Tepkime kinetiği
- Birinci derece
- ln(CA/CA0) = −kt
- Yarılanma süresi (birinci derece)
- t½ = ln 2/k
- İkinci derece
- 1/CA = 1/CA0 + kt
- Arrhenius
- k = A·e−Ea/(RT)
- İki sıcaklık
- ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)
Kimyasal Reaksiyon Mühendisliği: hızlı tekrar paketi
Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 8 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.
1Formüller ve yöntemler
Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)
- Alıkonma süresi
- τ = V/Q
- CSTR, birinci derece
- τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
- PFR, birinci derece
- τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
- Hacimden dönüşüm
- CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
- Seri bağlı N eşit CSTR
- X = 1 − 1/(1 + kτi)N
Kimyasal denge
- Denge sabiti
- Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
- ICE tablosu
- Başlangıç, Değişim (×katsayı), Denge
- İkinci derece denklem
- x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)
Yöntem
- Kc’yi, her biri katsayısı kadar kuvveti alınmış ürünler bölü reaktanlar olarak yazın.
- Bir ICE tablosu kurun: Başlangıç, Değişim (katsayılar çarpı x adımlarıyla), Denge.
- Denge ifadelerini Kc’ye yerleştirin ve x için çözün.
- x’in bir yaklaşım için yeterince küçük olup olmadığını kontrol edin; değilse ikinci derece denklemi çözün.
Kütle denkliği
- Kararlı hâl
- giren = çıkan
- Toplam denklik
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- Bileşen denkliği
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- Buharlaştırıcı
- F·xF = P·xP, W = F − P
2Alıştırma soruları
1.Tepkime kinetiğiOrta
Kesikli bir reaktördeki birinci dereceden tepkime için k = 0,3 min⁻¹. %80 dönüşüme ulaşmak ne kadar sürer? t değerini bulun.
k = 0,3 min⁻¹X = 80 %
t = min
2.Tepkime kinetiğiZor
Bir tepkimenin 30 °C’deki hız sabiti 0,1 min⁻¹ ve aktivasyon enerjisi 120 kJ/mol. 70 °C’deki hız sabiti k2 değerini bulun.
k1 = 0,1 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 70 °CEa = 120 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
3.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Orta
k = 0,5 min⁻¹ olan sıvı fazda birinci derece bir A → B reaksiyonu, 25 L/min ile beslenen bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. A’nın %80 dönüşümü için reaktör hacmi V değerini litre cinsinden bulun.
Q = 25 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 80%
V = L
4.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Zor
Sıvı fazda birinci derece bir reaksiyon (k = 0,2 min⁻¹), 100 L/min ile beslenen 400 L’lik bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Dönüşüm X değerini yüzde olarak bulun.
V = 400 LQ = 100 L/mink = 0,2 min⁻¹
X = %
5.Kimyasal dengeOrta
Bir kaba 0,1 mol/L H₂ ve 0,1 mol/L I₂ konuyor ve H₂ + I₂ ⇌ 2HI tepkimesi gerçekleşiyor; Kc = 50. Denge derişimi [H2] değerini bulun.
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 50
[H2] = mol/L
6.Kimyasal dengeZor
PCl₅ ayrışıyor: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, tepkime sıcaklığında Kc = 0,04. Kapta başlangıçta yalnızca 1,5 mol/L PCl₅ var. Denge derişimi [PCl5] değerini bulun.
[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,04
[PCl5] = mol/L
7.Kütle denkliğiOrta
Karışım ürünü %25 şeker içersin diye akım 1’e saatte ne kadar akım 2 eklenmeli? ṁ2 değerini bulun.
ṁ1 = 550 kg/hx1 = 15 %x2 = 45 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Kütle denkliğiZor
Bir buharlaştırıcı saf su buharlaştırarak bir şeker çözeltisini deriştiriyor. ürün debisi P değerini kg/h cinsinden bulun.
F = 4200 kg/hxF = 8 %xP = 35 %
P = kg/h
3Çözeltiler
1.Tepkime kinetiği
Cevap: t = 5,365 min
Tepkime hızları: birinci dereceden tepkime için −dC/dt = kC, dolayısıyla C = C₀·e−kt ve yarılanma süresi ln 2/k derişime bağlı değildir. İkinci dereceden tepkime için 1/C = 1/C₀ + kt. Hız sabiti Arrhenius’a göre sıcaklıkla artar: k = A·e−Ea/(RT).
