التدريب لاختبار FE للهندسة الكيميائية: حزمة المراجعة المكثفة

أوراق القوانين، وأهم خطوات الحل لكل موضوع، و24 مسألة تدريبية، مع الحلول الكاملة في الخلف.

مسائل جديدةالعودة إلى المقرّر

في نافذة الطباعة اختر «حفظ بصيغة PDF» لحفظ نسخة على جهازك.

1القوانين وطرق الحل

موازنة الكتلة

الحالة المستقرة
الداخل = الخارج
الموازنة الكلية
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
موازنة المكوّن
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
المبخّر
F·xF = P·xP, W = F − P

موازنة الطاقة

الحرارة المحسوسة
Q = ṁ·cp·ΔT
الحرارة الكامنة
Q = ṁ·hfg
الخلط
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
الماء
cp ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

قانون الغاز المثالي

قانون الغاز المثالي
pV = nRT
ثابت الغاز
R = 8,314 J/(mol·K)
قانون الغاز العام
p1V1/T1 = p2V2/T2
المولات
n = m/M
درجة الحرارة
T[K] = T[°C] + 273,15

الحسابات الكيميائية

المولات
n = m/M
التركيز
c = n/V
النسبة المولية
استخدم معاملات المعادلة الموزونة
المتفاعل المحدِّد
المتفاعل الذي ينفد أولًا
المردود المئوي
الفعلي / النظري × 100%

الطريقة

  1. اكتب المعادلة الكيميائية ووازنها.
  2. حوّل الكتلة المعطاة إلى مولات: n = m/M.
  3. استخدم المعاملات كنسبة مولية لإيجاد مولات المادة المطلوبة.
  4. حوّل مرة أخرى إلى كتلة بـ m = n·M. مع متفاعلين، أوجد المتفاعل المحدِّد أولًا.

الاتزان الكيميائي

ثابت الاتزان
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
جدول ICE
ابتدائي، تغيّر (×المعامل)، اتزان
المعادلة التربيعية
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

الطريقة

  1. اكتب Kc بالنواتج على المتفاعلات، كلٌّ مرفوع إلى قوة معامله.
  2. أنشئ جدول ICE: الابتدائي، والتغيّر (بخطوات x مضروبة في المعاملات)، والاتزان.
  3. عوّض تعابير الاتزان في Kc وحلّ لإيجاد x.
  4. تحقّق مما إذا كانت x صغيرة بما يكفي للتقريب؛ وإلا فحلّ المعادلة التربيعية.

قياس الحرارة (المسعرية) والإنثالبي

الحرارة
q = m·c·ΔT
الماء
c = 4,18 J/(g·°C)
المسعر
الحرارة المفقودة = الحرارة المكتسبة
إنثالبي التفاعل
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

حركية التفاعلات

الرتبة الأولى
ln(CA/CA0) = −kt
عمر النصف (الرتبة الأولى)
t½ = ln 2/k
الرتبة الثانية
1/CA = 1/CA0 + kt
أرينيوس
k = A·e−Ea/(RT)
درجتا حرارة
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الزمن الفراغي
τ = V/Q
CSTR، رتبة أولى
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR، رتبة أولى
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
التحوّل من الحجم
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
N مفاعلات CSTR متساوية على التوالي
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

المبادلات الحرارية (LMTD)

معدّل انتقال الحرارة
Q = U·A·ΔTlm
متوسط فرق درجات الحرارة اللوغاريتمي
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
موازنة التيارات
Q = ṁcp(Tin − Tout)

التوصيل الحراري

قانون فورييه
Q̇ = kAΔT/L
مقاومة التوصيل الحراري
R = L/(kA)
مقاومة الحمل الحراري
R = 1/(hA)
مقاومات على التوالي
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
قيمة U
U = 1/(ΣR·A)

احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

عدد رينولدز
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
نظام الجريان
صفائحي تحت Re ≈ 2000، مضطرب فوق Re ≈ 4000
السرعة المتوسطة
V = Q/A, A = π·D²/4
دارسي–فايسباخ
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
الفواقد الثانوية
hm = ΣK·V²/(2g)
قيم K النموذجية
المدخل 0,5، المخرج 1,0، كوع 90° ≈ 0,3
هبوط الضغط
Δp = ρ·g·hf
خزانان مفتوحان
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
مخرج حر
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

المضخات وقدرة المضخات

القدرة الهيدروليكية
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
قدرة العمود
Pshaft = Ph/ηpump
القدرة الكهربائية
Pel = Pshaft/ηmotor
سمت المضخة
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
فواقد المنظومة
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2مسائل تدريبية

1.موازنة الكتلةمتوسطة
الخلّاطالتيار 1700 kg/h · 40% NaOHالتيار 2ṁ₂ = ? · 10% NaOHالمنتج30% NaOH

كم من التيار 2 يجب إضافته كل ساعة إلى التيار 1 حتى يحتوي المنتج المخلوط على 30% من NaOH؟ أوجد ṁ2.

