Chemische reactorkunde: samenvattingspakket

Formuleoverzichten, de belangrijkste methodestappen voor elk onderwerp en 8 oefenopgaven, met volledige oplossingen achterin.

Nieuwe opgavenTerug naar het vak

Kies in het printvenster “Opslaan als pdf” om een kopie op je apparaat te bewaren.

1Formules en methoden

Reactiekinetiek

Eerste orde
ln(CA/CA0) = −kt
Halveringstijd (eerste orde)
t½ = ln 2/k
Tweede orde
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Twee temperaturen
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Verblijftijd
τ = V/Q
CSTR, eerste orde
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, eerste orde
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Conversie uit het volume
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N gelijke CSTR’s in serie
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Chemisch evenwicht

Evenwichtsconstante
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE-tabel
Begin, Verandering (×coëfficiënt), Evenwicht
Vierkantsvergelijking
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Methode

  1. Schrijf Kc als producten gedeeld door reactanten, elk tot de macht van zijn coëfficiënt.
  2. Maak een BOE-tabel (ICE): Begin, Omzetting (in stappen van x maal de coëfficiënten), Evenwicht.
  3. Vul de evenwichtsuitdrukkingen in Kc in en los op naar x.
  4. Controleer of x klein genoeg is voor een benadering; los anders de vierkantsvergelijking op.

Massabalans

Stationaire toestand
in = uit
Totaalbalans
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Componentenbalans
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Verdamper
F·xF = P·xP, W = F − P

2Oefenopgaven

1.ReactiekinetiekGemiddeld
t (min)C (mol/L)60 min0,24

In een eerste-orde reactie daalt de concentratie van A van 0,8 mol/L naar 0,24 mol/L in 60 min. Vind de snelheidsconstante k.

CA0 = 0,8 mol/LCA = 0,24 mol/Lt = 60 min
k = min⁻¹
2.ReactiekinetiekMoeilijk
Tk40 °C0,160 °C?

Een reactie heeft een snelheidsconstante van 0,1 min⁻¹ bij 40 °C en een activeringsenergie van 90 kJ/mol. Vind de snelheidsconstante k2 bij 60 °C.

k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 60 °CEa = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld
Q = 10 L/minX = 75%V = ?, k = 0,3 min⁻¹

Een eerste-orde vloeistoffasereactie A → B met k = 0,3 min⁻¹ wordt uitgevoerd in een propstroomreactor (PFR) met een voeding van 10 L/min. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind het reactorvolume V in liter voor 75% conversie van A.

Q = 10 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 75%
V = L
4.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Moeilijk
V = 200 LV = 200 LQ = 10 L/minX = ?

Een eerste-orde vloeistoffasereactie (k = 0,25 min⁻¹) verloopt in twee gelijke CSTR’s in serie, elk van 200 L. Het voedingsdebiet is 10 L/min, de dichtheid is constant en de reactoren zijn in stationaire toestand. Vind de totale conversie X in procent.

V = 200 L (×2)Q = 10 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
5.Chemisch evenwichtGemiddeld
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

0,25 mol/L H₂ en 0,25 mol/L I₂ worden in een vat gebracht en reageren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, met Kc = 54. Bereken de evenwichtsconcentratie [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 54
[H2] = mol/L
6.Chemisch evenwichtMoeilijk
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ ontleedt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, met Kc = 0,2 bij de reactietemperatuur. Een vat bevat aan het begin alleen 0,1 mol/L PCl₅. Bereken de evenwichtsconcentratie [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
7.MassabalansGemiddeld
MengerStroom 1350 kg/h · 5% zoutStroom 2ṁ₂ = ? · 40% zoutProduct25% zout

Hoeveel van stroom 2 moet er per uur aan stroom 1 worden toegevoegd zodat het mengsel 25% zout bevat? Vind ṁ2.

