Bài tập kỹ thuật phản ứng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.55 MB, 19 trang )
ÔN TẬP KIỂM TRA KTPU
Thí dụ 2.3: Cho phản ứng phân hủy pha khí bậc 0: A → 2,7R được thực hiện trong bình
phản ứng có thể tích khơng đổi với hỗn hợp ban đầu gồm 80% A và 20% khí trơ ta thu được
kết quả sau:
Thời gian (h)
0
1
Áp suất tổng (at)
1
1,5
a) Nếu hỗn hợp ban đầu có áp suất tổng là 10at gồm A ngun chất khơng có khí trơ, xác
định áp suất tổng sau 1h?
b) Nếu áp suất riêng phần ban đầu của A là 1at, khí trơ là 9at, xác định áp suất tổng sau 1h?
Bài làm
Ta có: %V= %P
Po = 1at => PAo = 0,8 at
,
Ptrơ = 0,2 at
Gọi x là lượng A tiêu thụ sau 1h theo phương trình:
Ptổng sau 1h = Ptrơ + PA + PR = 0,2 + 0,8 - x +2,7x = 1,5 => x = 0,29 at
→ �� =
0,29
0,8
a) Nếu Po = 10 at gồm 100% A => P = PA ; PAo = 10at
Sau 1h áp suất tổng là:
P = PA + PR =10 −
0,29
0,8
. 10 + 2,7.
0,29
0,8
. 10 = 16,16 ��
b) Nếu PAo = 1 at, Ptro = 9at => Po = 10 at
P = Ptrơ + PA+ PR = 9at + 1 −
0,29
0,8
. 1 + 2,7.
Thí dụ 3.3: Tính thời gian phản ứng.
0,29
0,8
= 10,62 at
CH3COOH + C4H9OH → CH3COOC4H9 + H2O
100oC, xúc tác H2SO4 nồng độ 0,032 %k.l
Nhập liệu: 4,97 mol Butanol/ mol axit
Phương trình vận tốc (-rA) = k.�2� với k =17,4 ml/mol.ph
ρ = 0,75 g/ml = const
XAf = 50%
Năng suất trung bình 100kg/h, thời gian gián đoạn là 30ph.
Bài làm
A+B→R+S
Tác chất là nguyên chất, phản ứng là pha lỏng nên �� = 0.
Phương trình thiết kế cho khuấy gián đoạn là:
�� ���
0
(1−�� )2
��
1
V = const => t =�.�
(-rA) = �. �2� = �. �2�� . (1 − �� )2 với k = 17,4 ml/mol.ph
t = CAo .
t=
1
XA
���
0 �.�2��(1−�� )2
1
�.��� 1−��
��� =
−
1
1−0
=
�� ���
0
�.���
(1−�� )2
1
1 ��� ���
(4,97 ��� ���).(74 �/���)+(1 ��� ���).(60 �/���)
0,75 �/��
= 0,00175 ���/��
Với XAf = 50% , 60%, 70 %, 80%, 90%, 95%, 99%.
XAf
50%
60%
70 %
80%
90%
95%
99%
t (ph)
32,84
49,26
76,63
131,36
295,57
623,97
3251,23
t (h)
0,55
0,82
1,28
2,19
4,93
10,40
54,19
Nếu lựa chọn 95% hay 99% tuy độ khiết cao nhưng vẫn còn lẫn tạp chất, cần phải trải qua
quá trình loại bỏ tạp chất và thời gian phản ứng quá lâu 10h và 60h không đem lại hiệu quả
trong sản suất, và ứng dụng của các chất độ tinh khiết gần như tuyệt đối khơng nhiều, ít
đem lại hiệu quả kinh tế, tiêu tốn khá nhiều thời gian, nhiên liệu để phản ứng. Vì vậy, nên
chọn độ chuyển hóa từ 90% trở xuống để q trình tối ưu nhất.
Thí dụ 3.1: Xác định lưu lượng mỗi dòng nhập nhiệu
Phản ứng thuận nghịch pha lỏng sơ đẳng
A+B = R+S
Với: k1 = 7 l/mol.ph , k2 = 3 l/mol.ph , V = 120 lít
Hai dịng nhập liệu riêng biệt có lưu lượng bằng nhau:
- Dịng có nồng độ 2,8 mol A/lít
- Dịng có nồng độ 1,6 mol B/lít
Độ chuyển hóa của tác chất giới hạn đạt 75%.
