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)30 minC = ?

Satu tindak balas dengan hukum kadar −rA = k·CA² mempunyai k = 0.5 L/(mol·min) dan bermula pada 1 mol/L. Cari kepekatan CA selepas 30 min.

k = 0.5 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 30 min
CA = mol/L
2.Kinetik tindak balasSukar
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))larian 10.50.002larian 210.004n = ?

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan CA0 = 0.5 mol/L kadarnya ialah 0.002 mol/(L·s); dengan CA0 = 1 mol/L ia ialah 0.004 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

CA0,1 = 0.5 mol/Lr1 = 0.002 mol/(L·s)CA0,2 = 1 mol/Lr2 = 0.004 mol/(L·s)
n =
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 20 L/minX = 70%V = ?, k = 0.08 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.08 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 20 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 70%.

Q = 20 L/mink = 0.08 min⁻¹X = 70%
V = L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 800 LV = 800 LQ = 40 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.15 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 800 L. Kadar suapan ialah 40 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 800 L (×2)Q = 40 L/mink = 0.15 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.40.40C−x−x+2xE0.4 − x0.4 − x2x

0.4 mol/L H₂ dan 0.4 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 16. Cari kepekatan keseimbangan [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.200C−x+x+xE0.2 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.2 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0.2 mol/LKc = 0.02
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1850 kg/h · 45% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHProduk30% NaOH

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 30% NaOH? Cari ṁ2.

ṁ1 = 850 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F4300 kg/h · 12% garamHasil P55% garamWap W (air tulen)W = ? kg/h

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

F = 4300 kg/hxF = 12 %xP = 55 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: CA = 0.0625 mol/L

Kadar tindak balas: bagi tindak balas peringkat pertama −dC/dt = kC, jadi C = C₀·e−kt dan separuh hayat ln 2/k tidak bergantung pada kepekatan. Bagi tindak balas peringkat kedua 1/C = 1/C₀ + kt. Pemalar kadar meningkat dengan suhu mengikut Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Hukum peringkat kedua teramir

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 0.5·30 = 16 L/mol
CA = 1/16 = 0.0625 mol/L

Jawapan

CA = 0.0625 mol/L
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 = 0.004/0.002 = 2
C2/C1 = 1/0.5 = 2

Peringkat

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

Jawapan

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

Jawapan: V = 301 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 = ln(1/(1 − 0.7))/0.08 = 1.204/0.08 = 15.05 min

Isi padu

V = Q·τ = 20·15.05 = 301 L

Jawapan

V = 301 L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 93.75 %

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 = 800/40 = 20 min, kτ = 0.15·20 = 3

Penukaran

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 3) = 0.25
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.0625
X = 1 − 0.0625 = 93.75%

Jawapan

X = 93.75%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H2] = 0.1333 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

16 = (2x)²/(0.4 − x)²

Ambil punca kuasa dua

4 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·4/(2 + 4) = 0.2667 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.4 − x = 0.1333 mol/L

Jawapan

[H2] = 0.1333 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.146 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

0.02 = x²/(0.2 − x) → x² + 0.02·x − 0.004 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.004))/2 = 0.05403 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.2 − 0.05403 = 0.146 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.146 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 1275 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) = 850·(45 − 30)/(30 − 20) = 1275 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 1275 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 3362 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 = 4300·12/55 = 938.2 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4300 − 938.2 = 3362 kg/h

Jawapan

W = 3362 kg/h

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