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 2 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t½.

k = 0.25 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/L
t½ = min
2.Kinetik tindak balasSukar
Tk30 °C0.0545 °C0.127

Pemalar kadar suatu tindak balas ialah 0.05 min⁻¹ pada 30 °C dan 0.127 min⁻¹ pada 45 °C. Cari tenaga pengaktifan Ea.

k1 = 0.05 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0.127 min⁻¹T2 = 45 °CR = 8.314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 20 L/minX = 60%V = ?, k = 0.25 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.25 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 20 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 60%.

Q = 20 L/mink = 0.25 min⁻¹X = 60%
V = L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
Q = 80 L/minX = ?V = 800 L

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.12 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 800 L yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 800 LQ = 80 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 = 4. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.01 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.01
[Cl2] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1350 kg/h · 50% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 5% garamProduk25% garam

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

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 50 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F2800 kg/h · 10% gulaHasil PP = ? · 40%Wap W (air tulen)0% gula

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

F = 2800 kg/hxF = 10 %xP = 40 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t½ = 2 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/(0.25·2) = 2 min

Jawapan

t½ = 2 min

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

2.Kinetik tindak balas

Jawapan: Ea = 49.83 kJ/mol

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 = 318.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8.314·0.9322/(-1.555e-4) = 49831 J/mol
Ea = 49.83 kJ/mol

Jawapan

Ea = 49.83 kJ/mol
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 73.3 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 − 0.6))/0.25 = 0.9163/0.25 = 3.665 min

Isi padu

V = Q·τ = 20·3.665 = 73.3 L

Jawapan

V = 73.3 L
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 = 800/80 = 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: [HI] = 0.4 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

4 = (2x)²/(0.4 − x)²

Ambil punca kuasa dua

2 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·2/(2 + 2) = 0.2 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.4 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.4 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl2] = 0.09512 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

0.01 = x²/(1 − x) → x² + 0.01·x − 0.01 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.01 + √(0.01² + 4·0.01))/2 = 0.09512 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.09512 mol/L

Jawapan

[Cl2] = 0.09512 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 437.5 kg/h

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

Imbangan

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

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 350·(50 − 25)/(25 − 5) = 437.5 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 437.5 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 700 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 = 2800·10/40 = 700 kg/h

Jawapan

P = 700 kg/h

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