Bài làm
- Dòng nhập liệu ban đầu: CA00 = 2,8 mol/l ; CB00 = 1,6 mol/l
- Hai dịng nhập liệu riêng biệt có lưu lượng bằng nhau:
→ CA0 = 1,4 mol/l; CB0 = 0,8 mol/l
- Tác chất giới hạn B, XBf = 0,75
→ CBf = CB0(1-XBf) = 0,8.(1-0,75) = 0,2 mol/l
CAf = CA0 - CB0.XBf = 1,4 - 0,6 = 0,8 mol/l
CRf = CSf = CB0.XBf = (0,8 mol/l).0,75 = 0,6 mol/l
CB0.XBf = CA0.XAf
- Phương trình vận tốc (-rA) = (-rB) = (+rR) = (+rS) = k1CACB - k2CRCS
→ (-rA)r = (-rB)r = (+rR)r = (+rS)r = k1CAfCBf - k2CRfCSf = (7 l/mol.ph).(0,8 mol/l).(0,2 mol/l) (3 l/mol.ph).(0,6 mol/l).(0,6 mol/l) = 0,04 mol/l.ph
��� − ��0
�
�
=
=
��0 �. ��0
( − ��� )
- Vì B là tác chất giới hạn, viết theo B, XBf = 0,75
(-rB)r = 0,04 mol/l.ph ; V = 120 lít ; CB0 = 0,8 mol/l
→ Dòng nhập liệu chung ϑ =
��� − ��0
�
�
=
=
��0 �. ��0
( − ��� )
V.(−��� )
��0 .(��� −��0 )
=
(120 l ).(0,04 mol/l.ph)
(0,8 mol/l).(0,75)
Vậy lưu lượng mỗi dòng nhập liệu là: 4 l/ph
= 8 l/ph
Thí dụ 3.4: Tính thể tích bình phản ứng ống
4PH3(k) → P4(k) + 6H2(k)
(-rPH3) = (10 h-1).CPH3
- Hoạt động ở nhiệt độ 650oC, áp suất 4,6 atm
- XAf = 80%
- Nhập liệu có suất lượng 2kmol/h phosphin nguyên chất.
Bài làm
4A → B + 6C
(-rA) = (10 h-1).CA
�ố�� = ��0
��2 =0,8
��1 =0
���
= ��0
−��
��2 =0,8
��1 =0
7−4
= 0,75
4
1 − ��
�� = ��0 .
1 + �� . ��
εA =
FA0
V=
k. CA0
0,8
0
1 + εA . X A
. dXA
1 − XA
���
�. ��
��0 =
V=
V=
FA0
1
. (1 + εA ) ln
− εA . XA
k. CA0
1 − XA
4,6��
= 0,06 ���/�
(0,082 �. ��/���. �)(650 + 273�)
2000 mol/h
1
(1 + 0,75)ln
− 0,75.0,8
−1
1 − 0,8
(10h ). (0.06 mol/l)
Bài tập 3.6: Cho phản ứng tạo thành etylen glicol như sau:
��2 �� − ��2 �� + �����3 → (��2 ��)2 + ���� + ��2
Phản ứng sơ đẳng k = 5,2 l/mol.h ở 82oC. Hỗn hợp nhập liệu ban đầu đẳng mol đạt độ
chuyển hóa 95% từ 2 dịng ngun liệu có sẳn như sau:
- Dung dịch 15% k.l bicacbonat sodium.
- Dung dịch 30% k.l etylen clorhidrin trong nước.
a) Tính thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động ổn định để sản xuất 50kg/h etilen
glycol?
b) Tính thể tích bình phản ứng ống để phản ứng ở cùng điều kiện trên?
c) Tính thời gian phản ứng và thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gián đoạn để sản
xuất 50kg/h etilen glycol? Thời gian gián đoạn giữa 2 mẻ là 30 phút.
Bài làm
A +B → R+S+T
Phân tử lượng của các cấu tử: MA = 80,5 g/mol; MB = 84 g/mol; MR = 62 g/mol;
MS = 58,5 g/mol; MT = 44 g/mol; ρ = 1020 kg/m3 = const.
