रासायनिक अभिक्रिया इंजीनियरिंग: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 8 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

अभिक्रिया गतिकी

प्रथम कोटि
ln(CA/CA0) = −kt
अर्धायु (प्रथम कोटि)
t½ = ln 2/k
द्वितीय कोटि
1/CA = 1/CA0 + kt
आरेनियस
k = A·e−Ea/(RT)
दो तापमान
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)

स्पेस टाइम
τ = V/Q
CSTR, प्रथम कोटि
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, प्रथम कोटि
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
आयतन से रूपांतरण
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
श्रेणी में N समान CSTR
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

रासायनिक साम्य

साम्य स्थिरांक
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE तालिका
प्रारंभिक, परिवर्तन (×गुणांक), साम्य
द्विघात समीकरण
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

विधि

  1. Kc को उत्पाद बटा अभिकारक के रूप में लिखें, हर एक को उसके गुणांक की घात पर।
  2. एक ICE तालिका बनाएँ: प्रारंभिक (Initial), परिवर्तन (Change, गुणांकों के x गुना के चरणों में), साम्य (Equilibrium)।
  3. साम्य व्यंजकों को Kc में रखें और x के लिए हल करें।
  4. जाँचें कि x सन्निकटन के लिए पर्याप्त छोटा है या नहीं; अन्यथा द्विघात समीकरण हल करें।

द्रव्यमान संतुलन

स्थायी अवस्था
अंदर = बाहर
कुल संतुलन
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
घटक संतुलन
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
वाष्पित्र
F·xF = P·xP, W = F − P

2अभ्यास प्रश्न

1.अभिक्रिया गतिकीमध्यम
t (min)X (%)t = ?80%

एक बैच रिएक्टर में द्वितीय-कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA²) में k = 1 L/(mol·min) है और यह 0.5 mol/L से शुरू होती है। 80% रूपांतरण तक पहुँचने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 0.5 mol/LX = 80 %
t = min
2.अभिक्रिया गतिकीकठिन
Tk35 °C0.0260 °C0.18

एक अभिक्रिया का दर स्थिरांक 35 °C पर 0.02 min⁻¹ और 60 °C पर 0.18 min⁻¹ है। सक्रियण ऊर्जा Ea ज्ञात कीजिए।

k1 = 0.02 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0.18 min⁻¹T2 = 60 °CR = 8.314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)मध्यम
Q = 80 L/minX = 90%V = ?, k = 0.2 min⁻¹

k = 0.2 min⁻¹ वाली एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया A → B, 80 L/min फ़ीड वाले प्लग-फ़्लो रिएक्टर (PFR) में की जाती है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। A के 90% रूपांतरण के लिए रिएक्टर आयतन V लीटर में ज्ञात कीजिए।

Q = 80 L/mink = 0.2 min⁻¹X = 90%
V = L
4.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)कठिन
V = 1500 LQ = 100 L/minX = ?

एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया (k = 0.05 min⁻¹) 100 L/min फ़ीड वाले 1500 L CSTR में चलती है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। रूपांतरण X प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

V = 1500 LQ = 100 L/mink = 0.05 min⁻¹
X = %
5.रासायनिक साम्यमध्यम
H2​I2​HII0.40.40C−x−x+2xE0.4 − x0.4 − x2x

एक पात्र में 0.4 mol/L H₂ और 0.4 mol/L I₂ डालकर अभिक्रिया कराई जाती है: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, जहाँ Kc = 64। साम्य सांद्रता [H2] ज्ञात कीजिए।

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
6.रासायनिक साम्यकठिन
PCl5​PCl3​Cl2​I0.100C−x+x+xE0.1 − xxx

PCl₅ विघटित होता है: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, अभिक्रिया ताप पर Kc = 0.05। पात्र में शुरू में केवल 0.1 mol/L PCl₅ है। साम्य सांद्रता [PCl5] ज्ञात कीजिए।

[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LKc = 0.05
[PCl5] = mol/L
7.द्रव्यमान संतुलनमध्यम
मिक्सरधारा 1800 kg/h · 35% NaOHधारा 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHउत्पाद25% NaOH

धारा 1 में हर घंटे धारा 2 की कितनी मात्रा मिलाई जाए ताकि मिश्रित उत्पाद में 25% NaOH हो? ṁ2 ज्ञात कीजिए।

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 35 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.द्रव्यमान संतुलनकठिन
वाष्पित्रफ़ीड F4400 kg/h · 5% चीनीउत्पाद P30% चीनीवाष्प W (शुद्ध पानी)W = ? kg/h

एक वाष्पित्र शुद्ध पानी उबालकर चीनी विलयन को सांद्र करता है। वाष्पित पानी W को kg/h में ज्ञात कीजिए।

F = 4400 kg/hxF = 5 %xP = 30 %
W = kg/h

3विलयन

1.अभिक्रिया गतिकी

उत्तर: t = 8 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).

