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)C (mol/L)40 min0,6

В реакции первого порядка концентрация A уменьшается с 2 mol/L до 0,6 mol/L за 40 min. Найдите константу скорости k.

CA0 = 2 mol/LCA = 0,6 mol/Lt = 40 min
k = min⁻¹
2.Химическая кинетикаСложная
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))опыт 10,10,02опыт 20,20,0566n = ?

В двух опытах измерена начальная скорость реакции A → продукты. При CA0 = 0,1 mol/L скорость равна 0,02 mol/(L·s); при CA0 = 0,2 mol/L — 0,0566 mol/(L·s). Найдите порядок реакции n по A.

CA0,1 = 0,1 mol/Lr1 = 0,02 mol/(L·s)CA0,2 = 0,2 mol/Lr2 = 0,0566 mol/(L·s)
n =
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя
Q = 40 L/minX = 70%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 70%.

Q = 40 L/mink = 0,25 min⁻¹X = 70%
V = L
4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная
V = 800 LQ = 10 L/minX = ?

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,1 min⁻¹) проводится в CSTR объёмом 800 L с подачей 10 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите степень превращения X в процентах.

V = 800 LQ = 10 L/mink = 0,1 min⁻¹
X = %
5.Химическое равновесиеСредняя
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

В сосуд помещают 0,4 mol/L H₂ и 0,4 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 64. Найдите равновесную концентрацию [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
6.Химическое равновесиеСложная
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,08 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,4 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
7.Материальный балансСредняя
СмесительПоток 1650 kg/h · 15% сольПоток 2ṁ₂ = ? · 35% сольПродукт30% соль

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

ṁ1 = 650 kg/hx1 = 15 %x2 = 35 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F3700 kg/h · 11% NaOHПродукт P35% NaOHПар W (чистая вода)W = ? kg/h

Выпарной аппарат концентрирует раствор (NaOH), выпаривая чистую воду. Найдите количество выпаренной воды W в kg/h.

F = 3700 kg/hxF = 11 %xP = 35 %
W = kg/h

3Растворы

1.Химическая кинетика

Ответ: k = 0,0301 min⁻¹

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 первого порядка

k = ln(CA0/CA)/t = ln(2/0,6)/40 = 1,204/40 = 0,0301 min⁻¹

Ответ

k = 0,0301 min⁻¹
2.Химическая кинетика

Ответ: n = 1,501

Метод начальных скоростей: для r = k·Cⁿ сравнение двух опытов, различающихся только начальной концентрацией, исключает k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Удвоение C удваивает скорость при первом порядке и учетверяет её при втором.

Отношения

r2/r1 = 0,0566/0,02 = 2,83
C2/C1 = 0,2/0,1 = 2

Порядок

n = ln(2,83)/ln(2) = 1,501

Ответ

n = 1,501
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: V = 192,6 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 − 0,7))/0,25 = 1,204/0,25 = 4,816 min

Объём

V = Q·τ = 40·4,816 = 192,6 L

Ответ

V = 192,6 L
4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 88,89 %

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 = 800/10 = 80 min, kτ = 0,1·80 = 8

Степень превращения

X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88,89%

Ответ

X = 88,89%
5.Химическое равновесие

Ответ: [H2] = 0,08 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

64 = (2x)²/(0,4 − x)²

Извлеките квадратный корень

8 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·8/(2 + 8) = 0,32 mol/L

Равновесная концентрация

[H₂] = 0,4 − x = 0,08 mol/L

Ответ

[H2] = 0,08 mol/L
6.Химическое равновесие

Ответ: [PCl5] = 0,2567 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

0,08 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,08·x − 0,032 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,032))/2 = 0,1433 mol/L

Равновесная концентрация

[PCl₅] = 0,4 − 0,1433 = 0,2567 mol/L

Ответ

[PCl5] = 0,2567 mol/L
7.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 1950 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
соль: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Выразите ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 650·(15 − 30)/(30 − 35) = 1950 kg/h

Ответ

ṁ2 = 1950 kg/h
8.Материальный баланс

Ответ: W = 2537 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 = 3700·11/35 = 1163 kg/h

Общий баланс

W = F − P = 3700 − 1163 = 2537 kg/h

Ответ

W = 2537 kg/h

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