Хімічні реактори: шпаргалка-підсумок

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

Нові задачі Назад до курсу

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

1Формули та методи

Хімічна кінетика

Перший порядок: ln(C_A/C_A0) = −kt
Період напівперетворення (перший порядок): t_½ = ln 2/k
Другий порядок: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Арреніус: k = A·e^−E_a/(RT)
Дві температури: ln(k₂/k₁) = (E_a/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)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, перший порядок: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Конверсія за об’ємом: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N однакових CSTR послідовно: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Хімічна рівновага

Константа рівноваги: K_c = [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

Запишіть K_c як добуток концентрацій продуктів, поділений на добуток концентрацій реагентів, кожну в степені свого коефіцієнта.
Складіть таблицю ICE: Initial (початкові), Change (зміна, кроками x, помноженими на коефіцієнти), Equilibrium (рівноважні).
Підставте рівноважні вирази в K_c і розв’яжіть щодо x.
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·x_F = P·x_P, W = F − P

2Задачі для практики

1.Хімічна кінетикаСередня

У реакції першого порядку концентрація A зменшується від 1,2 mol/L до 0,48 mol/L за 60 min. Знайдіть константу швидкості k.

C_A0 = 1,2 mol/LC_A = 0,48 mol/Lt = 60 min

k = min⁻¹

2.Хімічна кінетикаСкладна

Константа швидкості реакції — 0,002 min⁻¹ при 30 °C і 0,0166 min⁻¹ при 55 °C. Знайдіть енергію активації E_a.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 30 °Ck₂ = 0,0166 min⁻¹T₂ = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня

Рідиннофазна реакція першого порядку A → B (k = 0,15 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 200 L. Живлення надходить з витратою 20 L/min при C_A0 = 0,5 mol/L. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть вихідну концентрацію C_A.

V = 200 LQ = 20 L/mink = 0,15 min⁻¹C_A0 = 0,5 mol/L

C_A = mol/L

4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,5 min⁻¹) відбувається в CSTR об’ємом 50 L з витратою живлення 5 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 50 LQ = 5 L/mink = 0,5 min⁻¹

X = %

5.Хімічна рівновагаСередня

У посудину вносять 0,5 mol/L H₂ і 0,5 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 50. Знайдіть рівноважну концентрацію [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LK_c = 50

[HI] = mol/L

6.Хімічна рівновагаСкладна

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 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/LK_c = 0,2

[PCl₅] = mol/L

7.Матеріальний балансСередня

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

ṁ₁ = 650 kg/hx₁ = 35 %x₂ = 20 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

8.Матеріальний балансСкладна

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

F = 4300 kg/hx_F = 19 %x_P = 65 %

W = kg/h

3Розчини

1.Хімічна кінетика

Відповідь: k = 0,01527 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(C_A0/C_A)/t = ln(1,2/0,48)/60 = 0,9163/60 = 0,01527 min⁻¹

Відповідь

k = 0,01527 min⁻¹

2.Хімічна кінетика

Відповідь: E_a = 70,01 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 = 303,1 K, T₂ = 328,1 K

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·2,116/(-2,513e-4) = 70011 J/mol

E_a = 70,01 kJ/mol

Відповідь

E_a = 70,01 kJ/mol

3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: C_A = 0,1116 mol/L

Ідеальні реактори, реакція першого порядку (−r_A = k·C_A) 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 C_A = C_A0/(1 + k·τ). У PFR кожен шар рідини реагує як малий періодичний реактор: τ = ln(1/(1 − X))/k і C_A = C_A0·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

C_A = 0,5·e^−0,15·10 = 0,1116 mol/L

Відповідь

C_A = 0,1116 mol/L

Конверсія: X = 77,69%.

4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 83,33 %

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 50/5 = 10 min, kτ = 0,5·10 = 5

Конверсія

X = kτ/(1 + kτ) = 5/(1 + 5) = 83,33%

Відповідь

X = 83,33%

5.Хімічна рівновага

Відповідь: [HI] = 0,7795 mol/L

Хімічна рівновага: для реакції aA + bB ⇌ cC + dD константа рівноваги K_c = [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

50 = (2x)²/(0,5 − x)²

Добудьте квадратний корінь

7,071 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·7,071/(2 + 7,071) = 0,3898 mol/L

Рівноважна концентрація

[HI] = 2x = 0,7795 mol/L

Відповідь

[HI] = 0,7795 mol/L

6.Хімічна рівновага

Відповідь: [PCl₅] = 0,2 mol/L

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 = 325 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) = 650·(35 − 30)/(30 − 20) = 325 kg/h

Відповідь

ṁ₂ = 325 kg/h

8.Матеріальний баланс

Відповідь: W = 3043 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·x_F = P·x_P → P = 4300·19/65 = 1257 kg/h

Загальний баланс

W = F − P = 4300 − 1257 = 3043 kg/h

Відповідь

W = 3043 kg/h

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

Хімічні реактори: шпаргалка-підсумок

1Формули та методи

Хімічна кінетика

Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Хімічна рівновага

Метод

Матеріальний баланс

2Задачі для практики

3Розчини

Інтегральне рівняння першого порядку

Відповідь

Абсолютні температури

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

Відповідь

Час перебування (space time)

Вихідна концентрація

Відповідь

Час перебування (space time)

Конверсія

Відповідь

Вираз константи рівноваги

Добудьте квадратний корінь

Рівноважна концентрація

Відповідь

Вираз константи рівноваги

Розв’яжіть квадратне рівняння

Рівноважна концентрація

Відповідь

Баланси

Виразіть ṁ2

Відповідь

Баланс розчиненої речовини

Загальний баланс

Відповідь

Виразіть ṁ₂