Химические реакторы: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (8) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Химическая кинетика

Первый порядок
ln(CA/CA0) = −kt
Период полупревращения (первый порядок)
t½ = ln 2/k
Второй порядок
1/CA = 1/CA0 + kt
Аррениус
k = A·e−Ea/(RT)
Две температуры
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Время пребывания
τ = V/Q
Реактор идеального смешения, первый порядок
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
Реактор идеального вытеснения, первый порядок
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Степень превращения по объёму
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N одинаковых реакторов смешения последовательно
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Химическое равновесие

Константа равновесия
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Таблица ICE
Исходное (Initial), изменение (Change, ×коэффициент), равновесие (Equilibrium)
Квадратное уравнение
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Метод

  1. Запишите Kc как произведение концентраций продуктов, делённое на произведение концентраций реагентов, каждая в степени своего коэффициента.
  2. Составьте таблицу ICE: исходное, изменение (с шагом x, умноженным на коэффициенты), равновесие.
  3. Подставьте равновесные выражения в Kc и найдите x.
  4. Проверьте, достаточно ли мало x для приближения; иначе решите квадратное уравнение.

Материальный баланс

Установившийся режим
вход = выход
Общий баланс
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Баланс компонента
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Выпарной аппарат
F·xF = P·xP, W = F − P

2Тренировочные задачи

1.Химическая кинетикаСредняя
t (min)X (%)t = ?80%

Реакция первого порядка в периодическом реакторе имеет k = 0,1 min⁻¹. Сколько времени нужно, чтобы степень превращения достигла 80%? Найдите t.

k = 0,1 min⁻¹X = 80 %
t = min
2.Химическая кинетикаСложная
Tk30 °C0,0270 °C?

Реакция имеет константу скорости 0,02 min⁻¹ при 30 °C и энергию активации 50 kJ/mol. Найдите константу скорости k2 при 70 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 70 °CEa = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя
Q = 40 L/minX = 95%V = ?, k = 0,25 min⁻¹

Жидкофазная реакция первого порядка A → B с k = 0,25 min⁻¹ проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) с подачей 40 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите объём реактора V в литрах для степени превращения A 95%.

Q = 40 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 95%
V = L
4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная
V = 2000 LV = 2000 LQ = 40 L/minX = ?

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,08 min⁻¹) проводится в двух одинаковых последовательных CSTR объёмом 2000 L каждый. Расход сырья 40 L/min, плотность постоянна, режим стационарный. Найдите общую степень превращения X в процентах.

V = 2000 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
5.Химическое равновесиеСредняя
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

В сосуд помещают 1 mol/L H₂ и 1 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 16. Найдите равновесную концентрацию [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 16
[HI] = mol/L
6.Химическое равновесиеСложная
PCl5​PCl3​Cl2​I0,2500C−x+x+xE0,25 − xxx

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,2 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,25 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LKc = 0,2
[Cl2] = mol/L
7.Материальный балансСредняя
СмесительПоток 1400 kg/h · 20% сахарПоток 2ṁ₂ = ? · 35% сахарПродукт30% сахар

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 30% компонента (сахар)? Найдите ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 20 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F1900 kg/h · 9% сахарПродукт PP = ? · 35%Пар W (чистая вода)0% сахар

Выпарной аппарат концентрирует раствор (сахар), выпаривая чистую воду. Найдите расход продукта P в kg/h.

F = 1900 kg/hxF = 9 %xP = 35 %
P = kg/h

3Растворы

1.Химическая кинетика

Ответ: t = 16,09 min

Скорость реакции: для реакции первого порядка −dC/dt = kC, поэтому C = C₀·e−kt, а период полупревращения ln 2/k не зависит от концентрации. Для реакции второго порядка 1/C = 1/C₀ + kt. Константа скорости растёт с температурой по Аррениусу: k = A·e−Ea/(RT).

Степень превращения и концентрация

C/C0 = 1 − X = 0,2

Выразите время

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,2)/0,1 = 16,09 min

Ответ

t = 16,09 min
2.Химическая кинетика

Ответ: k2 = 0,202 min⁻¹

Скорость реакции: для реакции первого порядка −dC/dt = kC, поэтому C = C₀·e−kt, а период полупревращения ln 2/k не зависит от концентрации. Для реакции второго порядка 1/C = 1/C₀ + kt. Константа скорости растёт с температурой по Аррениусу: k = A·e−Ea/(RT).

Абсолютные температуры

T1 = 303,1 K, T2 = 343,1 K

Отношение Аррениуса

ln(k2/k1) = −(50000/8,314)·(1/343,1 − 1/303,1) = 2,312
k2 = 0,02·e2,312 = 0,202 min⁻¹

Ответ

k2 = 0,202 min⁻¹
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: V = 479,3 L

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 = ln(1/(1 − 0,95))/0,25 = 2,996/0,25 = 11,98 min

Объём

V = Q·τ = 40·11,98 = 479,3 L

Ответ

V = 479,3 L
4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 96 %

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 = 2000/40 = 50 min, kτ = 0,08·50 = 4

Степень превращения

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 4) = 0,2
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,04
X = 1 − 0,04 = 96%

Ответ

X = 96%
5.Химическое равновесие

Ответ: [HI] = 1,333 mol/L

Химическое равновесие: для реакции aA + bB ⇌ cC + dD константа равновесия Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), где берутся равновесные концентрации. Таблица ICE (исходное, изменение, равновесие) связывает начальные количества с равновесными через одно неизвестное x, умноженное на коэффициенты.

Выражение константы равновесия

16 = (2x)²/(1 − x)²

Извлеките квадратный корень

4 = 2x/(1 − x) → x = 1·4/(2 + 4) = 0,6667 mol/L

Равновесная концентрация

[HI] = 2x = 1,333 mol/L

Ответ

[HI] = 1,333 mol/L
6.Химическое равновесие

Ответ: [Cl2] = 0,1449 mol/L

Химическое равновесие: для реакции aA + bB ⇌ cC + dD константа равновесия Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), где берутся равновесные концентрации. Таблица ICE (исходное, изменение, равновесие) связывает начальные количества с равновесными через одно неизвестное x, умноженное на коэффициенты.

Выражение константы равновесия

0,2 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,2·x − 0,05 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,05))/2 = 0,1449 mol/L

Равновесная концентрация

[Cl₂] = x = 0,1449 mol/L

Ответ

[Cl2] = 0,1449 mol/L
7.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 800 kg/h

Материальный баланс в установившемся режиме: вход = выход для общей массы и для каждого компонента. Задачи на смешение объединяют оба.

Балансы

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

Выразите ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(20 − 30)/(30 − 35) = 800 kg/h

Ответ

ṁ2 = 800 kg/h
8.Материальный баланс

Ответ: P = 488,6 kg/h

Ключевой компонент: компонент, который без изменений проходит только в одном потоке (здесь растворённое вещество), напрямую связывает расходы. Остальное даёт общий баланс.

Баланс растворённого вещества

F·xF = P·xP → P = 1900·9/35 = 488,6 kg/h

Ответ

P = 488,6 kg/h

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