반응공학: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 8개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

반응 속도론

1차
ln(CA/CA0) = −kt
반감기 (1차)
t½ = ln 2/k
2차
1/CA = 1/CA0 + kt
아레니우스
k = A·e−Ea/(RT)
두 온도
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

공간 시간
τ = V/Q
CSTR, 1차 반응
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, 1차 반응
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
부피로부터 전환율 구하기
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
직렬로 연결된 동일한 CSTR N개
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

화학 평형

평형 상수
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE 표
초기(Initial), 변화(×계수, Change), 평형(Equilibrium)
이차방정식
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

방법

  1. Kc는 생성물을 분자에, 반응물을 분모에 두고 각각 계수만큼 거듭제곱하여 쓰세요.
  2. ICE 표를 만드세요: 초기(Initial), 변화(Change, 계수 × x 단위), 평형(Equilibrium).
  3. 평형 농도식을 Kc에 넣고 x를 구하세요.
  4. x가 근사를 쓸 만큼 작은지 확인하세요. 그렇지 않으면 이차방정식을 푸세요.

물질 수지

정상 상태
유입 = 유출
전체 수지
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
성분 수지
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
증발기
F·xF = P·xP, W = F − P

2연습 문제

1.반응 속도론보통
t (min)C (mol/L)20 min0.6

1차 반응에서 A의 농도가 20 min 동안 1.2 mol/L에서 0.6 mol/L로 감소한다. 속도 상수 k을(를) 구하시오.

CA0 = 1.2 mol/LCA = 0.6 mol/Lt = 20 min
k = min⁻¹
2.반응 속도론어려움
Tk25 °C0.00555 °C?

어떤 반응의 속도 상수는 25 °C에서 0.005 min⁻¹이고 활성화 에너지는 80 kJ/mol이다. 55 °C에서의 속도 상수 k2을(를) 구하시오.

k1 = 0.005 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 55 °CEa = 80 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)보통
QX = 90%CSTR과 같은 Q, k, X

액상 1차 반응이 전환율 90%에 도달해야 한다. 공급 유량, 속도 상수, 전환율이 같을 때 CSTR은 PFR보다 몇 배 커야 하는가? 비 VCSTR/VPFR을(를) 구하시오.

X = 90%1차 반응, 같은 k와 Q
VCSTR/VPFR =
4.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)어려움
Q = 20 L/minX = ?V = 1000 L

액상 1차 반응(k = 0.08 min⁻¹)이 20 L/min으로 공급되는 1000 L 플러그 흐름 반응기(PFR)에서 진행된다. 밀도는 일정하고 반응기는 정상 상태이다. 전환율 X을(를) 퍼센트로 구하시오.

V = 1000 LQ = 20 L/mink = 0.08 min⁻¹
X = %
5.화학 평형보통
H2​I2​HII0.40.40C−x−x+2xE0.4 − x0.4 − x2x

0.4 mol/L의 H₂와 0.4 mol/L의 I₂를 용기에 넣어 반응시킨다: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 64. 평형 농도 [HI]을(를) 구하시오.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
6.화학 평형어려움
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅가 분해된다: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, 반응 온도에서 Kc = 0.08. 용기에 처음에는 PCl₅만 1 mol/L 들어 있다. 평형 농도 [PCl5]을(를) 구하시오.

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.08
[PCl5] = mol/L
7.물질 수지보통
혼합기흐름 1750 kg/h · 40% 설탕흐름 2ṁ₂ = ? · 5% 설탕제품35% 설탕

혼합 제품이 설탕을(를) 35% 포함하려면 흐름 1에 매시간 흐름 2를 얼마나 더해야 하는가? ṁ2을(를) 구하시오.

ṁ1 = 750 kg/hx1 = 40 %x2 = 5 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.물질 수지어려움
증발기원료 F1800 kg/h · 18% 소금제품 P40% 소금증기 W (순수)W = ? kg/h

증발기가 순수를 증발시켜 소금 용액을 농축한다. 증발한 물의 양 W을(를) kg/h 단위로 구하시오.

F = 1800 kg/hxF = 18 %xP = 40 %
W = kg/h

3용액

1.반응 속도론

답: k = 0.03466 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).

