هندسة التفاعلات الكيميائية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و8 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

حركية التفاعلات

الرتبة الأولى
ln(CA/CA0) = −kt
عمر النصف (الرتبة الأولى)
t½ = ln 2/k
الرتبة الثانية
1/CA = 1/CA0 + kt
أرينيوس
k = A·e−Ea/(RT)
درجتا حرارة
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الزمن الفراغي
τ = V/Q
CSTR، رتبة أولى
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR، رتبة أولى
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
التحوّل من الحجم
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N مفاعلات CSTR متساوية على التوالي
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

الاتزان الكيميائي

ثابت الاتزان
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
جدول ICE
ابتدائي، تغيّر (×المعامل)، اتزان
المعادلة التربيعية
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

الطريقة

  1. اكتب Kc بالنواتج على المتفاعلات، كلٌّ مرفوع إلى قوة معامله.
  2. أنشئ جدول ICE: الابتدائي، والتغيّر (بخطوات x مضروبة في المعاملات)، والاتزان.
  3. عوّض تعابير الاتزان في Kc وحلّ لإيجاد x.
  4. تحقّق مما إذا كانت x صغيرة بما يكفي للتقريب؛ وإلا فحلّ المعادلة التربيعية.

موازنة الكتلة

الحالة المستقرة
الداخل = الخارج
الموازنة الكلية
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
موازنة المكوّن
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
المبخّر
F·xF = P·xP, W = F − P

2مسائل تدريبية

1.حركية التفاعلاتمتوسطة
t (min)X (%)t = ?95%

تفاعل من الرتبة الثانية (−rA = k·CA²) في مفاعل دفعي له k = 0,8 L/(mol·min) ويبدأ عند 2 mol/L. كم يستغرق الوصول إلى تحوّل 95%؟ أوجد t.

k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/LX = 95 %
t = min
2.حركية التفاعلاتصعبة
Tk40 °C0,0270 °C0,21

ثابت سرعة تفاعل 0,02 min⁻¹ عند 40 °C و 0,21 min⁻¹ عند 70 °C. أوجد طاقة التنشيط Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 40 °Ck2 = 0,21 min⁻¹T2 = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)متوسطة
Q = 50 L/minX = 70%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

يُجرى تفاعل من الرتبة الأولى في الطور السائل A → B بـ k = 0,4 min⁻¹ في مفاعل جريان كتلي (PFR) يُغذّى بمعدل 50 L/min. الكثافة ثابتة والمفاعل في الحالة المستقرة. أوجد حجم المفاعل V باللترات لتحوّل A بنسبة 70%.

Q = 50 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 70%
V = L
4.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)صعبة
V = 400 LQ = 5 L/minX = ?

تفاعل من الرتبة الأولى في الطور السائل (k = 0,2 min⁻¹) يجري في CSTR حجمه 400 L يُغذّى بمعدل 5 L/min. الكثافة ثابتة والمفاعل في الحالة المستقرة. أوجد التحوّل X بالنسبة المئوية.

V = 400 LQ = 5 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
5.الاتزان الكيميائيمتوسطة
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

يوضع 0,8 mol/L من H₂ و 0,8 mol/L من I₂ في وعاء فيتفاعلان: H₂ + I₂ ⇌ 2HI، مع Kc = 25. أوجد تركيز الاتزان [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
6.الاتزان الكيميائيصعبة
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

يتفكك PCl₅: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂، مع Kc = 0,02 عند درجة حرارة التفاعل. يحتوي الوعاء في البداية على 0,2 mol/L من PCl₅ فقط. أوجد تركيز الاتزان [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,02
[Cl2] = mol/L
7.موازنة الكتلةمتوسطة
الخلّاطالتيار 1650 kg/h · 10% NaOHالتيار 2ṁ₂ = ? · 35% NaOHالمنتج25% NaOH

كم من التيار 2 يجب إضافته كل ساعة إلى التيار 1 حتى يحتوي المنتج المخلوط على 25% من NaOH؟ أوجد ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 10 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.موازنة الكتلةصعبة
المبخّرالتغذية F500 kg/h · 16% الملحالمنتج P45% الملحالبخار W (ماء نقي)W = ? kg/h

يركّز مبخّر محلولًا من الملح بتبخير ماء نقي. أوجد الماء المتبخّر W بوحدة kg/h.

F = 500 kg/hxF = 16 %xP = 45 %
W = kg/h

3المحاليل

1.حركية التفاعلات

الإجابة: t = 11,87 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

التركيز في النهاية

CA = 2·(1 − 0,95) = 0,1 mol/L

القانون المتكامل من الرتبة الثانية

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (10 − 0,5)/0,8 = 11,87 min

الإجابة

t = 11,87 min
2.حركية التفاعلات

الإجابة: Ea = 70,02 kJ/mol

سرعات التفاعل: لتفاعل من الرتبة الأولى −dC/dt = kC، لذا C = C₀·e−kt وعمر النصف ln 2/k لا يعتمد على التركيز. لتفاعل من الرتبة الثانية 1/C = 1/C₀ + kt. يزداد ثابت السرعة مع درجة الحرارة وفق أرينيوس: k = A·e−Ea/(RT).

