Bài tập môn kỹ thuật phản ứng có lời giải

BỘ CÔNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


TIỂU LUẬN
KỸ THUẬT PHẢN ỨNG

Đề tài:

Lớp

: DHHO2A – 0811210407601

Nhóm

:1

GVHD : Cao Thanh Nhàn

TP.HCM, tháng 12 năm 2008

1


BỘ CÔNG THƯƠNG
ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC


TIỂU LUẬN

KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
Đề tài:

NHÓM THỰC HIỆN: nhóm 1
1. Đặng Hoàng Khuyết

-

0605200 (nhóm trưởng)

2. Bùi Thị Minh Xuân

-

0604319

3. Trần Hữu Tình

-

0604316

4. Phan Thị Anh

-

0605561

TP.HCM, tháng 12 năm 2008

2


LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại trường, chúng em đã được ban giám hiệu và thầy cô
tạo những điều kiện tốt nhất cho quá trình học tập, tận tình chỉ dạy cho chúng em
những kiến thức bổ ích, giúp chúng em ngày càng tiến bộ hơn.
Mặc dù tiểu luận được thực hiện trong một thời gian không dài nhưng tất cả các
thành viên trong nhóm chúng em đã cố gắng hết sức để có thể hoàn thành tốt.
Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Cao Thanh Nhàn đã tận tình hướng dẫn và
giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình học tập và thực hiện tiểu luận.
Xin chân thành cảm ơn.

3


MỤC LỤC

Lời cám ơn..........................................................................................................................1
Mục lục

............................................................................................................................2

Lời mở đầu..........................................................................................................................3
Bài tập
Bài 2.1 ..................................................................................................................................4
Bài 2.2 ..................................................................................................................................6
Bài 2.3 ..................................................................................................................................9
Bài 2.4 ................................................................................................................................11

Bài 2.5 ................................................................................................................................13
Bài 2.6 ................................................................................................................................17
Bài 2.7 ................................................................................................................................19
Nhận xét của giáo viên.....................................................................................................20
Danh sách nhóm ..............................................................................................................21

4


LỜI MỞ ĐẦU
Một quy trình công nghệ hoá học được thiết kế nhằm để sản xuất một cách kinh
tế một sản phẩm mong muốn từ các nguồn nguyên liệu khác nhau qua một số công
đoạn xử lí nối tiếp nhau.
Thiết kế thiết bị phản ứng không phải là công việc theo một khuôn mẫu có sẳn,
mà thường là có thể gồm nhiều bản thiết kế khác nhau cho một qui trình. Thiết kế tối
ưu phản dựa trên tính kinh tế của toàn bộ qui trình chứ không phản chỉ dựa trên một
thiết bị phản ứng.
Đề thiết kế một thiết bị phản ứng ta phải có kiến thức và số liệu thuộc nhiều
lĩnh vực khác nhau như: nhiệt động lực học, động hoá học, cơ học lưu chất, truyền
nhiệt, truyền khối, kinh tế. Kỹ thuật phản ứng hoá học là sự tổng hợp các yếu tố thuộc
các lĩnh vực trên nhằm mục đích thiết kế đúng đắn một thiết bị phản ứng.
Nhưng công việc trước hết của việc thiết kế thiết bị phản ứng đó là xử lý số liệu
động học. Từ yêu cầu thực tế, từ những điều kiện cho sẵn từ đầu,… ta có thể tính toán
và tìm ra được những chỉ số quan trọng trong thiết bị phản ứng, để có thể dễ dàng điều
chỉnh theo yêu cầu thực tế.
Để hiểu rõ hơn về việc xử lý số liệu động học, ta hãy cùng nhau tìm hiểu một số
bài tập sau.

5

2.1 Cho phản ứng phận huỷ pha khí đồng thể bậc 0: A→2,7R, được thực hiện trong
một bình phản ứng có thể tích không đổi với hỗn hợp ban đầu gồm 80% A và 20% khí
trơ, ta có kết quả ở bảng 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 nguyên chất không có khí
trơ, xác định áp suất tổng sau 1h.
b) Nếu ban đầu A có áp suất riêng phần là 1at, khí trơ có áp suất riêng phần ban
đầu là 9at. Xác định áp suất tổng sau 1h.
Giải:
Biểu thức tích phân của phản ứng bậc 0:
CA0 - CA = kt
⇔
PA0 - PA = RTkt (k=const)
⇔
PA0 - PA = k’t (k’=const)
Ta có:
A
t=0 : 0,8
Phản ứng : x
t=1h : 0,8-x