Nồng độ ban đầu của hai tác chất:
��00
30%
80,5 ��/����
=
= 3,8 ���/�;
100%
1020 ��/�3
��00
15%
84 ��/����
=
= 1,82 ���/�;
100%
1020 ��/�3
Điều kiện đầu: ��0 = ��0 → �0 . ��0 = �0 . ��0 → ��0 = ��0
trong đó:
�0� . ��00 = �0� . ��00
�ớ�
�0 là lưu lượng dòng nhập liệu chung
�0� ; �0�
→
�0 = �0� + �0�
lần lượt là lưu lượng dòng nhập liệu A, B
CA00 v0B
3,8
=
=
→ v0B = 2,08. v0A → �0 = �0� + �0� = 3,08. �0�
CB00 v0A 1,82
��0 =
�0� .��00
�0
=
�0� .��00
�0� +�0�
=
�0� .��00
3,08. �0�
=
��00
3,08
3,8 ���/�
=
3,08
a) Thể tích bình phản ứng ống 50 kg /h Etylen Glycol
�ố�� = ��0
��2
��1 =0
���
= ��0
−��
��2
��1 =0
�2 = 0,95; �� = 50/62 = 0,806 ����/ℎ → �0� =
= 1,23 ���/�
���
�. �2�
��0
��00 = 848/3,8 = 223 �/ℎ
�0� = 2,08. �0� = 463,8 �/ℎ
��0 = 0,848 ����/ℎ = 848 ���/ℎ
�ố�� = ��0
(−�� ) = (5,21 �/���. ℎ). �2� = (5,21 �/���. ℎ). �2�0 (1 − �� )2
0,95
0
���
��0
1
=
�. �2�0 (1 − �� )2 �. �2�0 1 − ��
0,95
0
=
19 848 ���/ℎ
.
= 2044 �í�
5,21
1,232
b) Bình khuấy trộn hoạt động ổn định 50kg/h Etylen Glycol
��� − ��0
�
�
=
=
��0 �. ��0
( − ��� )
��0 = 1,23 ���/�; ��0 = 0,848 ����/ℎ = 848 ���/ℎ
��� = 0,95 ; ��0 = 0
(−�� ) = (5,21 �/���. ℎ). �2�0 (1 − �� )2 = (5,21 �/���. ℎ). (1,23 ���/�)2 . (1 − 0,95)2
�� =
c)
t=
0,95
dX
0
k.CA0
(1−�� )2
1
→t =
= 0,0197 ���/�. ℎ
(848 ���/ℎ). (0,95 − 0)
= 40893 �í�
(0,0197 ���/�. ℎ)
1
1
�.��� 1−��
−
1
1−0
=
1. 19
(5,21 �/���.ℎ)(1,23 ���/�)
Tổng thời gian mỗi mẻ là: �� = 2,97ℎ + 0,5ℎ = 3,47ℎ
�
= 2,97ℎ
Gọi mA và �� lần lượt là khối lượng và số mol etilen clohidrin cho vào bình mỗi mẻ
�
Phương trình cân bằng sau:
(�� )
��
.� .�
(
). 0,95. (62�/���)
(80,5�/���) �� �
80,5�/���
=
= 50�� ������ ������/ℎ
��
3,47ℎ
→ mA = 237,13 kg etilen clohidrin/mẻ
Khối lượng nhập liệu mỗi mẻ:
�� = 237,13 ��/�ẻ + (
273,13 ��/�ẻ
80,5 �/���
). (1,23 ���/�). (84�/��� ) = 623,69 ��/�ẻ
Thể tích hỗn hợp (chứa) trong bình: V =
623,69 kg/mẻ
1,020 kg/lit
= 611,46 lít
ĐỀ ƠN
1) Cho phản ứng pha khí
A + 2B → R + S . Hỗn hợp ban đầu có áp suất riêng phần của A
là 2at, B là 5at, khí trơ là 3at. Hỏi:
a) Khi phản ứng hoàn toàn, áp suất tổng là bao nhiêu?
b) Khi áp suất tổng là 7at, phản ứng đạt được là bao nhiêu?
Bài làm
A + 2B → R + S
a) Po = 10at ; PAo = 2 at ; PBo = 5 at ; Ptro = 3at . A là tác chất giới hạn ( hết trước).
Khi phản ứng hoàn toàn PA = 0; PB = 1at; Ptro = 3at; PR = 2at; PS = 2at
P = PA + PB + Ptro + PR + PS = 0+1+3+2+2= 8at ( Phản ứng giảm số mol)
b) PR = PRo +
(150%).
