đề thi và đáp án môn kỹ thuật phản ứng

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 ra đề: Vũ Bá Minh
1) Cho phản ứng nối tiếp A → R → S với R là sản phẩm chính và có hằng số vận tốc k
1
= 10h
-1
, k
2
=
1h
-1
. Xác định thời gian phản ứng trung bình, thể tích bình phản ứng khuấy trộn họat động liên tục,
nồng độ các chất trong dòng ra với lưu lượng nhập liệu là 1.000 lít/h, nồng độ tác chất ban đầu của A là
2,8 mol/lít.
2) Cho phản ứng A → R + S xảy ra trong pha khí đồng thể, đẳng nhiệt ở 400K trong bình kín có thể
tích không đổi. Cho biết phương trình vận tốc phản ứng là
(-r
A
) = (0,2 lít/mol.h) C
A
2
; mol/lít.h
với C
A
là nồng độ của tác chất, mol/ lít
Hãy biểu diễn phương trình vận tốc trên của hỗn hợp phản ứng với giá trị của hệ số є

A
trong hai
trường hợp sau:
a) Nhập liệu ban đầu là A nguyên chất
b) Nhập liệu ban đầu có chứa 20% khí trơ.
3) Cho phản ứng như sau: A + B → R + S + T
Đây là phản ứng sơ đẳng với hằng số vän tốc phản ứng k = 5,2 l/mol.h ở 82
0
C. Trên cơ sở số liệu
này ta xây dựng một thiết bị sản xuất thử để xác định tính khả thi của việc sản xuất R từ 2 dòng nhäp
liệu có sẵn như sau : dung dịch 20% khối lượng A trong nước và dung dịch 20% khối lượng B trong
nước.
Tìm thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gíán đọan đạt năng suất trung bình là 50kg R/h với
tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất C
A0
= C
B0
? Gỉả sử thời gian gián đoạn giữa 2 mẻ là 30 phút.
Cho biết M
A
= 80,5 ; M
B
= 84 ; M
R
= 62 ; M
S
= 58,5 ; M
C
= 44 và giả sử khối lượng riêng của
hỗn hợp phản ứng không đổi và bằng 1.020 kg/m

3
.
4) Phương hướng chọn nhiệt độ phản ứng. Khoảng nhiệt độ tối ưu là gì? Trường hợp nào cần phải áp
dụng, nhằm mục đích gì?
HẾT
1
ĐÁP ÁN
1) (3đ) Cho phản ứng nối tiếp A → R → S với R là sản phẩm chính và có hằng số vận tốc k
1
= 10h
-1
, k
2
= 1h
-1
. Xác định thời gian phản ứng trung bình, thể tích bình phản ứng khuấy trộn
họat động liên tục, nồng độ các chất trong dòng ra với lưu lượng nhập liệu là 1.000 lít/h, nồng
độ tác chất ban đầu của A là 2,8 mol/lít.
Với phản ứng nối tiếp có R sản phẩm trung gian là sản phẩm chính thì phản ứng cần
dừng ở thời điểm R đạt cực đại. Từ đồ thị hình 4.18 cho phân phối sản phẩm của phản ứng
nối tiếp trong bình phản ứng khuấy trộn họat động liên tục,
k
2
/k
1
=0,10 tại điểm C
Rmax
/C
A0
~= 0,7;C

A
/C
A0
~= 0,20 suy ra C
S
/C
A0
~=0,10;
k
1
τ = 3,10.
Kết quả: τ = 0,31h,V=310 lít; C
Rmax
=1,96 mol/l; C
A
=0,56 mol/lít; C
S
=0,28mol/lít; V= 310 lít
2) (2đ) Cho phản ứng A → R + S xảy ra trong pha khí đồng thể, đẳng nhiệt ở 400K trong bình kín
có thể tích không đổi. Cho biết phương trình vận tốc phản ứng là
(-r
A
) = (0,2 lít/mol.h) C
A
2
; mol/lít.h
với C
A
là nồng độ của tác chất, mol/ lít
Hãy biểu diễn phương trình vận tốc trên của hỗn hợp phản ứng với giá trị của hệ số є

