Хімічні реактори: тренувальні задачі й екзаменаційні питання

Швидкості реакцій і кінетичні рівняння, розрахунок CSTR і реакторів ідеального витіснення, конверсія та рівноважні обмеження.

Тренуйте цей курс безкоштовноТренувати цей курсСкласти пробний іспитБезкоштовних задач щодня: 5. Без картки.

Шпаргалка-підсумок (PDF)Аркуші з формулами, кроки методів і задачі для практики з повними розв’язками, готові до друку.

Теми цього курсу

  1. Хімічна кінетикаперший порядок · перетворення і другий порядок · Арреніусрозрахунки
  2. Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)CSTR, перший порядок · PFR, перший порядок · конверсія за об’ємомрозрахунки
  3. Хімічна рівновагаKc за концентраціями · Таблиця ICE · таблиця ICE з квадратним рівняннямрозрахунки
  4. Матеріальний балансзмішування двох потоків · змішування до заданого складу · випарникрозрахунки

Поради до іспиту: Хімічні реактори

  • Запишіть проєктне рівняння для типу реактора, перш ніж підставляти кінетичне рівняння.
  • Для однакової конверсії PFR потребує меншого об’єму, ніж CSTR, для реакцій додатного порядку.
  • Перевірте, що цільова конверсія нижча за рівноважну.

Розв’язані приклади

Хімічна кінетикаЛегка
t (min)C (mol/L)60 minC = ?

Реакція нульового порядку A → продукти має константу швидкості 0,01 mol/(L·min). Початкова концентрація A — 0,8 mol/L. Знайдіть концентрацію CA через 60 min.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 0,8 mol/Lt = 60 min

Знайти: CA (mol/L)

Показати підказки
  1. Нульовий порядок: швидкість −dC/dt = k не залежить від концентрації.
  2. Інтегрування дає C = C₀ − kt (поки A не вичерпається).
  3. kt = 0,6 mol/L.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

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).

Інтегральне рівняння нульового порядку

CA = CA0 − kt = 0,8 − 0,01·60 = 0,2 mol/L

Відповідь

CA = 0,2 mol/L
Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня
Q = 20 L/minCA0​ = 2,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,25 min⁻¹

Рідиннофазна реакція першого порядку A → B (k = 0,25 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 200 L. Живлення надходить з витратою 20 L/min при CA0 = 2,5 mol/L. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть вихідну концентрацію CA.

V = 200 LQ = 20 L/mink = 0,25 min⁻¹CA0 = 2,5 mol/L

Знайти: CA (mol/L)

Показати підказки
  1. Час перебування: τ = V/Q = 10 min.
  2. PFR, перший порядок: CA = CA0·e^(−kτ).
  3. kτ = 2,5.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Ідеальні реактори, реакція першого порядку (−rA = k·CA) у стаціонарному режимі, з часом перебування τ = V/Q. CSTR ідеально перемішаний, тож увесь об’єм реагує при низькій вихідній концентрації: τ = X/(k·(1 − X)) і CA = CA0/(1 + k·τ). У PFR кожен шар рідини реагує як малий періодичний реактор: τ = ln(1/(1 − X))/k і CA = CA0·e−k·τ. Для тієї самої конверсії CSTR завжди потребує більшого об’єму, ніж PFR.

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 200/20 = 10 min

Вихідна концентрація

CA = 2,5·e−0,25·10 = 0,2052 mol/L

Відповідь

CA = 0,2052 mol/L

Конверсія: X = 91,79%.

Як проходить тренування

  • «Тренувати цей курс» змішує задачі з усіх його тем, як на справжньому іспиті.
  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Пробні іспити обмежені в часі й не мають підказок, а наприкінці ви отримуєте результат і повний розбір.

Калькулятори для цього курсу

Калькулятор об’єму CSTR і PFR

Пов’язані курси

Підготовка до іспиту FE ChemicalЗагальна хіміяМатеріальні та енергетичні баланси
Тренуйте цей курс безкоштовноТренувати цей курсСкласти пробний іспитБезкоштовних задач щодня: 5. Без картки.