thủ Đức, TP HCM Số Công trường Quốc tế, quận 3, TP HCM Đ T: 38239172, 38239170 F a x : 38239172 Email: vnuhp@ vnuhcm.edu 'k 'k Chịu trách nhiệm xuất TS H U ỲN H BÁ LÂN Tổ chức thảo chịu trách nhiệm tác quyền T R Ư Ờ N G ĐẠI HỌC BÁCH KH O A Biên tập P H Ạ M ANH TÚ Sửa in T R Ầ N VĂN T H Ắ N G Trình bày bìa VỊ THỊ HỔNG Sô lượng 500 cuốn, khỏ 16 X 24cm Số đăn g ký KHXB: 484-2009/CXB/39-45/ĐHQG-TPHCM Quyêt định xuất b àn sò: 378/QĐ-ĐHQG-TP1ỈOM ngày 14/12/2009 cua N h Xuất b n ĐHQG TPHCM In Xướng in Đại học Bách khoa - ĐHQG TP.HCM Nộp ]u'u chiêu th n g 02 n ă m 2010 ... KHẢO BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG CÁC THÍ DỤ T h í dụ N hiệt phản ứng Tính nhiệt phản ứng cho phản ứng CO(k) + 2H2 (k) -> CH3OH(k) nhiệt độ 600 K áp suất 10,13 MPa (100 atm) G iải 1- Tính nhiệt phản. .. K 3- Tính số vận tốc phản ứng nhiệt độ thiết bị phản ứng Theo phương trình Arrhénius, ta có: BÀI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG 27 Với k 298K= 0,12 h T = 323,4 K, số vận tốc phản ứng 323,4 K là: k;V23,4K... tương ứng 0,41 BẢI TẬP KỸ THUẬT PHẢN ỨNG 29 T h í d ụ 19 Phản ứng đoạn nhiệt sản xuất anhydic acetic Cho phản ứng cracking pha aceton CH3COCH3 -> CH2CO + CH4 bậc theo aceton số vận tốc phản ứng