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 = 0,8 L/(mol·min) ve başlangıç 2 mol/L. 20 min sonraki derişim CA değerini bulun.
k = 0,8 L/(mol·min)CA0 = 2 mol/Lt = 20 min
CA = mol/L
2.Tepkime kinetiğiZor
Bir tepkimenin hız sabiti 30 °C’de 0,005 min⁻¹, 55 °C’de 0,0759 min⁻¹. Aktivasyon enerjisi Ea değerini bulun.
k1 = 0,005 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0,0759 min⁻¹T2 = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Orta
Sıvı fazda birinci derece bir A → B reaksiyonu (k = 0,4 min⁻¹), 100 L’lik bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Besleme 40 L/min debiyle ve CA0 = 0,5 mol/L ile giriyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Çıkış derişimi CA değerini bulun.
V = 100 LQ = 40 L/mink = 0,4 min⁻¹CA0 = 0,5 mol/L
CA = mol/L
4.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Zor
Sıvı fazda birinci derece bir reaksiyon (k = 0,08 min⁻¹), 5 L/min ile beslenen 500 L’lik bir CSTR’de yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Dönüşüm X değerini yüzde olarak bulun.
V = 500 LQ = 5 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
5.Kimyasal dengeOrta
Bir kaba 0,2 mol/L H₂ ve 0,2 mol/L I₂ konuyor ve H₂ + I₂ ⇌ 2HI tepkimesi gerçekleşiyor; Kc = 64. Denge derişimi [HI] değerini bulun.
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
6.Kimyasal dengeZor
PCl₅ ayrışıyor: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, tepkime sıcaklığında Kc = 0,01. Kapta başlangıçta yalnızca 0,5 mol/L PCl₅ var. Denge derişimi [PCl5] değerini bulun.
[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LKc = 0,01
[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 = 800 kg/hx1 = 10 %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 = 1500 kg/hxF = 14 %xP = 45 %
P = kg/h
3Çözeltiler
1.Tepkime kinetiği
Cevap: CA = 0,06061 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 = 0,5 + 0,8·20 = 16,5 L/mol
CA = 1/16,5 = 0,06061 mol/L
Cevap
CA = 0,06061 mol/L
2.Tepkime kinetiği
Cevap: Ea = 89,98 kJ/mol
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 = 328,1 K
Arrhenius’tan Ea’yı çözün
Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·2,72/(-2,513e-4) = 89984 J/mol
Ea = 89,98 kJ/mol
Cevap
Ea = 89,98 kJ/mol
3.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)
Cevap: CA = 0,1839 mol/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 = V/Q = 100/40 = 2,5 min
Çıkış derişimi
CA = 0,5·e−0,4·2,5 = 0,1839 mol/L
Cevap
CA = 0,1839 mol/L
Dönüşüm: X = 63,21%.
4.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)
Cevap: X = 88,89 %
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 = 500/5 = 100 min, kτ = 0,08·100 = 8
Dönüşüm
X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88,89%
Cevap
X = 88,89%
5.Kimyasal denge
Cevap: [HI] = 0,32 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
64 = (2x)²/(0,2 − x)²
Karekök alın
8 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·8/(2 + 8) = 0,16 mol/L
Denge derişimi
[HI] = 2x = 0,32 mol/L
Cevap
[HI] = 0,32 mol/L
6.Kimyasal denge
Cevap: [PCl5] = 0,4341 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
0,01 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,01·x − 0,005 = 0
İkinci derece denklemi çözün
x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,005))/2 = 0,06589 mol/L
Denge derişimi
[PCl₅] = 0,5 − 0,06589 = 0,4341 mol/L
Cevap
[PCl5] = 0,4341 mol/L
7.Kütle denkliği
Cevap: ṁ2 = 600 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) = 800·(10 − 25)/(25 − 45) = 600 kg/h
Cevap
ṁ2 = 600 kg/h
8.Kütle denkliği
Cevap: P = 466,7 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 = 1500·14/45 = 466,7 kg/h
Cevap
P = 466,7 kg/h
ExamProblems · examproblems.com/courses/chemical-reaction-engineering