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 = ?75%

Satu tindak balas peringkat sifar mempunyai k = 0.02 mol/(L·min) dan bermula pada 2 mol/L. Berapa lamakah masa yang diambil untuk mencapai penukaran 75%? Cari t.

k = 0.02 mol/(L·min)CA0 = 2 mol/LX = 75 %
t = min
2.Kinetik tindak balasSukar
Tk30 °C0.00250 °C?

Satu tindak balas mempunyai pemalar kadar 0.002 min⁻¹ pada 30 °C dan tenaga pengaktifan 50 kJ/mol. Cari pemalar kadar k2 pada 50 °C.

k1 = 0.002 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 50 °CEa = 50 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
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
V = 800 LQ = 50 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 800 L yang disuap pada 50 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 800 LQ = 50 L/mink = 0.4 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 = 49. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.5 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.400C−x+x+xE0.4 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.4 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LKc = 0.02
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1800 kg/h · 5% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 30% gulaProduk10% gula

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 10% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 5 %x2 = 30 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F500 kg/h · 14% gulaHasil P35% 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 = 500 kg/hxF = 14 %xP = 35 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 75 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).

Jumlah yang ditukar

CA0·X = 2·0.75 = 1.5 mol/L

Masa

t = CA0·X/k = 1.5/0.02 = 75 min

Jawapan

t = 75 min
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: k2 = 0.006827 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 = 303.1 K, T2 = 323.1 K

Nisbah Arrhenius

ln(k2/k1) = −(50000/8.314)·(1/323.1 − 1/303.1) = 1.228
k2 = 0.002·e1.228 = 0.006827 min⁻¹

Jawapan

k2 = 0.006827 min⁻¹
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 = 86.49 %

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 = 800/50 = 16 min, kτ = 0.4·16 = 6.4

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 6.4/(1 + 6.4) = 86.49%

Jawapan

X = 86.49%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.7778 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

49 = (2x)²/(0.5 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7 = 2x/(0.5 − x) → x = 0.5·7/(2 + 7) = 0.3889 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.7778 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.7778 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.32 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/(0.4 − x) → x² + 0.02·x − 0.008 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.008))/2 = 0.08 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.4 − 0.08 = 0.32 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.32 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 200 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) = 800·(5 − 10)/(10 − 30) = 200 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 200 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 300 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 = 500·14/35 = 200 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 500 − 200 = 300 kg/h

Jawapan

W = 300 kg/h

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