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 = ?40%

Satu tindak balas peringkat sifar mempunyai k = 0.05 mol/(L·min) dan bermula pada 0.5 mol/L. Berapa lamakah masa yang diambil untuk mencapai penukaran 40%? Cari t.

k = 0.05 mol/(L·min)CA0 = 0.5 mol/LX = 40 %
t = min
2.Kinetik tindak balasSukar
Tk40 °C0.0255 °C?

Satu tindak balas mempunyai pemalar kadar 0.02 min⁻¹ pada 40 °C dan tenaga pengaktifan 70 kJ/mol. Cari pemalar kadar k2 pada 55 °C.

k1 = 0.02 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 55 °CEa = 70 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
QX = 75%Q, k dan X yang sama seperti CSTR

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 75%. Berapa kali ganda lebih besarkah CSTR mesti berbanding PFR untuk kadar suapan, pemalar kadar dan penukaran yang sama? Cari nisbah VCSTR/VPFR.

X = 75%peringkat pertama, k dan Q yang sama
VCSTR/VPFR =
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
Q = 40 L/minX = ?V = 250 L

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.25 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 250 L yang disuap pada 40 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 250 LQ = 40 L/mink = 0.25 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.20.20C−x−x+2xE0.2 − x0.2 − x2x

0.2 mol/L H₂ dan 0.2 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 50. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.800C−x+x+xE0.8 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.1 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.8 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0.8 mol/LKc = 0.1
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1400 kg/h · 10% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 45% garamProduk20% garam

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 20% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 10 %x2 = 45 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F1100 kg/h · 8% NaOHHasil PP = ? · 30%Wap W (air tulen)0% NaOH

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

F = 1100 kg/hxF = 8 %xP = 30 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 4 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 = 0.5·0.4 = 0.2 mol/L

Masa

t = CA0·X/k = 0.2/0.05 = 4 min

Jawapan

t = 4 min
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: k2 = 0.06836 min⁻¹

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).

Suhu mutlak

T1 = 313.1 K, T2 = 328.1 K

Nisbah Arrhenius

ln(k2/k1) = −(70000/8.314)·(1/328.1 − 1/313.1) = 1.229
k2 = 0.02·e1.229 = 0.06836 min⁻¹

Jawapan

k2 = 0.06836 min⁻¹
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: VCSTR/VPFR = 2.164

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.

k·τ untuk setiap reaktor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0.75/0.25 = 3
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(4) = 1.386

Nisbah isi padu

VCSTR/VPFR = 3/1.386 = 2.164

Jawapan

VCSTR/VPFR = 2.164

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 79.04 %

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 = 250/40 = 6.25 min, kτ = 0.25·6.25 = 1.563

Penukaran

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1.563 = 79.04%

Jawapan

X = 79.04%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.3118 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

50 = (2x)²/(0.2 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.071 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·7.071/(2 + 7.071) = 0.1559 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.3118 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.3118 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.5628 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

0.1 = x²/(0.8 − x) → x² + 0.1·x − 0.08 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.1 + √(0.1² + 4·0.08))/2 = 0.2372 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.8 − 0.2372 = 0.5628 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.5628 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 160 kg/h

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

Imbangan

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(10 − 20)/(20 − 45) = 160 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 160 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 293.3 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 = 1100·8/30 = 293.3 kg/h

Jawapan

P = 293.3 kg/h

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