→

2,7R

0
2,7x
2,7x

(Ptrơ=0,2)

Sau t=1h, áp suất tổng :
Pt = 1,5
⇔
0,8 – x + 2,7x + 0,2 = 1,5
⇔
x = 5/17
Khi t=1h, ta có :
PA0 - PA
= k’t
⇔
0,8 – (0,8 - x) = k’.1
⇔
x
= k’
⇔
k’
= 5/17
a)

A
t=0: 10at
Phản ứng: y
t=1h: 10-y

→

2,7R
0
2,7y
2,7y

Sau t=1h :
Áp suất tổng:
Pt = 10 – y + 2,7y
= 10 + 1,7y
Ta có :
PA0 - PA = k’t
⇔
y
⇔
y

= k’.1
= 5/17
6


Vậy: áp suất tổng sau 1h :
Pt = 10 + 1,7y
= 10 + 1,7.5/17
b)

A
t=0: 1at

Phản ứng: z
t=1h: 1-z

→

2,7R

0
2,7z (P trơ = 9at)
2,7z (Ptrơ = 9at)

Sau 1h:
Áp suất tổng:
Pt = 1-z + 2,7z + 9
= 10 + 1,7z
Ta có:
PA0 - PA = k’t
⇔
z
= k’.1
⇔
z
= 5/17
Vậy: áp suất tổng sau 1h:
Pt = 10 + 1,7z
= 10 + 1,7.5/17
= 10,5 (at)

7

2.2 Phản ứng pha lỏng A→R+S xảy ra như sau:
Thời
gian
(phút)
CA
(mol/l)

0

36

65

100

160

∞

0,1823

0,1453

0,1216

0,1025

0,0795

0,00494

Với CA0 = 0,1823 mol/l; CR0=0; CS0≈55 mol/l.
Tìm phương trình vận tốc cho phản ứng này.
Giải
Ta có phương trình vận tốc phản ứng

−VA =

−dA
= k . f (C )
dt

 Giả sử phản ứng bậc 0

−dA
=k
dt

⇔ −∫

CA

C A0

t

dC A = ∫ k .dt
0

⇔ C A0 − C A = k .t
(y = ax)

Theo đề bài, ta lập được bảng số liệu:
t
C A0 − C A

0
0

36
0,037

65
0,0607

100
0,0798

160
0,1028

0.12

y = 0.0006x
2
R = 0.9486

0.1

t

0.08

0.06

0.04

0.02

0
0

50

100

150

200

CA0 - CA

 Giả sử phản ứng bậc 1
−dA
= k .C A
dt
8

⇔ −∫

CA

C A0

⇔ − ln

t
dC A
= ∫ k .dt
0
CA

CA
= k .t
C A0
(y = ax)

Theo đề bài, ta lập được bảng số liệu:
t

0
0

CA
C A0

− ln

36
0,2268

65
0,4049

100
0,5758

160
0,8299

1
0.9

y = 0.0052x

0.8

2

R = 0.9901

0.7

t

0.6
0.5
0.4

0.3
0.2
0.1
0
0

50

100

150

200

ln

 Giả sử phản ứng bậc 2:

−dA
= k .C A2
dt

⇔ −∫

CA

C A0

⇔

t
dC A
=
k .dt
C A2 ∫0

1
1
−
= kt
C A C A0
(y = ax)

Theo đề bài, ta lập được bảng số liệu:

9


t
1
1
−
C A C A0

0
0

36
1,3968

65
2,7382

100
4,2706

160
7,093

8

y = 0.0446x
2
R = 0.9988

7
6
5

t

4
3
2
1
0
-1

0

50

100

150

200

1/CA-1/CA0

Qua 3 lần giả sử, ta thấy với phản ứng bậc 2 cho kết quả chính xác nhất.
Vậy: phương trình vận tốc cần tìm có dạng:

−dA
= 0, 0446.C A2
dt

10


2.3 Tìm bậc tổng quát của phản ứng không thuận nghịch:
2H2 + 2NO
N2 + 2H2O
Từ số liệu thực nghiệm trong một bình phản ứng có thể tích không đổi dung lượng
đẳng mol H2 và NO
Áp suất tổng, mmHg 200
240 280 320 360
t 1/2, s

