Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR): zadania z rozwiązaniami krok po kroku

Darmowe zadania z tematu Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR) z rysunkami, podpowiedziami i pełnymi rozwiązaniami. Za każdym razem nowe wartości, na trzech poziomach: CSTR, pierwszy rząd, PFR, pierwszy rząd, stopień przemiany z objętości.

Darmowe zadanieŁatwy
V = ?, k = 0,08 min⁻¹Q = 80 L/minX = 50%

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej A → B z k = 0,08 min⁻¹ jest prowadzona w zbiornikowym reaktorze przepływowym z idealnym mieszaniem (CSTR) zasilanym z natężeniem 80 L/min. Gęstość jest stała, a reaktor pracuje w stanie ustalonym. Wyznacz objętość reaktora V w litrach dla stopnia przemiany A równego 50%.

Q = 80 L/mink = 0,08 min⁻¹X = 50%
L
Następne zadanie →

Co ćwiczysz

  1. ŁatwyCSTR, pierwszy rząd
  2. ŚredniPFR, pierwszy rząd
  3. Trudnystopień przemiany z objętości

Najważniejsze wzory

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

Naucz się tematu Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR) od zera

Wcześniej: Kinetyka reakcji

1Czym jest dobór wielkości reaktora

W przemyśle reakcje zwykle przebiegają w reaktorach ciągłych: surowiec stale wpływa, a produkt stale wypływa. Pytanie brzmi, jak duży musi być reaktor, aby przekształcić wystarczającą część surowca.

Dwa idealne reaktory obejmują większość zadań egzaminacyjnych:

  • CSTR (reaktor zbiornikowy z mieszaniem ciągłym): zbiornik z mieszadłem. Jest idealnie wymieszany, więc w całym zbiorniku stężenie jest takie jak na wylocie.
  • PFR (reaktor rurowy z przepływem tłokowym): długa rura. Każda warstwa płynu przesuwa się bez mieszania z warstwami przed i za nią, jak szereg maleńkich reaktorów okresowych.
QCA0CAV
QCA0CAV

Tutaj reakcja jest pierwszego rzędu, −rA = k·CA, gęstość jest stała, a reaktor pracuje w stanie ustalonym.

2Czas przebywania i stopień przereagowania

Czas przebywania (czas przestrzenny) τ to objętość reaktora podzielona przez objętościowe natężenie zasilania. To średni czas, jaki płyn przebywa wewnątrz:

τ = V / Q

Reaktor 200 L zasilany 25 L/min ma τ = 200/25 = 8 min.

Stopień przereagowania X to ułamek A, który przereagował: CA = CA0·(1 − X). Stopień przereagowania 75% oznacza, że zostaje ćwierć A.

Dla reakcji pierwszego rzędu wszystko zależy od jednej liczby, iloczynu k·τ. Większy reaktor, wolniejsze zasilanie lub szybsza reakcja podnoszą kτ, a więc stopień przereagowania.

Samosprawdzenie Reaktor 200 L jest zasilany 25 L/min. Ile wynosi czas przebywania τ?
  1. 0,125 min
  2. 225 min
  3. 5000 min
  4. 8 min

Odpowiedź: 8 min. τ = V/Q = 200 L / 25 L/min = 8 min. Mnożenie (5000) albo odwrócenie ilorazu (0,125) daje złe jednostki: wynik musi być czasem.

3Równania projektowe

CSTR reaguje wszędzie przy niskim stężeniu wylotowym. Bilans moli A daje:

CSTR: τ = X / (k·(1 − X)), CA = CA0 / (1 + kτ), X = kτ / (1 + kτ)

W PFR każda warstwa zachowuje się jak reaktor okresowy, więc obowiązuje wykładniczy zanik pierwszego rzędu z kinetyki z t = τ:

PFR: τ = ln(1/(1 − X)) / k, CA = CA0·e−kτ, X = 1 − e−kτ

Wtedy objętość to V = Q·τ.

Dla tego samego stopnia przereagowania CSTR zawsze potrzebuje większej objętości niż PFR, ponieważ reaguje przy najniższym stężeniu. Różnica szybko rośnie przy wysokim stopniu przereagowania.

Kilka jednakowych reaktorów CSTR połączonych szeregowo zachowuje się coraz bardziej jak PFR. Każdy zbiornik dzieli stężenie przez (1 + kτi), więc po N zbiornikach X = 1 − 1/(1 + kτi)N.

Samosprawdzenie Dla tego samego zasilania, stałej szybkości i stopnia przereagowania, który idealny reaktor potrzebuje większej objętości?
  1. CSTR
  2. Oba potrzebują tej samej objętości
  3. PFR
  4. To zależy od stężenia w zasilaniu

Odpowiedź: CSTR. CSTR pracuje całkowicie przy niskim stężeniu wylotowym, więc szybkość jest wszędzie niska. W PFR większość płynu napotyka wyższe stężenia i reaguje szybciej.

4Metoda krok po kroku

  1. Zdecyduj, jaki to reaktor: zbiornik z mieszaniem (CSTR) czy rura (PFR). Dla zbiorników szeregowych rozpatruj jeden zbiornik naraz.
  2. Zapisz stopień przereagowania jako ułamek dziesiętny: 85% to X = 0,85.
  3. Znajdź τ: z V/Q, jeśli podano objętość, albo z równania projektowego, jeśli podano stopień przereagowania.
  4. Użyj odpowiedniego równania projektowego dla niewiadomej: τ, V = Q·τ, CA lub X.
  5. Sprawdź: wynik dla CSTR wymaga większej objętości (lub daje mniejszy stopień przereagowania) niż PFR o tej samej wielkości.

5Przykład krok po kroku

Przejdź przez każdy krok. Spróbuj przewidzieć następny, zanim go odsłonisz.

Przykład krok po kroku

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej A → B z k = 0,15 min⁻¹ przebiega w CSTR zasilanym 25 L/min. Gęstość jest stała, a reaktor pracuje w stanie ustalonym. Znajdź objętość reaktora V dla 75% przereagowania A.

1

Narysuj reaktor

Q = 25 L/minCA0X = 0,75V = ?

To CSTR, więc cały zbiornik pracuje przy stężeniu wylotowym CA0·(1 − X).

2

Czas przestrzenny

τ = X / (k·(1 − X)) = 0,75 / (0,15 · 0,25) = 20 min
3

Objętość

V = Q · τ = 25 · 20 = 500 L
4

Sprawdź wynik

Podstaw z powrotem: kτ = 0,15 · 20 = 3, więc X = 3/(1 + 3) = 0,75. Zgadza się.

PFR potrzebowałby τ = ln 4/0,15 = 9,24 min, czyli V = 231 L. CSTR jest około 2,2 razy większy, zgodnie z oczekiwaniem.

Odpowiedź

V = 500 L (czas przebywania 20 min).

6Typowe błędy

  • Użycie równania PFR dla CSTR albo odwrotnie.
  • Użycie objętości V w równaniach zamiast czasu przebywania τ = V/Q.
  • Pominięcie (1 − X) w równaniu CSTR.
  • Użycie log₁₀ w równaniu PFR. Trzeba użyć logarytmu naturalnego ln.
  • Podanie τ w minutach, gdy pytano o objętość w litrach: pomnóż przez Q.
  • Traktowanie zbiorników szeregowych jako jednego zbiornika o łącznej objętości.
Samosprawdzenie CSTR o pojemności 250 L jest zasilany 25 L/min, przy k = 0,15 min⁻¹ (pierwszy rząd). Jaki stopień przereagowania osiąga?
  1. 150%
  2. 60%
  3. 77,7%
  4. 97,4%

Odpowiedź: 60%. τ = 10 min, więc kτ = 1,5, a X = 1,5/2,5 = 60%. Wynik 77,7% to rezultat dla PFR, 1 − e⁻¹·⁵, a 97,4% powstaje przy użyciu V = 250 zamiast τ.

7Jak wyglądają zadania egzaminacyjne

  • Łatwe: CSTR z kinetyką pierwszego rzędu. Znajdź τ, objętość lub stężenie na wylocie.
  • Średnie: to samo dla PFR albo stosunek VCSTR/VPFR dla danego stopnia przereagowania.
  • Trudne: stopień przereagowania z danej objętości: jeden CSTR, jeden PFR albo dwa jednakowe CSTR połączone szeregowo.

Przykład szeregowy: dwa CSTR po 400 L zasilane 10 L/min, k = 0,05 min⁻¹. Każdy zbiornik ma kτ = 0,05 · 40 = 2, więc C/CA0 = 1/3² = 1/9, a X = 88,9%. Jeden zbiornik 800 L dałby tylko 80%.

Ucz się krok po kroku w aplikacjiUcz się krok po kroku w aplikacji

Przykłady z rozwiązaniami

Przykład 1Łatwy
V = 800 L, k = 0,4 min⁻¹Q = 20 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej A → B (k = 0,4 min⁻¹) zachodzi w zbiornikowym reaktorze przepływowym z idealnym mieszaniem (CSTR) o objętości 800 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 = 800 LQ = 20 L/mink = 0,4 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L

Oblicz CA (mol/L)

Pokaż podpowiedzi
  1. Czas przestrzenny: τ = V/Q = 40 min.
  2. CSTR, pierwszy rząd: CA = CA0/(1 + kτ).
  3. kτ = 16.
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 = 800/20 = 40 min

Stężenie wylotowe

CA = 2,5/(1 + 0,4·40) = 0,1471 mol/L

Odpowiedź

CA = 0,1471 mol/L

Stopień przemiany: X = 94,12%.

Przykład 2Średni
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%.

Przykład 3Trudny
Q = 25 L/minX = ?V = 50 L

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej (k = 0,5 min⁻¹) zachodzi w reaktorze rurowym z przepływem tłokowym (PFR) o objętości 50 L zasilanym z natężeniem 25 L/min. Gęstość jest stała, a reaktor pracuje w stanie ustalonym. Wyznacz stopień przemiany X w procentach.

V = 50 LQ = 25 L/mink = 0,5 min⁻¹

Oblicz X (%)

Pokaż podpowiedzi
  1. Czas przestrzenny na reaktor: τ = V/Q = 2 min, więc kτ = 1.
  2. PFR: X = 1 − e^(−kτ).
  3. Podaj X w procentach.
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 = 50/25 = 2 min, kτ = 0,5·2 = 1

Stopień przemiany

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1 = 63,21%

Odpowiedź

X = 63,21%

Pytania i odpowiedzi

Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR): co to jest?

W przemyśle reakcje zwykle przebiegają w reaktorach ciągłych: surowiec stale wpływa, a produkt stale wypływa. Pytanie brzmi, jak duży musi być reaktor, aby przekształcić wystarczającą część surowca.

Dwa idealne reaktory obejmują większość zadań egzaminacyjnych:

Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR): jak rozwiązywać zadania 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.

Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR): jakie błędy są najczęstsze?
  • CA0·e−kτ to wynik dla PFR (lub reaktora okresowego). CSTR reaguje przy stężeniu wylotowym: CA = CA0/(1 + kτ).
  • W wyrażeniu na szybkość użyj czasu przestrzennego τ = V/Q, a nie objętości.
  • CA0/(1 + kτ) to wynik dla CSTR. W PFR stężenie maleje wykładniczo: CA = CA0·e−kτ.
Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR): co ćwiczysz?
  • Łatwy: CSTR, pierwszy rząd
  • Średni: PFR, pierwszy rząd
  • Trudny: stopień przemiany z objętości

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.

Jak wygląda ćwiczenie

  • 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.
  • Twoje postępy, błędy i zapisane zadania są zachowywane, więc możesz je powtórzyć przed egzaminem.

Tematy przed tym i po nim

Najpierw naucz się

Kalkulatory

Przedmioty z tym tematem

Więcej tematów: Inżynieria chemiczna

Karta pracy do druku