Chemische reactorkunde: oefenopgaven en tentamenvragen

Reactiesnelheden en snelheidsvergelijkingen, dimensionering van CSTR’s en propstroomreactoren, conversie en evenwichtsgrenzen.

Oefen dit vak gratisDit vak oefenenMaak een proeftentamenElke dag 5 gratis opgaven. Geen creditcard nodig.

Samenvattingspakket (pdf)Formuleoverzichten, methodestappen en oefenopgaven met volledige oplossingen, klaar om af te drukken.

Onderwerpen in dit vak

  1. Reactiekinetiekeerste orde · conversie en tweede orde · Arrheniusrekenopgaven
  2. Reactordimensionering (CSTR en PFR)CSTR eerste orde · PFR eerste orde · conversie uit het volumerekenopgaven
  3. Chemisch evenwichtKc uit concentraties · ICE-tabel · ICE-tabel met een vierkantsvergelijkingrekenopgaven
  4. Massabalanstwee stromen mengen · mengen naar een doel · verdamperrekenopgaven

Tentamentips voor Chemische reactorkunde

  • Schrijf de ontwerpvergelijking voor het reactortype op voordat je de snelheidsvergelijking invult.
  • Voor dezelfde conversie heeft een PFR bij reacties van positieve orde minder volume nodig dan een CSTR.
  • Controleer of de beoogde conversie onder de evenwichtsconversie ligt.

Uitgewerkte voorbeelden

ReactiekinetiekMakkelijk
t (min)C (mol/L)60 minC = ?

Een nulde-orde reactie A → producten heeft een snelheidsconstante van 0,01 mol/(L·min). De beginconcentratie van A is 0,8 mol/L. Vind de concentratie CA na 60 min.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 0,8 mol/Lt = 60 min

Gevraagd: CA (mol/L)

Hints tonen
  1. Nulde orde: de snelheid −dC/dt = k hangt niet af van de concentratie.
  2. Integreren geeft C = C₀ − kt (geldig tot A op is).
  3. kt = 0,6 mol/L.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

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).

Geïntegreerde nulde-orde wet

CA = CA0 − kt = 0,8 − 0,01·60 = 0,2 mol/L

Antwoord

CA = 0,2 mol/L
Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld
Q = 20 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,25 min⁻¹

Een eerste-orde vloeistoffasereactie A → B (k = 0,25 min⁻¹) verloopt in een propstroomreactor (PFR) van 200 L. De voeding komt binnen met 20 L/min en CA0 = 2,5 mol/L. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind de uitlaatconcentratie CA.

V = 200 LQ = 20 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L

Gevraagd: CA (mol/L)

Hints tonen
  1. Verblijftijd: τ = V/Q = 10 min.
  2. PFR, eerste orde: CA = CA0·e^(−kτ).
  3. kτ = 2,5.
Toon het antwoord en de stapsgewijze oplossing

Ideale reactoren, eerste-orde reactie (−rA = k·CA) in stationaire toestand, met verblijftijd τ = V/Q. Een CSTR is ideaal gemengd, dus het hele volume reageert bij de lage uitlaatconcentratie: τ = X/(k·(1 − X)) en CA = CA0/(1 + k·τ). In een PFR reageert elk plakje vloeistof als een kleine batchreactor: τ = ln(1/(1 − X))/k en CA = CA0·e−k·τ. Voor dezelfde conversie heeft een CSTR altijd meer volume nodig dan een PFR.

Verblijftijd

τ = V/Q = 200/20 = 10 min

Uitlaatconcentratie

CA = 2,5·e−0,25·10 = 0,2052 mol/L

Antwoord

CA = 0,2052 mol/L

Conversie: X = 91,79%.

Zo werkt het oefenen

  • “Dit vak oefenen” mengt opgaven uit al zijn onderwerpen, net als een echt tentamen.
  • Elke opgave heeft nieuwe waarden, zodat je de methode leert in plaats van een antwoord.
  • Kom je vast te zitten? Open eerst een kleine hint en de volledige uitleg pas als je die nodig hebt.
  • Proeftentamens zijn getimed en hebben geen hints, en aan het eind krijg je je score en een volledige bespreking.

Calculators voor dit vak

Calculator voor CSTR- en PFR-volume

Gerelateerde vakken

Oefenen voor het FE Chemical-examenAlgemene chemieMassa- en energiebalansen
Oefen dit vak gratisDit vak oefenenMaak een proeftentamenElke dag 5 gratis opgaven. Geen creditcard nodig.