Dönüşüm ve derişim
C/C0 = 1 − X = 0,2
Zaman için çözün
t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,2)/0,3 = 5,365 min
Cevap
t = 5,365 min
2.Tepkime kinetiği
Cevap: k2 = 25,72 min⁻¹
Tepkime hızları: birinci dereceden tepkime için −dC/dt = kC, dolayısıyla C = C₀·e−kt ve yarılanma süresi ln 2/k derişime bağlı değildir. İkinci dereceden tepkime için 1/C = 1/C₀ + kt. Hız sabiti Arrhenius’a göre sıcaklıkla artar: k = A·e−Ea/(RT).
Mutlak sıcaklıklar
T1 = 303,1 K, T2 = 343,1 K
Arrhenius oranı
ln(k2/k1) = −(120000/8,314)·(1/343,1 − 1/303,1) = 5,55
k2 = 0,1·e5,55 = 25,72 min⁻¹
Cevap
k2 = 25,72 min⁻¹
3.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)
Cevap: V = 80,47 L
Kararlı hâlde, alıkonma süresi τ = V/Q ile ideal reaktörler, birinci derece reaksiyon (−rA = k·CA). CSTR tam karışımlıdır, bu yüzden tüm hacim düşük çıkış derişiminde reaksiyona girer: τ = X/(k·(1 − X)) ve CA = CA0/(1 + k·τ). PFR’de akışkanın her dilimi küçük bir kesikli reaktör gibi reaksiyona girer: τ = ln(1/(1 − X))/k ve CA = CA0·e−k·τ. Aynı dönüşüm için CSTR her zaman PFR’den daha fazla hacim gerektirir.
Alıkonma süresi
τ = ln(1/(1 − 0,8))/0,5 = 1,609/0,5 = 3,219 min
Hacim
V = Q·τ = 25·3,219 = 80,47 L
Cevap
V = 80,47 L
4.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)
Cevap: X = 55,07 %
Kararlı hâlde, alıkonma süresi τ = V/Q ile ideal reaktörler, birinci derece reaksiyon (−rA = k·CA). CSTR tam karışımlıdır, bu yüzden tüm hacim düşük çıkış derişiminde reaksiyona girer: τ = X/(k·(1 − X)) ve CA = CA0/(1 + k·τ). PFR’de akışkanın her dilimi küçük bir kesikli reaktör gibi reaksiyona girer: τ = ln(1/(1 − X))/k ve CA = CA0·e−k·τ. Aynı dönüşüm için CSTR her zaman PFR’den daha fazla hacim gerektirir.
Alıkonma süresi
τ = V/Q = 400/100 = 4 min, kτ = 0,2·4 = 0,8
Dönüşüm
X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,8 = 55,07%
Cevap
X = 55,07%
5.Kimyasal denge
Cevap: [H2] = 0,02205 mol/L
Kimyasal denge: aA + bB ⇌ cC + dD için denge sabiti, denge derişimleri kullanılarak Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) şeklindedir. ICE tablosu (Başlangıç, Değişim, Denge), başlangıç miktarlarını katsayılarla ölçeklenmiş tek bir x bilinmeyeni üzerinden denge miktarlarına bağlar.
Denge ifadesi
50 = (2x)²/(0,1 − x)²
Karekök alın
7,071 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7,071/(2 + 7,071) = 0,07795 mol/L
Denge derişimi
[H₂] = 0,1 − x = 0,02205 mol/L
Cevap
[H2] = 0,02205 mol/L
6.Kimyasal denge
Cevap: [PCl5] = 1,274 mol/L
Kimyasal denge: aA + bB ⇌ cC + dD için denge sabiti, denge derişimleri kullanılarak Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) şeklindedir. ICE tablosu (Başlangıç, Değişim, Denge), başlangıç miktarlarını katsayılarla ölçeklenmiş tek bir x bilinmeyeni üzerinden denge miktarlarına bağlar.
Denge ifadesi
0,04 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,04·x − 0,06 = 0
İkinci derece denklemi çözün
x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,06))/2 = 0,2258 mol/L
Denge derişimi
[PCl₅] = 1,5 − 0,2258 = 1,274 mol/L
Cevap
[PCl5] = 1,274 mol/L
7.Kütle denkliği
Cevap: ṁ2 = 275 kg/h
Kararlı hal kütle denkliği: toplam ve her bileşen için giren = çıkan. Karıştırma problemleri ikisini birleştirir.
Denklikler
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
şeker: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
ṁ2 için çözün
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 550·(15 − 25)/(25 − 45) = 275 kg/h
Cevap
ṁ2 = 275 kg/h
8.Kütle denkliği
Cevap: P = 960 kg/h
Bağlayıcı bileşen: tek bir akımda değişmeden geçen bileşen (burada çözünen) debileri doğrudan bağlar. Gerisini toplam denklik verir.
Çözünen denkliği
F·xF = P·xP → P = 4200·8/35 = 960 kg/h
Cevap
P = 960 kg/h
ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering