反応工学：直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、8 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

反応速度論

1 次
ln(CA/CA0) = −kt
半減期（1 次）
t½ = ln 2/k
2 次
1/CA = 1/CA0 + kt
アレニウス
k = A·e−Ea/(RT)
2 つの温度
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

反応器の設計（CSTR と PFR）

空間時間
τ = V/Q
CSTR、1 次反応
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR、1 次反応
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
体積から求める反応率
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
直列につないだ N 個の等しい CSTR
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

化学平衡

平衡定数
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE 表
初期、変化（×係数）、平衡
2 次方程式
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

解き方

  1. Kc は生成物を反応物で割った形で書き、それぞれを係数乗します。
  2. ICE 表をつくります：初期（Initial）、変化（Change、x に係数を掛けた量）、平衡（Equilibrium）。
  3. 平衡時の式を Kc に代入し、x について解きます。
  4. 近似が使えるほど x が小さいか確認します。小さくなければ 2 次方程式を解きます。

物質収支

定常状態
入量 = 出量
全体収支
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
成分収支
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
蒸発缶
F·xF = P·xP, W = F − P

2演習問題

1.反応速度論ふつう
t (min)X (%)t = ?80%

回分反応器での 2 次反応（−rA = k·CA²）の k = 1 L/(mol·min)、初濃度は 0.5 mol/L である。反応率 80% に達するまでの時間はどれだけか。t を求めよ。

k = 1 L/(mol·min)CA0 = 0.5 mol/LX = 80 %
t = min
2.反応速度論むずかしい
1/Tln kT = 40 °Cln 0.1ln A = ?Ea​ = 60 kJ/mol

1 次反応の速度定数は 40 °C で 0.1 s⁻¹、活性化エネルギーは 60 kJ/mol である。アレニウスの式の頻度因子 A を求めよ。

k = 0.1 s⁻¹T = 40 °CEa = 60 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
3.反応器の設計（CSTR と PFR）ふつう
Q = 10 L/minCA0​ = 1 mol/LCA​ = ?V = 150 L, k = 0.3 min⁻¹

液相 1 次反応 A → B（k = 0.3 min⁻¹）を 150 L の押出し流れ反応器（PFR）で行う。 原料は 10 L/min、CA0 = 1 mol/L で供給される。密度は一定で、反応器は定常状態にある。出口濃度 CA を求めよ。

V = 150 LQ = 10 L/mink = 0.3 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
4.反応器の設計（CSTR と PFR）むずかしい
V = 150 LQ = 25 L/minX = ?

液相 1 次反応（k = 0.12 min⁻¹）を、25 L/min で供給される 150 L の CSTR で行う。密度は一定で、反応器は定常状態にある。反応率 X をパーセントで求めよ。

V = 150 LQ = 25 L/mink = 0.12 min⁻¹
X = %
5.化学平衡ふつう
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L の H₂ と 1 mol/L の I₂ を容器に入れると、H₂ + I₂ ⇌ 2HI の反応が起こる。Kc = 9 である。平衡濃度 [H2] を求めよ。

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 9
[H2] = mol/L
6.化学平衡むずかしい
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ は PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂ のように分解し、反応温度で Kc = 0.02 である。容器には初め 1 mol/L の PCl₅ だけが入っている。平衡濃度 [Cl2] を求めよ。

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.02
[Cl2] = mol/L
7.物質収支ふつう
ミキサー流れ 1600 kg/h · 5% 食塩流れ 2ṁ₂ = ? · 35% 食塩製品10% 食塩

混合後の製品が食塩を 10% 含むようにするには、流れ 1 に毎時どれだけ流れ 2 を加えればよいか。ṁ2 を求めよ。

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
8.物質収支むずかしい
蒸発缶原料 F1200 kg/h · 12% 食塩製品 PP = ? · 65%蒸気 W（純水）0% 食塩

蒸発缶で純水を蒸発させ、食塩水溶液を濃縮する。製品流量 Pを kg/h で求めよ。

F = 1200 kg/hxF = 12 %xP = 65 %
P = kg/h

3溶液

1.反応速度論

答え: 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).

