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)5 minC = ?

Satu tindak balas dengan hukum kadar −rA = k·CA² mempunyai k = 0.8 L/(mol·min) dan bermula pada 1.5 mol/L. Cari kepekatan CA selepas 5 min.

k = 0.8 L/(mol·min)CA0 = 1.5 mol/Lt = 5 min
CA = mol/L
2.Kinetik tindak balasSukar
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))larian 10.10.008larian 20.40.016n = ?

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan CA0 = 0.1 mol/L kadarnya ialah 0.008 mol/(L·s); dengan CA0 = 0.4 mol/L ia ialah 0.016 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

CA0,1 = 0.1 mol/Lr1 = 0.008 mol/(L·s)CA0,2 = 0.4 mol/Lr2 = 0.016 mol/(L·s)
n =
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 = 400 LQ = 80 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.15 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 400 L yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 400 LQ = 80 L/mink = 0.15 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.80.80C−x−x+2xE0.8 − x0.8 − x2x

0.8 mol/L H₂ dan 0.8 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 16. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.05 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.05
[Cl2] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1550 kg/h · 15% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 45% garamProduk30% garam

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 30% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F4700 kg/h · 5% garamHasil PP = ? · 65%Wap W (air tulen)0% garam

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

F = 4700 kg/hxF = 5 %xP = 65 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: CA = 0.2143 mol/L

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).

Hukum peringkat kedua teramir

1/CA = 1/CA0 + kt = 0.6667 + 0.8·5 = 4.667 L/mol
CA = 1/4.667 = 0.2143 mol/L

Jawapan

CA = 0.2143 mol/L
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 0.5

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 = 0.016/0.008 = 2
C2/C1 = 0.4/0.1 = 4

Peringkat

n = ln(2)/ln(4) = 0.5

Jawapan

n = 0.5
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 = 42.86 %

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 = 400/80 = 5 min, kτ = 0.15·5 = 0.75

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 0.75/(1 + 0.75) = 42.86%

Jawapan

X = 42.86%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 1.067 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

16 = (2x)²/(0.8 − x)²

Ambil punca kuasa dua

4 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·4/(2 + 4) = 0.5333 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 1.067 mol/L

Jawapan

[HI] = 1.067 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl2] = 0.2 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

0.05 = x²/(1 − x) → x² + 0.05·x − 0.05 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.05 + √(0.05² + 4·0.05))/2 = 0.2 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.2 mol/L

Jawapan

[Cl2] = 0.2 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·(15 − 30)/(30 − 45) = 550 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 550 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 361.5 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 = 4700·5/65 = 361.5 kg/h

Jawapan

P = 361.5 kg/h

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