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)t½​ = ?C0​/2

Satu tindak balas peringkat kedua (−rA = k·CA²) mempunyai k = 0.4 L/(mol·min) dan kepekatan awal 1.5 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t½.

k = 0.4 L/(mol·min)CA0 = 1.5 mol/L
t½ = min
2.Kinetik tindak balasSukar
Tk40 °C0.0155 °C?

Satu tindak balas mempunyai pemalar kadar 0.01 min⁻¹ pada 40 °C dan tenaga pengaktifan 40 kJ/mol. Cari pemalar kadar k2 pada 55 °C.

k1 = 0.01 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 55 °CEa = 40 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
QX = 70%Q, k dan X yang sama seperti CSTR

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 70%. Berapa kali ganda lebih besarkah CSTR mesti berbanding PFR untuk kadar suapan, pemalar kadar dan penukaran yang sama? Cari nisbah VCSTR/VPFR.

X = 70%peringkat pertama, k dan Q yang sama
VCSTR/VPFR =
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 1500 LV = 1500 LQ = 80 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.25 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 1500 L. Kadar suapan ialah 80 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 1500 L (×2)Q = 80 L/mink = 0.25 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.50.50C−x−x+2xE0.5 − x0.5 − x2x

0.5 mol/L H₂ dan 0.5 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 64. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.5 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.2500C−x+x+xE0.25 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.1 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.25 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0.25 mol/LKc = 0.1
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1450 kg/h · 15% 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 = 450 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F2800 kg/h · 7% NaOHHasil PP = ? · 60%Wap W (air tulen)0% NaOH

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

F = 2800 kg/hxF = 7 %xP = 60 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t½ = 1.667 min

Hukum kadar kamiran: peringkat sifar: C = C₀ − kt (garis lurus, t½ = C₀/(2k)); peringkat pertama: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); peringkat kedua: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Penukaran X bermaksud C = C₀(1 − X).

Separuh hayat peringkat kedua

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0.4·1.5) = 1.667 min

Jawapan

t½ = 1.667 min

Setiap separuh hayat berikutnya dua kali lebih panjang, kerana C₀ telah menjadi separuh.

2.Kinetik tindak balas

Jawapan: k2 = 0.02018 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) = −(40000/8.314)·(1/328.1 − 1/313.1) = 0.7023
k2 = 0.01·e0.7023 = 0.02018 min⁻¹

Jawapan

k2 = 0.02018 min⁻¹
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: VCSTR/VPFR = 1.938

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) = 0.7/0.3 = 2.333
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(3.333) = 1.204

Nisbah isi padu

VCSTR/VPFR = 2.333/1.204 = 1.938

Jawapan

VCSTR/VPFR = 1.938

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 96.91 %

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 = 1500/80 = 18.75 min, kτ = 0.25·18.75 = 4.688

Penukaran

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 4.688) = 0.1758
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.03091
X = 1 − 0.03091 = 96.91%

Jawapan

X = 96.91%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.8 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

64 = (2x)²/(0.5 − x)²

Ambil punca kuasa dua

8 = 2x/(0.5 − x) → x = 0.5·8/(2 + 8) = 0.4 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.8 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.8 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.1342 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/(0.25 − x) → x² + 0.1·x − 0.025 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.1 + √(0.1² + 4·0.025))/2 = 0.1158 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.25 − 0.1158 = 0.1342 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.1342 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 90 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) = 450·(15 − 20)/(20 − 45) = 90 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 90 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 326.7 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 = 2800·7/60 = 326.7 kg/h

Jawapan

P = 326.7 kg/h

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