Bài Tập Lớn Xác định thành phần hỗn hợp cân bằng của nbutane, 1butene, và 1,3 butadiene tại áp suất 1 bar với nhiệt độ thay đổi 800K 1000K

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐHQG TP. HCM

KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC

BÀI TẬP LỚN
NHIỆT ĐỘNG KỸ THUẬT HÓA HỌC
XÁC ĐỊNH THÀNH PHẦN HỖN HỢP CÂN BẰNG CỦA
N-BUTANE, 1-BUTENE VÀ 1,3-BUTADIENE TẠI
ÁP SUẤT 1 BAR VỚI NHIỆT ĐỘ THAY ĐỒI TỪ 800K-1000K

Người thực hiện:
1. Nguyễn Văn Tú

MSHV: 51305919

2. Trần Văn Trí

MSHV: 13050199

3. Phan Doãn Kim Long

MSHV: 13050190

GVHD: TS. Nguyễn Quang Long

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12/2013


Đề bài
Dưới tác dụng của xúc tác, n-butane phản ứng dehdro hóa tạo 1- butene,
nhưng sau đó 1-butene có thể dehydro hóa tạo 1,3 butadiene. Hãy xác định

thành phần hỗn hợp cân bằng của n-butane, 1-butene, và 1,3 butadiene tại áp
suất 1 bar với nhiệt độ thay đổi 800K - 1000K.
Giải:
Phương trình phản ứng:

2


Tra sổ tay hóa lý, ta có các thông số sau:
Thông số
n-butane
1-butene

1,3-butandiene

H2

∆H0298 (kcal/mol)

- 29,812

0,28

26,75

0

∆G0298 (kcal/mol)

- 3,754

17,22

36,73

0

C0p,298 (cal/mol.K) 23,65

21,35

19,08

6,89

S0298
(cal/mol.K)

73.48

66.87

31.211

74.10

Tính toán các giá trị nhiệt động cho các phản ứng (1) và (2) (file excel
kèm theo) theo các công thức sau:

3

1. Tính toán các thông số cơ bản
* Với phản ứng (1)
∆H0298,(1) = ∆H0298,butene + ∆H0298,hydro - ∆H0298,butane = 30.092 (kcal/mol)
∆C0p,298,PƯ = C0p,298,butene + C0p,298,hydro - C0p,298,butane = 4.590 (cal/mol.K)
∆S0298,PƯ = S0298,butene + S0298,hydro - S0298,butane = 30.591 (cal/mol.K)
∆H0800,(1) = ∆H0298,(1) + ∆C0p,298 (800 - 298). 10-3 = 32.396 (kcal/mol)
∆S0800,(1) = ∆S0298 + ∆C0p,298 . ln(800:298). 10-3 = 35.124 (cal/mol.K)
∆G0800,(1) = ∆H0800,(1) - 800. ∆S0800,(1) . 10-3 = 4.297 (kcal/mol)
Sau đó, tính các giá trị ∆G0T ở các nhiệt độ trong khoảng từ 800 - 1000K,
theo phương trình Gibbs-Helmholtz (coi trong khoảng nhiệt độ biến thiên hẹp từ
800 - 1000K, ∆H = const = ∆H0800):

4


Và tính Kp theo phương trình đẳng nhiệt Van’t Hoff (phản ứng xảy ra ở áp suất
thấp P = 1 bar, xem Ka = Kp)
Với T1 = 298K, T2 là nhiệt độ biến thiên từ 800 - 1000K ,
và R = 1.987 (cal/mol.K)
Ta có các giá trị ∆G0T và Kp,T theo nhiệt độ như trong bảng tính trên file
excel (sheet “số liệu tính toán”).
* Với phản ứng (2)
Ta tính tương tự như đối với phản ứng (1), ta cũng có các giá trị ∆G0T và
Kp,T như trong bảng tính trên file excel (sheet “số liệu tính toán”).

2. Tính toán cho hệ cân bằng hóa học nhiều phản ứng
2.1. Gọi x, y, z, t lần lượt là số mol của n-butane, 1-butene, 1,3-butadien
và H2 trong hệ lúc cân bằng.

Suy ra: tổng số mol lúc cân bằng là: ∑n = x + y + z + t (mol)
Ta có các phương trình sau:
(*)
(**)
(P = 1 bar và ∆n = 1)
Với Kp,(1) và Kp,(2) tính được từ bảng trên.

5


2.2. Tính cân bằng vật chất cho các nguyên tử cacbon và hydro trong phản ứng
trên:
Với ban đầu có 1 mol n-butane (C4H10) tham gia.
Lúc cân bằng có:
x mol n-butane (C4H10)
y mol n-butene (C4H8)
z mol n-butadien (C4H6)
t mol H2
- Phương trình cân bằng vật chất đối với nguyên tử cacbon:
1 x 4 = 4x + 4y + 4z (***)
- Phương trình cân bằng vật chất đối với nguyên tử hydro:
1 x 10 = 10x + 8y + 6z + 2t (****)
2.3. Từ các phương trình (*), (**), (***), (****), ta có hệ gồm phương
trình tổng quát như sau:

x+y+z=1
5x + 4y + 3z + t = 5

6

Bằng phương pháp thế các số hạng ta có phương trình quan hệ như sau:
(1 + Kp,2)y2 + 2(x-1)y + (2Kp,1.x - Kp,1.x2) = 0

(3)

Kp,2.y2 + Kp,1.x.y + (Kp,1.x2 - Kp,1.x) = 0

(4)

Giải
phương trình (3)

với ẩn y phụ thuộc ẩn x, ta có quan hệ sau:
Thế vào (4), ta được phương trình 1 ẩn với biến số x như sau:
Với A, B, C là các hằng số:
A = Kp,1.Kp,2 + Kp,1 + 1
B = Kp,1 (1 + Kp,2)
C = (1 + Kp,2)2

7


Giải phương trình trên sử dụng Solver ta được các giá trị x, y, z, t và tính
được phần mol các chất như trong bảng tính trên file excel (phần tính toán ở
trang dưới).
Dựng đồ thị biểu diễn biến thiên số mol và phần mol trong hỗn hợp của nbutane, 1-butene, 1,2-butadien và H2 theo nhiệt độ trong khoảng từ 800 - 1000
K, ta có đồ thị và nhận xét như trên file excel (phần tính toán ở trang dưới).
-----©-----

8


9


10


11


12