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)15 minC = ?

Реакція з кінетичним рівнянням −rA = k·CA² має k = 0,1 L/(mol·min) і починається з 0,5 mol/L. Знайдіть концентрацію CA через 15 min.

k = 0,1 L/(mol·min)CA0 = 0,5 mol/Lt = 15 min
CA = mol/L
2.Хімічна кінетикаСкладна
Tk20 °C0,00230 °C0,00774

Константа швидкості реакції — 0,002 min⁻¹ при 20 °C і 0,00774 min⁻¹ при 30 °C. Знайдіть енергію активації Ea.

k1 = 0,002 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,00774 min⁻¹T2 = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня
Q = 25 L/minX = 75%V = ?, k = 0,05 min⁻¹

Рідиннофазну реакцію першого порядку A → B з k = 0,05 min⁻¹ проводять у реакторі ідеального витіснення (PFR) з витратою живлення 25 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть об’єм реактора V у літрах для 75% конверсії A.

Q = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 75%
V = L
4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна
V = 200 LQ = 10 L/minX = ?

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,3 min⁻¹) відбувається в CSTR об’ємом 200 L з витратою живлення 10 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 200 LQ = 10 L/mink = 0,3 min⁻¹
X = %
5.Хімічна рівновагаСередня
H2​I2​HII0,250,250C−x−x+2xE0,25 − x0,25 − x2x

У посудину вносять 0,25 mol/L H₂ і 0,25 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 49. Знайдіть рівноважну концентрацію [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LKc = 49
[HI] = mol/L
6.Хімічна рівновагаСкладна
PCl5​PCl3​Cl2​I100C−x+x+xE1 − xxx

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,05 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 1 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [PCl5].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0,05
[PCl5] = mol/L
7.Матеріальний балансСередня
ЗмішувачПотік 1550 kg/h · 35% цукорПотік 2ṁ₂ = ? · 20% цукорПродукт25% цукор

Скільки потоку 2 треба щогодини додавати до потоку 1, щоб суміш містила 25% компонента (цукор)? Знайдіть ṁ2.

ṁ1 = 550 kg/hx1 = 35 %x2 = 20 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Матеріальний балансСкладна
ВипарникЖивлення F4000 kg/h · 20% сільПродукт PP = ? · 55%Пара W (чиста вода)0% сіль

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

F = 4000 kg/hxF = 20 %xP = 55 %
P = kg/h

3Розчини

1.Хімічна кінетика

Відповідь: CA = 0,2857 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 = 2 + 0,1·15 = 3,5 L/mol
CA = 1/3,5 = 0,2857 mol/L

Відповідь

CA = 0,2857 mol/L
2.Хімічна кінетика

Відповідь: Ea = 99,99 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 = 293,1 K, T2 = 303,1 K

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,353/(-1,125e-4) = 99985 J/mol
Ea = 99,99 kJ/mol

Відповідь

Ea = 99,99 kJ/mol
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: V = 693,1 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 − 0,75))/0,05 = 1,386/0,05 = 27,73 min

Об’єм

V = Q·τ = 25·27,73 = 693,1 L

Відповідь

V = 693,1 L
4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 85,71 %

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 = 200/10 = 20 min, kτ = 0,3·20 = 6

Конверсія

X = kτ/(1 + kτ) = 6/(1 + 6) = 85,71%

Відповідь

X = 85,71%
5.Хімічна рівновага

Відповідь: [HI] = 0,3889 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/(0,25 − x)²

Добудьте квадратний корінь

7 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7/(2 + 7) = 0,1944 mol/L

Рівноважна концентрація

[HI] = 2x = 0,3889 mol/L

Відповідь

[HI] = 0,3889 mol/L
6.Хімічна рівновага

Відповідь: [PCl5] = 0,8 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

0,05 = x²/(1 − x) → x² + 0,05·x − 0,05 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,05))/2 = 0,2 mol/L

Рівноважна концентрація

[PCl₅] = 1 − 0,2 = 0,8 mol/L

Відповідь

[PCl5] = 0,8 mol/L
7.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ2 = 1100 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) = 550·(35 − 25)/(25 − 20) = 1100 kg/h

Відповідь

ṁ2 = 1100 kg/h
8.Матеріальний баланс

Відповідь: P = 1455 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 = 4000·20/55 = 1455 kg/h

Відповідь

P = 1455 kg/h

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