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
Hız yasası −rA = k·CA² olan bir tepkimede k = 0,4 L/(mol·min) ve başlangıç 1,5 mol/L. 20 min sonraki derişim CA değerini bulun.
k = 0,4 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
2.Tepkime kinetiğiZor
Bir tepkimenin aktivasyon enerjisi 90 kJ/mol’dür. 25 °C’de çok yavaştır. 4 kat hızlı olması için hangi sıcaklığa T2 (°C cinsinden) ısıtılmalıdır?
Ea = 90 kJ/molT1 = 25 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
3.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Orta
k = 0,5 min⁻¹ olan sıvı fazda birinci derece bir A → B reaksiyonu, 10 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 = 10 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 80%
V = L
4.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Zor
Sıvı fazda birinci derece bir reaksiyon (k = 0,05 min⁻¹), 40 L/min ile beslenen 2000 L’lik bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Dönüşüm X değerini yüzde olarak bulun.
V = 2000 LQ = 40 L/mink = 0,05 min⁻¹
X = %
5.Kimyasal dengeOrta
Bir kaba 1 mol/L H₂ ve 1 mol/L I₂ konuyor ve H₂ + I₂ ⇌ 2HI tepkimesi gerçekleşiyor; Kc = 36. Denge derişimi [H2] değerini bulun.
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 36
[H2] = mol/L
6.Kimyasal dengeZor
PCl₅ ayrışıyor: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, tepkime sıcaklığında Kc = 0,08. Kapta başlangıçta yalnızca 0,4 mol/L PCl₅ var. Denge derişimi [PCl5] değerini bulun.
[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,08
[PCl5] = mol/L
7.Kütle denkliğiOrta
Karışım ürünü %35 tuz içersin diye akım 1’e saatte ne kadar akım 2 eklenmeli? ṁ2 değerini bulun.
ṁ1 = 400 kg/hx1 = 15 %x2 = 50 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.Kütle denkliğiZor
Bir buharlaştırıcı saf su buharlaştırarak bir şeker çözeltisini deriştiriyor. ürün debisi P değerini kg/h cinsinden bulun.
F = 3100 kg/hxF = 20 %xP = 35 %
P = kg/h
3Çözeltiler
1.Tepkime kinetiği
Cevap: CA = 0,1154 mol/L
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).
İntegre ikinci derece yasası
1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 0,4·20 = 8,667 L/mol
CA = 1/8,667 = 0,1154 mol/L
Cevap
CA = 0,1154 mol/L
2.Tepkime kinetiği
Cevap: T2 = 36,84 °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).
Mutlak sıcaklık
T1 = 298,1 K
Arrhenius’u T₂ için çözün
1/T2 = 1/298,1 − 8,314·ln(4)/90000 = 3,354 × 10⁻³ − 1,281 × 10⁻⁴ = 3,226 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 310 K = 36,84 °C
Cevap
T2 = 36,84 °C
3.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)
Cevap: V = 32,19 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 = 10·3,219 = 32,19 L
Cevap
V = 32,19 L
4.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)
Cevap: X = 91,79 %
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 = 2000/40 = 50 min, kτ = 0,05·50 = 2,5
Dönüşüm
X = 1 − e−kτ = 1 − e−2,5 = 91,79%
Cevap
X = 91,79%
5.Kimyasal denge
Cevap: [H2] = 0,25 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
36 = (2x)²/(1 − x)²
Karekök alın
6 = 2x/(1 − x) → x = 1·6/(2 + 6) = 0,75 mol/L
Denge derişimi
[H₂] = 1 − x = 0,25 mol/L
Cevap
[H2] = 0,25 mol/L
6.Kimyasal denge
Cevap: [PCl5] = 0,2567 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
0,08 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,08·x − 0,032 = 0
İkinci derece denklemi çözün
x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,032))/2 = 0,1433 mol/L
Denge derişimi
[PCl₅] = 0,4 − 0,1433 = 0,2567 mol/L
Cevap
[PCl5] = 0,2567 mol/L
7.Kütle denkliği
Cevap: ṁ2 = 533,3 kg/h
Kararlı hal kütle denkliği: toplam ve her bileşen için giren = çıkan. Karıştırma problemleri ikisini birleştirir.
Denklikler
Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
tuz: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
ṁ2 için çözün
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(15 − 35)/(35 − 50) = 533,3 kg/h
Cevap
ṁ2 = 533,3 kg/h
8.Kütle denkliği
Cevap: P = 1771 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 = 3100·20/35 = 1771 kg/h
Cevap
P = 1771 kg/h
ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering