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 = 0.25 L/(mol·min) dan kepekatan awal 0.2 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t½.

k = 0.25 L/(mol·min)CA0 = 0.2 mol/L
t½ = min
2.Kinetik tindak balasSukar
t (min)X (%)30 minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai k = 0.005 min⁻¹ pada 30 °C dan tenaga pengaktifan 70 kJ/mol. Reaktor kelompok kini dijalankan pada 55 °C selama 30 min. Cari penukaran X yang dicapai.

k1 = 0.005 min⁻¹T1 = 30 °CEa = 70 kJ/molT2 = 55 °Ct = 30 minR = 8.314 J/(mol·K)
X = %
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
QX = 95%Q, k dan X yang sama seperti CSTR

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 95%. Berapa kali ganda lebih besarkah CSTR mesti berbanding PFR untuk kadar suapan, pemalar kadar dan penukaran yang sama? Cari nisbah VCSTR/VPFR.

X = 95%peringkat pertama, k dan Q yang sama
VCSTR/VPFR =
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 100 LQ = 50 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.15 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 100 L yang disuap pada 50 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 100 LQ = 50 L/mink = 0.15 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.80.80C−x−x+2xE0.8 − x0.8 − x2x

0.8 mol/L H₂ dan 0.8 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 54. Cari kepekatan keseimbangan [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.400C−x+x+xE0.4 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.5 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.4 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LKc = 0.5
[Cl2] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1650 kg/h · 10% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 45% NaOHProduk40% NaOH

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 40% NaOH? Cari ṁ2.

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 10 %x2 = 45 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F4800 kg/h · 13% gulaHasil PP = ? · 30%Wap W (air tulen)0% gula

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

F = 4800 kg/hxF = 13 %xP = 30 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t½ = 20 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).

Separuh hayat peringkat kedua

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0.25·0.2) = 20 min

Jawapan

t½ = 20 min

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

2.Kinetik tindak balas

Jawapan: X = 71.19 %

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Pemalar kadar pada suhu baharu

T1 = 303.1 K, T2 = 328.1 K
k2 = 0.005·e−(70000/8.314)·(1/328.1 − 1/303.1) = 0.04149 min⁻¹

Penukaran

X = 1 − e−0.04149·30 = 1 − 0.2881 = 71.19 %

Jawapan

X = 71.19 %
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: VCSTR/VPFR = 6.342

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) = 0.95/0.05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2.996

Nisbah isi padu

VCSTR/VPFR = 19/2.996 = 6.342

Jawapan

VCSTR/VPFR = 6.342

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 23.08 %

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 = 100/50 = 2 min, kτ = 0.15·2 = 0.3

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 0.3/(1 + 0.3) = 23.08%

Jawapan

X = 23.08%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H2] = 0.1712 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

54 = (2x)²/(0.8 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.348 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·7.348/(2 + 7.348) = 0.6288 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.8 − x = 0.1712 mol/L

Jawapan

[H2] = 0.1712 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl2] = 0.2623 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/(0.4 − x) → x² + 0.5·x − 0.2 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.5 + √(0.5² + 4·0.2))/2 = 0.2623 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.2623 mol/L

Jawapan

[Cl2] = 0.2623 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 3900 kg/h

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

Imbangan

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(10 − 40)/(40 − 45) = 3900 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 3900 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 2080 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 = 4800·13/30 = 2080 kg/h

Jawapan

P = 2080 kg/h

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