�
∆�
(� − ��) → �� = 0 +
1
−1
(7 − 10) = 3�� như vậy phản ứng đạt hiệu suất
2) Cho biết đơn vị của các hằng số vận tốc phản ứng k trong những trường hợp sau:
2/4
(−rA ) = kCA ; (−rA ) = kCA ; (−rA ) = kpA pB ; (−rA ) = k
Cho biết đơn vị của (-rA ) = mol/l.ph; CA = mol/l và pA, pB = at
Bài làm
a) (−rA ) = kCA → mol/l. ph = (k). mol/l → k = 1/ph
2/4
b) (−rA ) = kCA → mol/l. ph = (k). (mol/l)1/2 → k =
c) (−rA ) = kpA pB → mol/l. ph = (k). (at)2 → k =
d) (−rA ) = k → k = mol/l. ph
(mol/l)1/2
(at)2 .mol
ph
l.ph
3) Cho phản ứng như sau: A + B → R + S + T . Phản ứng sơ đẳng với CB0 =1,1CA0 và k =
5,2 l/mol.h ở 82oC, 1at. Trên cơ sở số liệu này ta xây dựng một thiêt bị sản xuất để xác định
tính khả thi của việc sản xuất R từ 2 dòng nhập liệu có sẳn như sau: dung dịch 30% khối
lượng A trong nước và dung dịch 20% khối lượng B trong nước.
a) Tính thể tích bình phản ứng khuấy trộn lý tưởng và bình phản ứng dạng ống lý tưởng hoạt
động ổn định đạt độ chuyển hóa của tác chất A là 90% và năng suất 100kg R/h?
b) T là khí CO2. Hỏi trong cả 2 bình câu a) thu được bao nhiêu khí CO2 tại điều kiện phản
ứng?
Cho biết MA = 80,5; MB = 84; MR = 62; MS = 58,5; MT = 44 kg/kmol và giả sử khối
lượng riêng của hỗn hợp trong phản ứng không đổi và bằng 1020 kg/m3.
Bài làm
��00
A +B → R+S+T
30%
80,5 ��/����
=
= 3,8 ���/�;
100%
1020 ��/�3
��00
20%
84 ��/����
=
= 2,43 ���/�
100%
1020 ��/�3
Điều kiện đầu: 1,1��0 = ��0 → �0 . 1,1��0 = �0 . ��0 → 1,1��0 = ��0
trong đó:
→
CA00
CB00
=
�ớ�
1,1�0� . ��00 = �0� . ��00
�0 là lưu lượng dòng nhập liệu chung
�0� ; �0�
v0B
1,1v0A
=
3,8
lần lượt là lưu lượng dòng nhập liệu A, B
2,43
��0 =
�0 = �0� + �0�
→ v0B = 1,72. v0A → �0 = �0� + �0� = 2,72. �0�
�0� .��00
�0
=
�0� .��00
(�0� +�0� )
=
�0� .��00
2,72. �0�
a) Thể tích bình phản ứng ống 100 kg R /h
�ố�� = ��0
��2
��1 =0
=
���
= ��0
−��
�2 = 0,9; �� = 100/62 = 1,613 ����/ℎ → �0� =
��00
2,72
��2
��1 =0
��0
=
3,8 ���/�
2,72
= 1,4 ���/�
���
�. �� . ��
��00 = 1791/3,8 = 471,3 �/ℎ
�0� = 1,72. �0� = 810,6 �/ℎ
��0 = 1,791 ����/ℎ = 1791 ���/ℎ
��0 . �� = ��0 . �� → �� =
��0 . �� 0,9
=
= 0,82
��0
1,1
(−�� ) = (5,21 �/���. ℎ). �� . �� = (5,21 �/���. ℎ). ��0 (1 − �� ). ��0 (1 − �� )
= (5,21 �/���. ℎ). �2�0 . (1 − �� )(1,1 − �� )
�ố�� = ��0
0,9
0
�. �2�0 . (1
���
��0
=
− �� )(1,1 − �� ) �. �2�0
0,9
0
��
(1 − �� )(1,1 − �� )
1791 ���/ℎ
=
. 6 = 1473 �í�
(5,21 �/���. ℎ). (1,4 ���/�)2
Bình khuấy trộn hoạt động ổn định 100 kg R/h
��� − ��0
�
�
=
=
��0 �. ��0
( − ��� )
��0 = 1,4 ���/�; ��0 = 1,791 ����/ℎ = 1791 ���/ℎ
��� = 0,9 ; ��0 = 0
(−�� ) = (5,21 �/���. ℎ). �2�0 (1 − �� )(1,1 − �� )
= (5,21 �/���. ℎ). (1,4 ���/�)2 . (1 − 0,9)(1,1 − 0,9) = 0,204 ���/�. ℎ
�� =
(1791 ���/ℎ).(0,9−0)
(0,204 ���/�.ℎ)
= 7901 �í�
b) Số khí CO2 thu được là:
FA0 = 1,791 kmol/h, XAf = 90%
Suy ra: FT = 1,791*0,9 = 1,612 kmol/h
Khối lượng CO2 thu được: (1,612 kmol/h).(44 kg/kmol)= 70,9 kg/h
GIẢI ĐỀ THI CUỐI KỲ 2019-2020
Câu 1: Cho phản ứng nối tiếp A → R → S với R là sản phẩm chính và có hằng số vận tốc k1
= 10 h-1, k2 = 1 h-1. Xác định thời gian phản ứng, thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt
động liên tục, nồng độ các chất trong dòng ra với lưu lượng nhập liệu là 1000 lit/h, nồng độ
tác chất ban đầu của A là 2,8 mol/lit.
