화학공학기사 전문시험 특집 4: 화학반응공학

(7) 촉매와 반응 속도에 미치는 영향(다중 선택 문제): 화학 반응에 참여하지만, 반응 전후의 질량과 화학적 성질은 변하지 않습니다. 촉매는 정반응과 역반응의 속도를 변경할 수 있지만, 반응 열이나 반응 시스템의 초기 및 최종 상태는 바꿀 수 없습니다. 또한 평형 상태도 바꿀 수는 없지만, 평형에 도달하는 시간을 단축시킬 수 있습니다. 촉매 작용에는 선택성이 있습니다.

(8) 몇 가지 유용한 결론: 정수차 반응의 경우, 반응 속도는 전환율이 증가함에 따라 항상 감소합니다. 비가역적인 반응이나 가역적인 흡열 반응의 경우, 반응 속도는 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 가역적인 발열 반응의 경우, 온도가 최적일 때 반응 속도가 가장 빠릅니다. 가역적인 반응의 경우, 평형에 도달했을 때 반응 속도가 가장 낮습니다.

1). 자가촉매 반응에서, 전환율이 0이고 반응물이 없을 때의 반응 속도는 ( )
A. 최대
B. 극값점에 도달
C. 음수
D. 0

2). 등압 흐름 반응기에서 어떤 반응이 일어날 때, 만약 &a>0이라면, 공간 시간 T와 평균 체류 시간 t의 관계는 ( )
A. 같음
B. 작음
C. 큼
D. 비슷함

3). 촉매는 다음 중 무엇도 할 수 없습니다.
A. 반응 생성물을 변경하기
B. 반응의 평형을 변경하기
C. 반응 속도를 변경하기
D. 부반응을 억제하기

4). 연속 반응 A----B----D에서, 반응 속도 상수는 각각 K1, K2입니다. 만약 Ea2 > Ea1이라면, B가 생성되도록 하려면 원칙적으로 ( )
A. 온도를 높이기
B. 온도를 낮추기
C. D를 신속하게 제거하기
D. 반응 시간을 단축시키기

5). 어떤 반응의 엔탈피가 -150kJ/MOL이라면, 정반응의 활성화 에너지는 ( )
A. 결정할 수 없음
B. 150보다 큼
C. 150보다 작음
D. 150과 같음

6). CH3CHO 증기가 791K에서 열분해될 때, 압력이 48.3kPa일 때 t1/2=410s이고, 압력이 22.5kPa일 때 t1/2=880s입니다. 그렇다면 이 반응의 차수는 ( )
A. 0
B. 1
C. 2
D. 3

7). 어떤 반응의 활성화 에너지가 80kJ/MOL이고, 온도가 100°C에서 110°C로 상승할 때 반응 속도는 원래의 약 ( )배가 됩니다.
A. 1배
B. 2배
C. 3배
D. 4배

8). 반응 2A-----P는 2차 반응입니다. A가 1/3 소모되는 데 걸리는 시간과 2/3 소모되는 데 걸리는 시간의 차이가 9s입니다. 그렇다면 반응의 반감기는 ( )
A. 6s
B. 8s
C. 12s
D. 16s

9). 어떤 1차 액상 반응에서, 온도 T일 때 초기 반응 속도는 r0=1*10^-5 mol.dm^-3.s^-1이고, 1시간 후의 반응 속도는 r1=3.26*10^-6 mol.dm^-3.s^-1입니다. 그렇다면 반응 속도 상수는 ( )
A. 3.11*10^-4 s
B. 2.11*10^-4 s
C. 4*10^-4 s
D. 결정할 수 없음

10). 25°C에서 NaOCl의 분해 속도 상수 k=0.0093s^-1이고, 30°C에서는 k=0.014s^-1입니다. 그렇다면 40°C에서 99%가 분해되려면 몇 초가 필요할까요? A 60 B 139 C 270 D 360 B

2. 사례 지식 1). 간헐 교반 탱크형 반응기에서 균일상 반응 A+B-----P이 일어난다. 반응 동역학식은 -rA=k*CA*CB로, 여기서 kmol.m^-3.h^-1이며, k의 값은 10^4m^3.kmol^-1.h^-1이다. 반응물의 초기 농도가 모두 4mol.m^-3이고, A의 전환율이 0.8일 때, 이 반응기는 시간당 평균 41.04mol의 반응물 A를 처리할 수 있다.이제 반응은 내경이 125mm인 평풍류 반응기를 사용하여 진행하며, 그 외의 운전 조건은 변하지 않는다. 반응기의 길이를 구하시오. CA0=CB0이므로, -rA=k*CA^2가 됩니다. 반응 시간 tr은 CA0*f dXA/(-rA) = XA/KCA0*(1-XA)로 계산되며, 그 값은 0.1시간입니다. 이 반응 시간이 바로 평흐름 반응기의 체류 시간입니다. 따라서 r0 = FA0/CA0 = 41.04/4 = 10.26 m³/h입니다. V = r0*t = 10.26*0.1 = 1.026 m³입니다. 관의 길이 L = V/0.785d² = 0.1026/0.785/0.125/0.125 = 84m입니다.

2) 어떤 2단계 액상 비가역 반응에서, 초기 농도가 5 kmol/m³일 때 반응이 특정 농도에 도달하는 데 285초가 걸리고, 초기 농도가 1 kmol/m³일 때는 같은 농도에 도달하는 데 283초가 걸립니다. 그렇다면 초기 농도가 5 kmol/m³에서 1 kmol/m³가 되는 데는 얼마나 시간이 걸릴까요?. deta T=285-283=2초, 반응 전후 부피가 변하지 않는 가역 반응으로, 이미 반응한 부분은 반응에 아무런 영향을 미치지 않는다.반응 과정에서 어느 순간이든 초기 시점이자 종료 시점으로 삼을 수 있다. 3). 반감기가 20시간인 방사성 유체가 0.1m³/h의 속도로 서로 직렬로 연결된 40m³ 용량의 전혼합식 반응기 두 개를 통과할 때, 그 방사능은 얼마만큼 감소하나요? 방사성은 1차 반응 법칙을 따른다.따라서 k=Ln2/k=0.693/20=0.03465h^-1이며, 전혼합식 반응기의 경우 T=CA0-CAf/-rA입니다. 이는 첫 번째 반응기에 해당합니다.40/0.1 = (CA0 – CAf) / kCA0(1 – XA), XA = 0.9327입니다. 두 번째 반응기에서도 전환율은 여전히 0.9327입니다. 따라서 총 전환율은 (CA0 – CA0(1 – XA)(1 – XB)) / CA0 = 1 – (1 – 0.9327)(1 – 0.9327) = 0.9955가 됩니다. 4). 액상에서의 복잡한 반응: A + B → P(1)；A+P------S(2): 초기 농도는 CA0=2.0mol/l, CB0=4.0mol/l이며, CP0와 CS0는 0입니다. 간헐 반응기에서 반응이 일어나고, CA의 농도는 0.3MOL/L, CB의 농도는 2.4MOL/L로 측정되었습니다. 그렇다면 P와 S의 농도는 각각 얼마인가요?B를 기준으로 할 때, 반응물 B의 선택성과 생성물 수율은 얼마인가? 1소모된 A=(CB0-CB)=4-2.4=1.6；반응 2에서 소모되는 A의 양은 (2-0.3)-1.6=0.1이므로, Cs=0.1이 됩니다. 생성물 P의 농도는 생성된 P의 양에서 소모된 P의 양을 뺀 값으로, Cp=1.6-0.1=1.5가 됩니다. B를 기준으로 할 때, 반응의 선택성은 B=Cp/(CB0-CB)=1.5/4-2.4=0.9375가 됩니다. 생성물 P의 수율은 Cp/CB0=1.5/4=0.375입니다. 5) 특정 기상 일차 분해 반응: A-----3P；등온 관형 반응기에서 진행하며, 원료에는 50%가 반응성 물질이고 50%가 불활성 물질이며, 체류 시간은 10분입니다. 이때 시스템 출구의 부피 유량은 원래 값의 1.5배가 됩니다. 이 조건에서 A의 전환율과 반응 속도 상수를 구하시오. 팽창 인자 SA=3-1/1=2, 팽창률 EA=SA*yA0=2*0.5=1
V=V0(1+EA*XA), V/V0=1.5, XA=0.5
T=CA0*f dXA/(-rA)=f dXA/(k*(1-XA)/(1+XA)), T=10, XA=0.5일 때 k의 값은 0.08863L/min이다

이 게시물은 마지막으로 zhanghp30에 의해 2020-1-16 10:40에 수정되었습니다. 6)*. PFR 내에서 650°C의 등온 조건 하에서 부틸렌의 산화 탈수 반응을 통해 부타디엔이 생산됩니다. 반응식은 C4H8(A) → C4H6 + H2입니다. 반응 속도는 -rA = kPA·kmol/m³·h입니다. 원료 가스는 부틸렌과 수증기의 혼합물이며, 그 몰비는 1입니다. 작동 압력은 0.10133 MPa이며, 650°C에서의 k값은 106.48 kmol/m³·h·MPa입니다. 부틸렌의 전환율은 0.9입니다. 그렇다면 공기의 비율은 얼마여야 할까요? T = CA0·f·dXA/kPA, PA = CA·RT, SA = 1 + 1 – 1/1 = 1이므로, CA = CA0·(1–XA)/(1 + 0.5XA)가 됩니다. 따라서 T = f·(1 + 0.5XA)·dXA/(kRT·(1–XA)) = 13.2초입니다. 액상 자가촉매 반응 A + P → P + P에서, -rA = k·CACP입니다. 등온 간헐 반응기를 이용해 반응 속도를 측정한 결과, CA0 = 0.95몰/L, CP0 = 0.05몰/L였습니다. 1시간이 지나자 반응 속도가 최대값에 도달했으며, 이 온도에서의 반응 속도 상수를 구해보겠습니다. -rA = kCA*(1-CA), d(-rA)/dCA = 0이므로, CA = 0.5몰/리터가 됩니다. 또한, T = -f dCA/k*CA(1-CA)입니다. 이 식을 적분하고 T=1을 대입하면, k의 값은 2.944리터/몰·시간으로 구해집니다. 6번과 7번 문제는 고등수학에 대한 충분한 지식이 필요합니다. 이러한 문제들은 설명이 간단하고 풀이 과정도 간단하지만, 자주 출제되는 유형이므로 주의해야 합니다! 8)*. CSTR 반응기에서는 다음과 같은 반응이 일어납니다: 4NH3(A) + 6HCHO(B) = (CH2)6N4(P) + 6H2O(S). 반응기의 부피는 490cm3이며, 교반 속도는 1800r/min입니다. 반응 동역학 관계식은 -rA = kCACB²이며, 여기서 K = 1.42×10³·E^-3090/T입니다. A의 농도는 4.06mol/l이고, B의 농도는 6.32mol/l입니다. 두 물질의 유량은 모두 1.5cm3/s입니다. 반응 온도는 36°C입니다. 이때 반응기 출구에서의 농도인 Caf와 Cbf를 구해보세요. 입구에서의 농도는 CA0 = 4.06/2 = 2.03, CB0 = 6.32/2 = 3.16입니다. 따라서 CA = CA0(1-XA), CB = CB0 – 3/2CA0가 됩니다. 그러면 r*(CA0-CA)/-rA = VR이 되며, r = 3cm³/s입니다. 각 값들을 대입하여 계산하면 XA = 0.82가 됩니다. 따라서 CA = 0.365MOL/L, CB = 0.663MOL/L가 됩니다.

9)*. 전혼합형 반응기에서는 가역 반응이 일어납니다: A + B → R + S. 여기서 k1 = 7m³/kmol·min, k-1 = 3m³/kmol·min입니다. A와 B의 유량은 각각 0.004m³/min입니다. 투입되는 물질 중 A와 B의 농도는 각각 2.8kmol/m³, 1.6kmol/m³입니다. VR = 0.12m³입니다. 이때 B의 전환율은 얼마인가요? r=0.008m3/min, CA0=2.8/2=1.4, CB0=1.6/2=0.8이다. B의 전환율을 CB=CB0(1-XB)=0.8(1-XB)로 가정하고, CA=CA0-CB0XB=1.4-0.8XB, CS=0.8XB=CR - rB=K1CACB-K-1*CR로 표현된다. 따라서 CS=2.56XB^2-12.32XB+7.84가 된다. 또한 T=VR/r=0.12/0.008=15분이며, XB=0.75이다. 10) 연속 반응 A------P-------S에서 K1=0.15MIN^-1, K2=0.05MIN^-1이며, 공급 유량은 0.5m3/min이다. CA0는 0이 아니고, CP0=CS0=0이다. 부피가 1m3인 CSTR에서 P의 수율을 구하시오. T=1/0.5=2분, YP=CP/CA0=K1T/(1+K1T)(1+K2T)=0.21

이 부분은 제 약점이라, 인쇄해서 꼼꼼히 공부해볼 생각입니다~~

글쓴이는 복잡한 반응(병렬, 연쇄)에 대해 요약을 한 것 같지 않네요.

복습 튜토리얼에 있어요. 제가 일하는 시간이 빠듯해서, 이런 유형의 문제만 만들 수 있어요. 이런 문제는 시험에서 출제될 가능성이 아주 높아요!모르겠으면 직접 책을 찾아봐요.

지난 시험에서 이 부분에서 손해를 봤으니, 이번에는 반드시 만회해야 해