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 = ?50%

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 50%? Cari t.

k = 0.1 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/LX = 50 %
t = min
2.Kinetik tindak balasSukar
t (min)X (%)60 minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai k = 0.002 min⁻¹ pada 25 °C dan tenaga pengaktifan 90 kJ/mol. Reaktor kelompok kini dijalankan pada 40 °C selama 60 min. Cari penukaran X yang dicapai.

k1 = 0.002 min⁻¹T1 = 25 °CEa = 90 kJ/molT2 = 40 °Ct = 60 minR = 8.314 J/(mol·K)
X = %
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 100 L/minX = 80%V = ?, k = 0.3 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.3 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 100 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 80%.

Q = 100 L/mink = 0.3 min⁻¹X = 80%
V = L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
Q = 40 L/minX = ?V = 100 L

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 100 L yang disuap pada 40 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 100 LQ = 40 L/mink = 0.4 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.10.10C−x−x+2xE0.1 − x0.1 − x2x

0.1 mol/L H₂ dan 0.1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 36. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.1 mol/LKc = 36
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I1.500C−x+x+xE1.5 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LKc = 0.02
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1550 kg/h · 20% NaOHAliran 2ṁ₂ = ? · 30% NaOHProduk25% NaOH

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

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 20 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F4100 kg/h · 20% garamHasil P50% garamWap W (air tulen)W = ? kg/h

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

F = 4100 kg/hxF = 20 %xP = 50 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 10 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 − 0.5) = 0.5 mol/L

Hukum peringkat kedua teramir

t = (1/CA − 1/CA0)/k = (2 − 1)/0.1 = 10 min

Jawapan

t = 10 min
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: X = 49.5 %

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 = 298.1 K, T2 = 313.1 K
k2 = 0.002·e−(90000/8.314)·(1/313.1 − 1/298.1) = 0.01138 min⁻¹

Penukaran

X = 1 − e−0.01138·60 = 1 − 0.505 = 49.5 %

Jawapan

X = 49.5 %
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 536.5 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 = ln(1/(1 − 0.8))/0.3 = 1.609/0.3 = 5.365 min

Isi padu

V = Q·τ = 100·5.365 = 536.5 L

Jawapan

V = 536.5 L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 63.21 %

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 = 100/40 = 2.5 min, kτ = 0.4·2.5 = 1

Penukaran

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1 = 63.21%

Jawapan

X = 63.21%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.15 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/(0.1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

6 = 2x/(0.1 − x) → x = 0.1·6/(2 + 6) = 0.075 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.15 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.15 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 1.337 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/(1.5 − x) → x² + 0.02·x − 0.03 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.03))/2 = 0.1635 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 1.5 − 0.1635 = 1.337 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 1.337 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 550 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) = 550·(20 − 25)/(25 − 30) = 550 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 550 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 2460 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 = 4100·20/50 = 1640 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4100 − 1640 = 2460 kg/h

Jawapan

W = 2460 kg/h

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