Bài giải
��0 = 2,8 ���/�; ��0 = 1000 ���/ℎ. 2,8 ���/� = 2800 ���/ℎ
CA + CR + CS = CA0
���� =
1
�1 �2
=
1
10.1
= 0,32ℎ
( − ��� ) = �1 . �� = �1 . ��0 (1 − �� ) = 10ℎ−1 . 2,8 ���/�. 0,24 = 6,72���/�. ℎ
��� =
� = ��0 .
��0 + �� 2,8 − 0,67
=
= 0,76 = 76%
��0
2,8
��� − ��0
�
�
=
=
��0 �. ��0
( − ��� )
��� − ��0
0,76 − 0
= 2800 ���/ℎ.
= 316,7 ���
( − ��� )
6,72 ���/�. ℎ
��
1
1
=
=
= 0,24 → �� = 0,24.2,8 mol/lit = 0,67 mol/l
��0 1 + �1 . � 1 + 10(ℎ−1 ). 0,32ℎ
��
�1 . �
10ℎ−1 . 0,32ℎ
=
=
= 0,58
��0 (1 + �1 . �)(1 + �2 . �) (1 + 10ℎ−1 . 0,32ℎ)(1 + 1ℎ−1 . 0,32ℎ)
→ �� = 0,58.2,8 ���/� = 1,62 ���/�
�1 �2 . �2
��
10ℎ−1 . 1ℎ−1 . 0,322 ℎ
=
=
= 0,18
��0 (1 + �1 . �)(1 + �2 . �) (1 + 10ℎ−1 . 0,32ℎ)(1 + 1ℎ−1 . 0,32ℎ)
→ �� = 0,18.2,8 ���/� = 0,52 ���/�
Câu 2: Cho phản ứng như sau:
A +B → R+S+T
Đây là phản ứng sơ đẳng với hằng số tốc độ phản ứng k = 5,2 lit/mol.h ở 82oC. Trên cơ sở
số liệu này ta xây dựng một thiết bị sản xuất thử để định tính khả thi của việc sản xuất R từ
2 dịng nhập liệu có sẳn như sau: dung dịch 20% khối lượng A trong nước và dung dịch
20% khối lượng B trong nước.
Tính thể tích bình phản ứng dạng ống hoạt động ổn định có độ chuyển hóa của tác chất A là
90% và năng suất 100kg R/h với tỷ lệ nồng độ ban đầu của hai tác chất là CA0 = CB0
Cho biết: MA = 80,5 kg/kmol; MB = 84 kg/kmol; MR = 62 kg/kmol; MS = 58,5 kg/kmol;
MT = 44 kg/kmol và giả sử khối lượng riêng của hỗn hợp trong phản ứng không đổi và bằng
1020 kg/m3.
