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)C (mol/L)30 min0,2

في تفاعل من الرتبة الأولى ينخفض تركيز A من 1 mol/L إلى 0,2 mol/L في 30 min. أوجد ثابت السرعة k.

CA0 = 1 mol/LCA = 0,2 mol/Lt = 30 min
k = min⁻¹
2.حركية التفاعلاتصعبة
1/Tln kT = 100 °Cln 0,001ln A = ?Ea​ = 60 kJ/mol

لتفاعل من الرتبة الأولى ثابت سرعة 0,001 s⁻¹ عند 100 °C وطاقة تنشيط 60 kJ/mol. أوجد المعامل قبل الأُسّي A في معادلة أرينيوس.

k = 0,001 s⁻¹T = 100 °CEa = 60 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
3.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)متوسطة
Q = 40 L/minCA0​ = 1 mol/LCA​ = ?V = 100 L, k = 0,05 min⁻¹

تفاعل من الرتبة الأولى في الطور السائل A → B (k = 0,05 min⁻¹) يجري في مفاعل جريان كتلي (PFR) حجمه 100 L. تدخل التغذية بمعدل 40 L/min مع CA0 = 1 mol/L. الكثافة ثابتة والمفاعل في الحالة المستقرة. أوجد تركيز المخرج CA.

V = 100 LQ = 40 L/mink = 0,05 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
4.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)صعبة
V = 800 LV = 800 LQ = 25 L/minX = ?

تفاعل من الرتبة الأولى في الطور السائل (k = 0,25 min⁻¹) يجري في مفاعلي CSTR متساويين على التوالي، حجم كل منهما 800 L. معدل التغذية 25 L/min، والكثافة ثابتة والمفاعلان في الحالة المستقرة. أوجد التحوّل الكلي X بالنسبة المئوية.

V = 800 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,25 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 = 9. أوجد تركيز الاتزان [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
6.الاتزان الكيميائيصعبة
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

يتفكك PCl₅: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂، مع Kc = 0,08 عند درجة حرارة التفاعل. يحتوي الوعاء في البداية على 0,8 mol/L من PCl₅ فقط. أوجد تركيز الاتزان [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
7.موازنة الكتلةمتوسطة
الخلّاطالتيار 1250 kg/h · 40% الملحالتيار 2ṁ₂ = ? · 10% الملحالمنتج20% الملح

كم من التيار 2 يجب إضافته كل ساعة إلى التيار 1 حتى يحتوي المنتج المخلوط على 20% من الملح؟ أوجد ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.موازنة الكتلةصعبة
المبخّرالتغذية F1700 kg/h · 9% السكرالمنتج P30% السكرالبخار W (ماء نقي)W = ? kg/h

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

F = 1700 kg/hxF = 9 %xP = 30 %
W = kg/h

3المحاليل

1.حركية التفاعلات

الإجابة: k = 0,05365 min⁻¹

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).

قانون الرتبة الأولى المتكامل

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1/0,2)/30 = 1,609/30 = 0,05365 min⁻¹

الإجابة

k = 0,05365 min⁻¹
2.حركية التفاعلات

الإجابة: A = 250773 s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

درجة الحرارة المطلقة

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

حلّ معادلة أرينيوس لإيجاد A

Ea/(RT) = 60000/(8,314·373,1) = 19,34
A = k·e19,34 = 0,001·2,508 × 10⁸ = 250773 s⁻¹

الإجابة

A = 250773 s⁻¹
3.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الإجابة: CA = 0,8825 mol/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 = V/Q = 100/40 = 2,5 min

تركيز المخرج

CA = 1·e−0,05·2,5 = 0,8825 mol/L

الإجابة

CA = 0,8825 mol/L

التحوّل: X = 11,75%.

4.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الإجابة: X = 98,77 %

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 = 800/25 = 32 min, kτ = 0,25·32 = 8

التحوّل

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 8) = 0,1111
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01235
X = 1 − 0,01235 = 98,77%

الإجابة

X = 98,77%
5.الاتزان الكيميائي

الإجابة: [H2] = 0,32 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

9 = (2x)²/(0,8 − x)²

خذ الجذر التربيعي

3 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·3/(2 + 3) = 0,48 mol/L

تركيز الاتزان

[H₂] = 0,8 − x = 0,32 mol/L

الإجابة

[H2] = 0,32 mol/L
6.الاتزان الكيميائي

الإجابة: [Cl2] = 0,2161 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

0,08 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,08·x − 0,064 = 0

حُلّ المعادلة التربيعية

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,064))/2 = 0,2161 mol/L

تركيز الاتزان

[Cl₂] = x = 0,2161 mol/L

الإجابة

[Cl2] = 0,2161 mol/L
7.موازنة الكتلة

الإجابة: ṁ2 = 500 kg/h

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

الموازنات

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

حلّ لإيجاد ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 250·(40 − 20)/(20 − 10) = 500 kg/h

الإجابة

ṁ2 = 500 kg/h
8.موازنة الكتلة

الإجابة: W = 1190 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 = 1700·9/30 = 510 kg/h

الموازنة الكلية

W = F − P = 1700 − 510 = 1190 kg/h

الإجابة

W = 1190 kg/h

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