Общая химическая технология и химические реакторы (теория и практика). Учебное пособие

NА приход = NА0 = CА0 ·vоб.,

где vоб. – объемная скорость подачи реагента.

Каскад реакторов идеального смешения непрерывного дей-

ствия. В единичном РИС-Н нельзя добиться высокой степени превращения, так как концентрация исходного регента мгновенно падает, и весь процесс протекает при низкой скорости. Однако при проведении реакций, в которых участвуют два и более реагента, перемешивание участников реакции является необходимым условием ее осуществления. В этом случае можно использовать реакторы, которые описывают ячеечной моделью или моделью К-РИС-Н. Каскад представляет собой несколько последовательно соединенных проточных реакторов идеального смешения.

91

Концентрация исходного реагента в такой системе снижается до конечного значения не сразу, а постепенно от реактора к реактору. В каждом реакторе концентрация реагента в объеме постоянна и равна концентрации его на выходе из реактора; изменение концентрации происходит скачком. Однако рабочая концентрация в каскаде поддерживается выше, чем в единичном

Расчет К-РИС-Н сводится к расчету числа ступенейn, необходимого для достижения заданной степени превращения реагента. Существуют графический и аналитический методы расчета каскада реакторов.

92

Лабораторная работа № 6.

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ РЕАКТОРА ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОГОДЕЙСТВИЯ

Цель работы: освоить методику исследования кинетики реакции на примере омыления этилацетата гидроксидом натрия в периодическом реакторе смешения при различных параметрах процесса; рассчитать константы скоростей прямой и обратной реакций, константы равновесия; рассчитать энергию активации реакции и построить математическую модель реакции на основе полученных результатов.

Оборудование, реактивы и материалы

Лабораторная установка фирмы Lauda. Весы аналитические.

Цилиндр.

Стаканчики для взвешивания. Этилацетат (ЧДА). Гидроксид натрия (ЧДА). Вода дистиллированная.

Описание экспериментальной установки

В лабораторной работе реактор смешения периодического действия изучается на примере реакции второго порядкаомы- ления этилацетата (этиловый эфир уксусной кислоты) щелочью (гидроксид натрия):

СН3СООС2Н5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH

или условно

A + B → R + S.

Основные параметры процесса в таком реактореодинаковые во всех точках реактора в любой момент времени - будут разными для одной и той же точки в разные моменты времени, то есть процесс в реакторе периодического действия является нестационарным. В реакторную систему (рисунок) загружают указанное количество растворяют в воде при работающей мешалке.

93

Уравнение материального баланса для реактора идеального смешения периодического действия имеет вид:

dC A = rA , dt

где СА - концентрация реагента А, моль/дм3; t - время, с;

rA - скорость химической реакции, определяемая кинетическим уравнением.

Рисунок. Лабораторная реакторная система фирмы Lauda

94

Для расчета реактора идеального смешения периодического действия используют характеристическое уравнение, выведенное из уравнения материального баланса,

где САо - начальная концентрация компонента А, моль/дм3; ХА - степень превращения, %.

Кинетическая модель такой реакции включает одно дифференциальное (1) и три алгебраических (2)-(4) уравнения

где k - константа скорости химической реакции, м3∙с/моль;

СА, СВ, СR, CS - концентрации веществ А, В, R, S к моменту времени t, моль/дм3;

САо, СВо - концентрации веществ А, B при t=0, моль/дм3. Принято, что СRo = CBo = C.

Из структуры модели следует, что для контроля за скоростью реакции достаточно изучить характер изменения концентрации одного из компонентов системы, например, СА=СА(t).

Совместное решение уравнений (1) и (2) позволяет выявить теоретическую зависимость СА=СА(t).

95

из которой

1 - CA0 e-(CBo -CAo )kt

CB0

Анализ уравнения (5) при t→ ∞ дает: при СВо>CAo, C→0 ― полное омыление эфира, при CBo<CAo, C→(CAo–CBo) ― частичное омыление эфира. При известной кинетической константе k зависимость СА=СА(t) может быть рассчитана по программе на ЭВМ.

Аналогичные зависимости для других компонентов легко найти из уравнений (2)-(4).

Для частного случая САо=СВо кинетическая модель (1) принимает вид

Значения СА при различныхt рассчитывают по уравнению(7), концентрации других реагентов находят из соотношения СB=СA; СR=СAo–СA; СS=СR с использованием программ для ЭВМ.

