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)X (%)t = ?75%

Satu tindak balas peringkat sifar mempunyai k = 0.05 mol/(L·min) dan bermula pada 1.5 mol/L. Berapa lamakah masa yang diambil untuk mencapai penukaran 75%? Cari t.

k = 0.05 mol/(L·min)CA0 = 1.5 mol/LX = 75 %
t = min
2.Kinetik tindak balasSukar
Tk40 °Ck1​?10·k1​

Satu tindak balas mempunyai tenaga pengaktifan 80 kJ/mol. Pada 40 °C ia terlalu perlahan. Kepada suhu T2 (dalam °C) berapakah ia mesti dipanaskan untuk menjadikannya 10 kali lebih pantas?

Ea = 80 kJ/molT1 = 40 °Ck2/k1 = 10R = 8.314 J/(mol·K)
T2 = °C
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 80 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 400 L, k = 0.5 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.5 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 400 L. Suapan masuk pada 80 L/min dengan CA0 = 2 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran CA.

V = 400 LQ = 80 L/mink = 0.5 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 500 LQ = 10 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.08 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 500 L yang disuap pada 10 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 500 LQ = 10 L/mink = 0.08 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 = 25. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I1.500C−x+x+xE1.5 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LKc = 0.02
[Cl2] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1400 kg/h · 15% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 50% NaOHProduk35% NaOH

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 35% NaOH? Cari ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 15 %x2 = 50 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F1300 kg/h · 15% gulaHasil PP = ? · 60%Wap W (air tulen)0% gula

Satu penyejat memekatkan larutan gula dengan mendidihkan air tulen. Cari aliran hasil P dalam kg/h.

F = 1300 kg/hxF = 15 %xP = 60 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 22.5 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).

Jumlah yang ditukar

CA0·X = 1.5·0.75 = 1.125 mol/L

Masa

t = CA0·X/k = 1.125/0.05 = 22.5 min

Jawapan

t = 22.5 min
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: T2 = 65.37 °C

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).

Suhu mutlak

T1 = 313.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk T₂

1/T2 = 1/313.1 − 8.314·ln(10)/80000 = 3.193 × 10⁻³ − 2.393 × 10⁻⁴ = 2.954 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 338.5 K = 65.37 °C

Jawapan

T2 = 65.37 °C
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: CA = 0.1642 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 = 400/80 = 5 min

Kepekatan keluaran

CA = 2·e−0.5·5 = 0.1642 mol/L

Jawapan

CA = 0.1642 mol/L

Penukaran: X = 91.79%.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 80 %

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 = 500/10 = 50 min, kτ = 0.08·50 = 4

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 4/(1 + 4) = 80%

Jawapan

X = 80%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.5714 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

25 = (2x)²/(0.4 − x)²

Ambil punca kuasa dua

5 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·5/(2 + 5) = 0.2857 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.5714 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.5714 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl2] = 0.1635 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/(1.5 − x) → x² + 0.02·x − 0.03 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.03))/2 = 0.1635 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.1635 mol/L

Jawapan

[Cl2] = 0.1635 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 533.3 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) = 400·(15 − 35)/(35 − 50) = 533.3 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 533.3 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 325 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 = 1300·15/60 = 325 kg/h

Jawapan

P = 325 kg/h

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