Kejuruteraan Tindak Balas Kimia: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 8 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharuKembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Kinetik tindak balas

Peringkat pertama
ln(CA/CA0) = −kt
Separuh hayat (peringkat pertama)
t½ = ln 2/k
Peringkat kedua
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dua suhu
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Masa ruang
τ = V/Q
CSTR, peringkat pertama
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, peringkat pertama
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Penukaran daripada isi padu
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N CSTR yang sama secara bersiri
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Keseimbangan kimia

Pemalar keseimbangan
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Jadual ICE
Awal, Perubahan (×pekali), Keseimbangan
Kuadratik
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Kaedah

  1. Tulis Kc dengan hasil di atas bahan tindak balas, setiap satu dinaikkan kepada kuasa pekalinya.
  2. Sediakan jadual ICE: Awal, Perubahan (dalam langkah x darab pekali), Keseimbangan.
  3. Masukkan ungkapan keseimbangan ke dalam Kc dan selesaikan untuk x.
  4. Semak sama ada x cukup kecil untuk anggaran; jika tidak, selesaikan kuadratik.

Imbangan jisim

Keadaan mantap
masuk = keluar
Imbangan jumlah
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Imbangan komponen
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Penyejat
F·xF = P·xP, W = F − P

2Soalan latihan

1.Kinetik tindak balasSederhana
t (min)C (mol/L)40 min0.36

Dalam tindak balas peringkat pertama kepekatan A menurun daripada 1.2 mol/L kepada 0.36 mol/L dalam 40 min. Cari pemalar kadar k.

CA0 = 1.2 mol/LCA = 0.36 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
2.Kinetik tindak balasSukar
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))larian 10.20.02larian 20.40.04n = ?

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan CA0 = 0.2 mol/L kadarnya ialah 0.02 mol/(L·s); dengan CA0 = 0.4 mol/L ia ialah 0.04 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

CA0,1 = 0.2 mol/Lr1 = 0.02 mol/(L·s)CA0,2 = 0.4 mol/Lr2 = 0.04 mol/(L·s)
n =
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 25 L/minCA0​ = 0.5 mol/LCA​ = ?V = 100 L, k = 0.05 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.05 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 100 L. Suapan masuk pada 25 L/min dengan CA0 = 0.5 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran CA.

V = 100 LQ = 25 L/mink = 0.05 min⁻¹CA0 = 0.5 mol/L
CA = mol/L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 200 LQ = 50 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.15 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 200 L yang disuap pada 50 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 200 LQ = 50 L/mink = 0.15 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L H₂ dan 1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 9. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 9
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.200C−x+x+xE0.2 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.05 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.2 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0.2 mol/LKc = 0.05
[Cl2] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1500 kg/h · 15% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 40% NaOHProduk25% NaOH

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 25% NaOH? Cari ṁ2.

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 15 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F4100 kg/h · 8% NaOHHasil P60% NaOHWap W (air tulen)W = ? kg/h

Satu penyejat memekatkan larutan NaOH dengan mendidihkan air tulen. Cari air yang tersejat W dalam kg/h.

F = 4100 kg/hxF = 8 %xP = 60 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: k = 0.0301 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).

Hukum kamiran peringkat pertama

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1.2/0.36)/40 = 1.204/40 = 0.0301 min⁻¹

Jawapan

k = 0.0301 min⁻¹
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 1

Kaedah kadar awal: bagi r = k·Cⁿ, membandingkan dua larian yang hanya berbeza pada kepekatan awal menghapuskan k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Menggandakan C menggandakan kadar bagi peringkat pertama dan menjadikannya empat kali ganda bagi peringkat kedua.

Nisbah

r2/r1 = 0.04/0.02 = 2
C2/C1 = 0.4/0.2 = 2

Peringkat

n = ln(2)/ln(2) = 1

Jawapan

n = 1
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: CA = 0.4094 mol/L

Reaktor unggul, tindak balas peringkat pertama (−rA = k·CA) pada keadaan mantap, dengan masa ruang τ = V/Q. CSTR bercampur sempurna, jadi seluruh isi padu bertindak balas pada kepekatan keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan CA = CA0/(1 + k·τ). Dalam PFR setiap hirisan bendalir bertindak balas seperti reaktor kelompok kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan CA = CA0·e−k·τ. Untuk penukaran yang sama CSTR sentiasa memerlukan isi padu lebih besar daripada PFR.

Masa ruang

τ = V/Q = 100/25 = 4 min

Kepekatan keluaran

CA = 0.5·e−0.05·4 = 0.4094 mol/L

Jawapan

CA = 0.4094 mol/L

Penukaran: X = 18.13%.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 37.5 %

Reaktor unggul, tindak balas peringkat pertama (−rA = k·CA) pada keadaan mantap, dengan masa ruang τ = V/Q. CSTR bercampur sempurna, jadi seluruh isi padu bertindak balas pada kepekatan keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan CA = CA0/(1 + k·τ). Dalam PFR setiap hirisan bendalir bertindak balas seperti reaktor kelompok kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan CA = CA0·e−k·τ. Untuk penukaran yang sama CSTR sentiasa memerlukan isi padu lebih besar daripada PFR.

Masa ruang

τ = V/Q = 200/50 = 4 min, kτ = 0.15·4 = 0.6

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 0.6/(1 + 0.6) = 37.5%

Jawapan

X = 37.5%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 1.2 mol/L

Keseimbangan kimia: bagi aA + bB ⇌ cC + dD, pemalar keseimbangan ialah Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), menggunakan kepekatan pada keseimbangan. Jadual ICE (Awal, Perubahan, Keseimbangan) menghubungkan jumlah permulaan dengan jumlah keseimbangan melalui satu nilai tidak diketahui x, diskalakan oleh pekali.

Ungkapan keseimbangan

9 = (2x)²/(1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

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

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 1.2 mol/L

Jawapan

[HI] = 1.2 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl2] = 0.07808 mol/L

Keseimbangan kimia: bagi aA + bB ⇌ cC + dD, pemalar keseimbangan ialah Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), menggunakan kepekatan pada keseimbangan. Jadual ICE (Awal, Perubahan, Keseimbangan) menghubungkan jumlah permulaan dengan jumlah keseimbangan melalui satu nilai tidak diketahui x, diskalakan oleh pekali.

Ungkapan keseimbangan

0.05 = x²/(0.2 − x) → x² + 0.05·x − 0.01 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.05 + √(0.05² + 4·0.01))/2 = 0.07808 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.07808 mol/L

Jawapan

[Cl2] = 0.07808 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 333.3 kg/h

Imbangan jisim keadaan mantap: masuk = keluar bagi jumlah dan bagi setiap komponen. Masalah pengadunan menggabungkan kedua-duanya.

Imbangan

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 500·(15 − 25)/(25 − 40) = 333.3 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 333.3 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 3553 kg/h

Komponen penghubung: komponen yang melalui satu aliran tanpa berubah (di sini zat terlarut) menghubungkan aliran secara langsung. Kemudian imbangan jumlah memberikan yang selebihnya.

Imbangan zat terlarut

F·xF = P·xP → P = 4100·8/60 = 546.7 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4100 − 546.7 = 3553 kg/h

Jawapan

W = 3553 kg/h

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