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)30 min0.3

Dalam tindak balas peringkat pertama kepekatan A menurun daripada 0.5 mol/L kepada 0.3 mol/L dalam 30 min. Cari pemalar kadar k.

CA0 = 0.5 mol/LCA = 0.3 mol/Lt = 30 min
k = min⁻¹
2.Kinetik tindak balasSukar
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))larian 10.40.005larian 21.20.026n = ?

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan CA0 = 0.4 mol/L kadarnya ialah 0.005 mol/(L·s); dengan CA0 = 1.2 mol/L ia ialah 0.026 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

CA0,1 = 0.4 mol/Lr1 = 0.005 mol/(L·s)CA0,2 = 1.2 mol/Lr2 = 0.026 mol/(L·s)
n =
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana
Q = 80 L/minX = 50%V = ?, k = 0.2 min⁻¹

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.2 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 50%.

Q = 80 L/mink = 0.2 min⁻¹X = 50%
V = L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar
V = 800 LQ = 80 L/minX = ?

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 800 L yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 800 LQ = 80 L/mink = 0.4 min⁻¹
X = %
5.Keseimbangan kimiaSederhana
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

1 mol/L H₂ dan 1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan Kc = 4. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
6.Keseimbangan kimiaSukar
PCl5​PCl3​Cl2​I1.500C−x+x+xE1.5 − xxx

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan Kc = 0.2 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LKc = 0.2
[Cl2] = mol/L
7.Imbangan jisimSederhana
PengadunAliran 11000 kg/h · 20% gulaAliran 2ṁ₂ = ? · 30% gulaProduk25% gula

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 25% gula? Cari ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 20 %x2 = 30 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Imbangan jisimSukar
PenyejatSuapan F4100 kg/h · 18% gulaHasil P35% gulaWap W (air tulen)W = ? kg/h

Satu penyejat memekatkan larutan gula dengan mendidihkan air tulen. Cari air yang tersejat W dalam kg/h.

F = 4100 kg/hxF = 18 %xP = 35 %
W = kg/h

3Larutan

1.Kinetik tindak balas

Jawapan: k = 0.01703 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(0.5/0.3)/30 = 0.5108/30 = 0.01703 min⁻¹

Jawapan

k = 0.01703 min⁻¹
2.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 1.501

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 = 0.026/0.005 = 5.2
C2/C1 = 1.2/0.4 = 3

Peringkat

n = ln(5.2)/ln(3) = 1.501

Jawapan

n = 1.501
3.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 277.3 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 − 0.5))/0.2 = 0.6931/0.2 = 3.466 min

Isi padu

V = Q·τ = 80·3.466 = 277.3 L

Jawapan

V = 277.3 L
4.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 80 %

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 = 800/80 = 10 min, kτ = 0.4·10 = 4

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 4/(1 + 4) = 80%

Jawapan

X = 80%
5.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 1 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

4 = (2x)²/(1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

2 = 2x/(1 − x) → x = 1·2/(2 + 2) = 0.5 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 1 mol/L

Jawapan

[HI] = 1 mol/L
6.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl2] = 0.4568 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/(1.5 − x) → x² + 0.2·x − 0.3 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.3))/2 = 0.4568 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.4568 mol/L

Jawapan

[Cl2] = 0.4568 mol/L
7.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ2 = 1000 kg/h

Imbangan jisim keadaan mantap: masuk = keluar bagi jumlah dan bagi setiap komponen. Masalah pengadunan menggabungkan kedua-duanya.

Imbangan

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
gula: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Selesaikan untuk ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(20 − 25)/(25 − 30) = 1000 kg/h

Jawapan

ṁ2 = 1000 kg/h
8.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1991 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 = 4100·18/35 = 2109 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4100 − 2109 = 1991 kg/h

Jawapan

W = 1991 kg/h

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