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 = ?60%

Satu tindak balas peringkat kedua (−rA = k·CA²) dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.1 L/(mol·min) dan bermula pada 1 mol/L. Berapa lamakah masa yang diambil untuk mencapai penukaran 60%? Cari t.

k = 0.1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 60 %
t = min
2.Kinetik tindak balasSukar
Tk35 °C0.00565 °C?

Satu tindak balas mempunyai pemalar kadar 0.005 min⁻¹ pada 35 °C dan tenaga pengaktifan 70 kJ/mol. Cari pemalar kadar k2 pada 65 °C.

k1 = 0.005 min⁻¹T1 = 35 °CT2 = 65 °CEa = 70 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 50 L/minCA0​ = 1.5 mol/LCA​ = ?V = 800 L, k = 0.25 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.25 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 800 L. Suapan masuk pada 50 L/min dengan CA0 = 1.5 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran CA.

V = 800 LQ = 50 L/mink = 0.25 min⁻¹CA0 = 1.5 mol/L
CA = mol/L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 800 LQ = 40 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 800 L yang disuap pada 40 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 800 LQ = 40 L/mink = 0.4 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.250.250C−x−x+2xE0.25 − x0.25 − x2x

0.25 mol/L H₂ dan 0.25 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 4. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.25 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.400C−x+x+xE0.4 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.4 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LKc = 0.02
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1650 kg/h · 50% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 5% garamProduk20% garam

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 50 %x2 = 5 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F2800 kg/h · 20% NaOHHasil P65% 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 = 2800 kg/hxF = 20 %xP = 65 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 15 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).

Kepekatan pada akhir

CA = 1·(1 − 0.6) = 0.4 mol/L

Hukum peringkat kedua teramir

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2.5 − 1)/0.1 = 15 min

Jawapan

t = 15 min
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: k2 = 0.05646 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 = 308.1 K, T2 = 338.1 K

Nisbah Arrhenius

ln(k2/k1) = −(70000/8.314)·(1/338.1 − 1/308.1) = 2.424
k2 = 0.005·e2.424 = 0.05646 min⁻¹

Jawapan

k2 = 0.05646 min⁻¹
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: CA = 0.02747 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 = 800/50 = 16 min

Kepekatan keluaran

CA = 1.5·e−0.25·16 = 0.02747 mol/L

Jawapan

CA = 0.02747 mol/L

Penukaran: X = 98.17%.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 88.89 %

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 = 0.4·20 = 8

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88.89%

Jawapan

X = 88.89%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.25 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

4 = (2x)²/(0.25 − x)²

Ambil punca kuasa dua

2 = 2x/(0.25 − x) → x = 0.25·2/(2 + 2) = 0.125 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.25 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.25 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.32 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/(0.4 − x) → x² + 0.02·x − 0.008 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.008))/2 = 0.08 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.4 − 0.08 = 0.32 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.32 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 1300 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) = 650·(50 − 20)/(20 − 5) = 1300 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 1300 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1938 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 = 2800·20/65 = 861.5 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 2800 − 861.5 = 1938 kg/h

Jawapan

W = 1938 kg/h

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