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)2 minC = ?

Satu tindak balas dengan hukum kadar −rA = k·CA² mempunyai k = 0.25 L/(mol·min) dan bermula pada 1.5 mol/L. Cari kepekatan CA selepas 2 min.

k = 0.25 L/(mol·min)CA0 = 1.5 mol/Lt = 2 min
CA = mol/L
2.Kinetik tindak balasSukar
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))larian 10.40.008larian 20.80.0113n = ?

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan CA0 = 0.4 mol/L kadarnya ialah 0.008 mol/(L·s); dengan CA0 = 0.8 mol/L ia ialah 0.0113 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

CA0,1 = 0.4 mol/Lr1 = 0.008 mol/(L·s)CA0,2 = 0.8 mol/Lr2 = 0.0113 mol/(L·s)
n =
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
QX = 80%Q, k dan X yang sama seperti CSTR

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 80%. Berapa kali ganda lebih besarkah CSTR mesti berbanding PFR untuk kadar suapan, pemalar kadar dan penukaran yang sama? Cari nisbah VCSTR/VPFR.

X = 80%peringkat pertama, k dan Q yang sama
VCSTR/VPFR =
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
Q = 80 L/minX = ?V = 250 L

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 250 L yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 250 LQ = 80 L/mink = 0.4 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L H₂ dan 1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 36. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.100C−x+x+xE0.1 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.5 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LKc = 0.5
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1650 kg/h · 10% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 35% gulaProduk20% gula

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 10 %x2 = 35 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F1300 kg/h · 5% gulaHasil P30% gulaWap W (air tulen)W = ? kg/h

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

F = 1300 kg/hxF = 5 %xP = 30 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: CA = 0.8571 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 = 0.6667 + 0.25·2 = 1.167 L/mol
CA = 1/1.167 = 0.8571 mol/L

Jawapan

CA = 0.8571 mol/L
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 0.4983

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 = 0.0113/0.008 = 1.412
C2/C1 = 0.8/0.4 = 2

Peringkat

n = ln(1.412)/ln(2) = 0.4983

Jawapan

n = 0.4983
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: VCSTR/VPFR = 2.485

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) = 0.8/0.2 = 4
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(5) = 1.609

Nisbah isi padu

VCSTR/VPFR = 4/1.609 = 2.485

Jawapan

VCSTR/VPFR = 2.485

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 71.35 %

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 = 250/80 = 3.125 min, kτ = 0.4·3.125 = 1.25

Penukaran

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1.25 = 71.35%

Jawapan

X = 71.35%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 1.5 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

36 = (2x)²/(1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

6 = 2x/(1 − x) → x = 1·6/(2 + 6) = 0.75 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 1.5 mol/L

Jawapan

[HI] = 1.5 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.01459 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

0.5 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.5·x − 0.05 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.5 + √(0.5² + 4·0.05))/2 = 0.08541 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.1 − 0.08541 = 0.01459 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.01459 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 433.3 kg/h

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

Imbangan

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(10 − 20)/(20 − 35) = 433.3 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 433.3 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1083 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 = 1300·5/30 = 216.7 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 1300 − 216.7 = 1083 kg/h

Jawapan

W = 1083 kg/h

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