Химические реакторы: шпаргалка-пакет

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

Новые задачи Назад к курсу

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

1Формулы и методы

Химическая кинетика

Первый порядок: ln(C_A/C_A0) = −kt
Период полупревращения (первый порядок): t_½ = ln 2/k
Второй порядок: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Аррениус: k = A·e^−E_a/(RT)
Две температуры: ln(k₂/k₁) = (E_a/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)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
Реактор идеального вытеснения, первый порядок: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·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 + kτ_i)^N

Химическое равновесие

Константа равновесия: K_c = [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

Запишите K_c как произведение концентраций продуктов, делённое на произведение концентраций реагентов, каждая в степени своего коэффициента.
Составьте таблицу ICE: исходное, изменение (с шагом x, умноженным на коэффициенты), равновесие.
Подставьте равновесные выражения в K_c и найдите x.
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·x_F = P·x_P, W = F − P

2Тренировочные задачи

1.Химическая кинетикаСредняя

Реакция второго порядка (−r_A = k·C_A²) в периодическом реакторе имеет k = 0,2 L/(mol·min) и начинается с 2 mol/L. Сколько времени нужно, чтобы степень превращения достигла 80%? Найдите t.

k = 0,2 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/LX = 80 %

t = min

2.Химическая кинетикаСложная

В двух опытах измерена начальная скорость реакции A → продукты. При C_A0 = 0,4 mol/L скорость равна 0,005 mol/(L·s); при C_A0 = 1,6 mol/L — 0,04 mol/(L·s). Найдите порядок реакции n по A.

C_A0,1 = 0,4 mol/Lr₁ = 0,005 mol/(L·s)C_A0,2 = 1,6 mol/Lr₂ = 0,04 mol/(L·s)

n =

3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя

Жидкофазная реакция первого порядка A → B (k = 0,12 min⁻¹) проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) объёмом 800 L. Сырьё подаётся с расходом 40 L/min при C_A0 = 2,5 mol/L. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите выходную концентрацию C_A.

V = 800 LQ = 40 L/mink = 0,12 min⁻¹C_A0 = 2,5 mol/L

C_A = mol/L

4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,15 min⁻¹) проводится в CSTR объёмом 50 L с подачей 10 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите степень превращения X в процентах.

V = 50 LQ = 10 L/mink = 0,15 min⁻¹

X = %

5.Химическое равновесиеСредняя

В сосуд помещают 1 mol/L H₂ и 1 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 4. Найдите равновесную концентрацию [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 4

[HI] = mol/L

6.Химическое равновесиеСложная

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,02 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,2 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LK_c = 0,02

[Cl₂] = mol/L

7.Материальный балансСредняя

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 15% компонента (NaOH)? Найдите ṁ₂.

ṁ₁ = 650 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 30 %x₃ = 15 %

ṁ₂ = kg/h

8.Материальный балансСложная

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

F = 2500 kg/hx_F = 20 %x_P = 35 %

W = kg/h

3Растворы

1.Химическая кинетика

Ответ: t = 10 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).

Концентрация в конце

C_A = 2·(1 − 0,8) = 0,4 mol/L

Интегральное уравнение второго порядка

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (2,5 − 0,5)/0,2 = 10 min

Ответ

t = 10 min

2.Химическая кинетика

Ответ: n = 1,5

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 = 0,04/0,005 = 8

C₂/C₁ = 1,6/0,4 = 4

Порядок

n = ln(8)/ln(4) = 1,5

Ответ

n = 1,5

3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: C_A = 0,2268 mol/L

Идеальные реакторы, реакция первого порядка (−r_A = k·C_A) 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 C_A = C_A0/(1 + k·τ). В реакторе идеального вытеснения (PFR) каждый элемент жидкости реагирует как маленький реактор периодического действия: τ = ln(1/(1 − X))/k и C_A = C_A0·e^−k·τ. При одинаковой степени превращения CSTR всегда требует большего объёма, чем PFR.

Время пребывания

τ = V/Q = 800/40 = 20 min

Выходная концентрация

C_A = 2,5·e^−0,12·20 = 0,2268 mol/L

Ответ

C_A = 0,2268 mol/L

Степень превращения: X = 90,93%.

4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 42,86 %

Время пребывания

τ = V/Q = 50/10 = 5 min, kτ = 0,15·5 = 0,75

Степень превращения

X = kτ/(1 + kτ) = 0,75/(1 + 0,75) = 42,86%

Ответ

X = 42,86%

5.Химическое равновесие

Ответ: [HI] = 1 mol/L

Химическое равновесие: для реакции aA + bB ⇌ cC + dD константа равновесия K_c = [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

4 = (2x)²/(1 − x)²

Извлеките квадратный корень

2 = 2x/(1 − x) → x = 1·2/(2 + 2) = 0,5 mol/L

Равновесная концентрация

[HI] = 2x = 1 mol/L

Ответ

[HI] = 1 mol/L

6.Химическое равновесие

Ответ: [Cl₂] = 0,05403 mol/L

Выражение константы равновесия

0,02 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,02·x − 0,004 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,004))/2 = 0,05403 mol/L

Равновесная концентрация

[Cl₂] = x = 0,05403 mol/L

Ответ

[Cl₂] = 0,05403 mol/L

7.Материальный баланс

Ответ: ṁ₂ = 433,3 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) = 650·(5 − 15)/(15 − 30) = 433,3 kg/h

Ответ

ṁ₂ = 433,3 kg/h

8.Материальный баланс

Ответ: W = 1071 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·x_F = P·x_P → P = 2500·20/35 = 1429 kg/h

Общий баланс

W = F − P = 2500 − 1429 = 1071 kg/h

Ответ

W = 1071 kg/h

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

Химические реакторы: шпаргалка-пакет

1Формулы и методы

Химическая кинетика

Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Химическое равновесие

Метод

Материальный баланс

2Тренировочные задачи

3Растворы

Концентрация в конце

Интегральное уравнение второго порядка

Ответ

Отношения

Порядок

Ответ

Время пребывания

Выходная концентрация

Ответ

Время пребывания

Степень превращения

Ответ

Выражение константы равновесия

Извлеките квадратный корень

Равновесная концентрация

Ответ

Выражение константы равновесия

Решите квадратное уравнение

Равновесная концентрация

Ответ

Балансы

Выразите ṁ2

Ответ

Баланс растворённого вещества

Общий баланс

Ответ

Выразите ṁ₂