Московский Государственный Университет

Инженерной Экологии

Кафедра ОИЭ и ХТ

Группа Н-40

Студент Веселов Д.И.

Дата работы 24.10.03

Лабораторная работа №6

Периодический реактор идеального смешения

Таблица 5.1

Исследование кинетики реакции омыления этилацетата

Таблица 5.2

Результаты обработки экспериментальных данных

Цель работы - исследование кинетики химических реак­ций в периодическом реакторе идеального смешения, определение константы скорости химической реакции и энергии активации.

Теоретические основы

Удобным объектом для изучения особенностей кинетики химических превращений является реактор смешения пе­риодического действия.

Режим идеального смешения характеризуется следую­щими допущениями:

- мгновенное изменение и выравнивание технологических параметров по объему реактора;

- равенство значений технологических параметров на выхо­де и в объеме реактора.

На основании сформулированных допущений можно за­писать определение модели идеального смешения для ис­ходного компонента А:

где C_A,0; C_A и С_A,f - концентрация вещества А начальная, текущая и конечная соответственно.

В периодическом реакторе идеального смешения в соот­ветствии с допущениями идеальности значения концентра­ции реагентов, степени превращения, температуры, скоро­сти реакции и других параметров в любой момент времени будут одинаковы во всех точках реактора, однако значения тех же параметров для одной и той же точки в разные мо­менты времени будут отличаться (рис. 5.1). Таким образом, процесс, протекающий в периодическом реакторе, является нестационарным.

Для определения кинетических параметров химической реакции может быть использовано уравнение материально­го баланса реактора идеального смешения периодического действия

(5.1)

где τ - время пребывания реакционной смеси в реакторе, необходимое для достижения степени превращения реаген­та x_A ; w_rА(С_A) или w_rA(x_A) - кинетическое уравнение реак­ции.

В данной работе изучают кинетику реакции второго по­рядка - омыления щелочью этилового эфира уксусной ки­слоты (этилацетата - ЭТА):

СН₃СООС₂Н₅ + NaOH → CH₃COONa + C₂H₅OH

(A + B → R + S) (5.2)

Кинетическое уравнение такой реакции имеет вид

w_rA = kC_AC_B = kС_A(C_B,0 – С_A,0 + С_A) (5.3)

где k - константа скорости химической реакции.

Представим уравнение (5.3) в виде

w_rA = kf(C_A)

Тогда уравнение (5.1) можно записать как

(5.4)

В соответствии с уравнением (5.4) зависимость между F(C_A) и τ является линейной; по величине тангенса угла наклона прямой линии можно определить константу скоро­сти реакции.

Для этого по полученным в эксперименте значениям концентраций реагентов в разные моменты времени строят зависимость

F(C) = φ(τ).

Рис. 5.1. Характеристики периодического реактора идеального смешения

Так как экспериментальные точки обычно характеризу­ются некоторым разбросом, то при построении линейной зависимости целесообразно использовать метод наименьших квадратов (МНК). Конкретный вид функции для необ­ратимой химической реакции второго порядка зависит от того, взяты ли реагенты в стехиометрическом соотношении или нет.

Если щелочь взята в избытке по отношению к этилацетату в Μ раз, т.е. С_B,0/С_A,0 = М, то с учетом стехиометрических соотношений можно записать

С_B = С_B,0 – С_A,0 + С_A = С_A,0 (М - х_A) (5.5)

Тогда

w_rA = kC²_A,0(1 - x_A)(M - x_A) (5.6)

Уравнение материального баланса (5.1) после соответст­вующей подстановки примет вид

(5.7)

После интегрирования уравнения (5.7) получим

kτ = F₁(С_B), (5.8)

где

В координатах F₁(С_B) - τ для реакции второго порядка (в случае M ≠ 1) экспериментальные точки должны находить­ся на прямой линии, тангенс угла наклона которой равен k (рис. 5.2).

Для случая C_A,0 = С_B,0 кинетическое уравнение реакции можно записать в виде

w_rА=kC_А² (5.9)

Рис. 5.2. Зависимость F₁(С_B) от времени пребывания реагентов в периодическом реакторе

После подстановки уравнения (5.9) в уравнение матери­ального баланса (5.1) получаем

(5.10)

или

(5.11)

Уравнение (5.11) представляет собой прямую линию в координатах 1/С_A- τ, отсекающую на оси ординат отрезок 1/С_A,0 (рис. 5.3).

