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 = ?99%

Реакция первого порядка в периодическом реакторе имеет k = 0,15 min⁻¹. Сколько времени нужно, чтобы степень превращения достигла 99%? Найдите t.

k = 0,15 min⁻¹X = 99 %
t = min
2.Химическая кинетикаСложная
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))опыт 10,250,01опыт 210,08n = ?

В двух опытах измерена начальная скорость реакции A → продукты. При CA0 = 0,25 mol/L скорость равна 0,01 mol/(L·s); при CA0 = 1 mol/L — 0,08 mol/(L·s). Найдите порядок реакции n по A.

CA0,1 = 0,25 mol/Lr1 = 0,01 mol/(L·s)CA0,2 = 1 mol/Lr2 = 0,08 mol/(L·s)
n =
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя
QX = 60%те же Q, k и X, что и у CSTR

Жидкофазная реакция первого порядка должна достичь степени превращения 60%. Во сколько раз CSTR должен быть больше PFR при одинаковых расходе, константе скорости и степени превращения? Найдите отношение VCSTR/VPFR.

X = 60%первый порядок, одинаковые k и Q
VCSTR/VPFR =
4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная
V = 800 LQ = 80 L/minX = ?

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,08 min⁻¹) проводится в CSTR объёмом 800 L с подачей 80 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите степень превращения X в процентах.

V = 800 LQ = 80 L/mink = 0,08 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 = 4. Найдите равновесную концентрацию [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 4
[HI] = mol/L
6.Химическое равновесиеСложная
PCl5​PCl3​Cl2​I0,100C−x+x+xE0,1 − xxx

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,2 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,1 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
7.Материальный балансСредняя
СмесительПоток 1700 kg/h · 35% сольПоток 2ṁ₂ = ? · 15% сольПродукт20% соль

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 20% компонента (соль)? Найдите ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 35 %x2 = 15 %x3 = 20 %
ṁ2 = kg/h
8.Материальный балансСложная
Выпарной аппаратПитание F3800 kg/h · 19% сольПродукт P60% сольПар W (чистая вода)W = ? kg/h

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

F = 3800 kg/hxF = 19 %xP = 60 %
W = kg/h

3Растворы

1.Химическая кинетика

Ответ: t = 30,7 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 = 0,01

Выразите время

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,01)/0,15 = 30,7 min

Ответ

t = 30,7 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 = 0,08/0,01 = 8
C2/C1 = 1/0,25 = 4

Порядок

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

Ответ

n = 1,5
3.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: VCSTR/VPFR = 1,637

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.

k·τ для каждого реактора

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,6/0,4 = 1,5
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2,5) = 0,9163

Отношение объёмов

VCSTR/VPFR = 1,5/0,9163 = 1,637

Ответ

VCSTR/VPFR = 1,637

При высокой степени превращения разница быстро растёт.

4.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 44,44 %

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 = 800/80 = 10 min, kτ = 0,08·10 = 0,8

Степень превращения

X = kτ/(1 + kτ) = 0,8/(1 + 0,8) = 44,44%

Ответ

X = 44,44%
5.Химическое равновесие

Ответ: [HI] = 0,4 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

4 = (2x)²/(0,4 − x)²

Извлеките квадратный корень

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

Равновесная концентрация

[HI] = 2x = 0,4 mol/L

Ответ

[HI] = 0,4 mol/L
6.Химическое равновесие

Ответ: [PCl5] = 0,02679 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/(0,1 − x) → x² + 0,2·x − 0,02 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,02))/2 = 0,07321 mol/L

Равновесная концентрация

[PCl₅] = 0,1 − 0,07321 = 0,02679 mol/L

Ответ

[PCl5] = 0,02679 mol/L
7.Материальный баланс

Ответ: ṁ2 = 2100 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) = 700·(35 − 20)/(20 − 15) = 2100 kg/h

Ответ

ṁ2 = 2100 kg/h
8.Материальный баланс

Ответ: W = 2597 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 = 3800·19/60 = 1203 kg/h

Общий баланс

W = F − P = 3800 − 1203 = 2597 kg/h

Ответ

W = 2597 kg/h

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