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 = ?20%

Реакция нулевого порядка имеет k = 0,02 mol/(L·min) и начинается с 1,5 mol/L. Сколько времени нужно, чтобы степень превращения достигла 20%? Найдите t.

k = 0,02 mol/(L·min)CA0 = 1,5 mol/LX = 20 %
t = min
2.Химическая кинетикаСложная
Tk20 °Ck1​?2·k1​

Энергия активации реакции равна 60 kJ/mol. При 20 °C она идёт слишком медленно. До какой температуры T2 (в °C) её нужно нагреть, чтобы она шла в 2 раз(а) быстрее?

Ea = 60 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 2R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя
Q = 50 L/minX = 80%V = ?, k = 0,2 min⁻¹

Жидкофазная реакция первого порядка A → B с k = 0,2 min⁻¹ проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) с подачей 50 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите объём реактора V в литрах для степени превращения A 80%.

Q = 50 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 80%
V = L
4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная
V = 500 LQ = 80 L/minX = ?

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,5 min⁻¹) проводится в CSTR объёмом 500 L с подачей 80 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите степень превращения X в процентах.

V = 500 LQ = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹
X = %
5.Химическое равновесиеСредняя
H2​I2​HII0,20,20C−x−x+2xE0,2 − x0,2 − x2x

В сосуд помещают 0,2 mol/L H₂ и 0,2 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 36. Найдите равновесную концентрацию [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
6.Химическое равновесиеСложная
PCl5​PCl3​Cl2​I0,800C−x+x+xE0,8 − xxx

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,04 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,8 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
7.Материальный балансСредняя
СмесительПоток 1450 kg/h · 40% NaOHПоток 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHПродукт25% NaOH

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

ṁ1 = 450 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F3600 kg/h · 9% сахарПродукт P30% сахарПар W (чистая вода)W = ? kg/h

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

F = 3600 kg/hxF = 9 %xP = 30 %
W = kg/h

3Растворы

1.Химическая кинетика

Ответ: t = 15 min

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).

Прореагировавшее количество

CA0·X = 1,5·0,2 = 0,3 mol/L

Время

t = CA0·X/k = 0,3/0,02 = 15 min

Ответ

t = 15 min
2.Химическая кинетика

Ответ: T2 = 28,49 °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 = 293,1 K

Выражаем T₂ из уравнения Аррениуса

1/T2 = 1/293,1 − 8,314·ln(2)/60000 = 3,411 × 10⁻³ − 9,605 × 10⁻⁵ = 3,315 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 301,6 K = 28,49 °C

Ответ

T2 = 28,49 °C
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: V = 402,4 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 − 0,8))/0,2 = 1,609/0,2 = 8,047 min

Объём

V = Q·τ = 50·8,047 = 402,4 L

Ответ

V = 402,4 L
4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 75,76 %

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 = 500/80 = 6,25 min, kτ = 0,5·6,25 = 3,125

Степень превращения

X = kτ/(1 + kτ) = 3,125/(1 + 3,125) = 75,76%

Ответ

X = 75,76%
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

36 = (2x)²/(0,2 − x)²

Извлеките квадратный корень

6 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·6/(2 + 6) = 0,15 mol/L

Равновесная концентрация

[H₂] = 0,2 − x = 0,05 mol/L

Ответ

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

Ответ: [PCl5] = 0,64 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

0,04 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,04·x − 0,032 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,032))/2 = 0,16 mol/L

Равновесная концентрация

[PCl₅] = 0,8 − 0,16 = 0,64 mol/L

Ответ

[PCl5] = 0,64 mol/L
7.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 450 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) = 450·(40 − 25)/(25 − 10) = 450 kg/h

Ответ

ṁ2 = 450 kg/h
8.Материальный баланс

Ответ: W = 2520 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 = 3600·9/30 = 1080 kg/h

Общий баланс

W = F − P = 3600 − 1080 = 2520 kg/h

Ответ

W = 2520 kg/h

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