Inżynieria reaktorów chemicznych: zadania i pytania egzaminacyjne

Szybkości reakcji i równania kinetyczne, projektowanie reaktorów zbiornikowych z mieszaniem (CSTR) i rurowych (PFR), stopień przemiany i ograniczenia równowagowe.

Ćwicz ten przedmiot za darmoĆwicz ten przedmiotNapisz egzamin próbny5 darmowych zadań dziennie. Bez karty.

Zestaw na powtórkę (PDF)Wzory, kroki metod i zadania z pełnymi rozwiązaniami, gotowe do wydruku.

Tematy w tym przedmiocie

  1. Kinetyka reakcjipierwszy rząd · przereagowanie i drugi rząd · Arrheniusobliczenia
  2. Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)CSTR, pierwszy rząd · PFR, pierwszy rząd · stopień przemiany z objętościobliczenia
  3. Równowaga chemicznaKc ze stężeń · Tabela ICE · tabela ICE z równaniem kwadratowymobliczenia
  4. Bilans masymieszanie dwóch strumieni · mieszanie do zadanego składu · wyparkaobliczenia

Wskazówki egzaminacyjne: Inżynieria reaktorów chemicznych

  • Napisz równanie projektowe dla danego typu reaktora, zanim podstawisz równanie kinetyczne.
  • Przy tym samym stopniu przemiany reaktor PFR wymaga mniejszej objętości niż CSTR dla reakcji o dodatnim rzędzie.
  • Sprawdź, czy docelowy stopień przemiany jest niższy od równowagowego stopnia przemiany.

Przykłady z rozwiązaniami

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

Reakcja zerowego rzędu A → produkty ma stałą szybkości 0,01 mol/(L·min). Początkowe stężenie A wynosi 0,8 mol/L. Wyznacz stężenie CA po 60 min.

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

Oblicz CA (mol/L)

Pokaż podpowiedzi
  1. Rząd zerowy: szybkość −dC/dt = k nie zależy od stężenia.
  2. Całkowanie daje C = C₀ − kt (ważne, dopóki A się nie wyczerpie).
  3. kt = 0,6 mol/L.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

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).

Scałkowane równanie dla rzędu zerowego

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

Odpowiedź

CA = 0,2 mol/L
Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)Średni
Q = 20 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,25 min⁻¹

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej A → B (k = 0,25 min⁻¹) zachodzi w reaktorze rurowym z przepływem tłokowym (PFR) o objętości 200 L. Zasilanie wpływa z natężeniem 20 L/min przy CA0 = 2,5 mol/L. Gęstość jest stała, a reaktor pracuje w stanie ustalonym. Wyznacz stężenie wylotowe CA.

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

Oblicz CA (mol/L)

Pokaż podpowiedzi
  1. Czas przestrzenny: τ = V/Q = 10 min.
  2. PFR, pierwszy rząd: CA = CA0·e^(−kτ).
  3. kτ = 2,5.
Pokaż odpowiedź i rozwiązanie krok po kroku

Reaktory idealne, reakcja pierwszego rzędu (−rA = k·CA) w stanie ustalonym, z czasem przestrzennym τ = V/Q. CSTR jest idealnie wymieszany, więc cała objętość reaguje przy niskim stężeniu wylotowym: τ = X/(k·(1 − X)) i CA = CA0/(1 + k·τ). W PFR każdy element płynu reaguje jak mały reaktor okresowy: τ = ln(1/(1 − X))/k i CA = CA0·e−k·τ. Przy tym samym stopniu przemiany CSTR zawsze wymaga większej objętości niż PFR.

Czas przestrzenny

τ = V/Q = 200/20 = 10 min

Stężenie wylotowe

CA = 2,5·e−0,25·10 = 0,2052 mol/L

Odpowiedź

CA = 0,2052 mol/L

Stopień przemiany: X = 91,79%.

Jak wygląda ćwiczenie

  • „Ćwicz ten przedmiot” miesza zadania ze wszystkich jego tematów, jak na prawdziwym egzaminie.
  • Każde zadanie ma nowe wartości, więc uczysz się metody, a nie odpowiedzi.
  • Utknąłeś? Najpierw otwórz małą podpowiedź, a pełne wyjaśnienie dopiero wtedy, gdy go potrzebujesz.
  • Egzaminy próbne są mierzone czasem i nie mają podpowiedzi, a na końcu dostajesz wynik i pełne omówienie.

Kalkulatory do tego kursu

Kalkulator objętości CSTR i PFR

Powiązane przedmioty

Przygotowanie do egzaminu FE ChemicalChemia ogólnaBilanse masy i energii
Ćwicz ten przedmiot za darmoĆwicz ten przedmiotNapisz egzamin próbny5 darmowych zadań dziennie. Bez karty.