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 = ?80%

Satu tindak balas peringkat pertama dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.08 min⁻¹. Berapa lama masa yang diambil untuk mencapai penukaran 80%? Cari t.

k = 0.08 min⁻¹X = 80 %
t = min
2.Kinetik tindak balasSukar
t (min)X (%)20 minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai k = 0.02 min⁻¹ pada 20 °C dan tenaga pengaktifan 50 kJ/mol. Reaktor kelompok kini dijalankan pada 30 °C selama 20 min. Cari penukaran X yang dicapai.

k1 = 0.02 min⁻¹T1 = 20 °CEa = 50 kJ/molT2 = 30 °Ct = 20 minR = 8.314 J/(mol·K)
X = %
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 80 L/minX = 80%V = ?, k = 0.5 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.5 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 80%.

Q = 80 L/mink = 0.5 min⁻¹X = 80%
V = L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 100 LV = 100 LQ = 40 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.1 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 100 L. Kadar suapan ialah 40 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 100 L (×2)Q = 40 L/mink = 0.1 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 = 64. Cari kepekatan keseimbangan [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.25 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I0.2500C−x+x+xE0.25 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.1 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.25 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0.25 mol/LKc = 0.1
[PCl5] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 1200 kg/h · 50% garamAliran 2ṁ₂ = ? · 5% garamProduk10% garam

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 10% garam? Cari ṁ2.

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 50 %x2 = 5 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F3500 kg/h · 17% NaOHHasil PP = ? · 30%Wap W (air tulen)0% NaOH

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

F = 3500 kg/hxF = 17 %xP = 30 %
P = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 20.12 min

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).

Penukaran dan kepekatan

C/C0 = 1 − X = 0.2

Selesaikan untuk masa

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.2)/0.08 = 20.12 min

Jawapan

t = 20.12 min
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: X = 54.48 %

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 = 0.02·e−(50000/8.314)·(1/303.1 − 1/293.1) = 0.03935 min⁻¹

Penukaran

X = 1 − e−0.03935·20 = 1 − 0.4552 = 54.48 %

Jawapan

X = 54.48 %
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 257.5 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 − 0.8))/0.5 = 1.609/0.5 = 3.219 min

Isi padu

V = Q·τ = 80·3.219 = 257.5 L

Jawapan

V = 257.5 L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 36 %

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 = 100/40 = 2.5 min, kτ = 0.1·2.5 = 0.25

Penukaran

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0.25) = 0.8
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0.64
X = 1 − 0.64 = 36%

Jawapan

X = 36%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H2] = 0.05 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

64 = (2x)²/(0.25 − x)²

Ambil punca kuasa dua

8 = 2x/(0.25 − x) → x = 0.25·8/(2 + 8) = 0.2 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.25 − x = 0.05 mol/L

Jawapan

[H2] = 0.05 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl5] = 0.1342 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

0.1 = x²/(0.25 − x) → x² + 0.1·x − 0.025 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.1 + √(0.1² + 4·0.025))/2 = 0.1158 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.25 − 0.1158 = 0.1342 mol/L

Jawapan

[PCl5] = 0.1342 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 1600 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) = 200·(50 − 10)/(10 − 5) = 1600 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 1600 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: P = 1983 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 = 3500·17/30 = 1983 kg/h

Jawapan

P = 1983 kg/h

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