Inżynieria reaktorów chemicznych: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 8 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadaniaWróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Kinetyka reakcji

Pierwszy rząd
ln(CA/CA0) = −kt
Okres półtrwania (pierwszy rząd)
t½ = ln 2/k
Drugi rząd
1/CA = 1/CA0 + kt
Arrhenius
k = A·e−Ea/(RT)
Dwie temperatury
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)

Czas przestrzenny
τ = V/Q
CSTR, pierwszy rząd
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, pierwszy rząd
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Stopień przemiany z objętości
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N jednakowych CSTR połączonych szeregowo
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Równowaga chemiczna

Stała równowagi
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Tabela ICE
Początek, Zmiana (×współczynnik), Równowaga
Równanie kwadratowe
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metoda

  1. Zapisz Kc jako produkty przez substraty, każdy podniesiony do potęgi równej jego współczynnikowi.
  2. Ułóż tabelę ICE: stan początkowy (I), zmiana (C, w krokach x razy współczynniki), stan równowagi (E).
  3. Podstaw wyrażenia równowagowe do Kc i rozwiąż względem x.
  4. Sprawdź, czy x jest dość małe, aby zastosować przybliżenie; w przeciwnym razie rozwiąż równanie kwadratowe.

Bilans masy

Stan ustalony
na wejściu = na wyjściu
Bilans całkowity
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Bilans składnika
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Wyparka
F·xF = P·xP, W = F − P

2Zadania do ćwiczenia

1.Kinetyka reakcjiŚredni
t (min)C (mol/L)10 minC = ?

Reakcja o równaniu kinetycznym −rA = k·CA² ma k = 0,4 L/(mol·min) i zaczyna od 1,5 mol/L. Wyznacz stężenie CA po 10 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
2.Kinetyka reakcjiTrudny
Tk20 °C0,0230 °C0,0393

Stała szybkości reakcji wynosi 0,02 min⁻¹ w 20 °C i 0,0393 min⁻¹ w 30 °C. Wyznacz energię aktywacji Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,0393 min⁻¹T2 = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)Średni
QX = 70%te same Q, k i X co w CSTR

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej musi osiągnąć 70% przemiany. Ile razy większy musi być CSTR od PFR przy tym samym natężeniu zasilania, stałej szybkości i stopniu przemiany? Wyznacz stosunek VCSTR/VPFR.

X = 70%pierwszy rząd, te same k i Q
VCSTR/VPFR =
4.Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)Trudny
V = 200 LV = 200 LQ = 10 L/minX = ?

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej (k = 0,25 min⁻¹) zachodzi w dwóch jednakowych CSTR połączonych szeregowo, każdy o objętości 200 L. Natężenie zasilania wynosi 10 L/min, gęstość jest stała, a reaktory pracują w stanie ustalonym. Wyznacz całkowity stopień przemiany X w procentach.

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

Do naczynia wprowadzono 0,1 mol/L H₂ i 0,1 mol/L I₂, które reagują: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, przy Kc = 4. Wyznacz stężenie równowagowe [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
6.Równowaga chemicznaTrudny
PCl5​PCl3​Cl2​I0,500C−x+x+xE0,5 − xxx

PCl₅ rozkłada się: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, przy Kc = 0,05 w temperaturze reakcji. Na początku w naczyniu jest tylko PCl₅ o stężeniu 0,5 mol/L. Wyznacz stężenie równowagowe [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
7.Bilans masyŚredni
MieszalnikStrumień 1550 kg/h · 45% cukierStrumień 2ṁ₂ = ? · 20% cukierProdukt35% cukier

Ile strumienia 2 trzeba co godzinę dodać do strumienia 1, aby mieszanina zawierała 35% składnika (cukier)? Wyznacz ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 45 %x2 = 20 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.Bilans masyTrudny
WyparkaSurówka F3600 kg/h · 8% NaOHProdukt PP = ? · 60%Opary W (czysta woda)0% NaOH

Wyparka zatęża roztwór (NaOH), odparowując czystą wodę. Wyznacz strumień produktu P w kg/h.