Bài giải
��00
A +B → R+S+T
20%
80,5 ��/����
=
= 2,53 ���/�;
100%
1020 ��/�3
��00
�0� . ��00 = �0� . ��00
�ớ�
20%
84 ��/����
=
= 2,43 ���/�
100%
1020 ��/�3
Điều kiện đầu: ��0 = ��0 → �0 . ��0 = �0 . ��0 → ��0 = ��0
trong đó:
→
CA00
CB00
=
�0 = �0� + �0�
�0 là lưu lượng dòng nhập liệu chung
�0� ; �0�
v0B
v0A
=
2,53
2,43
��0 =
lần lượt là lưu lượng dòng nhập liệu A, B
→ v0B = 1,04. v0A → �0 = �0� + �0� = 2,04. �0�
�0� .��00
�0
=
�0� .��00
(�0� +�0� )
=
�0� .��00
2,04. �0�
=
c) Thể tích bình phản ứng ống 100 kg R /h
�ố�� = ��0
��2
��1 =0
���
= ��0
−��
�2 = 0,9; �� = 100/62 = 1,613 ����/ℎ → �0� =
��00
2,04
=
��2
��1 =0
��0
2,53 ���/�
2,04
= 1,24 ���/�
���
�. �� . ��
��00 = 1792/2,53 = 708,3 �/ℎ
�0� = �0� = 708,3 �/ℎ
��0 = 1,792 ����/ℎ = 1792 ���/ℎ
��0 . �� = ��0 . �� → �� =
��0 . �� 0,9
=
= 0,9
��0
1
(−�� ) = (5,21 �/���. ℎ). �� . �� = (5,21 �/���. ℎ). ��0 (1 − �� ). ��0 (1 − �� )
= (5,21 �/���. ℎ). �2�0 . (1 − �� )2
�ố�� = ��0
0,9
0
���
��0
=
2
2
�. ��0 . (1 − �� )
�. �2�0
= 2496,44 �í�
0,9
0
��
1792 ���/ℎ
.9
2 =
(1 − �� )
(5,21 �/���. ℎ). (1,24 ���/�)2
Câu 3:
a) Phương hướng chung chọn nhiệt độ và thiết bị phản ứng?
Khi thiết kế thiết bị phản ứng cần lưu ý 3 yếu tố: thể tích bình V, năng suất FA0 và độ
chuyển hóa XA.
- V nhỏ nhất ứng với FA0 và XA cho trước
- FA0 lớn nhất ứng với V và XA cho trước
- XA lớn nhất ứng với FA0 và V cho trước
Trên cơ sở đó chọn T phản ứng như 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 và giải nhiệt có kiểm sốt, giới hạn bởi:
+ Phản ứng phụ
+ Thiết bị
* Phản ứng thuận nghich:
- Thu nhiệt: K và k đều 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 hiện trong
khoảng nhiệt độ tối ưu nhằm:
+ V nhỏ nhất ứng với FA0 và XA cho trước
+ FA0 lớn nhất ứng với V và XA cho trước
+ XA lớn nhất ứng với FA0 và V cho trước
b) Khoảng nhiệt độ tối ưu là gì? Trường hợp nào cần phải áp dụng? Phương pháp xác định
khoảng nhiệt độ tối ưu cho các loại thiết bị phản ứng ? ( hình minh họa)
Khoảng nhiệt độ tối ưu được sử dụng với ý nghĩa để tối đa hóa năng suất trong một
thiết bị phản ứng cho trước. Khoảng nhiệt độ tối ưu có thể:
+ Đẳng nhiệt cho bình khuấy hoạt động ổn định
+ Thay đổi theo thời gian cho bình khuấy hoạt động gián đoạn
+ Thay đổi theo chiều dài cho bình ống
+ Thay đổi từ bình khuấy này sang bình khuấy khác cho hệ nhiều bình khuấy mắc nối
tiếp
Để xác định sự biến đổi nhiệt độ tối ưu từ đó cho năng suất cực đại ta phải biết thành
phần của nhập liệu và vận tốc phản ứng là hàm số theo nhiệt độ. Từ những số liệu này vận
tốc phản ứng theo cả nhiệt độ và độ chuyển hóa được tính và vẽ trên hình 5.5 và hình 5.6.
Đường gạch đứt đoạn trên hình cho ta bao hình là đường vận tốc phản ứng cực đại tại mỗi
độ chuyển hóa và nhiệt độ. Bằng cách dùng vận tốc phản ứng này tương ứng với mỗi độ
chuyển hóa và lấy tích phân bằng để thị cho bình khuấy trộn hoạt động gián đoạn hoặc thiết
bị phản ứng dạng ống hoặc j bình khuấy mắc nối tiếp ta sẽ xác định được năng suất cực đại
cho phản ứng thuận nghịch phát nhiệt.
ĐỀ THI GIỮA KỲ LỚP THẦY TÂM
Câu 1: Cho phản ứng nối tiếp: A → R → S với R là sản phẩm chính và có hằng số vận tốc k1
= 10 h-1, k2 = 1 h-1. Với lưu lượng nhập liệu là 1,2 tấn/h, nồng độ tác chất ban đầu của A là
5,6 mol/lit. Giả sử khối lượng riêng dịng nhập liệu là khơng đổi và bằng khối lượng riêng
của dung dịch acid sunfuride 98% ở 25oC. Xác định thời gian phản ứng để R đạt cực đại, thể
tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động liên tục, nồng độ các chất trong dịng ra (thơng số
khác nếu có tự chọn)
Bài giải
Ta có: ��2��4 98% ở 25�� = 1,84 ��/��� = 1840 ��/�3
��0 = 5,6 ���/�; ��0 = 1200 ��/ℎ. 5,6���/�. 1,84��/��� = 12364,8 ���/ℎ
CA + CR + CS = CA0
���� =
1
�1 �2
=
1
10.1
= 0,32ℎ
( − ��� ) = �1 . �� = �1 . ��0 (1 − �� ) = 10ℎ−1 . 5,6 ���/�. 0,24 = 13,44 ���/�. ℎ
��� =
� = ��0 .
