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

τ,с	СB, кмоль/м^3	CA, кмоль/м^3	Расчет по МНК
			СA^расч	ε

Таблица 5.2

Результаты обработки экспериментальных данных

Номер эксперимента	Т, К	Μ=сB,0/сA,0	k1, м^3с^-1моль^-1	ε
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

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 иС_A,f- концентрация веществаАначальная, 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)илиw_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 τявляется 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 Μраз, 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) - τдля реакции второго порядка (в случае M ≠ 1) экспериментальные точки должны находить­ся на прямой линии, тангенс угла наклона которой равенk (рис. 5.2).

Для случая C_A,0 = С_B,0кинетическое 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 отрезок1/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 Εиспользуем урав­нениеАррениуса

(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.