ṁ1 = 350 kg/hx1 = 5 %x2 = 40 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.MassabalansMoeilijk
VerdamperVoeding F4900 kg/h · 6% zoutProduct PP = ? · 60%Damp W (zuiver water)0% zout

Een verdamper concentreert een zoutoplossing door zuiver water te verdampen. Vind het productdebiet P in kg/h.

F = 4900 kg/hxF = 6 %xP = 60 %
P = kg/h

3Oplossingen

1.Reactiekinetiek

Antwoord: k = 0,02007 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).

Geïntegreerde eerste-orde wet

k = ln(CA0/CA)/t = ln(0,8/0,24)/60 = 1,204/60 = 0,02007 min⁻¹

Antwoord

k = 0,02007 min⁻¹
2.Reactiekinetiek

Antwoord: k2 = 0,7967 min⁻¹

Reactiesnelheden: voor een eerste-orde reactie geldt −dC/dt = kC, dus C = C₀·e−kt en de halveringstijd ln 2/k hangt niet af van de concentratie. Voor een tweede-orde reactie geldt 1/C = 1/C₀ + kt. De snelheidsconstante stijgt met de temperatuur volgens Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Absolute temperaturen

T1 = 313,1 K, T2 = 333,1 K

Arrhenius-verhouding

ln(k2/k1) = −(90000/8,314)·(1/333,1 − 1/313,1) = 2,075
k2 = 0,1·e2,075 = 0,7967 min⁻¹

Antwoord

k2 = 0,7967 min⁻¹
3.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: V = 46,21 L

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 = ln(1/(1 − 0,75))/0,3 = 1,386/0,3 = 4,621 min

Volume

V = Q·τ = 10·4,621 = 46,21 L

Antwoord

V = 46,21 L
4.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: X = 97,22 %

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 = 200/10 = 20 min, kτ = 0,25·20 = 5

Conversie

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 5) = 0,1667
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,02778
X = 1 − 0,02778 = 97,22%

Antwoord

X = 97,22%
5.Chemisch evenwicht

Antwoord: [H2] = 0,05348 mol/L

Chemisch evenwicht: voor aA + bB ⇌ cC + dD is de evenwichtsconstante Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), met de concentraties bij evenwicht. Een ICE-tabel (Begin, Verandering, Evenwicht) koppelt de beginhoeveelheden aan de evenwichtshoeveelheden via één onbekende x, vermenigvuldigd met de coëfficiënten.

Evenwichtsvoorwaarde

54 = (2x)²/(0,25 − x)²

Neem de wortel

7,348 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,348/(2 + 7,348) = 0,1965 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[H₂] = 0,25 − x = 0,05348 mol/L

Antwoord

[H2] = 0,05348 mol/L
6.Chemisch evenwicht

Antwoord: [Cl2] = 0,07321 mol/L

Chemisch evenwicht: voor aA + bB ⇌ cC + dD is de evenwichtsconstante Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), met de concentraties bij evenwicht. Een ICE-tabel (Begin, Verandering, Evenwicht) koppelt de beginhoeveelheden aan de evenwichtshoeveelheden via één onbekende x, vermenigvuldigd met de coëfficiënten.

Evenwichtsvoorwaarde

0,2 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,2·x − 0,02 = 0

Los de vierkantsvergelijking op

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,02))/2 = 0,07321 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[Cl₂] = x = 0,07321 mol/L

Antwoord

[Cl2] = 0,07321 mol/L
7.Massabalans

Antwoord: ṁ2 = 466,7 kg/h

Stationaire massabalans: in = uit voor het totaal en voor elke component. Mengproblemen combineren beide.

Balansen

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

Los op naar ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 350·(5 − 25)/(25 − 40) = 466,7 kg/h

Antwoord

ṁ2 = 466,7 kg/h
8.Massabalans

Antwoord: P = 490 kg/h

Sleutelcomponent: een component die onveranderd in één stroom meegaat (hier de opgeloste stof) koppelt de debieten direct. De totaalbalans geeft dan de rest.

Balans van de opgeloste stof

F·xF = P·xP → P = 4900·6/60 = 490 kg/h

Antwoord

P = 490 kg/h

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