ṁ1 = 700 kg/hx1 = 40 %x2 = 10 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.موازنة الكتلةصعبة
المبخّرالتغذية F1600 kg/h · 5% السكرالمنتج P60% السكرالبخار W (ماء نقي)W = ? kg/h

يركّز مبخّر محلولًا من السكر بتبخير ماء نقي. أوجد الماء المتبخّر W بوحدة kg/h.

F = 1600 kg/hxF = 5 %xP = 60 %
W = kg/h
3.موازنة الطاقةمتوسطة
الجانب الساخنالجانب الباردالإيثانول · 120 °C70 °Cماء · 30 °Ct = ? °C

يبرّد الإيثانول ساخن الماءَ في مبادل حراري متعاكس الجريان دون فقد حراري. أوجد درجة حرارة الماء الخارج tout.

ṁh = 2,5 kg/scp,h = 2,44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)tin = 30 °C
tout = °C
4.موازنة الطاقةصعبة
الجانب الساخنالجانب الباردزيت خفيف · 130 °C70 °Cماء · 10 °C60 °C · ṁ = ?فقد 15%

يسخّن زيت خفيف ساخن الماءَ في مبادل يفقد إلى المحيط 15% من الحرارة التي يطلقها التيار الساخن. أوجد تدفّق الماء اللازم ṁc.

ṁh = 3 kg/scp,h = 2,1 kJ/(kg·K)Th: 130 → 70 °Ct: 10 → 60 °Ccp,c = 4,18 kJ/(kg·K)الفقد = 15 %
ṁc = kg/s
5.قانون الغاز المثاليمتوسطة
60 g من ArP = 650 kPaT = 35 °CV = ?

ما الحجم V الذي يشغله 60 g من Ar عند 650 kPa و 35 °C؟ اعتبره غازًا مثاليًا.

m = 60 gM = 39,95 g/molP = 650 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)
V = L
6.قانون الغاز المثاليصعبة
الحالة 1الحالة 2

كمية ثابتة من N₂ تنتقل من 100 kPa، 2 L، 20 °C إلى 100 kPa و 60 °C. أوجد الحجم الجديد V2.

P1 = 100 kPaV1 = 2 LT1 = 20 °CP2 = 100 kPaT2 = 60 °C
V2 = L
7.الحسابات الكيميائيةمتوسطة
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 3/ν× M(CO2​)

يتفاعل 16 g من C3H8 و24 g من O2 وفق C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O. ما كتلة m من CO2 التي يمكن أن تتكون؟

M(C3H8) = 44,1M(O2) = 32M(CO2) = 44,01 g/mol
m = g
8.الحسابات الكيميائيةصعبة
m(Mg)n(Mg)n(MgO)m(MgO)÷ M(Mg)× 2/2× M(MgO)

في التفاعل 2Mg + O2 → 2MgO، يتفاعل 24 g من Mg تمامًا (المتفاعلات الأخرى بكميات زائدة) ويُجمع 32,62 g من MgO. أوجد المردود المئوي Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molالفعلي: 32,62 g
Y = %
9.الاتزان الكيميائيمتوسطة
H2​I2​HII0,50,50C−x−x+2xE0,5 − x0,5 − x2x

يوضع 0,5 mol/L من H₂ و 0,5 mol/L من I₂ في وعاء فيتفاعلان: H₂ + I₂ ⇌ 2HI، مع Kc = 64. أوجد تركيز الاتزان [H2].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LKc = 64
[H2] = mol/L
10.الاتزان الكيميائيصعبة
PCl5​PCl3​Cl2​I0,200C−x+x+xE0,2 − xxx

يتفكك PCl₅: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂، مع Kc = 0,05 عند درجة حرارة التفاعل. يحتوي الوعاء في البداية على 0,2 mol/L من PCl₅ فقط. أوجد تركيز الاتزان [Cl2].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LKc = 0,05
[Cl2] = mol/L
11.قياس الحرارة (المسعرية) والإنثالبيمتوسطة
Tf​ = ?النحاسm = 150 gT = 150 °Cc = 0,385 J/(g·°C)ماءm = 400 gT = 19 °Cc = 4,18 J/(g·°C)

قطعة من النحاس كتلتها 150 g (c = 0,385 J/(g·°C)) عند 150 °C تُلقى في 400 g من الماء (c = 4,18 J/(g·°C)) عند 19 °C في كوب معزول. أوجد درجة الحرارة النهائية Tf.

mmetal = 150 gcmetal = 0,385 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 400 gTwater = 19 °Ccwater = 4,18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.قياس الحرارة (المسعرية) والإنثالبيصعبة
H250 g C3​H8​C3​H8​ + 5O₂المتفاعلات3CO₂ + 4H₂O(l)النواتجq = ?

استخدم إنثالبيات التكوين القياسية لإيجاد الحرارة q المنطلقة عند الاحتراق الكامل لـ 250 g من C3H8 (M = 44,1 g/mol): C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). أعطِ q عددًا موجبًا.

ΔH°f(C3H8) = −103,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.حركية التفاعلاتمتوسطة
t (min)C (mol/L)2 minC = ?

لتفاعل قانون سرعته −rA = k·CA² قيمة k = 0,5 L/(mol·min) ويبدأ من 1,5 mol/L. أوجد التركيز CA بعد 2 min.

k = 0,5 L/(mol·min)CA0 = 1,5 mol/Lt = 2 min
CA = mol/L
14.حركية التفاعلاتصعبة
Tk30 °C0,0260 °C?

لتفاعل ثابت سرعة 0,02 min⁻¹ عند 30 °C وطاقة تنشيط 80 kJ/mol. أوجد ثابت السرعة k2 عند 60 °C.

k1 = 0,02 min⁻¹T1 = 30 °CT2 = 60 °CEa = 80 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)متوسطة
QX = 95%Q و k و X نفسها كما في CSTR

يجب أن يبلغ تفاعل من الرتبة الأولى في الطور السائل تحوّلًا بنسبة 95%. كم مرة يجب أن يكون CSTR أكبر من PFR لمعدل التغذية وثابت المعدل والتحوّل أنفسها؟ أوجد النسبة VCSTR/VPFR.

X = 95%رتبة أولى، k و Q نفسيهما
VCSTR/VPFR =
16.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)صعبة
V = 1000 LV = 1000 LQ = 80 L/minX = ?

تفاعل من الرتبة الأولى في الطور السائل (k = 0,25 min⁻¹) يجري في مفاعلي CSTR متساويين على التوالي، حجم كل منهما 1000 L. معدل التغذية 80 L/min، والكثافة ثابتة والمفاعلان في الحالة المستقرة. أوجد التحوّل الكلي X بالنسبة المئوية.

V = 1000 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,25 min⁻¹
X = %
17.المبادلات الحرارية (LMTD)متوسطة
الطولT120 °C70 °C80 °C20 °CΔT₁ΔT₂جريان متعاكس

ينقل مبادل حراري متعاكس الجريان 490 kW. يبرد المائع الساخن من 120 إلى 70 °C ويسخن المائع البارد من 20 إلى 80 °C. معامل انتقال الحرارة الكلي 800 W/(m²·K). أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.

Q̇ = 490 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 120 → 70 °CTc: 20 → 80 °C
A = m²
18.المبادلات الحرارية (LMTD)صعبة
الطولT140 °C115 °C30,32 °C20 °CΔT₁ΔT₂جريان متعاكس

يبرد زيت ساخن (1,5 kg/s، cp = 2,3 kJ/(kg·K)) من 140 إلى 115 °C في مبادل متعاكس الجريان. وهو يسخّن 2 kg/s من الماء (cp = 4,18 kJ/(kg·K)) الداخل عند 20 °C. مع U = 300 W/(m²·K)، أوجد مساحة انتقال الحرارة المطلوبة A.

ṁh = 1,5 kg/scp,h = 2,3 kJ/(kg·K)Th: 140 → 115 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4,18 kJ/(kg·K)Tc,in = 20 °CU = 300 W/(m²·K)
A = m²
19.التوصيل الحراريمتوسطة
الخرسانة, k = 1,4200 mmألواح الجبس, k = 0,1775 mm25 °C-11 °CTi​ = ?Q̇

جدار مكوّن من 200 mm من الخرسانة و 75 mm من ألواح الجبس، ومساحته 12 m². الوجهان الخارجيان عند 25 °C و -11 °C. أوجد درجة الحرارة Ti عند السطح الفاصل بين الطبقتين.