最終的な濃度

CA = 0.5·(1 − 0.8) = 0.1 mol/L

2 次の積分形速度式

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

答え

t = 8 min
2.反応速度論

答え: A = 1.02 × 10⁹ 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).

絶対温度

T = 40 + 273.15 = 313.1 K

アレニウスの式を A について解く

Ea/(RT) = 60000/(8.314·313.1) = 23.05
A = k·e23.05 = 0.1·1.020 × 10¹⁰ = 1.02 × 10⁹ s⁻¹

答え

A = 1.02 × 10⁹ s⁻¹
3.反応器の設計（CSTR と PFR）

答え: CA = 0.01111 mol/L

理想反応器、1 次反応（−rA = k·CA）の定常状態、空間時間 τ = V/Q。CSTR は完全に混合されているので、体積全体が低い出口濃度で反応します：τ = X/(k·(1 − X))、CA = CA0/(1 + k·τ)。PFR では流体の各断片が小さな回分反応器のように反応します：τ = ln(1/(1 − X))/k、CA = CA0·e−k·τ。同じ反応率では、CSTR は常に PFR より大きな体積を必要とします。

空間時間

τ = V/Q = 150/10 = 15 min

出口濃度

CA = 1·e−0.3·15 = 0.01111 mol/L

答え

CA = 0.01111 mol/L

反応率：X = 98.89%。

4.反応器の設計（CSTR と PFR）

答え: X = 41.86 %

理想反応器、1 次反応（−rA = k·CA）の定常状態、空間時間 τ = V/Q。CSTR は完全に混合されているので、体積全体が低い出口濃度で反応します：τ = X/(k·(1 − X))、CA = CA0/(1 + k·τ)。PFR では流体の各断片が小さな回分反応器のように反応します：τ = ln(1/(1 − X))/k、CA = CA0·e−k·τ。同じ反応率では、CSTR は常に PFR より大きな体積を必要とします。

空間時間

τ = V/Q = 150/25 = 6 min, kτ = 0.12·6 = 0.72

反応率

X = kτ/(1 + kτ) = 0.72/(1 + 0.72) = 41.86%

答え

X = 41.86%
5.化学平衡

答え: [H2] = 0.4 mol/L

化学平衡：aA + bB ⇌ cC + dD に対して、平衡定数は Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) で、平衡時の濃度を使います。ICE 表（初期・変化・平衡）は、係数倍した 1 つの未知数 x を通して、初めの量と平衡時の量を結びつけます。

平衡の式

9 = (2x)²/(1 − x)²

平方根をとる

3 = 2x/(1 − x) → x = 1·3/(2 + 3) = 0.6 mol/L

平衡濃度

[H₂] = 1 − x = 0.4 mol/L

答え

[H2] = 0.4 mol/L
6.化学平衡

答え: [Cl2] = 0.1318 mol/L

化学平衡：aA + bB ⇌ cC + dD に対して、平衡定数は Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) で、平衡時の濃度を使います。ICE 表（初期・変化・平衡）は、係数倍した 1 つの未知数 x を通して、初めの量と平衡時の量を結びつけます。

平衡の式

0.02 = x²/(1 − x) → x² + 0.02·x − 0.02 = 0

2 次方程式を解く

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.02))/2 = 0.1318 mol/L

平衡濃度

[Cl₂] = x = 0.1318 mol/L

答え

[Cl2] = 0.1318 mol/L
7.物質収支

答え: ṁ2 = 120 kg/h

定常状態の物質収支：全体と各成分で入量 = 出量。混合の問題では両方を組み合わせます。

収支

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

ṁ2 について解く

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 600·(5 − 10)/(10 − 35) = 120 kg/h

答え

ṁ2 = 120 kg/h
8.物質収支

答え: P = 221.5 kg/h

タイ成分：1 つの流れだけを変化せずに通る成分（ここでは溶質）は、流量どうしを直接結びつけます。残りは全体収支で求まります。

溶質収支

F·xF = P·xP → P = 1200·12/65 = 221.5 kg/h

答え

P = 221.5 kg/h

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