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 = 0,25 L/(mol·min) en een beginconcentratie van 1 mol/L. Vind de eerste halveringstijd t½.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 1 mol/L
t½ = min
2.ReactiekinetiekMoeilijk
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))proef 10,10,012proef 20,40,096n = ?

Twee experimenten meten de beginsnelheid van A → producten. Met CA0 = 0,1 mol/L is de snelheid 0,012 mol/(L·s); met CA0 = 0,4 mol/L is die 0,096 mol/(L·s). Vind de reactieorde n ten opzichte van A.

CA0,1 = 0,1 mol/Lr1 = 0,012 mol/(L·s)CA0,2 = 0,4 mol/Lr2 = 0,096 mol/(L·s)
n =
3.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Gemiddeld
Q = 25 L/minX = 50%V = ?, k = 0,4 min⁻¹

Een eerste-orde vloeistoffasereactie A → B met k = 0,4 min⁻¹ wordt uitgevoerd in een propstroomreactor (PFR) met een voeding van 25 L/min. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind het reactorvolume V in liter voor 50% conversie van A.

Q = 25 L/mink = 0,4 min⁻¹X = 50%
V = L
4.Reactordimensionering (CSTR en PFR)Moeilijk
V = 1500 LQ = 5 L/minX = ?

Een eerste-orde vloeistoffasereactie (k = 0,15 min⁻¹) verloopt in een CSTR van 1500 L met een voeding van 5 L/min. De dichtheid is constant en de reactor is in stationaire toestand. Vind de conversie X in procent.

V = 1500 LQ = 5 L/mink = 0,15 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 = 64. Bereken de evenwichtsconcentratie [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
6.Chemisch evenwichtMoeilijk
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ ontleedt: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, met Kc = 0,05 bij de reactietemperatuur. Een vat bevat aan het begin alleen 0,8 mol/L PCl₅. Bereken de evenwichtsconcentratie [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
7.MassabalansGemiddeld
MengerStroom 1950 kg/h · 30% suikerStroom 2ṁ₂ = ? · 5% suikerProduct25% suiker

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

ṁ1 = 950 kg/hx1 = 30 %x2 = 5 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.MassabalansMoeilijk
VerdamperVoeding F4200 kg/h · 8% suikerProduct P40% suikerDamp W (zuiver water)W = ? kg/h

Een verdamper concentreert een suikeroplossing door zuiver water te verdampen. Vind het verdampte water W in kg/h.

F = 4200 kg/hxF = 8 %xP = 40 %
W = kg/h

3Oplossingen

1.Reactiekinetiek

Antwoord: t½ = 4 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/(0,25·1) = 4 min

Antwoord

t½ = 4 min

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

2.Reactiekinetiek

Antwoord: n = 1,5

Beginsnelheidsmethode: voor r = k·Cⁿ valt k weg als je twee proeven vergelijkt die alleen in de beginconcentratie verschillen: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Een verdubbeling van C verdubbelt de snelheid bij eerste orde en verviervoudigt haar bij tweede orde.

Verhoudingen

r2/r1 = 0,096/0,012 = 8
C2/C1 = 0,4/0,1 = 4

Orde

n = ln(8)/ln(4) = 1,5

Antwoord

n = 1,5
3.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: V = 43,32 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 − 0,5))/0,4 = 0,6931/0,4 = 1,733 min

Volume

V = Q·τ = 25·1,733 = 43,32 L

Antwoord

V = 43,32 L
4.Reactordimensionering (CSTR en PFR)

Antwoord: X = 97,83 %

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 = 1500/5 = 300 min, kτ = 0,15·300 = 45

Conversie

X = kτ/(1 + kτ) = 45/(1 + 45) = 97,83%

Antwoord

X = 97,83%
5.Chemisch evenwicht

Antwoord: [H2] = 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/(0,8 − x)²

Neem de wortel

8 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·8/(2 + 8) = 0,64 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[H₂] = 0,8 − x = 0,16 mol/L

Antwoord

[H2] = 0,16 mol/L
6.Chemisch evenwicht

Antwoord: [PCl5] = 0,6234 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

0,05 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,05·x − 0,04 = 0

Los de vierkantsvergelijking op

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,04))/2 = 0,1766 mol/L

Evenwichtsconcentratie

[PCl₅] = 0,8 − 0,1766 = 0,6234 mol/L

Antwoord

[PCl5] = 0,6234 mol/L
7.Massabalans

Antwoord: ṁ2 = 237,5 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) = 950·(30 − 25)/(25 − 5) = 237,5 kg/h

Antwoord

ṁ2 = 237,5 kg/h
8.Massabalans

Antwoord: W = 3360 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 = 4200·8/40 = 840 kg/h

Totaalbalans

W = F − P = 4200 − 840 = 3360 kg/h

Antwoord

W = 3360 kg/h

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