265

186

115

104

67

Giải
Đặt áp suất ban đầu của H2 = áp suất ban đầu của NO là PA0. ( do nH2 = nNO)
Ta có:
2H2
+
2NO
N2 + 2H2O
t=0
PA0
PA0
0
0
Phản ứng
0.5PA0
0.5PA0
0.25PA0
0.5PA0
t= ½
(PA0 – 0.5PA0) (PA0 – 0.5PA0)
0.25PA0 0.5PA0
Suy ra:

Pt = (PA0 – 0.5PA0) + (PA0 – 0.5PA0) + 0.25PA0 + 0.5PA0 = 1.75PA0
PA0 =
Ta có :

t1/2

=

t1/2

=

=

Lấy logarit 2 vế của phương trình trên ta được:

Ta có:
Pt

200

240

280

320

360

4.738701579

4.921023135

5.075173815

5.208705208

5.326488244

265

186

115

104

67

11


5.579729826

5.225746674

4.744932128

4.644390899

4.204692619

2.5 D.F.Smith đã nghiên cứu phản ứng phân huỷ pha khí của
clorua sunfurul SO2Cl2 thành khí Clo và SO2 tại 279,2oC:
SO2Cl2→Cl2+SO2
ở điều kiện thể tích của hỗn hợp không đổi, theo dõi áp suất tổng cộng theo thời gian
phản ứng được kết quả sau:
T (ph)
3.4
15.7
28.1
41.1
54.5
68.3
82.4
96.3
Pt
325
335
345
355
365
375
385
395
(mmHg)
Xác định phương trình vận tốc? Độ chuyển hoá 100% ở thời điểm vô cực.
Giải

Ta có phương trình phản ứng tổng quát

−dC A
= −rA = k .C An
dt

Với bình phản ứng gián đoạn V=const
C A = C A0 (1 − X A )

CA =

Hay:

PA0 − ( P − P0 ) / ∆n
R.T

Với ∆n = 1, PA0 = P0

⇒ CA =

PA0 − ( P − P0 )
R.T

=

2 P0 − P
R.T

Suy ra phương trình vận tốc theo áp suất tổng:
n

1 dP
 2P − P 
.
=k 0
÷
R.T dt
 R.T 
Đặt: k ' = k ( RT )1− n
Nên:

dP
= k '(2 P0 − P )n
dt

Dùng đa thức nội suy Langrange, ta tính được P0 = 323 mmHg
 Giả sử phản ứng bậc 0

dP
=k'
dt
Lấy tính phân ta được:

P = P0 + k ' t

Dựa vào đề bài, ta lập được bảng:
T (ph) 0
3.4
15.7
28.1
P-P0

0
2
12
22

41.1
32

54.5
42

68.3
52

82.4
62

96.3
72

Vẽ đồ thị:

12


 Giả sử phản ứng bậc 1

dP
= k '(2 P0 − P)
dt

P
t
dP
⇔ −∫
= ∫ k '.dt
P0 2 P − P
0
0

⇔ − ln

2 P0 − P
= k '.t
P0

Dựa vào đề bài, lập được bảng số liệu:
T (ph)
0 3.4
15.7
28.1
41.1
2 P − P 0 0.006 0.037 0.070 0.104
− ln 0
P0

54.5
0.139

68.3
0.175

82.4
0.21
3

96.3
0.252

Vẽ đồ thị

 Giả sử phản ứng bậc 2

dP
= k '(2 P0 − P) 2
dt
P
t
dP
⇔ −∫
=
k '.dt
∫
P0 (2 P − P ) 2
0
0

⇔

1
1

− = k 't
2 P0 − P P0
13


Dựa vào số liệu đề bài, ta vẽ được đồ thị:

Qua 3 lần giả sử, ta thấy với phản ứng bậc 1 và bậc 0 cho kết quả chính xác hơn.
Vậy: phương trình vận tốc cần tìm có dạng:

dP
= 0.026(2 P0 − P )
dt
dP
= 0.075( P − P0 )
dt

Hoặc

Cách 2:
SO2Cl2 →
t= 0
PA0
pư
x
t
PA0 – x
 Pt= PA0 + x
 x= Pt – PA0

Cl2 +
0
x
x

SO2
0
x
x

Giả sử phản ứng có bậc n= 0:
 PA0 – PA = k’.t
 PA0 – PA0 + Pt – PA0 = k’.t
 Pt = k’.t + PA0.
Phương trình trên có dạng đường thẳng y= ax + b
Vẽ đồ thị Pt – t:
t, ph

3.4

15.7

28.1

41.1

54.5

68.3

82.4

96.3

Pt, mmHg

325

335

345

355

365

375

385

395

14


Từ đồ thị suy ra: k’= 0.751, R2 = 0.9993, PA0 = 323.41 mmHg.
Ta thấy độ chính xác R2= 99.93 % > 90% nên suy ra điều giả thiết phản ứng bậc 0 là
đúng.
Vậy: phương trình vận tốc phản ứng dạng tích phân là: PA0 – PA = 0.751t

15


2.6 Phản ứng phân huỷ nhiệt oxide nitrous (N2O) trong pha khí ở 1030K trong một
bình phản ứng có thể tích không đổi với các áp suất ban đầu khác nhau của N 2O. Số
liệu thời gian bán sinh nhận được như sau:
(PN2O)0, mmHg 52,5
139
290
360
t1/2
860
470
255
212
Xác định phương trình vận tốc phù hợp với số liệu thực nghiệm như trên.
Giải:
N2O→N2+1/2O2
(A→B+C)
Ta có:

−dC A
= k .C An
dt
n

−dPA
 P 
⇒
= k. A ÷

RTdt
 RT 
−dPA
PAn
⇒
= k.
dt
( RT )( n −1)
Đặt:

k'=
Suy ra:

k
( RT )( n −1)

−dPA
= k '.PAn
dt

Lấy tích phân, ta được:

PA(1−n ) − PA(10 − n ) = k '.(1 − n)t
2( n −1)
⇒ t1 =
.PA(10 − n )
k '.(n − 1)
2
Từ đó, thiết lập được phương trình theo dạng: y = bx + a
 2( n −1) − 1 

(1− n )
ln t1/ 2 = ln PA0 + ln 
÷
 k '.(n − 1) 
⇒ ln t1/ 2

 2( n −1) − 1 
= (1 − n) ln PA0 + ln 
÷
 k '.(n − 1) 

Theo đề bài, ta có bảng dữ liệu sau:
ln P0
ln t1/ 2

ln52,5
ln860

ln139
ln470

ln290
ln255

ln360
ln212

16

Từ đó, suy ra:
Vậy:

b = -0,7288; a = 9,678; r2 = 0,994
1 – n = -0,7288
⇔
n = 1,7288

Ta có:
 2( n −1) − 1 
ln 
÷ = 9, 678 với n = 1,7288
 k '.(n − 1) 

2( n −1) − 1
⇔
= e9,678
k '.(n − 1)
⇔ k ' = 5, 69.10 −5
k
Mà: k ' =
( RT )( n −1)
⇒ k = k '.( RT )( n −1)
= 5, 69.10−5.(0, 082.760.1030) 0,7288
= 0,18145
Vậy phương trình vận tốc:

C A−1 + C A−01 = 0,18145.C 1,75
A

2.7 Dung dịch diazobenzen phân hủy theo phản ứng không thuận nghịch sau:
17


C6H5N2Cl(l) → C6H5Cl(l) + N2(k)
Phản ứng xãy ra theo bậc 1. Trong một thí nghiệm ở 50 0C nồng độ đầu của C 6H5N2Cl
là 10 g/l và lượng N2 được phóng thích như sau:
Thời gian phản ứng, 6
ph
N2 được phóng thích

9

12

14

18

20

22

24

26

30

19.3 26.0 32.6 36.0 41.3 43.3 45.0 46.5 48.4 50.3

cm3 ở 500C, 1at
Sự phân hủy hoàn toàn muối diazo phóng thích 58.3 cm 3 khí nitrogen. Tính chính xác
giá trị hằng số vận tốc phản ứng.
Giải:
Phương trình vận tốc cho phản ứng bậc nhất:
Dạng tích phân:
Ở điều kiện đẳng áp:

Trong đó: VA0 = 58.3 cm3, VA = VA0 t, ph
VA
(cm3)

6
39

9
32.3

12
25.7

14
22.3

18
17

20
15

22
13.3

24
11.8

26
9.9

30
8

0.402

0.590

0.819

0.961

1.232

1.357

1.477

1.597

1.773

1.986

Vẽ đồ thị. Từ đồ thị suy ra: k= 0.0673 ph-1, R2= 0.9987

18


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN

.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................
.........................................................................................................................

DANH SÁCH NHÓM
Đặng Hoàng Khuyết

0605200
19


Bùi Thị Minh Xuân

0604319

Trần Hữu Tình

0604316

Phan Thị Anh

0605561

20