درجات الحرارة المطلقة

T1 = 313,1 K, T2 = 343,1 K

حلّ أرينيوس لإيجاد Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·2,351/(-2,792e-4) = 70024 J/mol
Ea = 70,02 kJ/mol

الإجابة

Ea = 70,02 kJ/mol
3.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الإجابة: V = 150,5 L

المفاعلات المثالية، تفاعل من الرتبة الأولى (−rA = k·CA) في الحالة المستقرة، مع الزمن الفراغي τ = V/Q. مفاعل CSTR تام الخلط، لذا يتفاعل الحجم كله عند تركيز المخرج المنخفض: τ = X/(k·(1 − X)) و CA = CA0/(1 + k·τ). في PFR تتفاعل كل شريحة من المائع كمفاعل دفعي صغير: τ = ln(1/(1 − X))/k و CA = CA0·e−k·τ. للتحوّل نفسه يحتاج CSTR دائمًا حجمًا أكبر من PFR.

الزمن الفراغي

τ = ln(1/(1 − 0,7))/0,4 = 1,204/0,4 = 3,01 min

الحجم

V = Q·τ = 50·3,01 = 150,5 L

الإجابة

V = 150,5 L
4.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الإجابة: X = 94,12 %

المفاعلات المثالية، تفاعل من الرتبة الأولى (−rA = k·CA) في الحالة المستقرة، مع الزمن الفراغي τ = V/Q. مفاعل CSTR تام الخلط، لذا يتفاعل الحجم كله عند تركيز المخرج المنخفض: τ = X/(k·(1 − X)) و CA = CA0/(1 + k·τ). في PFR تتفاعل كل شريحة من المائع كمفاعل دفعي صغير: τ = ln(1/(1 − X))/k و CA = CA0·e−k·τ. للتحوّل نفسه يحتاج CSTR دائمًا حجمًا أكبر من PFR.

الزمن الفراغي

τ = V/Q = 400/5 = 80 min, kτ = 0,2·80 = 16

التحوّل

X = kτ/(1 + kτ) = 16/(1 + 16) = 94,12%

الإجابة

X = 94,12%
5.الاتزان الكيميائي

الإجابة: [H2] = 0,2286 mol/L

الاتزان الكيميائي: للتفاعل aA + bB ⇌ cC + dD، ثابت الاتزان هو Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)، باستخدام التراكيز عند الاتزان. يربط جدول ICE (ابتدائي، تغيّر، اتزان) الكميات الابتدائية بكميات الاتزان من خلال مجهول واحد x مضروبًا في المعاملات.

عبارة الاتزان

25 = (2x)²/(0,8 − x)²

خذ الجذر التربيعي

5 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·5/(2 + 5) = 0,5714 mol/L

تركيز الاتزان

[H₂] = 0,8 − x = 0,2286 mol/L

الإجابة

[H2] = 0,2286 mol/L
6.الاتزان الكيميائي

الإجابة: [Cl2] = 0,05403 mol/L

الاتزان الكيميائي: للتفاعل aA + bB ⇌ cC + dD، ثابت الاتزان هو Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)، باستخدام التراكيز عند الاتزان. يربط جدول ICE (ابتدائي، تغيّر، اتزان) الكميات الابتدائية بكميات الاتزان من خلال مجهول واحد x مضروبًا في المعاملات.

عبارة الاتزان

0,02 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,02·x − 0,004 = 0

حُلّ المعادلة التربيعية

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,004))/2 = 0,05403 mol/L

تركيز الاتزان

[Cl₂] = x = 0,05403 mol/L

الإجابة

[Cl2] = 0,05403 mol/L
7.موازنة الكتلة

الإجابة: ṁ2 = 975 kg/h

موازنة الكتلة في الحالة المستقرة: الداخل = الخارج للكلي ولكل مكوّن. مسائل الخلط تجمع الاثنين.

الموازنات

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

حلّ لإيجاد ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(10 − 25)/(25 − 35) = 975 kg/h

الإجابة

ṁ2 = 975 kg/h
8.موازنة الكتلة

الإجابة: W = 322,2 kg/h

المكوّن الرابط: المكوّن الذي يمرّ دون تغيّر في تيار واحد (هنا المذاب) يربط التدفّقات مباشرة. ثم تعطي الموازنة الكلية الباقي.

موازنة المذاب

F·xF = P·xP → P = 500·16/45 = 177,8 kg/h

الموازنة الكلية

W = F − P = 500 − 177,8 = 322,2 kg/h

الإجابة

W = 322,2 kg/h

ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering