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 min0,75

У реакції першого порядку концентрація A зменшується від 1,5 mol/L до 0,75 mol/L за 5 min. Знайдіть константу швидкості k.

CA0 = 1,5 mol/LCA = 0,75 mol/Lt = 5 min
k = min⁻¹
2.Хімічна кінетикаСкладна
Tk20 °C0,0235 °C0,0894

Константа швидкості реакції — 0,02 min⁻¹ при 20 °C і 0,0894 min⁻¹ при 35 °C. Знайдіть енергію активації Ea.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 20 °Ck2 = 0,0894 min⁻¹T2 = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня
QX = 50%ті самі Q, k і X, що й для CSTR

Рідиннофазна реакція першого порядку має досягти 50% конверсії. У скільки разів CSTR має бути більшим за PFR при тій самій витраті живлення, константі швидкості й конверсії? Знайдіть відношення VCSTR/VPFR.

X = 50%перший порядок, ті самі k і Q
VCSTR/VPFR =
4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна
Q = 10 L/minX = ?V = 50 L

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,1 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 50 L з витратою живлення 10 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 50 LQ = 10 L/mink = 0,1 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 = 25. Знайдіть рівноважну концентрацію [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LKc = 25
[H2] = mol/L
6.Хімічна рівновагаСкладна
PCl5​PCl3​Cl2​I0,400C−x+x+xE0,4 − xxx

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, Kc = 0,01 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 0,4 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [PCl5].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LKc = 0,01
[PCl5] = mol/L
7.Матеріальний балансСередня
ЗмішувачПотік 1400 kg/h · 5% сільПотік 2ṁ₂ = ? · 35% сільПродукт25% сіль

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

ṁ1 = 400 kg/hx1 = 5 %x2 = 35 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
8.Матеріальний балансСкладна
ВипарникЖивлення F1300 kg/h · 17% цукорПродукт PP = ? · 30%Пара W (чиста вода)0% цукор

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

F = 1300 kg/hxF = 17 %xP = 30 %
P = kg/h

3Розчини

1.Хімічна кінетика

Відповідь: k = 0,1386 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(1,5/0,75)/5 = 0,6931/5 = 0,1386 min⁻¹

Відповідь

k = 0,1386 min⁻¹
2.Хімічна кінетика

Відповідь: Ea = 74,97 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 = 308,1 K

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8,314·1,497/(-1,661e-4) = 74973 J/mol
Ea = 74,97 kJ/mol

Відповідь

Ea = 74,97 kJ/mol
3.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: VCSTR/VPFR = 1,443

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.

k·τ для кожного реактора

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,5/0,5 = 1
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0,6931

Відношення об’ємів

VCSTR/VPFR = 1/0,6931 = 1,443

Відповідь

VCSTR/VPFR = 1,443

При високій конверсії різниця швидко зростає.

4.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 39,35 %

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 = 50/10 = 5 min, kτ = 0,1·5 = 0,5

Конверсія

X = 1 − e−kτ = 1 − e−0,5 = 39,35%

Відповідь

X = 39,35%
5.Хімічна рівновага

Відповідь: [H2] = 0,2286 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

25 = (2x)²/(0,8 − x)²

Добудьте квадратний корінь

5 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·5/(2 + 5) = 0,5714 mol/L

Рівноважна концентрація

[H₂] = 0,8 − x = 0,2286 mol/L

Відповідь

[H2] = 0,2286 mol/L
6.Хімічна рівновага

Відповідь: [PCl5] = 0,3416 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/(0,4 − x) → x² + 0,01·x − 0,004 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,004))/2 = 0,05844 mol/L

Рівноважна концентрація

[PCl₅] = 0,4 − 0,05844 = 0,3416 mol/L

Відповідь

[PCl5] = 0,3416 mol/L
7.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ2 = 800 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
сіль: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

Виразіть ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 400·(5 − 25)/(25 − 35) = 800 kg/h

Відповідь

ṁ2 = 800 kg/h
8.Матеріальний баланс

Відповідь: P = 736,7 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 = 1300·17/30 = 736,7 kg/h

Відповідь

P = 736,7 kg/h

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