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)30 minC = ?

Een reactie met snelheidsvergelijking −rA = k·CA² heeft k = 0,5 L/(mol·min) en begint bij 1 mol/L. Vind de concentratie CA na 30 min.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/Lt = 30 min
CA = mol/L
2.ReactiekinetiekMoeilijk
Tk35 °C0,0275 °C0,578

De snelheidsconstante van een reactie is 0,02 min⁻¹ bij 35 °C en 0,578 min⁻¹ bij 75 °C. Vind de activeringsenergie Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 35 °Ck2 = 0,578 min⁻¹T2 = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld
Q = 80 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 100 L, k = 0,2 min⁻¹

Een eerste-orde vloeistoffasereactie A → B (k = 0,2 min⁻¹) verloopt in een propstroomreactor (PFR) van 100 L. De voeding komt binnen met 80 L/min en CA0 = 2 mol/L. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind de uitlaatconcentratie CA.

V = 100 LQ = 80 L/mink = 0,2 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
4.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Moeilijk
Q = 40 L/minX = ?V = 400 L

Een eerste-orde vloeistoffasereactie (k = 0,05 min⁻¹) verloopt in een propstroomreactor (PFR) van 400 L met een voeding van 40 L/min. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind de conversie X in procent.

V = 400 LQ = 40 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
5.Chemisch evenwichtGemiddeld
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

0,8 mol/L H₂ en 0,8 mol/L I₂ worden in een vat gebracht en reageren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, met Kc = 16. Bereken de evenwichtsconcentratie [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 16
[H2] = mol/L
6.Chemisch evenwichtMoeilijk
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ ontleedt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, met Kc = 0,08 bij de reactietemperatuur. Een vat bevat aan het begin alleen 0,8 mol/L PCl₅. Bereken de evenwichtsconcentratie [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
7.MassabalansGemiddeld
MengerStroom 1450 kg/h · 5% suikerStroom 2ṁ₂ = ? · 35% suikerProduct10% suiker

Hoeveel van stroom 2 moet er per uur aan stroom 1 worden toegevoegd zodat het mengsel 10% suiker bevat? Vind ṁ2.

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 10 %
ṁ2 = kg/h
8.MassabalansMoeilijk
VerdamperVoeding F1600 kg/h · 19% zoutProduct PP = ? · 35%Damp W (zuiver water)0% zout

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

F = 1600 kg/hxF = 19 %xP = 35 %
P = kg/h

3Oplossingen

1.Reactiekinetiek

Antwoord: CA = 0,0625 mol/L

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).

Geïntegreerde tweede-orde vergelijking

1/CA = 1/CA0 + kt = 1 + 0,5·30 = 16 L/mol
CA = 1/16 = 0,0625 mol/L

Antwoord

CA = 0,0625 mol/L
2.Reactiekinetiek

Antwoord: Ea = 75,01 kJ/mol

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 = 308,1 K, T2 = 348,1 K

Los Arrhenius op naar Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·3,364/(-3,728e-4) = 75009 J/mol
Ea = 75,01 kJ/mol

Antwoord

Ea = 75,01 kJ/mol
3.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: CA = 1,558 mol/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 = V/Q = 100/80 = 1,25 min

Uitlaatconcentratie

CA = 2·e−0,2·1,25 = 1,558 mol/L

Antwoord

CA = 1,558 mol/L

Conversie: X = 22,12%.

4.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: X = 39,35 %

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 = 400/40 = 10 min, kτ = 0,05·10 = 0,5

Conversie

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,5 = 39,35%

Antwoord

X = 39,35%
5.Chemisch evenwicht

Antwoord: [H2] = 0,2667 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

16 = (2x)²/(0,8 − x)²

Neem de wortel

4 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·4/(2 + 4) = 0,5333 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[H₂] = 0,8 − x = 0,2667 mol/L

Antwoord

[H2] = 0,2667 mol/L
6.Chemisch evenwicht

Antwoord: [Cl2] = 0,2161 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

0,08 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,08·x − 0,064 = 0

Los de vierkantsvergelijking op

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,064))/2 = 0,2161 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[Cl₂] = x = 0,2161 mol/L

Antwoord

[Cl2] = 0,2161 mol/L
7.Massabalans

Antwoord: ṁ2 = 90 kg/h

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

Balansen

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

Los op naar ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 450·(5 − 10)/(10 − 35) = 90 kg/h

Antwoord

ṁ2 = 90 kg/h
8.Massabalans

Antwoord: P = 868,6 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 = 1600·19/35 = 868,6 kg/h

Antwoord

P = 868,6 kg/h

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