Зависимость константы скорости реакции от температуры описывается уравнением

где ko - предэкспоненциальный множитель;

Е- энергия активации реакции, кДж/моль. Из уравнения (8)

Уравнения (8)-(10) используют для определения Е и ko по температурной зависимости k.

96

Порядок выполнения работы

Получить задание у преподавателя, в котором должны быть указаны:

–концентрация растворов и гидроксида натрия;

–объем исходных реагентов;

–температура процесса.

Ознакомиться с устройством и принципом работы кондук-

–заполнить реактор гидроксидом натрия в объеме не менее 200 см3;

–включить обогрев и магнитную мешалку;

–включить в сеть кондуктометр;

–при достижении в реакторе заданной температуры произвести замер сопротивления раствора щелочи, замер повторить несколько раз через 1-2 мин до постоянного значения, что будет свидетельствовать об установившемся режиме в реакторе;

–залить в реактор этилацетат, включить магнитную мешалку, секундомер, зарегистрировать время начала реакции;

–замеры сопротивления проводить через каждые 0,5 мин

срегистрацией их в рабочем журнале;

– после окончания эксперимента слить реакционную смесь из реактора.

Выполнить эксперимент при других условиях. По окончании работы вымыть реактор.

Провести обработку экспериментальных результатов.

97

Расчет

Начальные концентрации этилацетатаСАо и щелочи СВо при смешении в реакторе рассчитывают по концентрации реагентов в исходных растворах и соотношению их объемов в реакторе:

где С′Ао - концентрация исходного раствора этилацетата, моль/дм3; С′Во - концентрация исходного раствора щелочи, моль/дм3; VАо - объем исходного раствора этилацетата, дм3;

VВо - объем исходного раствора щелочи, дм3.

Условия проведения эксперимента вносятся в табл. 1.

По калибровочным кривым для указанных температур определяют изменение концентрации щелочи в ходе реакции и -за носят экспериментальные результаты в табл. 2.

98

Таблица 2

Экспериментальные результаты по изучению кинетики реакции омыления этилацетата при температуре, оС

Продолжительность реакции, с

Показания кондуктомера, Ом-1

Концентрация щелочи С, моль/дм3

Степень превращения компонентовХА, %, рассчитывают по формуле

X A = CAo - CA .

CAo

В зависимости от соотношения исходных реагентов(этилацетата и щелочи) определяют константу скорости реакции по уравнениям (7) или (9). Уравнение (6) легко преобразуется в уравнение вида:

Обрабатывая экспериментальные результаты по методу наименьших квадратов (МНК), вычисляют коэффициенты b0 и b1,

и находят константу скорости реакции по формуле (12)

CAo - CBo

Уравнение (6) легко приводится к виду(11), если принять y=1/CA, bo=1/CAo, b1=k, xi =t.

Очевидно, что k=b1. Значения CA=CA(t); CB=CB(t); CR=CR(t); CS=CS(t) рассчитывают по уравнениям (5) и (6), и сравнивают расчетные значения CB=CB(t) с экспериментальными. Для определения энергии активации реакции омыления этилацетата экспериментальные результаты представляют в виде табл. 3.

99

Таблица 3

Результаты омыления этилацетата для определения энергии активации

По уравнению (9) рассчитывают k0 и E, введя обозначения y=lnk, xi=1/T, bo=lnko, b1= −E/R, уравнение (9) приводят к виду

(11). Обрабатывая экспериментальные данные по методу наименьших квадратов находят E= −R·b1 и k=уbo.

Содержание отчета

1.Формулировка цели работы.

2.Схема лабораторной установки и ее описание.

3.Исходные данные по заданию преподавателя.

4.Экспериментальные результаты в табл. 1, 2.

5.Результаты обработки экспериментальных данных для определения энергии активации в табл. 3.

6.Графические зависимости СА и СВ, ХА и ХВ от продолжительности реакции.

7.Таблицы и графики, используемые при определении порядка и константы скорости реакции.

8.Сравнительный анализ констант скорости реакции, полученных графическим и расчетным методами.

9.Графики и расчетные данные, необходимые для определения равновесной концентрации этилацетата.

10.Вывод.

100