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)20 minC = ?

Реакция с кинетическим уравнением −rA = k·CA² имеет k = 0,4 L/(mol·min) и начинается с 1,5 mol/L. Найдите концентрацию CA через 20 min.

k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
2.Химическая кинетикаСложная
Tk50 °Ck1​?4·k1​

Энергия активации реакции равна 40 kJ/mol. При 50 °C она идёт слишком медленно. До какой температуры T2 (в °C) её нужно нагреть, чтобы она шла в 4 раз(а) быстрее?

Ea = 40 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя
Q = 10 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 150 L, k = 0,2 min⁻¹

Жидкофазная реакция первого порядка A → B (k = 0,2 min⁻¹) проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) объёмом 150 L. Сырьё подаётся с расходом 10 L/min при CA0 = 1,5 mol/L. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите выходную концентрацию CA.

V = 150 LQ = 10 L/mink = 0,2 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная
V = 500 LV = 500 LQ = 40 L/minX = ?

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,2 min⁻¹) проводится в двух одинаковых последовательных CSTR объёмом 500 L каждый. Расход сырья 40 L/min, плотность постоянна, режим стационарный. Найдите общую степень превращения X в процентах.

V = 500 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
5.Химическое равновесиеСредняя
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

В сосуд помещают 0,25 mol/L H₂ и 0,25 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 64. Найдите равновесную концентрацию [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
6.Химическое равновесиеСложная
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,08 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 1,5 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
7.Материальный балансСредняя
СмесительПоток 11000 kg/h · 50% NaOHПоток 2ṁ₂ = ? · 15% NaOHПродукт25% NaOH

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 25% компонента (NaOH)? Найдите ṁ2.

ṁ1 = 1000 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F2900 kg/h · 11% сахарПродукт PP = ? · 45%Пар W (чистая вода)0% сахар

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

F = 2900 kg/hxF = 11 %xP = 45 %
P = kg/h

3Растворы

1.Химическая кинетика

Ответ: CA = 0,1154 mol/L

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).

Интегральное уравнение второго порядка

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 0,4·20 = 8,667 L/mol
CA = 1/8,667 = 0,1154 mol/L

Ответ

CA = 0,1154 mol/L
2.Химическая кинетика

Ответ: T2 = 83,18 °C

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

Абсолютная температура

T1 = 323,1 K

Выражаем T₂ из уравнения Аррениуса

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(4)/40000 = 3,095 × 10⁻³ − 2,881 × 10⁻⁴ = 2,806 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 356,3 K = 83,18 °C

Ответ

T2 = 83,18 °C
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: CA = 0,07468 mol/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 = V/Q = 150/10 = 15 min

Выходная концентрация

CA = 1,5·e−0,2·15 = 0,07468 mol/L

Ответ

CA = 0,07468 mol/L

Степень превращения: X = 95,02%.

4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 91,84 %

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 = 500/40 = 12,5 min, kτ = 0,2·12,5 = 2,5

Степень превращения

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2,5) = 0,2857
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,08163
X = 1 − 0,08163 = 91,84%

Ответ

X = 91,84%
5.Химическое равновесие

Ответ: [H2] = 0,05 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/(0,25 − x)²

Извлеките квадратный корень

8 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·8/(2 + 8) = 0,2 mol/L

Равновесная концентрация

[H₂] = 0,25 − x = 0,05 mol/L

Ответ

[H2] = 0,05 mol/L
6.Химическое равновесие

Ответ: [Cl2] = 0,3087 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/(1,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,12 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,12))/2 = 0,3087 mol/L

Равновесная концентрация

[Cl₂] = x = 0,3087 mol/L

Ответ

[Cl2] = 0,3087 mol/L
7.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 2500 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Выразите ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 1000·(50 − 25)/(25 − 15) = 2500 kg/h

Ответ

ṁ2 = 2500 kg/h
8.Материальный баланс

Ответ: P = 708,9 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 = 2900·11/45 = 708,9 kg/h

Ответ

P = 708,9 kg/h

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