1차 적분 속도식

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1.2/0.6)/20 = 0.6931/20 = 0.03466 min⁻¹

답

k = 0.03466 min⁻¹
2.반응 속도론

답: k2 = 0.09558 min⁻¹

반응 속도: 1차 반응은 −dC/dt = kC이므로 C = C₀·e−kt이고, 반감기 ln 2/k는 농도와 무관합니다. 2차 반응은 1/C = 1/C₀ + kt. 속도 상수는 아레니우스 식에 따라 온도와 함께 커집니다: k = A·e−Ea/(RT).

절대 온도

T1 = 298.1 K, T2 = 328.1 K

아레니우스 비

ln(k2/k1) = −(80000/8.314)·(1/328.1 − 1/298.1) = 2.95
k2 = 0.005·e2.95 = 0.09558 min⁻¹

답

k2 = 0.09558 min⁻¹
3.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: VCSTR/VPFR = 3.909

정상 상태에서 1차 반응(−rA = k·CA)의 이상 반응기, 공간 시간 τ = V/Q. CSTR은 완전 혼합되므로 부피 전체가 낮은 출구 농도에서 반응합니다: τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + k·τ). PFR에서는 유체의 각 단면이 작은 회분식 반응기처럼 반응합니다: τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−k·τ. 같은 전환율에서 CSTR은 항상 PFR보다 큰 부피가 필요합니다.

각 반응기의 k·τ

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0.9/0.1 = 9
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(10) = 2.303

부피비

VCSTR/VPFR = 9/2.303 = 3.909

답

VCSTR/VPFR = 3.909

전환율이 높을수록 차이가 빠르게 커집니다.

4.반응기 크기 결정(CSTR 및 PFR)

답: X = 98.17 %

정상 상태에서 1차 반응(−rA = k·CA)의 이상 반응기, 공간 시간 τ = V/Q. CSTR은 완전 혼합되므로 부피 전체가 낮은 출구 농도에서 반응합니다: τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + k·τ). PFR에서는 유체의 각 단면이 작은 회분식 반응기처럼 반응합니다: τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−k·τ. 같은 전환율에서 CSTR은 항상 PFR보다 큰 부피가 필요합니다.

공간 시간

τ = V/Q = 1000/20 = 50 min, kτ = 0.08·50 = 4

전환율

X = 1 − e−kτ = 1 − e−4 = 98.17%

답

X = 98.17%
5.화학 평형

답: [HI] = 0.64 mol/L

화학 평형: aA + bB ⇌ cC + dD에서 평형 상수는 평형 농도를 써서 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)입니다. ICE 표(초기, 변화, 평형)는 계수를 곱한 미지수 x 하나로 처음 양과 평형 상태의 양을 연결합니다.

평형 식

64 = (2x)²/(0.4 − x)²

제곱근 취하기

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

평형 농도

[HI] = 2x = 0.64 mol/L

답

[HI] = 0.64 mol/L
6.화학 평형

답: [PCl5] = 0.7543 mol/L

화학 평형: aA + bB ⇌ cC + dD에서 평형 상수는 평형 농도를 써서 Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)입니다. ICE 표(초기, 변화, 평형)는 계수를 곱한 미지수 x 하나로 처음 양과 평형 상태의 양을 연결합니다.

평형 식

0.08 = x²/(1 − x) → x² + 0.08·x − 0.08 = 0

이차방정식 풀기

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.08))/2 = 0.2457 mol/L

평형 농도

[PCl₅] = 1 − 0.2457 = 0.7543 mol/L

답

[PCl5] = 0.7543 mol/L
7.물질 수지

답: ṁ2 = 125 kg/h

정상 상태 물질 수지: 전체와 각 성분에서 입력 = 출력. 혼합 문제는 둘을 함께 씁니다.

수지

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

ṁ2에 대해 풀기

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 750·(40 − 35)/(35 − 5) = 125 kg/h

답

ṁ2 = 125 kg/h
8.물질 수지

답: W = 990 kg/h

연결 성분: 한 흐름에서만 변하지 않고 지나가는 성분(여기서는 용질)은 유량들을 직접 연결합니다. 나머지는 전체 수지로 구합니다.

용질 수지

F·xF = P·xP → P = 1800·18/40 = 810 kg/h

전체 수지

W = F − P = 1800 − 810 = 990 kg/h

답

W = 990 kg/h

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