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)X (%)t = ?75%

Реакція нульового порядку має k = 0,01 mol/(L·min) і початкову концентрацію 1,2 mol/L. Скільки часу потрібно, щоб досягти ступеня перетворення 75 %? Знайдіть t.

k = 0,01 mol/(L·min)CA0 = 1,2 mol/LX = 75 %
t = min
2.Хімічна кінетикаСкладна
Tk25 °C0,00265 °C0,091

Константа швидкості реакції — 0,002 min⁻¹ при 25 °C і 0,091 min⁻¹ при 65 °C. Знайдіть енергію активації Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 25 °Ck2 = 0,091 min⁻¹T2 = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня
Q = 80 L/minX = 50%V = ?, k = 0,12 min⁻¹

Рідиннофазну реакцію першого порядку A → B з k = 0,12 min⁻¹ проводять у реакторі ідеального витіснення (PFR) з витратою живлення 80 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть об’єм реактора V у літрах для 50% конверсії A.

Q = 80 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 50%
V = L
4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна
V = 250 LQ = 40 L/minX = ?

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,08 min⁻¹) відбувається в CSTR об’ємом 250 L з витратою живлення 40 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 250 LQ = 40 L/mink = 0,08 min⁻¹
X = %
5.Хімічна рівновагаСередня
H2​I2​HII0,80,80C−x−x+2xE0,8 − x0,8 − x2x

У посудину вносять 0,8 mol/L H₂ і 0,8 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 49. Знайдіть рівноважну концентрацію [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 49
[H2] = mol/L
6.Хімічна рівновагаСкладна
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,5 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 1 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,5
[PCl5] = mol/L
7.Матеріальний балансСередня
ЗмішувачПотік 1250 kg/h · 45% цукорПотік 2ṁ₂ = ? · 15% цукорПродукт30% цукор

Скільки потоку 2 треба щогодини додавати до потоку 1, щоб суміш містила 30% компонента (цукор)? Знайдіть ṁ2.

ṁ1 = 250 kg/hx1 = 45 %x2 = 15 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.Матеріальний балансСкладна
ВипарникЖивлення F3400 kg/h · 15% NaOHПродукт PP = ? · 65%Пара W (чиста вода)0% NaOH

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

F = 3400 kg/hxF = 15 %xP = 65 %
P = kg/h

3Розчини

1.Хімічна кінетика

Відповідь: t = 90 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).

Кількість, що перетворилася

CA0·X = 1,2·0,75 = 0,9 mol/L

Час

t = CA0·X/k = 0,9/0,01 = 90 min

Відповідь

t = 90 min
2.Хімічна кінетика

Відповідь: Ea = 80 kJ/mol

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).

Абсолютні температури

T1 = 298,1 K, T2 = 338,1 K

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·3,818/(-3,967e-4) = 80001 J/mol
Ea = 80 kJ/mol

Відповідь

Ea = 80 kJ/mol
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: V = 462,1 L

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 = ln(1/(1 − 0,5))/0,12 = 0,6931/0,12 = 5,776 min

Об’єм

V = Q·τ = 80·5,776 = 462,1 L

Відповідь

V = 462,1 L
4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 33,33 %

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 = 250/40 = 6,25 min, kτ = 0,08·6,25 = 0,5

Конверсія

X = kτ/(1 + kτ) = 0,5/(1 + 0,5) = 33,33%

Відповідь

X = 33,33%
5.Хімічна рівновага

Відповідь: [H2] = 0,1778 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

49 = (2x)²/(0,8 − x)²

Добудьте квадратний корінь

7 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7/(2 + 7) = 0,6222 mol/L

Рівноважна концентрація

[H₂] = 0,8 − x = 0,1778 mol/L

Відповідь

[H2] = 0,1778 mol/L
6.Хімічна рівновага

Відповідь: [PCl5] = 0,5 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

0,5 = x²/(1 − x) → x² + 0,5·x − 0,5 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,5))/2 = 0,5 mol/L

Рівноважна концентрація

[PCl₅] = 1 − 0,5 = 0,5 mol/L

Відповідь

[PCl5] = 0,5 mol/L
7.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ2 = 250 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) = 250·(45 − 30)/(30 − 15) = 250 kg/h

Відповідь

ṁ2 = 250 kg/h
8.Матеріальний баланс

Відповідь: P = 784,6 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 = 3400·15/65 = 784,6 kg/h

Відповідь

P = 784,6 kg/h

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