BAI 2 HỆ THỐNG PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN ĐẲNG NHIỆT

BÀI 2:

HỆ THỐNG PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN
GIÁN ĐOẠN ĐẲNG NHIỆT.
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:
- Xác định tốc độ phản ứng trong thiết bị phản ứng khuấy trộn gián đoạn ở điều
kiện đẳng nhiệt.
- Xác định ảnh hưởng của thành phần các chất phản ứng đến tốc độ phản ứng
trong điều kiện làm việc đẳng nhiệt.
II.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT:

1. Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng:
Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng được đặc trưng bằng quá trình khuấy
trộn hoàn toàn, do đó hỗn hợp đồng nhất về nhiệt độ và thành phần trong tất cả các
phần của thiết bị và giống dòng ra của sản phẩm. Điều này có ý nghĩa là phân tố
thể tích trong các phương trình cân bằng có thể lấy là thể tích V của toàn thiết bị.
Người ta giả thiết rằng ở đầu vào của thiết bị phản ứng, nồng độ của tác chất
giảm một cách đột ngột và đúng bằng nồng độ của mọi điểm trong toàn thể tích
của thiết bị và nồng độ dòng sản phẩm ra. Ta có thể biểu diễn sự thay đổi nồng độ
của tác chất từ đầu vào đến đầu ra của thiết bị là một đường gấp khúc.
2. Phản ứng xà phòng hóa Etyl Axetat (CH3COOC2H5) bằng Natri Hydroxit
(NaOH).

CH 3COOC2 H 5 + NaOH → CH 3COONa + C2 H 5OH
Phản ứng có thể xem là có tổng số mol là không đổi và phản ứng bặc 1 theo
Natri hydroxit và Etyl Axetat, tức là bậc tổng quát của phản ứng là bậc 2, phạm vi
của thí nghiệm giới hạn nồng độ (0 – 0.1M) và nhiệt độ (200C – 400C).
Phản ứng tiến hành trong thiết bị khuấy trộn liên tục đạt cân bằng cuối cùng
khi lượng chuyển hóa bằng lượng chất phản ứng xác định ban đầu.

1


Điều kiện cân bằng phụ thuộc vào nồng độ của chất phản ứng, lưu lượng, thể
tích thiết bị phản ứng và nhiệt độ phản ứng.
Tốc độ phản ứng được xác định bằng cách đo lượng chất phản ứng chuyển
hóa thành sản phẩm ứng với thời gian làm việc của thiết bị. Để phản ứng có thể tiến
hành thì các phân tử phải tiếp xúc và tương tác với nhau có hiệu quả. Tốc độ phản
ứng phụ thuộc vào sự tầng suất va chạm và hiệu suất va chạm của các phân tử hợp
chất phản ứng. Hệ số này được đạt tối ưu khi tiến hành quá trình khuấy trộn hoàn
toàn các chất phản ứng dùng bộ phận khuấy và tấm ngăn trong thiết bị phản ứng.
Khả năng khuấy trộn không tốt sẽ làm giảm tốc độ phản ứng.
Dựa vào phương trình phản ứng, nếu nồng độ ban đầu của các chất bằng
nhau (bằng a0) và độ chuyển hóa là (Xa) thì nồng độ các chất sau phản ứng được xác
định:

CH 3COOC2 H 5 + NaOH → CH 3COONa + C2 H 5OH
(a0 – Xa)

(a0 – Xa)

Xa

Xa

Ta có:

kt = −

X

a(a − X )

ở đây k là hằng số tốc độ phản ứng và t là thời gian phản ứng
X = a0 – a1
Thay X vào phương trình ta có: kt = −

a0 − a1
a0 × a1

a0 − a1

Sau đó vẽ a × a theo t và xác định hệ số góc của đường thẳng k
0
1
Nồng độ X có thể tính từ kết quả đo độ dẫn điện.
3. Phương pháp xác định nồng độ qua độ dẫn điện.
Độ dẫn điện của hỗn hợp phản ứng trong thiết bị phản ứng thay đổi theo độ chuyển
hóa và điều đó cung cấp phương pháp hữu ích cho việc theo dõi quá trình phản ứng.
Nồng độ dòng nhập liệu có thể tính toán như sau:
0
Nồng độ NaOH trong nhập liệu: C NaOH =

