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)5 minC = ?

Satu tindak balas dengan hukum kadar −rA = k·CA² mempunyai k = 0.8 L/(mol·min) dan bermula pada 0.5 mol/L. Cari kepekatan CA selepas 5 min.

k = 0.8 L/(mol·min)CA0 = 0.5 mol/Lt = 5 min
CA = mol/L
2.Kinetik tindak balasSukar
Tk25 °C0.00535 °C?

Satu tindak balas mempunyai pemalar kadar 0.005 min⁻¹ pada 25 °C dan tenaga pengaktifan 50 kJ/mol. Cari pemalar kadar k2 pada 35 °C.

k1 = 0.005 min⁻¹T1 = 25 °CT2 = 35 °CEa = 50 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 40 L/minCA0​ = 1 mol/LCA​ = ?V = 150 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) 150 L. Suapan masuk pada 40 L/min dengan CA0 = 1 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran CA.

V = 150 LQ = 40 L/mink = 0.25 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
Q = 25 L/minX = ?V = 250 L

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.12 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 250 L yang disuap pada 25 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 250 LQ = 25 L/mink = 0.12 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 = 50. Cari kepekatan keseimbangan [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.2500C−x+x+xE0.25 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.25 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0.25 mol/LKc = 0.02
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1500 kg/h · 30% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 20% gulaProduk25% gula

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 25% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 30 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F1400 kg/h · 10% gulaHasil P55% 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 = 1400 kg/hxF = 10 %xP = 55 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: CA = 0.1667 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 = 2 + 0.8·5 = 6 L/mol
CA = 1/6 = 0.1667 mol/L

Jawapan

CA = 0.1667 mol/L
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: k2 = 0.009622 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 = 298.1 K, T2 = 308.1 K

Nisbah Arrhenius

ln(k2/k1) = −(50000/8.314)·(1/308.1 − 1/298.1) = 0.6546
k2 = 0.005·e0.6546 = 0.009622 min⁻¹

Jawapan

k2 = 0.009622 min⁻¹
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: CA = 0.3916 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 = 150/40 = 3.75 min

Kepekatan keluaran

CA = 1·e−0.25·3.75 = 0.3916 mol/L

Jawapan

CA = 0.3916 mol/L

Penukaran: X = 60.84%.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 69.88 %

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 = 250/25 = 10 min, kτ = 0.12·10 = 1.2

Penukaran

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1.2 = 69.88%

Jawapan

X = 69.88%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H2] = 0.08819 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/(0.4 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.071 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·7.071/(2 + 7.071) = 0.3118 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.4 − x = 0.08819 mol/L

Jawapan

[H2] = 0.08819 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.1886 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/(0.25 − x) → x² + 0.02·x − 0.005 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.005))/2 = 0.06141 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.25 − 0.06141 = 0.1886 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.1886 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 500 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) = 500·(30 − 25)/(25 − 20) = 500 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 500 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1145 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 = 1400·10/55 = 254.5 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 1400 − 254.5 = 1145 kg/h

Jawapan

W = 1145 kg/h

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