F = 3600 kg/hxF = 8 %xP = 60 %
P = kg/h

3Roztwory

1.Kinetyka reakcji

Odpowiedź: CA = 0,2143 mol/L

Szybkość reakcji: dla reakcji pierwszego rzędu −dC/dt = kC, więc C = C₀·e−kt, a okres półtrwania ln 2/k nie zależy od stężenia. Dla reakcji drugiego rzędu 1/C = 1/C₀ + kt. Stała szybkości rośnie z temperaturą zgodnie z równaniem Arrheniusa: k = A·e−Ea/(RT).

Scałkowane równanie drugiego rzędu

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 0,4·10 = 4,667 L/mol
CA = 1/4,667 = 0,2143 mol/L

Odpowiedź

CA = 0,2143 mol/L
2.Kinetyka reakcji

Odpowiedź: Ea = 49,91 kJ/mol

Szybkość reakcji: dla reakcji pierwszego rzędu −dC/dt = kC, więc C = C₀·e−kt, a okres półtrwania ln 2/k nie zależy od stężenia. Dla reakcji drugiego rzędu 1/C = 1/C₀ + kt. Stała szybkości rośnie z temperaturą zgodnie z równaniem Arrheniusa: k = A·e−Ea/(RT).

Temperatury bezwzględne

T1 = 293,1 K, T2 = 303,1 K

Wyznacz Ea z równania Arrheniusa

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·0,6755/(-1,125e-4) = 49909 J/mol
Ea = 49,91 kJ/mol

Odpowiedź

Ea = 49,91 kJ/mol
3.Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)

Odpowiedź: VCSTR/VPFR = 1,938

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.

k·τ dla każdego reaktora

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,7/0,3 = 2,333
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(3,333) = 1,204

Stosunek objętości

VCSTR/VPFR = 2,333/1,204 = 1,938

Odpowiedź

VCSTR/VPFR = 1,938

Różnica szybko rośnie przy wysokim stopniu przemiany.

4.Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)

Odpowiedź: X = 97,22 %

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 = 200/10 = 20 min, kτ = 0,25·20 = 5

Stopień przemiany

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

Odpowiedź

X = 97,22%
5.Równowaga chemiczna

Odpowiedź: [HI] = 0,1 mol/L

Równowaga chemiczna: dla aA + bB ⇌ cC + dD stała równowagi wynosi Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), przy stężeniach w stanie równowagi. Tabela ICE (początek, zmiana, równowaga) wiąże ilości początkowe z ilościami w stanie równowagi przez jedną niewiadomą x, pomnożoną przez współczynniki.

Wyrażenie na stałą równowagi

4 = (2x)²/(0,1 − x)²

Wyciągnij pierwiastek

2 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·2/(2 + 2) = 0,05 mol/L

Stężenie równowagowe

[HI] = 2x = 0,1 mol/L

Odpowiedź

[HI] = 0,1 mol/L
6.Równowaga chemiczna

Odpowiedź: [Cl2] = 0,1351 mol/L

Równowaga chemiczna: dla aA + bB ⇌ cC + dD stała równowagi wynosi Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), przy stężeniach w stanie równowagi. Tabela ICE (początek, zmiana, równowaga) wiąże ilości początkowe z ilościami w stanie równowagi przez jedną niewiadomą x, pomnożoną przez współczynniki.

Wyrażenie na stałą równowagi

0,05 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,025 = 0

Rozwiąż równanie kwadratowe

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,025))/2 = 0,1351 mol/L

Stężenie równowagowe

[Cl₂] = x = 0,1351 mol/L

Odpowiedź

[Cl2] = 0,1351 mol/L
7.Bilans masy

Odpowiedź: ṁ2 = 366,7 kg/h

Bilans masy w stanie ustalonym: wlot = wylot dla całości i dla każdego składnika. Zadania z mieszaniem łączą oba.

Bilanse

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

Wyznacz ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(45 − 35)/(35 − 20) = 366,7 kg/h

Odpowiedź

ṁ2 = 366,7 kg/h
8.Bilans masy

Odpowiedź: P = 480 kg/h

Składnik kluczowy: składnik, który przechodzi bez zmian w jednym strumieniu (tu substancja rozpuszczona), wiąże strumienie bezpośrednio. Resztę daje bilans całkowity.

Bilans substancji rozpuszczonej

F·xF = P·xP → P = 3600·8/60 = 480 kg/h

Odpowiedź

P = 480 kg/h

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