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)60 min0,48

في تفاعل من الرتبة الأولى ينخفض تركيز A من 0,8 mol/L إلى 0,48 mol/L في 60 min. أوجد ثابت السرعة k.

CA0 = 0,8 mol/LCA = 0,48 mol/Lt = 60 min
k = min⁻¹
2.حركية التفاعلاتصعبة
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))تجربة 10,50,005تجربة 21,50,00866n = ?

تقيس تجربتان السرعة الابتدائية لـ A → نواتج. مع CA0 = 0,5 mol/L تكون السرعة 0,005 mol/(L·s)؛ ومع CA0 = 1,5 mol/L تكون 0,00866 mol/(L·s). أوجد رتبة التفاعل n بالنسبة إلى A.

CA0,1 = 0,5 mol/Lr1 = 0,005 mol/(L·s)CA0,2 = 1,5 mol/Lr2 = 0,00866 mol/(L·s)
n =
3.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)متوسطة
Q = 20 L/minCA0​ = 0,5 mol/LCA​ = ?V = 400 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 400 L. تدخل التغذية بمعدل 20 L/min مع CA0 = 0,5 mol/L. الكثافة ثابتة والمفاعل في الحالة المستقرة. أوجد تركيز المخرج CA.

V = 400 LQ = 20 L/mink = 0,05 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
4.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)صعبة
Q = 50 L/minX = ?V = 1000 L

تفاعل من الرتبة الأولى في الطور السائل (k = 0,2 min⁻¹) يجري في مفاعل جريان كتلي (PFR) حجمه 1000 L يُغذّى بمعدل 50 L/min. الكثافة ثابتة والمفاعل في الحالة المستقرة. أوجد التحوّل X بالنسبة المئوية.

V = 1000 LQ = 50 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 = 36. أوجد تركيز الاتزان [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
6.الاتزان الكيميائيصعبة
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

يتفكك PCl₅: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂، مع Kc = 0,02 عند درجة حرارة التفاعل. يحتوي الوعاء في البداية على 1,5 mol/L من PCl₅ فقط. أوجد تركيز الاتزان [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,02
[PCl5] = mol/L
7.موازنة الكتلةمتوسطة
الخلّاطالتيار 1500 kg/h · 45% السكرالتيار 2ṁ₂ = ? · 20% السكرالمنتج35% السكر

كم من التيار 2 يجب إضافته كل ساعة إلى التيار 1 حتى يحتوي المنتج المخلوط على 35% من السكر؟ أوجد ṁ2.

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.موازنة الكتلةصعبة
المبخّرالتغذية F2600 kg/h · 17% السكرالمنتج PP = ? · 30%البخار W (ماء نقي)0% السكر

يركّز مبخّر محلولًا من السكر بتبخير ماء نقي. أوجد تدفّق المنتج P بوحدة kg/h.

F = 2600 kg/hxF = 17 %xP = 30 %
P = kg/h

3المحاليل

1.حركية التفاعلات

الإجابة: k = 0,008514 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(0,8/0,48)/60 = 0,5108/60 = 0,008514 min⁻¹

الإجابة

k = 0,008514 min⁻¹
2.حركية التفاعلات

الإجابة: n = 0,5

طريقة السرعات الابتدائية: لـ r = k·Cⁿ، مقارنة تجربتين تختلفان فقط في التركيز الابتدائي تحذف k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. مضاعفة C تضاعف السرعة في الرتبة الأولى وتجعلها أربعة أضعاف في الرتبة الثانية.

النسب

r2/r1 = 0,00866/0,005 = 1,732
C2/C1 = 1,5/0,5 = 3

الرتبة

n = ln(1,732)/ln(3) = 0,5

الإجابة

n = 0,5
3.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الإجابة: CA = 0,1839 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 = 400/20 = 20 min

تركيز المخرج

CA = 0,5·e−0,05·20 = 0,1839 mol/L

الإجابة

CA = 0,1839 mol/L

التحوّل: X = 63,21%.

4.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الإجابة: X = 98,17 %

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 = 1000/50 = 20 min, kτ = 0,2·20 = 4

التحوّل

X = 1 − e−kτ = 1 − e−4 = 98,17%

الإجابة

X = 98,17%
5.الاتزان الكيميائي

الإجابة: [HI] = 1,2 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

36 = (2x)²/(0,8 − x)²

خذ الجذر التربيعي

6 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·6/(2 + 6) = 0,6 mol/L

تركيز الاتزان

[HI] = 2x = 1,2 mol/L

الإجابة

[HI] = 1,2 mol/L
6.الاتزان الكيميائي

الإجابة: [PCl5] = 1,337 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/(1,5 − x) → x² + 0,02·x − 0,03 = 0

حُلّ المعادلة التربيعية

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,03))/2 = 0,1635 mol/L

تركيز الاتزان

[PCl₅] = 1,5 − 0,1635 = 1,337 mol/L

الإجابة

[PCl5] = 1,337 mol/L
7.موازنة الكتلة

الإجابة: ṁ2 = 333,3 kg/h

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

الموازنات

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

حلّ لإيجاد ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 500·(45 − 35)/(35 − 20) = 333,3 kg/h

الإجابة

ṁ2 = 333,3 kg/h
8.موازنة الكتلة

الإجابة: P = 1473 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 = 2600·17/30 = 1473 kg/h

الإجابة

P = 1473 kg/h

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