L1 = 200 mm, k1 = 1,4 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T1 = 25 °CT3 = -11 °C
Ti = °C
20.التوصيل الحراريصعبة
الخشب, k = 0,17100 mmالخرسانة, k = 1,425 mmالغرفة 21 °Cالخارج -3 °CQ̇

جدار من 100 mm الخشب و 25 mm الخرسانة يفصل غرفة عند 21 °C عن الهواء الخارجي عند -3 °C. معاملا الحمل 10 W/(m²·K) في الداخل و 30 W/(m²·K) في الخارج، ومساحة الجدار 15 m². أوجد معامل انتقال الحرارة الكلي U للجدار.

L1 = 100 mm, k1 = 0,17 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 30 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
21.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتمتوسطة
V = 1,5 m/sD = 75 mmL = 150 mf = 0,02

يجري ماء (ρ = 1000 kg/m³) بسرعة 1,5 m/s في أنبوب أفقي طوله 150 m وقطره الداخلي 75 mm. استخدم معامل احتكاك دارسي f = 0,02 و g = 9,81 m/s². أوجد هبوط الضغط Δp على امتداد الأنبوب بالـ kPa.

V = 1,5 m/sL = 150 mD = 75 mmf = 0,02ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.احتكاك الأنابيب وفاقد السمتصعبة
K = 5مخرج حرH = ?L = 150 m, D = 300 mm, f = 0,0183× كوع (K = 0,3)

أنبوب طوله 150 m وقطره الداخلي 300 mm (معامل احتكاك دارسي f = 0,018) يمتدّ من خزان مفتوح ويصبّ كنفّاثة حرة في الهواء. الفواقد الثانوية هي: مدخل حاد الحافة (K = 0,5)، و 3 أكواع (K = 0,3 لكل منها) وصمام (K = 5). استخدم g = 9,81 m/s². كم يجب أن يرتفع سطح الخزان H فوق مخرج الأنبوب للحصول على معدل تدفق 75 L/s؟

Q = 75 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,018Kentrance = 0,5Kbend = 0,3 (×3)Kvalve = 5
H = m
23.المضخات وقدرة المضخاتمتوسطة
PQ = 20 L/sH = 78 m

مضخة تدفع 20 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) ضد سمت 78 m. كفاءة المضخة 82% وكفاءة المحرّك الكهربائي الذي يشغّلها 94%. استخدم g = 9,81 m/s². أوجد القدرة الكهربائية Pel التي يسحبها المحرّك، بالـ kW.

Q = 20 L/sH = 78 mηpump = 82%ηmotor = 94%g = 9,81 m/s²
Pel = kW
24.المضخات وقدرة المضخاتصعبة
PQ = 120 L/sΔz = 13 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0,015, ΣK = 4

مضخة تنقل 120 L/s من الماء (ρ = 1000 kg/m³) من خزان سفلي مفتوح إلى خزان علوي سطح مائه أعلى بـ 13 m. طول الأنبوب 200 m وقطره الداخلي 250 mm ومعامل احتكاك دارسي f = 0,015؛ ومجموع معاملات الفواقد الثانوية ΣK = 4 (بما فيها المدخل والمخرج). استخدم g = 9,81 m/s². أوجد السمت H الذي يجب أن تضيفه المضخة.

Q = 120 L/sΔz = 13 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 4
H = m

3المحاليل

1.موازنة الكتلة

الإجابة: ṁ2 = 350 kg/h

موازنة الكتلة في الحالة المستقرة: الداخل = الخارج للكلي ولكل مكوّن. مسائل الخلط تجمع الاثنين.

الموازنات

Total: ṁ3 = ṁ1 + ṁ2
NaOH: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3

حلّ لإيجاد ṁ2

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 700·(40 − 30)/(30 − 10) = 350 kg/h

الإجابة

ṁ2 = 350 kg/h
2.موازنة الكتلة

الإجابة: W = 1467 kg/h

المكوّن الرابط: المكوّن الذي يمرّ دون تغيّر في تيار واحد (هنا المذاب) يربط التدفّقات مباشرة. ثم تعطي الموازنة الكلية الباقي.

موازنة المذاب

F·xF = P·xP → P = 1600·5/60 = 133,3 kg/h

الموازنة الكلية

W = F − P = 1600 − 133,3 = 1467 kg/h

الإجابة

W = 1467 kg/h
3.موازنة الطاقة

الإجابة: tout = 54,32 °C

موازنة طاقة المبادل: دون فقد، ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin).