Построив по экспериментальным точкам в этих коорди­натах прямую линию, по тангенсу угла наклона находим значение константы скорости k.

Рис. 5.3. К определению константы скорости реакции для опытов со стехиометрической смесью реагентов

Для определения энергии активации Ε используем урав­нение Аррениуса

(5.12)

Построив линейную зависимость Ink = f(1/T), можно рассчитать энергию активации по величине тангенса угла наклона этой прямой

tgα = -E/R,

где R = 8,314 Дж-моль^-1К^-1.

О писание лабораторной установки

Рис.5.4. Схема лабораторной установки для исследования химических реакций:

I - линия теплоносителя; II - линия раствора NaOH; III - линия раствора этилацетат (ЭТА);

IV - линия охлаждающей воды

Эксперименты проводят на установке, изображенной на рис. 5.4, основными элементами которой являются:

- стеклянный реактор 6, снабженный рубашкой для под­держания постоянной температуры;

- мерные сосуды 17 и 18 для исходных реагентов, также снабженные рубашками для поддержания постоянной температуры;

- термостат 13;

- измерительные приборы.

Реактор 6 через соединительные линии II и III связан с мерными сосудами 17 и 18. В реакторе, мерных сосудах и соединительных линиях поддерживают постоянную тем­пературу. Для этого через термостат 13, рубашки реакто­ра и мерных сосудов циркулирует теплоноситель (вода). Необходимую температуру теплоносителя устанавливают с помощью контактного термометра 14 и контролируют по показаниям ртутного термометра 15. Для проведения экс­периментов при температуре, близкой по своему значению к температуре в лаборатории, в термостат через кран 16 подают охлаждающую воду.

Перемешивание реагентов в реакторе осуществляют с помощью мешалки 5, соединенной с электродвигателем 1. Электродвигатель через выпрямительное устройство 3 под­ключен к сети переменного тока (U = 220 В). Изменяя с помощью потенциометра 2 напряжение, подаваемое на электродвигатель, регулируют скорость вращения мешалки. Для измерения числа оборотов электродвигателя установ­лен тахометр 4.

За ходом процесса смешения и химических реакций не­прерывно следят по изменению концентрации одного из реагентов (щелочи). Концентрацию щелочи определяют кондуктометрическим методом по величине проводимости Ζ раствора, находящегося в реакторе. Для этого в реактор введен датчик 9, соединенный с кондуктометром 10. Изменение концентрации щелочи (проводимости раствора) фик­сируют на ленте вторичного самопишущего прибора 11, шкала которого отградуирована в единицах концентра­ции (кмоль/м³). По окончании эксперимента реакционную смесь сливают в сборник 12.

Порядок проведения эксперимента

1. Закрыть краны а и б на линиях, соединяющих мерные сосуды с реактором, и кран в на линии слива раствора из реактора.

2. Отмерив с помощью мерных цилиндров заданные коли­чества исходных реагентов (щелочи и этилацетата), за­лить их в сосуды 17 и 18 соответственно.

3. Включить кондуктометр 10 и вторичный прибор 11 в электрическую сеть.

4. Включить термостат и с помощью контактного термо­метра установить заданную температуру. О моменте ус­тановления в реакторе заданной температуры судят по достижению постоянного уровня сигнала, записывае­мого на вторичном приборе 11. Перед проведением экс­перимента при температуре 25 °С необходимо прекра­тить подачу охлаждающей воды через термостат, закрыв кран 16.

5. Заполнить реактор раствором щелочи, открыв кран а.

6. Включить выпрямительное устройство, тахометр и с по­мощью потенциометра 2 установить заданное число оборотов мешалки.

7. Залить в реактор раствор этилацетата, открыв кран б, зарегистрировать время начала эксперимента и включить секундомер.

8. Снимать показания значений текущей концентрации С_B со шкалы прибора 11 через заданные промежутки време­ни и записывать их в табл. 5.1.

9. По окончании эксперимента реакционную смесь слить из реактора в сборник 12, открыв кран в. Мерные сосуды и реактор промыть дистиллированной водой объемом не меньше суммарных объемов реагентов.