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)10 min0.72

Dalam tindak balas peringkat pertama kepekatan A menurun daripada 1.2 mol/L kepada 0.72 mol/L dalam 10 min. Cari pemalar kadar k.

CA0 = 1.2 mol/LCA = 0.72 mol/Lt = 10 min
k = min⁻¹
2.Kinetik tindak balasSukar
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))larian 10.10.01larian 20.20.04n = ?

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan CA0 = 0.1 mol/L kadarnya ialah 0.01 mol/(L·s); dengan CA0 = 0.2 mol/L ia ialah 0.04 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

CA0,1 = 0.1 mol/Lr1 = 0.01 mol/(L·s)CA0,2 = 0.2 mol/Lr2 = 0.04 mol/(L·s)
n =
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 = 1500 LV = 1500 LQ = 20 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.08 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 1500 L. Kadar suapan ialah 20 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 1500 L (×2)Q = 20 L/mink = 0.08 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.250.250C−x−x+2xE0.25 − x0.25 − x2x

0.25 mol/L H₂ dan 0.25 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 25. Cari kepekatan keseimbangan [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.25 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.04 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.04
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1550 kg/h · 10% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 30% garamProduk20% garam

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 20% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 10 %x2 = 30 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F1200 kg/h · 14% gulaHasil PP = ? · 55%Wap W (air tulen)0% gula

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

F = 1200 kg/hxF = 14 %xP = 55 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: k = 0.05108 min⁻¹

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).

Hukum kamiran peringkat pertama

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1.2/0.72)/10 = 0.5108/10 = 0.05108 min⁻¹

Jawapan

k = 0.05108 min⁻¹
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 2

Kaedah kadar awal: bagi r = k·Cⁿ, membandingkan dua larian yang hanya berbeza pada kepekatan awal menghapuskan k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Menggandakan C menggandakan kadar bagi peringkat pertama dan menjadikannya empat kali ganda bagi peringkat kedua.

Nisbah

r2/r1 = 0.04/0.01 = 4
C2/C1 = 0.2/0.1 = 2

Peringkat

n = ln(4)/ln(2) = 2

Jawapan

n = 2
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 = 97.96 %

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 = 1500/20 = 75 min, kτ = 0.08·75 = 6

Penukaran

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 6) = 0.1429
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.02041
X = 1 − 0.02041 = 97.96%

Jawapan

X = 97.96%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H2] = 0.07143 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/(0.25 − x)²

Ambil punca kuasa dua

5 = 2x/(0.25 − x) → x = 0.25·5/(2 + 5) = 0.1786 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.25 − x = 0.07143 mol/L

Jawapan

[H2] = 0.07143 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.819 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

0.04 = x²/(1 − x) → x² + 0.04·x − 0.04 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.04))/2 = 0.181 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 1 − 0.181 = 0.819 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.819 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
garam: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(10 − 20)/(20 − 30) = 550 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 550 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 305.5 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 = 1200·14/55 = 305.5 kg/h

Jawapan

P = 305.5 kg/h

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