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 min0,175

У реакції першого порядку концентрація A зменшується від 0,5 mol/L до 0,175 mol/L за 5 min. Знайдіть константу швидкості k.

CA0 = 0,5 mol/LCA = 0,175 mol/Lt = 5 min
k = min⁻¹
2.Хімічна кінетикаСкладна
CA0​ (mol/L)r (mol/(L·s))дослід 10,20,012дослід 20,40,096n = ?

У двох дослідах вимірюють початкову швидкість реакції A → продукти. При CA0 = 0,2 mol/L швидкість 0,012 mol/(L·s); при CA0 = 0,4 mol/L вона 0,096 mol/(L·s). Знайдіть порядок реакції n за A.

CA0,1 = 0,2 mol/Lr1 = 0,012 mol/(L·s)CA0,2 = 0,4 mol/Lr2 = 0,096 mol/(L·s)
n =
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня
Q = 100 L/minCA0​ = 1,5 mol/LCA​ = ?V = 200 L, k = 0,15 min⁻¹

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 100 L/min при CA0 = 1,5 mol/L. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть вихідну концентрацію CA.

V = 200 LQ = 100 L/mink = 0,15 min⁻¹CA0 = 1,5 mol/L
CA = mol/L
4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна
V = 800 LQ = 25 L/minX = ?

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,12 min⁻¹) відбувається в CSTR об’ємом 800 L з витратою живлення 25 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 800 LQ = 25 L/mink = 0,12 min⁻¹
X = %
5.Хімічна рівновагаСередня
H2​I2​HII0,10,10C−x−x+2xE0,1 − x0,1 − x2x

У посудину вносять 0,1 mol/L H₂ і 0,1 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, Kc = 49. Знайдіть рівноважну концентрацію [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LKc = 49
[H2] = mol/L
6.Хімічна рівновагаСкладна
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,08 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 0,4 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,08
[Cl2] = mol/L
7.Матеріальний балансСередня
ЗмішувачПотік 1200 kg/h · 35% NaOHПотік 2ṁ₂ = ? · 20% NaOHПродукт30% NaOH

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

ṁ1 = 200 kg/hx1 = 35 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
8.Матеріальний балансСкладна
ВипарникЖивлення F4000 kg/h · 17% сільПродукт PP = ? · 30%Пара W (чиста вода)0% сіль

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

F = 4000 kg/hxF = 17 %xP = 30 %
P = kg/h

3Розчини

1.Хімічна кінетика

Відповідь: k = 0,21 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(0,5/0,175)/5 = 1,05/5 = 0,21 min⁻¹

Відповідь

k = 0,21 min⁻¹
2.Хімічна кінетика

Відповідь: n = 3

Метод початкових швидкостей: для r = k·Cⁿ порівняння двох дослідів, що відрізняються лише початковою концентрацією, виключає k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Подвоєння C подвоює швидкість для першого порядку й збільшує її вчетверо для другого.

Відношення

r2/r1 = 0,096/0,012 = 8
C2/C1 = 0,4/0,2 = 2

Порядок

n = ln(8)/ln(2) = 3

Відповідь

n = 3
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: CA = 1,111 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 = 200/100 = 2 min

Вихідна концентрація

CA = 1,5·e−0,15·2 = 1,111 mol/L

Відповідь

CA = 1,111 mol/L

Конверсія: X = 25,92%.

4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 79,34 %

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 = 800/25 = 32 min, kτ = 0,12·32 = 3,84

Конверсія

X = kτ/(1 + kτ) = 3,84/(1 + 3,84) = 79,34%

Відповідь

X = 79,34%
5.Хімічна рівновага

Відповідь: [H2] = 0,02222 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/(0,1 − x)²

Добудьте квадратний корінь

7 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7/(2 + 7) = 0,07778 mol/L

Рівноважна концентрація

[H₂] = 0,1 − x = 0,02222 mol/L

Відповідь

[H2] = 0,02222 mol/L
6.Хімічна рівновага

Відповідь: [Cl2] = 0,1433 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

0,08 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,08·x − 0,032 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,032))/2 = 0,1433 mol/L

Рівноважна концентрація

[Cl₂] = x = 0,1433 mol/L

Відповідь

[Cl2] = 0,1433 mol/L
7.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ2 = 100 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
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Виразіть ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 200·(35 − 30)/(30 − 20) = 100 kg/h

Відповідь

ṁ2 = 100 kg/h
8.Матеріальний баланс

Відповідь: P = 2267 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 = 4000·17/30 = 2267 kg/h

Відповідь

P = 2267 kg/h

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