A
trong
hai trường hợp sau:
a) Nhập liệu ban đầu là A nguyên chất
b) Nhập liệu ban đầu có chứa 20% khí trơ.
Nồng độ tác chất khí C
A
= C
A0
(1 – X
A
)/ (1 + €
A
X
A
) với €
A
là hệ số biến đổi thể tích
a) Nhập liệu ban đầu là A nguyên chất €
A
(2–1)/1=1
nên C
A
= C
A0
(1 – X
A
)/ (1 + X
A
)

(-r
A
) = kC
A0
2
[(1 – X
A
)/ (1 + X
A
)]
2
b) Nhập liệu ban đầu có chứa 20% khí trơ. €
A
= 0,80
(-r
A
) = kC
A0
2
[(1 – X
A
)/ (1 + 0,8X
A
)]
2
3) (3đ) Cho phản ứng như sau: A + B
→
R + S + T
Đây là phản ứng sơ đẳng với hằng số vän tốc phản ứng k = 5,2 l/mol.h ở 82
0

C. Trên cơ sở số liệu
này ta xây dựng một thiết bị sản xuất thử để xác định tính khả thi của việc sản xuất R từ 2 dòng nhäp
liệu có sẵn như sau : dung dịch 20% khối lượng A trong nước và dung dịch 20% khối lượng B trong
nước.
Tìm thể tích bình phản ứng khuấy trộn hoạt động gíán đọan đạt năng suất trung bình là 50kg R/h
với tỉ lệ nồng độ ban đầu của tác chất C
A0
= C
B0
? Gỉả sử thời gian gián đoạn giữa 2 mẻ là 30 phút.
Cho biết M
A
= 80,5 ; M
B
= 84 ; M
R
= 62 ; M
S
= 58,5 ; M
C
= 44 và giả sử khối lượng riêng của
hỗn hợp phản ứng không đổi và bằng 1.020 kg/m
3
.
53,2
1020/100
5,80/20
00
==
A

C
mol/l;
43,2
1020/100
84/20
00
==
B
C
mol/l
2
C
A00
.v
A00
= C
B00
. V
B00
suy ra C
A00
/C
B00
= v
B00
/v
A00
= 2,53/2,43 = 1,04
Suy ra C
A0

= C
B0
= 1,24 mol/l
Phương trình vận tốc phản ứng là (-r
A
) = k.C
A0
2
(1-X
A
)
2
;
00
9,0
0
0
9,0
0
2
0
9,0
0
22
0
0
9
)110(
1
)1(

11
)1(
1
)1(
AA
A
AA
A
AAA
A
A
kCkC
X
kCX
dX
kCXkC
dX
Ct =−=






−
=
−
=
−
=

∫∫
= 1,4h
Giả sử thời gian gián đoạn giữa 2 mẻ là 30 phút= 0,5h (Trị số này có thể thay đổi và ảnh
hưởng đến kết quả dưới đây).
Vậy thời gian tổng cộng một mẻ là 1,9h. Năng suất một mẻ là (50kg/h).(1.9h/mẻ)= 95 kgR/mẻ
hay 1,53 kmol R/mẻ.
Độ chuyển hóa 0,90 nên mỗi mẻ cho vào:1,53 kmol R/mẻ/0,90= 1,70 kmol A và 1,70 kmolB.
Khối lượng A 136,85kg + khối lượng B 142,8kg = 279,65 kg.
Cả hai đều là dung dịch 20% khối lượng nên tổng khối lượng dung dịch cho vào
một mẻ là: 279,65/0,2= 1.398,25kg/mẻ
Thể tích bình hay thể tích hỗn hợp ban đầu là 1.370 lít
4) (2d) Phương hướng chọn nhiệt độ phản ứng. Khoảng nhiệt độ tối ưu là gì? Trường hợp nào cần
phải áp dụng, nhằm mục đích gì?
Khi thiết kế TBPƯ cần quan tâm đến 3 yếu tố là: thể tích bình V, năng suất F
A0
và độ chuyển
hóa X
A
.
• V nhỏ nhất ứng với F
A0
và X
A
cho trước
• F
Ao
lớn nhất ứng với V và X
A
cho trước
• X

A
lớn nhất ứng với F
A0
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 soát, giới hạn bởi:
- Phản ứng phụ
- Thiết bị
 Phản ứng thuận nghịch:
• 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 theo
khoảng T tối ưu nhằm:
- V nhỏ nhất ứng với F
A0
và X
A
cho trước
- F
Ao
lớn nhất ứng với V và X

A
cho trước
- X
A
lớn nhất ứng với F
A0
và V

cho trước
3
4