الحرارة التي يطلقها التيار الساخن

Q = 2,5·2,44·(120 − 70) = 305 kW

الحرارة التي يكتسبها الماء

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 30 + 305/(3·4,18) = 54,32 °C

الإجابة

tout = 54,32 °C
4.موازنة الطاقة

الإجابة: ṁc = 1,537 kg/s

موازنة الطاقة مع الفقد: الحرارة المنطلقة = الحرارة الممتصة + الحرارة المفقودة.

الحرارة المنطلقة

Qh = 3·2,1·(130 − 70) = 378 kW

الحرارة التي تصل إلى الماء

Qc = (1 − 0,15)·378 = 321,3 kW

تدفّق الماء

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 321,3/(4,18·50) = 1,537 kg/s

الإجابة

ṁc = 1,537 kg/s
5.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V = 5,92 L

قانون الغاز المثالي: PV = nRT، مع n = m/M.

المولات

n = 60/39,95 = 1,502 mol
T = 35 + 273,15 = 308,1 K

الحجم

V = nRT/P = 1,502·8,314·308,1/650 = 5,92 L

الإجابة

V = 5,92 L
6.قانون الغاز المثالي

الإجابة: V2 = 2,273 L

قانون الغاز العام: لكمية ثابتة من غاز مثالي، P1V1/T1 = P2V2/T2.

درجات الحرارة المطلقة

T1 = 293,1 K, T2 = 333,1 K

قانون الغاز العام

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(100/100)·(333,1/293,1) = 2,273 L

الإجابة

V2 = 2,273 L
7.الحسابات الكيميائية

الإجابة: m = 19,8 g

الحسابات الكيميائية: المعادلة الموزونة تعدّ الجسيمات لا الغرامات. حوّل الكتلة إلى مولات بـ n = m/M، واستخدم معاملات المعادلة كنسبة مولية، ثم حوّل مجددًا بـ m = n·M. مع متفاعلين، المتفاعل المحدِّد هو الذي ينفد أولًا ويحدد كمية الناتج.

مولات كل متفاعل

n(C3H8) = 16/44,1 = 0,3628 mol
n(O2) = 24/32 = 0,75 mol

المتفاعل المحدِّد

0,3628/1 = 0,3628, 0,75/5 = 0,15 → O2

كتلة الناتج

n(CO2) = 0,15·3 = 0,45 mol
m = 0,45·44,01 = 19,8 g

الإجابة

m = 19,8 g
8.الحسابات الكيميائية

الإجابة: Y = 81,99 %

الحسابات الكيميائية: المعادلة الموزونة تعدّ الجسيمات لا الغرامات. حوّل الكتلة إلى مولات بـ n = m/M، واستخدم معاملات المعادلة كنسبة مولية، ثم حوّل مجددًا بـ m = n·M. مع متفاعلين، المتفاعل المحدِّد هو الذي ينفد أولًا ويحدد كمية الناتج.

المردود النظري

n(Mg) = 24/24,31 = 0,9872 mol
m = 0,9872·2/2·40,3 = 39,79 g

المردود المئوي

Y = 32,62/39,79·100 = 81,99%

الإجابة

Y = 81,99%
9.الاتزان الكيميائي

الإجابة: [H2] = 0,1 mol/L

الاتزان الكيميائي: للتفاعل aA + bB ⇌ cC + dD، ثابت الاتزان هو Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)، باستخدام التراكيز عند الاتزان. يربط جدول ICE (ابتدائي، تغيّر، اتزان) الكميات الابتدائية بكميات الاتزان من خلال مجهول واحد x مضروبًا في المعاملات.

عبارة الاتزان

64 = (2x)²/(0,5 − x)²

خذ الجذر التربيعي

8 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·8/(2 + 8) = 0,4 mol/L

تركيز الاتزان

[H₂] = 0,5 − x = 0,1 mol/L

الإجابة

[H2] = 0,1 mol/L
10.الاتزان الكيميائي

الإجابة: [Cl2] = 0,07808 mol/L

الاتزان الكيميائي: للتفاعل aA + bB ⇌ cC + dD، ثابت الاتزان هو Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)، باستخدام التراكيز عند الاتزان. يربط جدول ICE (ابتدائي، تغيّر، اتزان) الكميات الابتدائية بكميات الاتزان من خلال مجهول واحد x مضروبًا في المعاملات.

عبارة الاتزان

0,05 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,05·x − 0,01 = 0

حُلّ المعادلة التربيعية

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,01))/2 = 0,07808 mol/L

تركيز الاتزان

[Cl₂] = x = 0,07808 mol/L

الإجابة

[Cl2] = 0,07808 mol/L
11.قياس الحرارة (المسعرية) والإنثالبي

الإجابة: Tf = 23,37 °C

الحرارة والإنثالبي: تسخين مادة يتطلب q = m·c·ΔT. في المسعر، الحرارة التي يفقدها الجسم الساخن تساوي الحرارة التي يكتسبها الجسم البارد. ويُحسب تغيّر إنثالبي التفاعل من إنثالبيات التكوين: ΔH° = ΣΔH°f(النواتج) − ΣΔH°f(المتفاعلات)، كلٌّ مضروبًا في معامله.

موازنة الحرارة

150·0,385·(150 − Tf) = 400·4,18·(Tf − 19)

احسب درجة الحرارة النهائية

Tf = (57,75·150 + 1672·19)/(57,75 + 1672) = 23,37 °C

الإجابة

Tf = 23,37 °C
12.قياس الحرارة (المسعرية) والإنثالبي

الإجابة: q = 12584 kJ

الحرارة والإنثالبي: تسخين مادة يتطلب q = m·c·ΔT. في المسعر، الحرارة التي يفقدها الجسم الساخن تساوي الحرارة التي يكتسبها الجسم البارد. ويُحسب تغيّر إنثالبي التفاعل من إنثالبيات التكوين: ΔH° = ΣΔH°f(النواتج) − ΣΔH°f(المتفاعلات)، كلٌّ مضروبًا في معامله.

إنثالبي التفاعل

ΔH° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

الحرارة للكتلة المعطاة

n = 250/44,1 = 5,669 mol
q = n·|ΔH°/1| = 5,669·2220 = 12584 kJ

الإجابة

q = 12584 kJ
13.حركية التفاعلات

الإجابة: CA = 0,6 mol/L

سرعات التفاعل: لتفاعل من الرتبة الأولى −dC/dt = kC، لذا C = C₀·e−kt وعمر النصف ln 2/k لا يعتمد على التركيز. لتفاعل من الرتبة الثانية 1/C = 1/C₀ + kt. يزداد ثابت السرعة مع درجة الحرارة وفق أرينيوس: k = A·e−Ea/(RT).

القانون المتكامل من الرتبة الثانية

1/CA = 1/CA0 + kt = 0,6667 + 0,5·2 = 1,667 L/mol
CA = 1/1,667 = 0,6 mol/L

الإجابة

CA = 0,6 mol/L
14.حركية التفاعلات

الإجابة: k2 = 0,3486 min⁻¹

سرعات التفاعل: لتفاعل من الرتبة الأولى −dC/dt = kC، لذا C = C₀·e−kt وعمر النصف ln 2/k لا يعتمد على التركيز. لتفاعل من الرتبة الثانية 1/C = 1/C₀ + kt. يزداد ثابت السرعة مع درجة الحرارة وفق أرينيوس: k = A·e−Ea/(RT).

درجات الحرارة المطلقة

T1 = 303,1 K, T2 = 333,1 K

نسبة أرينيوس

ln(k2/k1) = −(80000/8,314)·(1/333,1 − 1/303,1) = 2,858
k2 = 0,02·e2,858 = 0,3486 min⁻¹

الإجابة

k2 = 0,3486 min⁻¹
15.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الإجابة: VCSTR/VPFR = 6,342

المفاعلات المثالية، تفاعل من الرتبة الأولى (−rA = k·CA) في الحالة المستقرة، مع الزمن الفراغي τ = V/Q. مفاعل CSTR تام الخلط، لذا يتفاعل الحجم كله عند تركيز المخرج المنخفض: τ = X/(k·(1 − X)) و CA = CA0/(1 + k·τ). في PFR تتفاعل كل شريحة من المائع كمفاعل دفعي صغير: τ = ln(1/(1 − X))/k و CA = CA0·e−k·τ. للتحوّل نفسه يحتاج CSTR دائمًا حجمًا أكبر من PFR.

k·τ لكل مفاعل

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,95/0,05 = 19
PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2,996

نسبة الحجوم

VCSTR/VPFR = 19/2,996 = 6,342

الإجابة

VCSTR/VPFR = 6,342

يتّسع الفرق بسرعة عند التحوّل العالي.

16.تحجيم المفاعلات (CSTR و PFR)

الإجابة: X = 94,12 %

المفاعلات المثالية، تفاعل من الرتبة الأولى (−rA = k·CA) في الحالة المستقرة، مع الزمن الفراغي τ = V/Q. مفاعل CSTR تام الخلط، لذا يتفاعل الحجم كله عند تركيز المخرج المنخفض: τ = X/(k·(1 − X)) و CA = CA0/(1 + k·τ). في PFR تتفاعل كل شريحة من المائع كمفاعل دفعي صغير: τ = ln(1/(1 − X))/k و CA = CA0·e−k·τ. للتحوّل نفسه يحتاج CSTR دائمًا حجمًا أكبر من PFR.

الزمن الفراغي

τ = V/Q = 1000/80 = 12,5 min, kτ = 0,25·12,5 = 3,125

التحوّل

C1/CA0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 3,125) = 0,2424
C2/CA0 = 1/(1 + kτ)² = 0,05877
X = 1 − 0,05877 = 94,12%

الإجابة

X = 94,12%
17.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: A = 13,67 m²

طريقة LMTD: يتغيّر فرق درجة الحرارة بين التيارين على طول المبادل، لذا تستخدم معادلة المعدّل متوسطه اللوغاريتمي: Q̇ = U·A·ΔTlm، مع ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)، حيث ΔT₁ و ΔT₂ الفرقان عند الطرفين. للدرجات نفسها عند الدخول والخروج، يعطي الجريان المتعاكس ΔTlm أكبر من الجريان المتوازي.

فروق درجة الحرارة عند الطرفين

في الجريان المتعاكس يقابل مدخل الساخن مخرج البارد، ويقابل مخرج الساخن مدخل البارد.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 120 − 80 = 40 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 70 − 20 = 50 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 50)/ln(40/50) = 44,81 K

المساحة

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 490000/(800·44,81) = 13,67 m²

الإجابة

A = 13,67 m²
18.المبادلات الحرارية (LMTD)

الإجابة: A = 2,814 m²

طريقة LMTD: يتغيّر فرق درجة الحرارة بين التيارين على طول المبادل، لذا تستخدم معادلة المعدّل متوسطه اللوغاريتمي: Q̇ = U·A·ΔTlm، مع ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)، حيث ΔT₁ و ΔT₂ الفرقان عند الطرفين. للدرجات نفسها عند الدخول والخروج، يعطي الجريان المتعاكس ΔTlm أكبر من الجريان المتوازي.

الحمل الحراري ودرجة حرارة الماء الخارج

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1,5·2,3·25 = 86,25 kW
Tc,out = 20 + 86,25/(2·4,18) = 30,32 °C

فروق درجة الحرارة عند الطرفين

في الجريان المتعاكس يقابل مدخل الساخن مخرج البارد، ويقابل مخرج الساخن مدخل البارد.

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 140 − 30,32 = 109,7 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 115 − 20 = 95 K

الفرق اللوغاريتمي المتوسط لدرجة الحرارة

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (109,7 − 95)/ln(109,7/95) = 102,2 K

المساحة

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 86250/(300·102,2) = 2,814 m²

الإجابة

A = 2,814 m²
19.التوصيل الحراري

الإجابة: Ti = 16,19 °C

المقاومة الحرارية: يتصرّف التدفّق الحراري المستقر عبر طبقات متوالية كالتيار عبر مقاومات متوالية: Q̇ = ΔT/ΣR، مع R = L/(kA) لطبقة موصلة و R = 1/(hA) لسطح بالحمل. الهبوط في درجة الحرارة عبر كل طبقة يتناسب مع مقاومتها.

مقاومات الطبقات

R1 = L1/(k1A) = (200/1000)/(1,4·12) = 0,0119 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0,17·12) = 0,03676 K/W

التدفّق الحراري

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 36/0,04867 = 739,7 W

درجة حرارة السطح الفاصل

تنخفض درجة الحرارة عبر الطبقة الأولى بمقدار Q̇·R₁.

Ti = T1 − Q̇·R1 = 25 − 739,7·0,0119 = 16,19 °C

الإجابة

Ti = 16,19 °C
20.التوصيل الحراري

الإجابة: U = 1,352 W/(m²·K)

المقاومة الحرارية: يتصرّف التدفّق الحراري المستقر عبر طبقات متوالية كالتيار عبر مقاومات متوالية: Q̇ = ΔT/ΣR، مع R = L/(kA) لطبقة موصلة و R = 1/(hA) لسطح بالحمل. الهبوط في درجة الحرارة عبر كل طبقة يتناسب مع مقاومتها.

