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 = ?60%

Satu tindak balas peringkat sifar mempunyai k = 0.01 mol/(L·min) dan bermula pada 1 mol/L. Berapa lamakah masa yang diambil untuk mencapai penukaran 60%? Cari t.

k = 0.01 mol/(L·min)CA0 = 1 mol/LX = 60 %
t = min
2.Kinetik tindak balasSukar
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))larian 10.10.008larian 20.20.0226n = ?

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan CA0 = 0.1 mol/L kadarnya ialah 0.008 mol/(L·s); dengan CA0 = 0.2 mol/L ia ialah 0.0226 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

CA0,1 = 0.1 mol/Lr1 = 0.008 mol/(L·s)CA0,2 = 0.2 mol/Lr2 = 0.0226 mol/(L·s)
n =
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 100 L/minX = 85%V = ?, k = 0.15 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.15 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 100 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 85%.

Q = 100 L/mink = 0.15 min⁻¹X = 85%
V = L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
Q = 25 L/minX = ?V = 200 L

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 200 L yang disuap pada 25 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 200 LQ = 25 L/mink = 0.4 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII0.20.20C−x−x+2xE0.2 − x0.2 − x2x

0.2 mol/L H₂ dan 0.2 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 54. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.500C−x+x+xE0.5 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.2 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0.5 mol/LKc = 0.2
[Cl2] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1700 kg/h · 50% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 15% garamProduk35% garam

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 35% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F3500 kg/h · 12% gulaHasil PP = ? · 35%Wap W (air tulen)0% gula

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

F = 3500 kg/hxF = 12 %xP = 35 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 60 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 = 1·0.6 = 0.6 mol/L

Masa

t = CA0·X/k = 0.6/0.01 = 60 min

Jawapan

t = 60 min
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 1.498

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 = 0.0226/0.008 = 2.825
C2/C1 = 0.2/0.1 = 2

Peringkat

n = ln(2.825)/ln(2) = 1.498

Jawapan

n = 1.498
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 1265 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 − 0.85))/0.15 = 1.897/0.15 = 12.65 min

Isi padu

V = Q·τ = 100·12.65 = 1265 L

Jawapan

V = 1265 L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 95.92 %

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 = 200/25 = 8 min, kτ = 0.4·8 = 3.2

Penukaran

X = 1 − e−kτ = 1 − e−3.2 = 95.92%

Jawapan

X = 95.92%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.3144 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

54 = (2x)²/(0.2 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.348 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·7.348/(2 + 7.348) = 0.1572 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.3144 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.3144 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl2] = 0.2317 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

0.2 = x²/(0.5 − x) → x² + 0.2·x − 0.1 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.1))/2 = 0.2317 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.2317 mol/L

Jawapan

[Cl2] = 0.2317 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 525 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) = 700·(50 − 35)/(35 − 15) = 525 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 525 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 1200 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 = 3500·12/35 = 1200 kg/h

Jawapan

P = 1200 kg/h

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