Хімічні реактори: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 8 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачіНазад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Хімічна кінетика

Перший порядок
ln(CA/CA0) = −kt
Період напівперетворення (перший порядок)
t½ = ln 2/k
Другий порядок
1/CA = 1/CA0 + kt
Арреніус
k = A·e−Ea/(RT)
Дві температури
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Час перебування (space time)
τ = V/Q
CSTR, перший порядок
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, перший порядок
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
Конверсія за об’ємом
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N однакових CSTR послідовно
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

Хімічна рівновага

Константа рівноваги
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
Таблиця ICE
Початкове (Initial), зміна (Change, ×коефіцієнт), рівновага (Equilibrium)
Квадратне рівняння
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Метод

  1. Запишіть Kc як добуток концентрацій продуктів, поділений на добуток концентрацій реагентів, кожну в степені свого коефіцієнта.
  2. Складіть таблицю ICE: Initial (початкові), Change (зміна, кроками x, помноженими на коефіцієнти), Equilibrium (рівноважні).
  3. Підставте рівноважні вирази в Kc і розв’яжіть щодо x.
  4. Перевірте, чи x достатньо мале для наближення; інакше розв’яжіть квадратне рівняння.

Матеріальний баланс

Усталений режим
вхід = вихід
Загальний баланс
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
Баланс компонента
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
Випарник
F·xF = P·xP, W = F − P

2Задачі для практики

1.Хімічна кінетикаСередня
t (min)C (mol/L)10 minC = ?

Реакція з кінетичним рівнянням −rA = k·CA² має k = 0,25 L/(mol·min) і починається з 1,5 mol/L. Знайдіть концентрацію CA через 10 min.

k = 0,25 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 10 min
CA = mol/L
2.Хімічна кінетикаСкладна
Tk20 °Ck1​?3·k1​

Реакція має енергію активації 90 kJ/mol. При 20 °C вона надто повільна. До якої температури T2 (в °C) її треба нагріти, щоб вона пришвидшилася в 3 разів?

Ea = 90 kJ/molT1 = 20 °Ck2/k1 = 3R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня
QX = 95%ті самі Q, k і X, що й для CSTR

Рідиннофазна реакція першого порядку має досягти 95% конверсії. У скільки разів CSTR має бути більшим за PFR при тій самій витраті живлення, константі швидкості й конверсії? Знайдіть відношення VCSTR/VPFR.

X = 95%перший порядок, ті самі k і Q
VCSTR/VPFR =
4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна
V = 1500 LV = 1500 LQ = 40 L/minX = ?

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,15 min⁻¹) відбувається у двох однакових послідовних CSTR об’ємом 1500 L кожен. Витрата живлення 40 L/min, густина стала, реактори працюють у стаціонарному режимі. Знайдіть загальну конверсію X у відсотках.

V = 1500 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,15 min⁻¹
X = %
5.Хімічна рівновагаСередня
H2​I2​HII0,40,40C−x−x+2xE0,4 − x0,4 − x2x

У посудину вносять 0,4 mol/L H₂ і 0,4 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 54. Знайдіть рівноважну концентрацію [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 54
[HI] = mol/L
6.Хімічна рівновагаСкладна
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,2 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 0,4 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,2
[PCl5] = mol/L
7.Матеріальний балансСередня
ЗмішувачПотік 1400 kg/h · 45% цукорПотік 2ṁ₂ = ? · 15% цукорПродукт35% цукор

Скільки потоку 2 треба щогодини додавати до потоку 1, щоб суміш містила 35% компонента (цукор)? Знайдіть ṁ2.

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 45 %x2 = 15 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.Матеріальний балансСкладна
ВипарникЖивлення F1300 kg/h · 14% NaOHПродукт PP = ? · 60%Пара W (чиста вода)0% NaOH

Випарник концентрує розчин (NaOH), випаровуючи чисту воду. Знайдіть витрату продукту P в kg/h.

F = 1300 kg/hxF = 14 %xP = 60 %
P = kg/h

3Розчини

1.Хімічна кінетика

Відповідь: CA = 0,3158 mol/L

Швидкість реакції: для реакції першого порядку −dC/dt = kC, тож C = C₀·e−kt, а період напівперетворення ln 2/k не залежить від концентрації. Для реакції другого порядку 1/C = 1/C₀ + kt. Константа швидкості зростає з температурою за Арреніусом: k = A·e−Ea/(RT).

Інтегроване рівняння другого порядку

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 0,25·10 = 3,167 L/mol
CA = 1/3,167 = 0,3158 mol/L

Відповідь

CA = 0,3158 mol/L
2.Хімічна кінетика

Відповідь: T2 = 28,99 °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).

Абсолютна температура

T1 = 293,1 K

Виразіть T₂ з рівняння Арреніуса

1/T2 = 1/293,1 − 8,314·ln(3)/90000 = 3,411 × 10⁻³ − 1,015 × 10⁻⁴ = 3,310 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 302,1 K = 28,99 °C

Відповідь

T2 = 28,99 °C
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: VCSTR/VPFR = 6,342

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.

k·τ для кожного реактора

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,95/0,05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2,996

Відношення об’ємів

VCSTR/VPFR = 19/2,996 = 6,342

Відповідь

VCSTR/VPFR = 6,342

При високій конверсії різниця швидко зростає.

4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 97,72 %

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 = 1500/40 = 37,5 min, kτ = 0,15·37,5 = 5,625

Конверсія

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 5,625) = 0,1509
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,02278
X = 1 − 0,02278 = 97,72%

Відповідь

X = 97,72%
5.Хімічна рівновага

Відповідь: [HI] = 0,6288 mol/L

Хімічна рівновага: для реакції aA + bB ⇌ cC + dD константа рівноваги Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), де беруть рівноважні концентрації. Таблиця ICE (початкове, зміна, рівновага) пов’язує початкові кількості з рівноважними через одне невідоме x, помножене на коефіцієнти.

Вираз константи рівноваги

54 = (2x)²/(0,4 − x)²

Добудьте квадратний корінь

7,348 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7,348/(2 + 7,348) = 0,3144 mol/L

Рівноважна концентрація

[HI] = 2x = 0,6288 mol/L

Відповідь

[HI] = 0,6288 mol/L
6.Хімічна рівновага

Відповідь: [PCl5] = 0,2 mol/L

Хімічна рівновага: для реакції aA + bB ⇌ cC + dD константа рівноваги Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b), де беруть рівноважні концентрації. Таблиця ICE (початкове, зміна, рівновага) пов’язує початкові кількості з рівноважними через одне невідоме x, помножене на коефіцієнти.

Вираз константи рівноваги

0,2 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,2·x − 0,08 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,08))/2 = 0,2 mol/L

Рівноважна концентрація

[PCl₅] = 0,4 − 0,2 = 0,2 mol/L

Відповідь

[PCl5] = 0,2 mol/L
7.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ2 = 200 kg/h

Матеріальний баланс в усталеному режимі: вхід = вихід для загальної маси й для кожного компонента. Задачі на змішування поєднують обидва.

Баланси

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
цукор: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Виразіть ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(45 − 35)/(35 − 15) = 200 kg/h

Відповідь

ṁ2 = 200 kg/h
8.Матеріальний баланс

Відповідь: P = 303,3 kg/h

Ключовий компонент: компонент, що без змін проходить лише в одному потоці (тут розчинена речовина), напряму пов’язує витрати. Решту дає загальний баланс.

Баланс розчиненої речовини

F·xF = P·xP → P = 1300·14/60 = 303,3 kg/h

Відповідь

P = 303,3 kg/h

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