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)5 min0,9

У реакції першого порядку концентрація A зменшується від 1,5 mol/L до 0,9 mol/L за 5 min. Знайдіть константу швидкості k.

CA0 = 1,5 mol/LCA = 0,9 mol/Lt = 5 min
k = min⁻¹
2.Хімічна кінетикаСкладна
Tk50 °Ck1​?4·k1​

Реакція має енергію активації 80 kJ/mol. При 50 °C вона надто повільна. До якої температури T2 (в °C) її треба нагріти, щоб вона пришвидшилася в 4 разів?

Ea = 80 kJ/molT1 = 50 °Ck2/k1 = 4R = 8,314 J/(mol·K)
T2 = °C
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня
Q = 80 L/minCA0​ = 1 mol/LCA​ = ?V = 1500 L, k = 0,08 min⁻¹

Рідиннофазна реакція першого порядку A → B (k = 0,08 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 1500 L. Живлення надходить з витратою 80 L/min при CA0 = 1 mol/L. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть вихідну концентрацію CA.

V = 1500 LQ = 80 L/mink = 0,08 min⁻¹CA0 = 1 mol/L
CA = mol/L
4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна
Q = 50 L/minX = ?V = 1000 L

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,05 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 1000 L з витратою живлення 50 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 1000 LQ = 50 L/mink = 0,05 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 = 64. Знайдіть рівноважну концентрацію [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LKc = 64
[HI] = mol/L
6.Хімічна рівновагаСкладна
PCl5​PCl3​Cl2​I1,500C−x+x+xE1,5 − xxx

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,01 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 1,5 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [Cl2].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LKc = 0,01
[Cl2] = mol/L
7.Матеріальний балансСередня
ЗмішувачПотік 1600 kg/h · 45% цукорПотік 2ṁ₂ = ? · 5% цукорПродукт35% цукор

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

ṁ1 = 600 kg/hx1 = 45 %x2 = 5 %x3 = 35 %
ṁ2 = kg/h
8.Матеріальний балансСкладна
ВипарникЖивлення F4900 kg/h · 12% цукорПродукт P55% цукорПара W (чиста вода)W = ? kg/h

Випарник концентрує розчин (цукор), випаровуючи чисту воду. Знайдіть кількість випаруваної води W в kg/h.

F = 4900 kg/hxF = 12 %xP = 55 %
W = kg/h

3Розчини

1.Хімічна кінетика

Відповідь: k = 0,1022 min⁻¹

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 першого порядку

k = ln(CA0/CA)/t = ln(1,5/0,9)/5 = 0,5108/5 = 0,1022 min⁻¹

Відповідь

k = 0,1022 min⁻¹
2.Хімічна кінетика

Відповідь: T2 = 65,78 °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 = 323,1 K

Виразіть T₂ з рівняння Арреніуса

1/T2 = 1/323,1 − 8,314·ln(4)/80000 = 3,095 × 10⁻³ − 1,441 × 10⁻⁴ = 2,950 × 10⁻³ K⁻¹
T2 = 338,9 K = 65,78 °C

Відповідь

T2 = 65,78 °C
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: CA = 0,2231 mol/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 = V/Q = 1500/80 = 18,75 min

Вихідна концентрація

CA = 1·e−0,08·18,75 = 0,2231 mol/L

Відповідь

CA = 0,2231 mol/L

Конверсія: X = 77,69%.

4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 63,21 %

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 = 1000/50 = 20 min, kτ = 0,05·20 = 1

Конверсія

X = 1 − e−kτ = 1 − e−1 = 63,21%

Відповідь

X = 63,21%
5.Хімічна рівновага

Відповідь: [HI] = 0,64 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

64 = (2x)²/(0,4 − x)²

Добудьте квадратний корінь

8 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·8/(2 + 8) = 0,32 mol/L

Рівноважна концентрація

[HI] = 2x = 0,64 mol/L

Відповідь

[HI] = 0,64 mol/L
6.Хімічна рівновага

Відповідь: [Cl2] = 0,1176 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

0,01 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,01·x − 0,015 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,015))/2 = 0,1176 mol/L

Рівноважна концентрація

[Cl₂] = x = 0,1176 mol/L

Відповідь

[Cl2] = 0,1176 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) = 600·(45 − 35)/(35 − 5) = 200 kg/h

Відповідь

ṁ2 = 200 kg/h
8.Матеріальний баланс

Відповідь: W = 3831 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 = 4900·12/55 = 1069 kg/h

Загальний баланс

W = F − P = 4900 − 1069 = 3831 kg/h

Відповідь

W = 3831 kg/h

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