Химические реакторы: тренировочные задачи и экзаменационные вопросы

Скорости реакций и кинетические уравнения, расчёт реакторов идеального смешения и идеального вытеснения, степень превращения и равновесные ограничения.

Занимайтесь по этому курсу бесплатноЗаниматься по этому курсуПройти пробный экзаменБесплатных задач каждый день: 5. Без карты.

Шпаргалка-пакет (PDF)Листы формул, шаги методов и тренировочные задачи с полными решениями, готовые к печати.

Темы этого курса

  1. Химическая кинетикапервый порядок · превращение и второй порядок · Аррениусрасчёты
  2. Расчёт реакторов (CSTR и PFR)CSTR, первый порядок · PFR, первый порядок · степень превращения по объёмурасчёты
  3. Химическое равновесиеKc по концентрациям · Таблица ICE · таблица ICE с квадратным уравнениемрасчёты
  4. Материальный баланссмешение двух потоков · смешение до заданного состава · выпарной аппаратрасчёты

Советы к экзамену: Химические реакторы

  • Запишите характеристическое уравнение для данного типа реактора, прежде чем подставлять кинетическое уравнение.
  • Для реакций положительного порядка при одинаковой степени превращения реактору вытеснения нужен меньший объём, чем реактору смешения.
  • Проверьте, что желаемая степень превращения ниже равновесной.

Разобранные примеры

Химическая кинетикаЛёгкая
t (min)C (mol/L)60 minC = ?

Реакция нулевого порядка A → продукты имеет константу скорости 0,01 mol/(L·min). Начальная концентрация A — 0,8 mol/L. Найдите концентрацию CA через 60 min.

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

Найти: CA (mol/L)

Показать подсказки
  1. Нулевой порядок: скорость −dC/dt = k не зависит от концентрации.
  2. Интегрирование даёт C = C₀ − kt (пока A не израсходуется).
  3. kt = 0,6 mol/L.
Показать ответ и пошаговое решение

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).

Интегральное уравнение нулевого порядка

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

Ответ

CA = 0,2 mol/L
Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя
Q = 20 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,25 min⁻¹

Жидкофазная реакция первого порядка A → B (k = 0,25 min⁻¹) проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) объёмом 200 L. Сырьё подаётся с расходом 20 L/min при CA0 = 2,5 mol/L. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите выходную концентрацию CA.

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

Найти: CA (mol/L)

Показать подсказки
  1. Время пребывания: τ = V/Q = 10 min.
  2. PFR, первый порядок: CA = CA0·e^(−kτ).
  3. kτ = 2,5.
Показать ответ и пошаговое решение

Идеальные реакторы, реакция первого порядка (−rA = k·CA) в стационарном режиме, время пребывания τ = V/Q. Реактор идеального смешения (CSTR) перемешан полностью, поэтому весь объём реагирует при низкой выходной концентрации: τ = X/(k·(1 − X)) и CA = CA0/(1 + k·τ). В реакторе идеального вытеснения (PFR) каждый элемент жидкости реагирует как маленький реактор периодического действия: τ = ln(1/(1 − X))/k и CA = CA0·e−k·τ. При одинаковой степени превращения CSTR всегда требует большего объёма, чем PFR.

Время пребывания

τ = V/Q = 200/20 = 10 min

Выходная концентрация

CA = 2,5·e−0,25·10 = 0,2052 mol/L

Ответ

CA = 0,2052 mol/L

Степень превращения: X = 91,79%.

Как проходят занятия

  • «Заниматься по этому курсу» смешивает задачи из всех его тем, как на настоящем экзамене.
  • В каждой задаче новые значения, поэтому вы учите метод, а не ответ.
  • Застряли? Сначала откройте небольшую подсказку, а полное объяснение — только когда оно понадобится.
  • Пробные экзамены ограничены по времени и идут без подсказок, а в конце вы получаете результат и полный разбор.

Калькуляторы для этого курса

Калькулятор объёма реакторов смешения и вытеснения

Похожие курсы

Подготовка к экзамену FE ChemicalОбщая химияМатериальные и энергетические балансы
Занимайтесь по этому курсу бесплатноЗаниматься по этому курсуПройти пробный экзаменБесплатных задач каждый день: 5. Без карты.