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)t½​ = ?C0​/2

Een tweede-orde reactie (−rA = k·CA²) heeft k = 0,02 L/(mol·min) en een beginconcentratie van 0,5 mol/L. Vind de eerste halveringstijd t½.

k = 0,02 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/L
t½ = min
2.ReactiekinetiekMoeilijk
Tk30 °C0,00245 °C0,0108

De snelheidsconstante van een reactie is 0,002 min⁻¹ bij 30 °C en 0,0108 min⁻¹ bij 45 °C. Vind de activeringsenergie Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,0108 min⁻¹T2 = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld
Q = 10 L/minCA0​ = 2 mol/LCA​ = ?V = 150 L, k = 0,3 min⁻¹

Een eerste-orde vloeistoffasereactie A → B (k = 0,3 min⁻¹) verloopt in een propstroomreactor (PFR) van 150 L. De voeding komt binnen met 10 L/min en CA0 = 2 mol/L. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind de uitlaatconcentratie CA.

V = 150 LQ = 10 L/mink = 0,3 min⁻¹CA0 = 2 mol/L
CA = mol/L
4.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Moeilijk
Q = 40 L/minX = ?V = 100 L

Een eerste-orde vloeistoffasereactie (k = 0,2 min⁻¹) verloopt in een propstroomreactor (PFR) van 100 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 = 100 LQ = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
5.Chemisch evenwichtGemiddeld
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

0,1 mol/L H₂ en 0,1 mol/L I₂ worden in een vat gebracht en reageren: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, met Kc = 64. Bereken de evenwichtsconcentratie [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
6.Chemisch evenwichtMoeilijk
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ ontleedt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, met Kc = 0,2 bij de reactietemperatuur. Een vat bevat aan het begin alleen 0,25 mol/L PCl₅. Bereken de evenwichtsconcentratie [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
7.MassabalansGemiddeld
MengerStroom 1250 kg/h · 40% zoutStroom 2ṁ₂ = ? · 10% zoutProduct30% zout

Hoeveel van stroom 2 moet er per uur aan stroom 1 worden toegevoegd zodat het mengsel 30% zout bevat? Vind ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.MassabalansMoeilijk
VerdamperVoeding F500 kg/h · 9% zoutProduct PP = ? · 45%Damp W (zuiver water)0% zout

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

F = 500 kg/hxF = 9 %xP = 45 %
P = kg/h

3Oplossingen

1.Reactiekinetiek

Antwoord: t½ = 100 min

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).

Halveringstijd bij tweede orde

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0,02·0,5) = 100 min

Antwoord

t½ = 100 min

Elke volgende halveringstijd is twee keer zo lang, omdat C₀ gehalveerd is.

2.Reactiekinetiek

Antwoord: Ea = 90,15 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 = 303,1 K, T2 = 318,1 K

Los Arrhenius op naar Ea

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,686/(-1,555e-4) = 90151 J/mol
Ea = 90,15 kJ/mol

Antwoord

Ea = 90,15 kJ/mol
3.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: CA = 0,02222 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 = 150/10 = 15 min

Uitlaatconcentratie

CA = 2·e−0,3·15 = 0,02222 mol/L

Antwoord

CA = 0,02222 mol/L

Conversie: X = 98,89%.

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 = 100/40 = 2,5 min, kτ = 0,2·2,5 = 0,5

Conversie

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,5 = 39,35%

Antwoord

X = 39,35%
5.Chemisch evenwicht

Antwoord: [HI] = 0,16 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

64 = (2x)²/(0,1 − x)²

Neem de wortel

8 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·8/(2 + 8) = 0,08 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[HI] = 2x = 0,16 mol/L

Antwoord

[HI] = 0,16 mol/L
6.Chemisch evenwicht

Antwoord: [PCl5] = 0,1051 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/(0,25 − x) → x² + 0,2·x − 0,05 = 0

Los de vierkantsvergelijking op

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,05))/2 = 0,1449 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[PCl₅] = 0,25 − 0,1449 = 0,1051 mol/L

Antwoord

[PCl5] = 0,1051 mol/L
7.Massabalans

Antwoord: ṁ2 = 125 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) = 250·(40 − 30)/(30 − 10) = 125 kg/h

Antwoord

ṁ2 = 125 kg/h
8.Massabalans

Antwoord: P = 100 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 = 500·9/45 = 100 kg/h

Antwoord

P = 100 kg/h

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