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)
रासायनिक अभिक्रिया इंजीनियरिंग: क्रैम पैक
सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 8 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।
1सूत्र और विधियाँ
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
- Kc को उत्पाद बटा अभिकारक के रूप में लिखें, हर एक को उसके गुणांक की घात पर।
- एक ICE तालिका बनाएँ: प्रारंभिक (Initial), परिवर्तन (Change, गुणांकों के x गुना के चरणों में), साम्य (Equilibrium)।
- साम्य व्यंजकों को Kc में रखें और x के लिए हल करें।
- 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
बैच रिएक्टर में एक प्रथम-कोटि अभिक्रिया का k = 0.2 min⁻¹ है। 60% रूपांतरण तक पहुँचने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।
k = 0.2 min⁻¹X = 60 %
t = min
2.अभिक्रिया गतिकीकठिन
एक अभिक्रिया का 40 °C पर दर स्थिरांक 0.02 min⁻¹ और सक्रियण ऊर्जा 90 kJ/mol है। 50 °C पर दर स्थिरांक k2 ज्ञात कीजिए।
k1 = 0.02 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 50 °CEa = 90 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)मध्यम
k = 0.4 min⁻¹ वाली एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया A → B, 40 L/min फ़ीड वाले प्लग-फ़्लो रिएक्टर (PFR) में की जाती है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। A के 95% रूपांतरण के लिए रिएक्टर आयतन V लीटर में ज्ञात कीजिए।
Q = 40 L/mink = 0.4 min⁻¹X = 95%
V = L
4.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)कठिन
एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया (k = 0.5 min⁻¹) श्रेणी में दो समान CSTR में चलती है, हर एक 800 L का। फ़ीड दर 100 L/min है, घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में हैं। समग्र रूपांतरण X प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।
V = 800 L (×2)Q = 100 L/mink = 0.5 min⁻¹
X = %
5.रासायनिक साम्यमध्यम
एक पात्र में 0.8 mol/L H₂ और 0.8 mol/L I₂ डालकर अभिक्रिया कराई जाती है: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, जहाँ Kc = 4। साम्य सांद्रता [H2] ज्ञात कीजिए।
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
6.रासायनिक साम्यकठिन
PCl₅ विघटित होता है: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, अभिक्रिया ताप पर Kc = 0.2। पात्र में शुरू में केवल 1 mol/L PCl₅ है। साम्य सांद्रता [PCl5] ज्ञात कीजिए।
[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.2
[PCl5] = mol/L
7.द्रव्यमान संतुलनमध्यम
धारा 1 में हर घंटे धारा 2 की कितनी मात्रा मिलाई जाए ताकि मिश्रित उत्पाद में 20% NaOH हो? ṁ2 ज्ञात कीजिए।
ṁ1 = 800 kg/hx1 = 45 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.द्रव्यमान संतुलनकठिन
एक वाष्पित्र शुद्ध पानी उबालकर चीनी विलयन को सांद्र करता है। वाष्पित पानी W को kg/h में ज्ञात कीजिए।
F = 4300 kg/hxF = 11 %xP = 50 %
W = kg/h
3विलयन
1.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: t = 4.581 min
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)।
रूपांतरण और सांद्रता
C/C0 = 1 − X = 0.4
समय के लिए हल करें
t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.4)/0.2 = 4.581 min
उत्तर
t = 4.581 min
2.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: k2 = 0.05829 min⁻¹
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 = 313.1 K, T2 = 323.1 K
आरेनियस अनुपात
ln(k2/k1) = −(90000/8.314)·(1/323.1 − 1/313.1) = 1.07
k2 = 0.02·e1.07 = 0.05829 min⁻¹
उत्तर
k2 = 0.05829 min⁻¹
3.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
उत्तर: V = 299.6 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 − 0.95))/0.4 = 2.996/0.4 = 7.489 min
आयतन
V = Q·τ = 40·7.489 = 299.6 L
उत्तर
V = 299.6 L
4.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
उत्तर: X = 96 %
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 = 800/100 = 8 min, kτ = 0.5·8 = 4
रूपांतरण
C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 4) = 0.2
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.04
X = 1 − 0.04 = 96%
उत्तर
X = 96%
5.रासायनिक साम्य
उत्तर: [H2] = 0.4 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
4 = (2x)²/(0.8 − x)²
वर्गमूल लें
2 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·2/(2 + 2) = 0.4 mol/L
साम्य सांद्रता
[H₂] = 0.8 − x = 0.4 mol/L
उत्तर
[H2] = 0.4 mol/L
6.रासायनिक साम्य
उत्तर: [PCl5] = 0.6417 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
0.2 = x²/(1 − x) → x² + 0.2·x − 0.2 = 0
द्विघात समीकरण हल करें
x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.2))/2 = 0.3583 mol/L
साम्य सांद्रता
[PCl₅] = 1 − 0.3583 = 0.6417 mol/L
उत्तर
[PCl5] = 0.6417 mol/L
7.द्रव्यमान संतुलन
उत्तर: ṁ2 = 4000 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·(45 − 20)/(20 − 15) = 4000 kg/h
उत्तर
ṁ2 = 4000 kg/h
8.द्रव्यमान संतुलन
उत्तर: W = 3354 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 = 4300·11/50 = 946 kg/h
कुल संतुलन
W = F − P = 4300 − 946 = 3354 kg/h
उत्तर
W = 3354 kg/h
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