Kimyasal Reaksiyon Mühendisliği: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 8 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorular Derse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Tepkime kinetiği

Birinci derece: ln(C_A/C_A0) = −kt
Yarılanma süresi (birinci derece): t_½ = ln 2/k
İkinci derece: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
İki sıcaklık: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Alıkonma süresi: τ = V/Q
CSTR, birinci derece: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, birinci derece: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Hacimden dönüşüm: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
Seri bağlı N eşit CSTR: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Kimyasal denge

Denge sabiti: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
ICE tablosu: Başlangıç, Değişim (×katsayı), Denge
İkinci derece denklem: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Yöntem

K_c’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 K_c’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·x_F = P·x_P, W = F − P

2Alıştırma soruları

1.Tepkime kinetiğiOrta

İkinci dereceden bir tepkimede (−r_A = k·C_A²) k = 0,1 L/(mol·min) ve başlangıç derişimi 0,2 mol/L’dir. İlk yarılanma süresi t_½ değerini bulun.

k = 0,1 L/(mol·min)C_A0 = 0,2 mol/L

t_½ = min

2.Tepkime kinetiğiZor

Bir tepkimenin hız sabiti 25 °C’de 0,01 min⁻¹, 55 °C’de 0,0914 min⁻¹. Aktivasyon enerjisi E_a değerini bulun.

k₁ = 0,01 min⁻¹T₁ = 25 °Ck₂ = 0,0914 min⁻¹T₂ = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

3.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Orta

k = 0,2 min⁻¹ olan sıvı fazda birinci derece bir A → B reaksiyonu, 100 L/min ile beslenen bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. A’nın %85 dönüşümü için reaktör hacmi V değerini litre cinsinden bulun.

Q = 100 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 85%

V = L

4.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Zor

Sıvı fazda birinci derece bir reaksiyon (k = 0,12 min⁻¹), her biri 250 L olan seri bağlı iki eşit CSTR’de yürütülüyor. Besleme debisi 20 L/min, yoğunluk sabit ve reaktörler kararlı hâlde. Toplam dönüşüm X değerini yüzde olarak bulun.

V = 250 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,12 min⁻¹

X = %

5.Kimyasal dengeOrta

Bir kaba 0,4 mol/L H₂ ve 0,4 mol/L I₂ konuyor ve H₂ + I₂ ⇌ 2HI tepkimesi gerçekleşiyor; K_c = 50. Denge derişimi [HI] değerini bulun.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 50

[HI] = mol/L

6.Kimyasal dengeZor

PCl₅ ayrışıyor: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, tepkime sıcaklığında K_c = 0,1. Kapta başlangıçta yalnızca 0,4 mol/L PCl₅ var. Denge derişimi [PCl₅] değerini bulun.

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LK_c = 0,1

[PCl₅] = mol/L

7.Kütle denkliğiOrta

Karışım ürünü %35 şeker içersin diye akım 1’e saatte ne kadar akım 2 eklenmeli? ṁ₂ değerini bulun.

ṁ₁ = 900 kg/hx₁ = 50 %x₂ = 5 %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 = 2900 kg/hx_F = 5 %x_P = 40 %

P = kg/h

3Çözeltiler

1.Tepkime kinetiği

Cevap: t_½ = 50 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).

İkinci derece yarılanma süresi

t_½ = 1/(k·C_A0) = 1/(0,1·0,2) = 50 min

Cevap

t_½ = 50 min

Sonraki her yarılanma süresi iki kat uzundur, çünkü C₀ yarıya inmiştir.

2.Tepkime kinetiği

Cevap: E_a = 59,99 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 = 298,1 K, T₂ = 328,1 K

Arrhenius’tan Ea’yı çözün

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·2,213/(-3,066e-4) = 59994 J/mol

E_a = 59,99 kJ/mol

Cevap

E_a = 59,99 kJ/mol

3.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: V = 948,6 L

Kararlı hâlde, alıkonma süresi τ = V/Q ile ideal reaktörler, birinci derece reaksiyon (−r_A = k·C_A). CSTR tam karışımlıdır, bu yüzden tüm hacim düşük çıkış derişiminde reaksiyona girer: τ = X/(k·(1 − X)) ve C_A = C_A0/(1 + k·τ). PFR’de akışkanın her dilimi küçük bir kesikli reaktör gibi reaksiyona girer: τ = ln(1/(1 − X))/k ve C_A = C_A0·e^−k·τ. Aynı dönüşüm için CSTR her zaman PFR’den daha fazla hacim gerektirir.

Alıkonma süresi

τ = ln(1/(1 − 0,85))/0,2 = 1,897/0,2 = 9,486 min

Hacim

V = Q·τ = 100·9,486 = 948,6 L

Cevap

V = 948,6 L

4.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: X = 84 %

Alıkonma süresi

τ = V/Q = 250/20 = 12,5 min, kτ = 0,12·12,5 = 1,5

Dönüşüm

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,5) = 0,4

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,16

X = 1 − 0,16 = 84%

Cevap

X = 84%

5.Kimyasal denge

Cevap: [HI] = 0,6236 mol/L

Kimyasal denge: aA + bB ⇌ cC + dD için denge sabiti, denge derişimleri kullanılarak K_c = [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/(0,4 − x)²

Karekök alın

7,071 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7,071/(2 + 7,071) = 0,3118 mol/L

Denge derişimi

[HI] = 2x = 0,6236 mol/L

Cevap

[HI] = 0,6236 mol/L

6.Kimyasal denge

Cevap: [PCl₅] = 0,2438 mol/L

Denge ifadesi

0,1 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,1·x − 0,04 = 0

İkinci derece denklemi çözün

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,04))/2 = 0,1562 mol/L

Denge derişimi

[PCl₅] = 0,4 − 0,1562 = 0,2438 mol/L

Cevap

[PCl₅] = 0,2438 mol/L

7.Kütle denkliği

Cevap: ṁ₂ = 450 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) = 900·(50 − 35)/(35 − 5) = 450 kg/h

Cevap

ṁ₂ = 450 kg/h

8.Kütle denkliği

Cevap: P = 362,5 kg/h

Bağlayıcı bileşen: tek bir akımda değişmeden geçen bileşen (burada çözünen) debileri doğrudan bağlar. Gerisini toplam denklik verir.

Çözünen denkliği

F·x_F = P·x_P → P = 2900·5/40 = 362,5 kg/h

Cevap

P = 362,5 kg/h

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

Kimyasal Reaksiyon Mühendisliği: hızlı tekrar paketi

1Formüller ve yöntemler

Tepkime kinetiği

Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Kimyasal denge

Yöntem

Kütle denkliği

2Alıştırma soruları

3Çözeltiler

İkinci derece yarılanma süresi

Cevap

Mutlak sıcaklıklar

Arrhenius’tan Ea’yı çözün

Cevap

Alıkonma süresi

Hacim

Cevap

Alıkonma süresi

Dönüşüm

Cevap

Denge ifadesi

Karekök alın

Denge derişimi

Cevap

Denge ifadesi

İkinci derece denklemi çözün

Denge derişimi

Cevap

Denklikler

ṁ2 için çözün

Cevap

Çözünen denkliği

Cevap

ṁ₂ için çözün