HỆ THỐNG PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN VỚI ĐIỀU KIỆN ĐẲNG NHIỆT 1. 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 sự ảnh hưởng của thành phần các chất phản ứng đến tốc độ phản ứng trong điều kiện làm việc đẳng nhiệt. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Thiết bị phản ứng khuấy trộn ổn định a. 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 phản ứng 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 V trong các phương trình cân bằng có thể được lấy là thể tích V của toàn thiết bị. Người ta giả thuyết 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 của 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 như sau: b. Thiết bị phản ứng khuấy trộn gián đoạn  Cân bằng vật chất Đặc điểm : - Trong quá trình hoạt động gián đoạn không có dòng vào và dòng ra. - Các tính chất của hỗn hợp phản ứng sẽ thay đổi: nồng độ của tác chất giảm dần và độ chuyển hóa tăng dần theo thời gian. Vì vậy, trong phương trình cân bằng vật chất: - Hai số hạng đầu tiên bằng không - Lượng chất tham gia phản ứng trong khoảng thời gian t là (–r A ).V. t - Gọi N A là số mol A tích lũy trong hỗn hợp phản ứng trong khoảng thời gian t. Vậy phương trình cân bằng vật chất được viết là: -(–r A ).V. Δt = ΔN A Chia cả 2 vế cho t và lấy giới hạn khi Δt g 0 V = const  Cân bằng năng lượng - Hai số hạng đầu của phương trình bằng không. - Nhiệt trao đổi với môi trường bên ngoài K.S.(T n – T f ). Δt. - Nhiệt tích tụ trong hỗn hợp phản ứng được biểu diễn bằng sự biến đổi năng lượng theo thời gian do sự biến đổi thành phần và nhiệt độ của hỗn hợp. - Nhiệt tích tụ từ sự biến đổi thành phần là do nhiệt phản ứng ΔH r .(- r A ).V.Δt và nhiệt tích tụ từ sự biến đổi nhiệt độ ΔT (trong khoảng thời gian Δt) là m.C p .ΔT. Vậy phương trình cân bằng năng lượng được viết K.S.(T n – T f ) = m t .C p .ΔT + ΔH r .(-r A ).V.Δt Trong đó m: khối lượng của hỗn hợp phản ứng, kg. C p : nhiệt dung riêng của hỗn hợp phản ứng, j/kg. 0 C. Khi Δt g 0 thì ta được : 2.2. Phản ứng xà phòng hóa Etyl Axetat (CH 3 COOC 2 H 5 ) bằng Natri Hyđrôxit (NaOH) NaOH + CH 3 COOC 2 H 5 g CH 3 COONa + C 2 H 5 OH Natri Hyđrôxit + Etyl Axetat g Natri Axetat + Etanol Phản ứng có thể xem như có tổng số mol là không đổi và phản ứng bậc 1 theo Natri Hyđrôxit 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 (20 0 C – 40 0 C). Phản ứng tiến hành trong thiết bị phản ứng khuấy trộn liên tục đạt cân bằng cuối cùng khi lượng chuyển hóa bằng lượng chất phản ứng xác định ban đầu. 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 tầng suất va chạm và hiệu quả va chạm của các phân tử hợp chất phản ứng. Hệ số này đạt được 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 nămg khuấy trộn không tốt sẽ làm giảm tốc độ phản ứng. Dựa theo phương trình phản ứng giữa NaOH và Etyl Axetat, nếu nồng độ ban đầu các chất bằng nhau (bằng a 0 ) và độ chuyển hóa là (X a ) thì nồng độ các chất sau phản ứng sẽ được xác định như sau: NaOH + CH 3 COOC 2 H 5 g CH 3 COONa + C 2 H 5 OH (a o – X A ) (a o – X A ) (X a ) (X a ) Từ việc phân tích phương trình động học cho phản ứng bậc 2, ta có được Ở đây k là hằng số tốc độ phản ứng và t là thời gian phản ứng. X = a 0 – a 1 Thay X vào phương trình trên, ta có Sau đó vẽ theo t và xác định hệ số góc của đường thẳng k Nồng độ X có thể được tính toán từ kết quả đo độ dẫn điện. Phản ứng tiến hành trong thiết bị khuấy trộn gián đoạn từ lúc bắt đầu đến lúc hoàn tất. Kết quả đo độ dẫn điện của hỗn hợp trong thiết bị phản ứng thay đổi theo độ chuyển hóa và phương pháp khảo sát quá trình phản ứng thích hợp. Trong quá thình phản ứng đồng thể, tốc độ phản ứng phụ thuộc vào nồng độ các chất phản ứng. Theo lý thuyết va chạm mô tả tốc độ quá trình tăng lên nếu thành phần một hoặc cả hai chất phản ứng được tăng lên. Tuy nhiên, sự ảnh hưởng của nồng độ đặc trưng thay đổi trong hệ thống phản ứng phải được xác định bằng phương pháp thực nghiệm. Việc tăng thành phần chất A so với chất B có thể làm tăng, giảm tốc độ phản ứng hoặc không ảnh hưởng – tùy theo từng loại phản ứng cụ thể. Quan trọng là chấp nhận rằng phương trình cân bằng của chuỗi phản ứng không mô tả tốc độ phản ứng ảnh hưởng thế nào bởi sự thay đổi nồng độ chất phản ứng. Phương trình tốc độ phản ứng tổng quát R = k.A n .B m Ở đó : R = tốc độ phản ứng k = hằng số tốc độ A, B = thành phần phần mol của chất phản ứng n, m = bậc tương ứng (dựa vào thực nghiệm) Vẽ đồ thị log của tốc độ phản ứng theo các mức nồng độ sẽ xác định được hệ số góc của phương trình đường thẳng suy ra bậc phản ứng yêu cầu. 2.3 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 được tính toán như sau: Nồng độ NaOH trong nhập liệu: Nồng độ CH 3 COOC 2 H 5 trong nhập liệu: Ở đó: V a = thể tích dung dịch NaOH sử dụng V b = thể tích dung dịch CH 3 COOC 2 H 5 sử dụng Nồng độ Natri Axetat cuối cùng trong thiết bị phản ứng tại điều kiện phản ứng hoàn toàn được xác định nếu b 0 < a 0 hoặc nếu Chúng ta hoàn toàn có thể xác định độ dẫn điện cuối cùng cùng với nồng độ Natri Axetat bằng phương trình sau: Tương tự có thể tính toán nồng độ NaOH theo kết quả đo độ dẫn điện bằng: Lúc này = 0 nếu a 0 < b 0 hoặc = (a 0 – b 0 ) nếu Vì vậy (chấp nhận C 0 = 0) Sử dụng những giá trị độ dẫn điện tại điểm đầu vào cuối khi chúng ta tính toán giá trị nồng độ NaOH (a 1 ), nồng độ Natri Axtetat và độ chuyển hóa (X a ) và (X c ) cho mỗi mẫu đo độ dẫn điện thu thập được tại các điểm đánh dấu trong thực nghiệm. Vì vậy (chấp nhận C 0 = 0) (cho C 0 = 0) BÁO CÁO THÍ NGHIỆM Bảng 1: Kết quả thí nghiệm với điều kiện cách khấy 4 vòng/phút Stt t(s) τ T ( 0 C) V NaOH (lít) 3 2 5 CH COOC H V (lit) C NaOH (mol/lit) 3 2 5 CH COOC H C (Mol/lit) Λ (mS) η (%) 1 30 32 790 710 0.1 0.1 7.75 2 120 32 790 710 0.1 0.1 7.22 3 240 32 790 710 0.1 0.1 6.96 4 360 32 790 710 0.1 0.1 6.83 5 480 32 790 710 0.1 0.1 6.71 6 600 32 790 710 0.1 0.1 6.63 7 720 32 790 710 0.1 0.1 6.57 8 840 32 790 710 0.1 0.1 6.51 9 960 32 790 710 0.1 0.1 6.48 10 1080 32 790 710 0.1 0.1 6.45 11 1200 32 790 710 0.1 0.1 6.44 12 1320 32 790 710 0.1 0.1 6.44 13 1440 32 790 710 0.1 0.1 6.41 14 1560 32 790 710 0.1 0.1 6.41 15 1680 32 790 710 0.1 0.1 6.41 Bảng 2 : tính toán nồng độ Stt t (s) 0 NaOH C (mol/lit) 3 2 5 0 CH COOC H C (mol/lit) 0 Λ (mS) NaOH C ∞ (mol/lit ) 3 CH COONa C ∞ (mol/lit ) ∞ Λ (mS) 1 30 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 2 120 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 3 240 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 4 360 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 5 480 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 6 600 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 7 720 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 8 840 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 9 960 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 10 108 0 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 11 120 0 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 12 132 0 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 13 144 0 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 14 156 0 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 15 168 0 0.0527 0.0473 11.949 0.0053 0.0473 1.002 58 Bảng 3: Xác định hằng số tốc độ phản ứng Stt t (s) NaOH C 3 CH COONa C NaOH X 3 CH COONa X 0 1 0 1 . C C C C − 1 30 0.034518 0.018144 0.345018 0.383596 9.995428 2 120 0.032223 0.020434 0.388566 0.432013 12.05882 3 240 0.031097 0.021558 0.40992 9 0.455765 13.1824 4 360 0.030534 