��0 + �� 5,6 − 1,344
=
= 0,76 = 76%
��0
5,6
��� − ��0
�
�
=
=
��0 �. ��0
( − ��� )
��� − ��0
0,76 − 0
= 12364,8���/ℎ.
= 699,2 ���
( − ��� )
13,44 ���/�. ℎ
��
1
1
=
=
= 0,24 → �� = 0,24.5,6 mol/lit = 1,344mol/l
��0 1 + �1 . � 1 + 10(ℎ−1 ). 0,32ℎ
��
�1 . �
10ℎ−1 . 0,32ℎ
=
=
= 0,58
��0 (1 + �1 . �)(1 + �2 . �) (1 + 10ℎ−1 . 0,32ℎ)(1 + 1ℎ−1 . 0,32ℎ)
→ �� = 0,58.5,6 ���/� = 3,248���/�
�1 �2 . �2
��
10ℎ−1 . 1ℎ−1 . 0,322 ℎ
=
=
= 0,18
��0 (1 + �1 . �)(1 + �2 . �) (1 + 10ℎ−1 . 0,32ℎ)(1 + 1ℎ−1 . 0,32ℎ)
→ �� = 0,18.5,6 ���/� = 1,008 ���/�
Câu 2: Bình phản ứng khuấy liên tục đạt độ chuyển hóa 80% tác chất A → R theo phản
ứng bậc 2. Dự định thay bằng 3 bình phản ứng có tổng thể tích bằng bình trước.
a) Cùng XAf = 80% năng suất tăng bao nhiêu?
b) Năng suất như cũ XAf tăng bao nhiêu?
- Mắc nối tiếp 3 bình mỗi bình có thể tích bằng bình trước.
c) Cùng XAf = 80% năng suất tăng bao nhiêu?
d) Năng suất như cũ XAf tăng bao nhiêu?
Bài giải
A→R
a) Với cùng thể tích, độ chuyển hóa XA=80%; 1-XA= 0,2 ta di chuyển từ j=1 đến j=2
được:
��=1
=5
�ố
�à
��=3
= 1,75
�ố
do đó
��=1 (��0 . �/��0 )�=1
5
=
=
= 2,86
��=3 (��0 . �/��0 )�=3 1,75
Với cùng CA0 và V như vậy
Như vậy năng suất tăng thêm: 2,86 lần
(��0 )�=3
= 2,86
(��0 )�=1
b) Với năng suất khơng đổi cho cùng thể tích bình nên k, τ không đổi. Di chuyển theo
đường này từ j=1 đến j=3 xác định được 1- XA=0,1 do đó XA = 0,9
c) Như trong câu a ta đã xác định được:
với VJ=3 = 3Vj=1 nên
Do đó năng suất tăng thêm 8,58 lần
��=1
��=3
= 2,86
(��0 )�=3
= 3. (2,86) = 8,58
(��0 )�=1
d) Với 1 bình đạt độ chuyển hóa 0,80 ta có từ hình phía trên là k. CA0 . τ = 80. Với 3
bình phản ứng có thời gian lưu gấp ba do đó k. CA0 . τ = 240. Đường này cắt j =3 cho
1- XA=0,015 do đó XA = 0,985.
GIẢI ĐỀ GIỮA KỲ THẦY MINH
Câu 1: Cho phản ứng A → R + S xảy ra trong pha khí đồng thể, đẳng nhiệt ở 400K,
10atm trong bìn kín có thể tích khơng đổi. Cho biết phương trình vận tốc phản ứng là
( − rA ) = (0,2lit/mol. h). C2A (mol/lit.h) với CA (mol/l) là nồng độ của tác chất.
Hãy biểu diễn phương trình vận tốc của hỗn hợp phản ứng với giá trị của hệ số ��
trong hai trường hợp sau:
a) Nhập liệu ban đầu là A nguyên chất
b) Nhập liệu ban đầu có chứa 20% khí nito
Bài giải
a) Nguyên chất �� = 1 suy ra �� = ��0 .