VNaOH
× CNaOH , Vhh = Va + Vb
Vhh
2


0
Nồng độ CH3COOC2H5 trong nhập liệu: CCH3COOC2 H5 =

VCH3COOC2 H 5
Vhh

× CCH 3COOC2 H 5

Nồng độ Natri Axetat cuối cùng trong thiết bị phản ứng tại điều kiện phản
ứng hoàn toàn được xác định.
α
0
0
0
CCH
= CNaOH
nếu CCH3COOC2 H5 < CNaOH hoặc
3COONa
α
0
0
0
CCH
= CNaOH
nếu CCH3COOC2 H5 > CNaOH
3COONa

Chúng ta hoàn toàn có thể xác định độ dẫn điện cuối cùng ứng với nồng độ
Natri Axetat bằng phương trình sau:
α
Λα = ΛαCH3COON = 0.07 × [1 + 0.0248 × (T − 294)] × CCH
×1000 cho T>=294

3COONa

Tương tự có thể tính nồng độ của NaOH theo kết quả đo độ dẫn điện bằng:
α
ΛαNaOH = 0.195 × [1 + 0.0148 × (T − 294)] × C NaOH
×1000 cho T>=294

Lúc này

0
0
α
C NaOH
= 0 nếu CCH
COOC H ≥ C NaOH hoặc
3

2

5

α
0
0
0
0
C NaOH
= (C NaOH
− CCH
) nếu CCH

COOC H ≤ C NaOH
3COOC2 H 5
3

2

5

0
0
Vì vậy Λ 0 = Λ NaOH (chấp nhận CCH COONa = 0 )
3

Λα = ΛαNaOH + ΛαCH3COONa
Sử dụng những giá trị độ dẫn điện tại thời điểm đầu vào cuối khí chúng ta
tính toán giá trị nồng độ NaOH (a1) và nồng độ Natri Axetat (c1) và độ chuyển hóa
(Xa) và (Xc) cho mỗi mẫu đo độ dẫn điện thu thập tại các điểm đánh dấu trong thực
nghiệm.
Vì vậy:

 Λ − Λ1 
a1 = (aα − a0 )  0
 + a0
Λ
−
Λ
α 
 0
 Λ − Λ1 
c1 = cα  0

 chấp nhận c0 =0
 Λ 0 − Λα 
Xa =

a0 − a1
a0

;

Xc =

3

c1
cα


III.

BÁO CÁO THÍ NGHIỆM:

1. SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM.
Thời gian t
( phút )
1
2
3
4
5
6

7
8
9
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

4

t0 C
35.4

Độ dẫn điện

Λ (mS)
7.41

2. XỬ LÝ SỐ LIỆU VÀ TÍNH TOÁN
Kiểm tra bơm 1(NaOH): 5 vòng/phút
50ml – t = 1p52s = 112s
⇒ QNaOH =

V 50
=
= 0.4464( ml / s)
t 112

Kiểm tra bơm 2 (CH3COOC2H5): 10 vòng/phút
50ml – t = 1p24s = 84s
⇒ QCH3COOC2 H5 =

V 50
=
= 0.5952(ml / s )
t 84

NaOH + CH 3COOC2 H 5 → CH 3COONa + C 2 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 )
0
⇒ CNaOH

=

VNaOH
0.63969
× CNaOH =
= 0.42855M ( 1 )
Vhh
1.49267

0
⇒ CCH
=
3COOC2 H 5

VCH 3COOC2 H 5
Vhh

× CCH 3COOC2 H 5 =

0.85298
= 0.571445M ( 2 )
1.49267

0
0
Từ ( 1 ) ( 2 ) ta thấy C NaOH < CCH3COOC2 H5 Nên cuối phản ứng

α
α
0

C NaOH
= 0, CCH
= C NaOH
= 0.042855M
3COONa
0
Ta có : Λ 0 = 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 )

5


BẢNG KẾT QUẢ:
ST

Thời gian t

T
1
2
3
4
5

6
7
8
9
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

0
C NaOH

0
CCH
3COOC2 H 5

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 hằng số tốc độ phản ứng
STT
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16

Thời gian

C NaOH

CCH3COONa

t(s)
0
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
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
6

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, hằng số tốc độ phản ứng của phản ứng là k = 0.0072

-

Phương trình tốc độ phản ứng của NaOH và CH3COOC2H5 theo dạng
r=k.AnBm:

r = k . An .B m = 0.0072 × 0.0428551 × 0.0571451 = 0.000018(l / mol.s )

BÀN LUẬN:

7