अंत में सांद्रता

CA = 0.5·(1 − 0.8) = 0.1 mol/L

समाकलित द्वितीय-कोटि नियम

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (10 − 2)/1 = 8 min

उत्तर

t = 8 min
2.अभिक्रिया गतिकी

उत्तर: Ea = 75.01 kJ/mol

अभिक्रिया दर: प्रथम-कोटि अभिक्रिया के लिए −dC/dt = kC, इसलिए C = C₀·e−kt और अर्धायु ln 2/k सांद्रता पर निर्भर नहीं करती। द्वितीय-कोटि अभिक्रिया के लिए 1/C = 1/C₀ + kt। दर स्थिरांक आरेनियस के अनुसार तापमान के साथ बढ़ता है: k = A·e−Ea/(RT)।

परम तापमान

T1 = 308.1 K, T2 = 333.1 K

आरेनियस से Ea हल करें

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8.314·2.197/(-2.435e-4) = 75015 J/mol
Ea = 75.01 kJ/mol

उत्तर

Ea = 75.01 kJ/mol
3.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)

उत्तर: V = 921 L

आदर्श रिएक्टर, प्रथम कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA) स्थायी अवस्था में, स्पेस टाइम τ = V/Q के साथ। CSTR पूर्णतः मिश्रित होता है, इसलिए पूरा आयतन निम्न निकास सांद्रता पर अभिक्रिया करता है: τ = X/(k·(1 − X)) और CA = CA0/(1 + k·τ)। PFR में तरल की हर परत एक छोटे बैच रिएक्टर की तरह अभिक्रिया करती है: τ = ln(1/(1 − X))/k और CA = CA0·e−k·τ। समान रूपांतरण के लिए CSTR को हमेशा PFR से अधिक आयतन चाहिए।

स्पेस टाइम

τ = ln(1/(1 − 0.9))/0.2 = 2.303/0.2 = 11.51 min

आयतन

V = Q·τ = 80·11.51 = 921 L

उत्तर

V = 921 L
4.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)

उत्तर: X = 42.86 %

आदर्श रिएक्टर, प्रथम कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA) स्थायी अवस्था में, स्पेस टाइम τ = V/Q के साथ। CSTR पूर्णतः मिश्रित होता है, इसलिए पूरा आयतन निम्न निकास सांद्रता पर अभिक्रिया करता है: τ = X/(k·(1 − X)) और CA = CA0/(1 + k·τ)। PFR में तरल की हर परत एक छोटे बैच रिएक्टर की तरह अभिक्रिया करती है: τ = ln(1/(1 − X))/k और CA = CA0·e−k·τ। समान रूपांतरण के लिए CSTR को हमेशा PFR से अधिक आयतन चाहिए।

स्पेस टाइम

τ = V/Q = 1500/100 = 15 min, kτ = 0.05·15 = 0.75

रूपांतरण

X = kτ/(1 + kτ) = 0.75/(1 + 0.75) = 42.86%

उत्तर

X = 42.86%
5.रासायनिक साम्य

उत्तर: [H2] = 0.08 mol/L

रासायनिक साम्य: aA + bB ⇌ cC + dD के लिए साम्य स्थिरांक Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) है, जिसमें साम्य पर सांद्रताएँ ली जाती हैं। ICE तालिका (प्रारंभिक, परिवर्तन, साम्य) प्रारंभिक मात्राओं को साम्य मात्राओं से एक अज्ञात x के ज़रिए जोड़ती है, जिसे गुणांकों से मापित किया जाता है।

साम्य व्यंजक

64 = (2x)²/(0.4 − x)²

वर्गमूल लें

8 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·8/(2 + 8) = 0.32 mol/L

साम्य सांद्रता

[H₂] = 0.4 − x = 0.08 mol/L

उत्तर

[H2] = 0.08 mol/L
6.रासायनिक साम्य

उत्तर: [PCl5] = 0.05 mol/L

रासायनिक साम्य: aA + bB ⇌ cC + dD के लिए साम्य स्थिरांक Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) है, जिसमें साम्य पर सांद्रताएँ ली जाती हैं। ICE तालिका (प्रारंभिक, परिवर्तन, साम्य) प्रारंभिक मात्राओं को साम्य मात्राओं से एक अज्ञात x के ज़रिए जोड़ती है, जिसे गुणांकों से मापित किया जाता है।

साम्य व्यंजक

0.05 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.05·x − 0.005 = 0

द्विघात समीकरण हल करें

x = (−0.05 + √(0.05² + 4·0.005))/2 = 0.05 mol/L

साम्य सांद्रता

[PCl₅] = 0.1 − 0.05 = 0.05 mol/L

उत्तर

[PCl5] = 0.05 mol/L
7.द्रव्यमान संतुलन

उत्तर: ṁ2 = 533.3 kg/h

स्थायी अवस्था द्रव्यमान संतुलन: कुल और हर घटक के लिए अंदर = बाहर। मिश्रण के प्रश्न दोनों को जोड़ते हैं।

संतुलन

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

ṁ2 के लिए हल करें

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 800·(35 − 25)/(25 − 10) = 533.3 kg/h

उत्तर

ṁ2 = 533.3 kg/h
8.द्रव्यमान संतुलन

उत्तर: W = 3667 kg/h

बंधक घटक: वह घटक जो केवल एक धारा में बिना बदले गुज़रता है (यहाँ विलेय) प्रवाहों को सीधे जोड़ता है। फिर कुल संतुलन बाकी देता है।

विलेय संतुलन

F·xF = P·xP → P = 4400·5/30 = 733.3 kg/h

कुल संतुलन

W = F − P = 4400 − 733.3 = 3667 kg/h

उत्तर

W = 3667 kg/h

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