0.022119 0.420611 0.467641 13.77527 5 480 0.030014 0.022638 0.430471 0.478604 14.34226 6 600 0.029668 0.022984 0.437044 0.485912 14.73129 7 720 0.029408 0.023243 0.441974 0.491394 15.02908 8 840 0.029148 0.023502 0.446904 0.496875 15.33218 9 960 0.029018 0.023632 0.449369 0.499615 15.48576 10 1080 0.028888 0.023761 0.451834 0.502356 15.64073 11 1200 0.028845 0.023805 0.452656 0.50327 15.69269 12 1320 0.028845 0.023805 0.452656 0.50327 15.69269 13 1440 0.028715 0.023934 0.455121 0.50601 15.84953 14 1560 0.028715 0.023934 0.455121 0.50601 15.84953 15 1680 0.028715 0.023934 0.455121 0.50601 15.84953 Vậy hệ số góc của đường thẳng là: 0,3252 => k = 0,3252 Vậy phương trình vận tốc phản ứng của NaOH và CH 3 COOC 2 H 5 là: r = 0,3252. 3 2 5 . NaOH CH COOC H C C Bảng 1: Kết quả thí nghiệm với điều kiện cách khấy 9 vòng/phút Stt t(s) τ T ( 0 C) V NaOH (lít) 3 2 5 CH COOC H V (lit) C NaOH (mol/lit) 3 2 5 CH COOC H C (Mol/lit) Λ (mS) η (%) 1 30 32 790 710 0.1 0.1 8.08 2 120 32 790 710 0.1 0.1 7.49 3 240 32 790 710 0.1 0.1 7.2 4 360 32 790 710 0.1 0.1 6.97 5 480 32 790 710 0.1 0.1 6.86 6 600 32 790 710 0.1 0.1 6.79 7 720 32 790 710 0.1 0.1 6.71 8 840 32 790 710 0.1 0.1 6.65 9 960 32 790 710 0.1 0.1 6.61 10 1080 32 790 710 0.1 0.1 6.59 11 1200 32 790 710 0.1 0.1 6.55 12 1320 32 790 710 0.1 0.1 6.56 13 1440 32 790 710 0.1 0.1 6.55 Bảng 2: Bảng tính nồng độ St t t (s) 0 NaOH C (mol/lit ) 3 2 5 0 CH COOC H C (mol/lit) 0 Λ (mS) NaOH C ∞ (mol/lit ) 3 CH COONa C ∞ (mol/li t) ∞ Λ (mS) 1 30 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 2 120 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 3 240 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 4 360 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 5 480 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 6 600 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 7 720 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 8 840 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 9 960 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 1 0 108 0 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 1 1 120 0 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 1 2 132 0 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 1 3 144 0 0.0527 0.0473 11.94 9 0.0053 0.0473 1.0025 8 Bảng 3: Xác định hằng số tốc độ phản ứng Stt t (s) NaOH C 3 CH COONa C NaOH X 3 CH COONa X 0 1 0 1 . C C C C − 1 30 0.035947 0.016718 0.317903 0.353449 8.843771 2 120 0.033392 0.019268 0.366381 0.407348 10.97222 3 240 0.032136 0.020521 0.390209 0.43384 12.14245 4 360 0.03114 0.021514 0.409108 0.454852 13.13769 5 480 0.030664 0.02199 0.418146 0.464901 13.63652 6 600 0.030361 0.02229 2 0.423898 0.471296 13.96211 7 720 0.030014 0.022638 0.430471 0.478604 14.34226 8 840 0.029754 0.022897 0.435401 0.484085 14.63319 9 960 0.029581 0.02307 0.438688 0.487739 14.82998 10 1080 0.029495 0.023156 0.440331 0.489566 14.92924 11 1200 0.029321 0.023329 0.443618 0.493221 15.12952 12 1320 0.029365 0.023286 0.442796 0.492307 15.07923 13 1440 0.029321 0.023329 0.443618 0.493221 15.12952 Vậy hệ số góc của đường thẳng là: 0,432 => k = 0,432 Vậy phương trình vận tốc phản ứng của NaOH và CH 3 COOC 2 H 5 là: r = 0,432. 3 2 5 . NaOH CH COOC H C C . HỆ THỐNG PHẢN ỨNG KHUẤY TRỘN GIÁN ĐOẠN VỚI ĐIỀU KIỆN ĐẲNG NHIỆT 1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM - Xác định tốc độ phản ứng trong thiết bị phản ứng khuấy trộn gián đoạn ở điều kiện đẳng nhiệt. -. chất phản ứng đến tốc độ phản ứng trong điều kiện làm việc đẳng nhiệt. 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Thiết bị phản ứng khuấy trộn ổn định a. Thiết bị phản ứng khuấy trộn lý tưởng Thiết bị phản ứng khuấy. 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