1
BÀI TẬP THỰC HÀNH
KỸ THUẬT PHẢN ỨNG
2
BÀI 1: THỜI GIAN LƯU
I. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM:
- Khảo sát thời gian lưu của hệ thống bình khuấy mắc nối tiếp theo mô hình dãy
hộp.
- Xác định hàm phân bố thời gian lưu thực với phổ thời gian lưu lý thuyết.
- Tìm hiểu các cận của mô hình dãy hộp và thong số thống kê của mô hình thí
nghiệm.
II. LÝ THUYẾT:
1. Thời gian lưu:
Định nghĩa: Thời gian lưu của một phần tử trong hệ là thời gian phần tử đó lưu
lại trong bình phản ứng hay trong thiết bị phản ứng bất kì cần khảo sát.
Những phần tử lưu chất khác nhau sẽ đi những quãng đường khác nhau trong
thiết bị và mất những khoảng thời gian khác nhau. Dựa trên các hàm phân bố thời
gian lưu xác định, ta có thể đánh giá tương quan về dòng chuyển động trong thiết bị,
các nhược điểm khi thiết kế như vùng chảy tù, chảy tắt, phân lớp…từ đó mà ta khắc
phục nhược điểm của thiết bị.
Dựa trên phổ thời gian lưu mà ta có thể vận hành tối ưu và qua đó thiết lập các
thong số, phương pháp điều khiển cũng như tối ưu hóa trong thiết bị.
Thời gian thu gọn
t t t
V
t
là tỷ số giữa thời gian lưu của phần tử bất kì và
thời gian lưu trung bình của toàn hệ.
Với: V là thể tích của hệ bình phản ứng
V là lưu lượng của dòng lưu chất vào thiết bị phản ứng
2. Các phương pháp đánh dấu:
Để đo thời gian lưu, mà trong thời gian đó một phần tử xác định lưu lại trong
một hệ dòng chảy, người ta phải phân biệt nó với các phần tử khác bằng cách đánh
dấu. Các phần tử đánh dấu phải có đặc điểm là không được ảnh hưởng và khác biệt
với các phẫn tử tạo nên tương quan trong hệ.
3
Các loại chất chỉ thị đánh dấu đối với môi trường lỏng có thể là: Dung dịch màu,
các chất phóng xạ, các chất đồng vị phóng xạ ổn định, các hạt rắn phát sáng…
Các loại chất chỉ thị thích hợp ta có thể để nó vào hệ theo 2 kiểu:
- Tín hiệu ngẫu nhiên.
- Tín hiệu xác định: tín hiệu tuần hoàn và tín hiệu không tuần hoàn.
- Để khảo cứu thiết bị, người ta dung loại tín hiệu xác định không tuần hoàn,
loại tín hiệu này có thể được tạo ra nhờ:
Đánh dấu bằng va chạm (tín hiệu xung)
Đánh dáu bằng cách cho nhập liệu vào lien tục một lượng xác định (tín
hiệu bậc).
Đánh dấu bằng cách cho nhập liệu chiếm chỗ toàn bộ trong hệ.
- Trong thí nghiệm này ta chọn loại đánh dấu bằng va chạm (xung)
- Loại đánh dấu này thường thích hợp với chất chỉ thị là chất màu.
- Ta có thể biểu diễn hàm phân bố mật độ xác suất thời gian lưu:
*
( )
( )
( )
ra ra
I I
vao
I I
C C t
f t
C C t
3. Bình phản ứng lý tưởng:
a. Bình khuấy lý tưởng: có tính chất là quá trình khuấy trộn là hoàn toàn do đó
hỗn hợp đồng nhất trong tất cả các phần của thiết bị và giống với dòng ra. Điều này
có ý nghĩa là phân tố thể tích trong các phương trình liên quan có thể được lấy là thể
tích V của toàn thiết bị phản ứng.
b. Bình ống lý tưởng: Có tính chất của dòng chảy thay đổi theo phương dọc trục
(từ đầu vào đến đầu ra) chỉ do quá trình phản ứng. Các điểm trên cùng một tiết diện
vuông góc với phương dọc trục đều có cùng một tính chất.
c. Mô hình dãy hộp: Khi nối các bình khuấy trộn lý tưởng lai với nhau ta có mô
hình dãy hộp. Tổng quát với mô hình dãy hộp n bình mắc nối tiếp, ta có hàm phân
bố thời gian lưu lý thuyết (hàm đáp ứng) như sau:
4
1
( 1)!
i
n
n
n
ni i
n
C e
n
Vẽ hàm đáp ứng Cn theo các giá trị n khác nhau, ta có được đồ thị. Ta thấy rằng:
n = 1 phổ của hàm đáp ứng là phổ của bình khuấy lý tưởng
n
phổ của hàm đáp ứng là phổ của bình ống lý tưởng
4. Xác định nồng độ bằng cách đo mật độ quang.
Tỷ số C/C0 hoàn toàn có thể thay thế bằng tỷ số D/D0 nên ta chỉ cần đo mật độ
quang thay cho việc đo nồng độ.
Cơ sở là định luật Lambert – Beer:
. . . 2 lg( %)
D b c k C T
Với :
: hệ số hấp thu mol (l/mol.cm)
b: chiều dài cuvet chứa mẫu (cm)
C: nồng độ mẫu (mol/l)
k: hệ số tỷ lệ
T: độ truyền suốt (%)
III. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM, TÍNH TOÁN VÀ ĐỒ THỊ:
1. HỆ MỘT BÌNH GIÁN ĐOẠN
T0 (%) Đường kính (d) Chiều cao (h) Lưu lượng (Q)
42.2 120 mm 105 mm 0.3 l/ph
t (S) t1
t2 t3 t4 t5
T (%) 44 42.8 42.3 42.3 42.2
Chọn T0 = 42.2
2. HỆ MỘT BÌNH LIÊN TỤC
5
T0 (%) Đường kính (d) Chiều cao (h) Lưu lượng (Q)
45.3 120 mm 105 mm 0.3 l/ph
STT t (s) T (%) STT t (s) T (%)
1 0 66 17 480 94.9
2 30 64.3 18 510 95.3
3 60 67.1 19 540 95.6
4 90 76.8 20 570 96
5 120 79.5 21 600 96.4
6 150 81.6 22 630 97.1
7 180 86 23 660 97.3
8 210 88 24 690 98
9 240 89.3 25 720 98.2
10 270 90 26 750 98.7
11 300 90.8 27 780 98.8
12 330 91.2 28 810 98.9
13 360 92.1 29 840 99.7
14 390 92.7 30 870 99.8
15 420 93.9 31 900 99.9
16 450 94.5 32 930 100
HỆ HAI BÌNH:
T0 (%) Đường kính (d) Chiều cao (h) Lưu lượng (Q)
45.3 120 mm 115 mm 0.3 l/ph