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

k = 0.2 L/(mol·min)CA0 = 0.2 mol/L
t½ = min
2.Kinetik tindak balasSukar
t (min)X (%)10 minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai k = 0.01 min⁻¹ pada 20 °C dan tenaga pengaktifan 80 kJ/mol. Reaktor kelompok kini dijalankan pada 30 °C selama 10 min. Cari penukaran X yang dicapai.

k1 = 0.01 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 80 kJ/molT2 = 30 °Ct = 10 minR = 8.314 J/(mol·K)
X = %
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
QX = 50%Q, k dan X yang sama seperti CSTR

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 50%. Berapa kali ganda lebih besarkah CSTR mesti berbanding PFR untuk kadar suapan, pemalar kadar dan penukaran yang sama? Cari nisbah VCSTR/VPFR.

X = 50%peringkat pertama, k dan Q yang sama
VCSTR/VPFR =
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 2000 LQ = 25 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.5 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 2000 L yang disuap pada 25 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 2000 LQ = 25 L/mink = 0.5 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 = 25. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.1 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.400C−x+x+xE0.4 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.08 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.4 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LKc = 0.08
[Cl2] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1800 kg/h · 45% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 20% garamProduk40% garam

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

ṁ1 = 800 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F4700 kg/h · 13% garamHasil P45% 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 = 4700 kg/hxF = 13 %xP = 45 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t½ = 25 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/(0.2·0.2) = 25 min

Jawapan

t½ = 25 min

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

2.Kinetik tindak balas

Jawapan: X = 25.57 %

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 = 293.1 K, T2 = 303.1 K
k2 = 0.01·e−(80000/8.314)·(1/303.1 − 1/293.1) = 0.02953 min⁻¹

Penukaran

X = 1 − e−0.02953·10 = 1 − 0.7443 = 25.57 %

Jawapan

X = 25.57 %
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: VCSTR/VPFR = 1.443

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) = 0.5/0.5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0.6931

Nisbah isi padu

VCSTR/VPFR = 1/0.6931 = 1.443

Jawapan

VCSTR/VPFR = 1.443

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 97.56 %

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 = 2000/25 = 80 min, kτ = 0.5·80 = 40

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 40/(1 + 40) = 97.56%

Jawapan

X = 97.56%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.1429 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

25 = (2x)²/(0.1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

5 = 2x/(0.1 − x) → x = 0.1·5/(2 + 5) = 0.07143 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.1429 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.1429 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl2] = 0.1433 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

0.08 = x²/(0.4 − x) → x² + 0.08·x − 0.032 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.032))/2 = 0.1433 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.1433 mol/L

Jawapan

[Cl2] = 0.1433 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
garam: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 800·(45 − 40)/(40 − 20) = 200 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 200 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 3342 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 = 4700·13/45 = 1358 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4700 − 1358 = 3342 kg/h

Jawapan

W = 3342 kg/h

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