1−��
1+��
→ ( − rA ) = (0,2lit/mol. h). C2A0 . (
Với ��0 =
b) �� =
��0
��
1,8−1
1
=
��
��
=
10
0,082.400
= 0,8 → ��0 =
1 − �� 2
1 − �� 2
) = 0,0186. (
)
1 + ��
1 + ��
= 0,305 ���/�
8��
0,082.400
�� = ��0 .
= 0,244 ���/�
1 − ��
1 − ��
= 0,244.
1 + �� . ��
1 + 0,8. ��
→ ( − rA ) = (0,2lit/mol. h). (0,059 (mol/l)2 )(
1−��
1+0,8.��
Câu 2: Cho phản ứng tạo thành etilen glycol như sau:
)2 = 7. 10−4 (
1−��
1+0,8��
)2 mol/l
��2 �� − ��2 �� + �����3 → (��2 ��)2 + ���� + ��2
Phản ứng sơ đẳng k = 5,2 l/mol.h ở 82oC.
Có hai dịng nhập liệu như sau:
- Dung dịch 15% k.l bicacbonat sodium.
- Dung dịch 40% k.l etylen clorhidrin trong nước.
a) Tính thể tích bình phản ứng (dạng ống) đẳng mol tác chất, năng suất etilen glycol 50kg/h,
độ chuyển hóa 90%?
b) Lập bảng cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng?
Bài giải
A +B → R+S+T
MA = 80,5 kg/kmol; MB = 84 kg/kmol; MR = 62 kg/kmol; MS = 58,5 kg/kmol; MT = 44
kg/kmol và giả sử khối lượng riêng của hỗn hợp trong phản ứng không đổi và bằng 1020
kg/m3.
��00
40%
80,5 ��/����
=
= 5,07 ���/�;
100%
1020 ��/�3
��00
�0� . ��00 = �0� . ��00
�ớ�
15%
84 ��/����
=
= 1,82 ���/�
100%
1020 ��/�3
Điều kiện đầu: ��0 = ��0 → �0 . ��0 = �0 . ��0 → ��0 = ��0
trong đó:
→
CA00
CB00
=
�0 = �0� + �0�
�0 là lưu lượng dòng nhập liệu chung
�0� ; �0�
v0B
v0A
=
5,07
1,82
��0 =
lần lượt là lưu lượng dòng nhập liệu A, B
→ v0B = 2,79v0A → �0 = �0� + �0� = 3,79. �0�
�0� .��00
�0
=
�0� .��00
(�0� +�0� )
=
�0� .��00
3,79.�0�
=
��00
3,79
=
5,07 ���/�
3,79
= 1,34 ���/�
a) Tính thể tích bình phản ứng (dạng ống) đẳng mol tác chất, năng suất etilen glycol 50kg/h,
độ chuyển hóa 90%
�ố�� = ��0
��2
��1 =0
���
= ��0
−��
��2
��1 =0
���
�. �2�
�2 = 0,9; �� = 50/62 = 0,806 ����/ℎ = �� = ��
→ �0� =
��0
��00 = 895,6/5,07 = 176,6 �/ℎ
�0� = �0� = 176,6 �/ℎ
��0 = ��0 = 895,6 ���/ℎ
�ố�� = ��0
(−�� ) = (5,21 �/���. ℎ). �2� = (5,21 �/���. ℎ). �2�0 (1 − �� )2
0,9
0
���
��0
=
�. �2�0 . (1 − �� )2 �. �2�0
= 863,3 �í�
0,9
0
��
895,6 ���/ℎ
=
.9
(1 − �� )2 (5,21 �/���. ℎ). (1,34 ���/�)2
b) Lập bảng cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng?
Bảng cân bằng vật chất cho thiết bị phản ứng
A = ��2 �� − ��2 ��; � = �����3 ; � = �ướ�; � = (��2 ��)2 ; � = ����; � = ��2
Vào
Cấu tử/
Ra
Phản ứng
%k.l
Dòng
Kmol/h
Kg/h
+/-
Kmol/h
kg/h
A
0,896
72
-0,806
0,09
7,236
1,05
B
0,896
76,13
-0,806
0,09
7,65
1,11
C
29,96
0
29,96
539,4
R
0
108+431,4=539,4
0
+0,806
0,806
50
7,28
S
0
0
+0,806
0,806
47,15
6,86
T
0
0
+0,806
0,806
35,46
Tổng
686,896