مقاومات على التوالي

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·15) = 0,006667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0,17·15) = 0,03922 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(1,4·15) = 0,00119 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(30·15) = 0,002222 K/W
ΣR = 0,0493 K/W

المعامل الكلي

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,0493) = 1,352 W/(m²·K)

الإجابة

U = 1,352 W/(m²·K)
21.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

الإجابة: Δp = 45 kPa

الجريان في الأنابيب: يميّز عدد رينولدز Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ الجريان الصفائحي (Re أقل من نحو 2000) من الجريان المضطرب (فوق نحو 4000). يكلّف الاحتكاك على طول الأنبوب فاقد سمت دارسي–فايسباخ hf = f·(L/D)·V²/(2g). وتضيف الوصلات والصمامات والمدخل والمخرج فواقد ثانوية hm = ΣK·V²/(2g). بين سطحي خزانين مفتوحين تعطي معادلة الطاقة Δz = hf + hm، مع احتساب فاقد المخرج K = 1.

فاقد السمت

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(150/0,075)·1,5²/(2·9,81) = 4,587 m

هبوط الضغط

الأنبوب أفقي والسرعة لا تتغيّر، لذا تختزل معادلة الطاقة إلى Δp = ρ·g·hf.

Δp = ρ·g·hf = 1000·9,81·4,587 = 45000 Pa = 45 kPa

الإجابة

Δp = 45 kPa
22.احتكاك الأنابيب وفاقد السمت

الإجابة: H = 0,941 m

الجريان في الأنابيب: يميّز عدد رينولدز Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ الجريان الصفائحي (Re أقل من نحو 2000) من الجريان المضطرب (فوق نحو 4000). يكلّف الاحتكاك على طول الأنبوب فاقد سمت دارسي–فايسباخ hf = f·(L/D)·V²/(2g). وتضيف الوصلات والصمامات والمدخل والمخرج فواقد ثانوية hm = ΣK·V²/(2g). بين سطحي خزانين مفتوحين تعطي معادلة الطاقة Δz = hf + hm، مع احتساب فاقد المخرج K = 1.

السرعة المتجهة

V = Q/A = 0,075/0,07069 = 1,061 m/s
V²/(2g) = 0,05738 m

معاملات الفاقد

f·L/D = 0,018·150/0,3 = 9
ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 5 = 6,4

معادلة الطاقة

نفّاثة المخرج ما زالت تحمل سمت سرعتها؛ وهو ليس فاقدًا لكن يجب توفيره.

H = (1 + 9 + 6,4)·0,05738 = 0,941 m

الإجابة

H = 0,941 m
23.المضخات وقدرة المضخات

الإجابة: Pel = 19,85 kW

قدرة المضخة: القدرة المعطاة للماء هي القدرة الهيدروليكية Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. يجب أن يقدّم العمود أكثر من ذلك لأن المضخة تفقد جزءًا: Pshaft = Ph/ηpump، ويسحب المحرّك Pel = Pshaft/ηmotor. يُستنتج سمت المضخة H من معادلة الطاقة: الرفع الاستاتيكي + سمت الضغط + كل فواقد الاحتكاك والفواقد الثانوية.

القدرة الهيدروليكية

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·78 = 15,3 kW

قدرة العمود

Pshaft = 15,3/0,82 = 18,66 kW

القدرة الكهربائية

Pel = 18,66/0,94 = 19,85 kW

الإجابة

Pel = 19,85 kW
24.المضخات وقدرة المضخات

الإجابة: H = 17,87 m

قدرة المضخة: القدرة المعطاة للماء هي القدرة الهيدروليكية Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp. يجب أن يقدّم العمود أكثر من ذلك لأن المضخة تفقد جزءًا: Pshaft = Ph/ηpump، ويسحب المحرّك Pel = Pshaft/ηmotor. يُستنتج سمت المضخة H من معادلة الطاقة: الرفع الاستاتيكي + سمت الضغط + كل فواقد الاحتكاك والفواقد الثانوية.

السرعة المتجهة

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s
V²/(2g) = 0,3046 m

فواقد السمت

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12 + 4)·0,3046 = 4,874 m

سمت المضخة

السطحان مفتوحان وساكنان عمليًا، لذا تسقط حدود الضغط والسرعة.

H = Δz + hL = 13 + 4,874 = 17,87 m

الإجابة

H = 17,87 m

هذه مادة تدريب مستقلة. ExamProblems غير تابع للجهة التي تنظّم هذا الامتحان ولا معتمد منها، ويُستخدم اسم الامتحان لوصف المحتوى فقط. يُجري اختبار FE exam جهةُ NCEES، وهي غير تابعة لـ ExamProblems ولا تؤيده.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical