FE Chemical परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 24 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

द्रव्यमान संतुलन

स्थायी अवस्था
अंदर = बाहर
कुल संतुलन
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
घटक संतुलन
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
वाष्पित्र
F·xF = P·xP, W = F − P

ऊर्जा संतुलन

संवेद्य ऊष्मा
Q = ṁ·cp·ΔT
गुप्त ऊष्मा
Q = ṁ·hfg
मिश्रण
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
पानी
cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

आदर्श गैस नियम

आदर्श गैस नियम
pV = nRT
गैस नियतांक
R = 8.314 J/(mol·K)
संयुक्त गैस नियम
p1V1/T1 = p2V2/T2
मोल
n = m/M
तापमान
T[K] = T[°C] + 273.15

स्टॉइकियोमेट्री

मोल
n = m/M
सांद्रता
c = n/V
मोल अनुपात
संतुलित समीकरण के गुणांकों का उपयोग करें
सीमांत अभिकारक
वह जो सबसे पहले खत्म होता है
प्रतिशत उपज
वास्तविक / सैद्धांतिक × 100%

विधि

  1. रासायनिक समीकरण लिखें और संतुलित करें।
  2. दिए गए द्रव्यमान को मोल में बदलें: n = m/M।
  3. वांछित पदार्थ के मोल ज्ञात करने के लिए गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में उपयोग करें।
  4. m = n·M से वापस द्रव्यमान में बदलें। दो अभिकारकों के साथ पहले सीमांत अभिकारक ज्ञात करें।

रासायनिक साम्य

साम्य स्थिरांक
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE तालिका
प्रारंभिक, परिवर्तन (×गुणांक), साम्य
द्विघात समीकरण
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

विधि

  1. Kc को उत्पाद बटा अभिकारक के रूप में लिखें, हर एक को उसके गुणांक की घात पर।
  2. एक ICE तालिका बनाएँ: प्रारंभिक (Initial), परिवर्तन (Change, गुणांकों के x गुना के चरणों में), साम्य (Equilibrium)।
  3. साम्य व्यंजकों को Kc में रखें और x के लिए हल करें।
  4. जाँचें कि x सन्निकटन के लिए पर्याप्त छोटा है या नहीं; अन्यथा द्विघात समीकरण हल करें।

कैलोरीमिति और एन्थैल्पी

ऊष्मा
q = m·c·ΔT
पानी
c = 4.18 J/(g·°C)
कैलोरीमीटर
दी गई ऊष्मा = ली गई ऊष्मा
अभिक्रिया की एन्थैल्पी
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

अभिक्रिया गतिकी

प्रथम कोटि
ln(CA/CA0) = −kt
अर्धायु (प्रथम कोटि)
t½ = ln 2/k
द्वितीय कोटि
1/CA = 1/CA0 + kt
आरेनियस
k = A·e−Ea/(RT)
दो तापमान
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)

स्पेस टाइम
τ = V/Q
CSTR, प्रथम कोटि
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR, प्रथम कोटि
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
आयतन से रूपांतरण
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
श्रेणी में N समान CSTR
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

ऊष्मा विनिमयक (LMTD)

ऊष्मा भार
Q = U·A·ΔTlm
लघुगणकीय माध्य तापमान अंतर
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
धारा संतुलन
Q = ṁcp(Tin − Tout)

ऊष्मा चालन

फ़ूरिये नियम
Q̇ = kAΔT/L
चालन प्रतिरोध
R = L/(kA)
संवहन प्रतिरोध
R = 1/(hA)
श्रेणी प्रतिरोध
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U-मान
U = 1/(ΣR·A)

पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

रेनॉल्ड्स संख्या
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
प्रवाह व्यवस्था
Re ≈ 2000 से नीचे स्तरीय, Re ≈ 4000 से ऊपर विक्षुब्ध
औसत वेग
V = Q/A, A = π·D²/4
डार्सी–वाइसबाख
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
लघु हानियाँ
hm = ΣK·V²/(2g)
K के सामान्य मान
प्रवेश 0.5, निकास 1.0, 90° मोड़ ≈ 0.3
दाब पात
Δp = ρ·g·hf
दो खुले जलाशय
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
मुक्त निकास
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

पंप और पंप शक्ति

द्रवीय शक्ति
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
शाफ़्ट शक्ति
Pshaft = Ph/ηpump
विद्युत शक्ति
Pel = Pshaft/ηmotor
पंप शीर्ष
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
तंत्र हानियाँ
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2अभ्यास प्रश्न

1.द्रव्यमान संतुलनमध्यम
मिक्सरधारा 1500 kg/h · 35% नमकधारा 2ṁ₂ = ? · 10% नमकउत्पाद25% नमक

धारा 1 में हर घंटे धारा 2 की कितनी मात्रा मिलाई जाए ताकि मिश्रित उत्पाद में 25% नमक हो? ṁ2 ज्ञात कीजिए।

ṁ1 = 500 kg/hx1 = 35 %x2 = 10 %x3 = 25 %
ṁ2 = kg/h
2.द्रव्यमान संतुलनकठिन
वाष्पित्रफ़ीड F4400 kg/h · 6% NaOHउत्पाद PP = ? · 60%वाष्प W (शुद्ध पानी)0% NaOH

एक वाष्पित्र शुद्ध पानी उबालकर NaOH विलयन को सांद्र करता है। उत्पाद प्रवाह P को kg/h में ज्ञात कीजिए।

F = 4400 kg/hxF = 6 %xP = 60 %
P = kg/h
3.ऊर्जा संतुलनमध्यम
गर्म पक्षठंडा पक्षहल्का तेल · 150 °C60 °Cपानी · 20 °Ct = ? °C

गर्म हल्का तेल बिना ऊष्मा हानि वाले प्रतिप्रवाह ऊष्मा विनिमयक में पानी को ठंडा करता है। पानी का निर्गम तापमान tout ज्ञात कीजिए।

ṁh = 1.5 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 150 → 60 °Cṁc = 2 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 20 °C
tout = °C
4.ऊर्जा संतुलनकठिन
गर्म पक्षठंडा पक्षएथेनॉल · 130 °C90 °Cपानी · 30 °C70 °C · ṁ = ?10% हानि

गर्म एथेनॉल एक विनिमयक में पानी को गर्म करता है जो गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा का 10% परिवेश में खो देता है। आवश्यक पानी प्रवाह दर ṁc ज्ञात कीजिए।

ṁh = 2 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 130 → 90 °Ct: 30 → 70 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)हानि = 10 %
ṁc = kg/s
5.आदर्श गैस नियममध्यम
He का 400 gV = 10 LT = 45 °CP = ?

10 L की टंकी में 45 °C पर He का 400 g है। इसे आदर्श गैस मानकर दाब P ज्ञात कीजिए।

m = 400 gM = 4.003 g/molV = 10 LT = 45 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.आदर्श गैस नियमकठिन
CH₄, M = 16.04 g/molP = 750 kPaT = 20 °Cρ = ?

750 kPa और 20 °C पर CH₄ का घनत्व ρ आदर्श गैस मानकर ज्ञात कीजिए।

M = 16.04 g/molP = 750 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.स्टॉइकियोमेट्रीमध्यम
m(X)n(X)n(MgO)m(MgO)÷ M(X)× 2/ν× M(MgO)

10 g Mg और 10 g O2, 2Mg + O2 → 2MgO के अनुसार अभिक्रिया करते हैं। MgO का कितना द्रव्यमान m बन सकता है?

M(Mg) = 24.31M(O2) = 32M(MgO) = 40.3 g/mol
m = g
8.स्टॉइकियोमेट्रीकठिन
m(Fe2​O3​)n(Fe2​O3​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(Fe2​O3​)× 3/1× M(CO2​)

अभिक्रिया Fe2O3 + 3CO → 2Fe + 3CO2 में 24 g Fe2O3 पूरी तरह अभिक्रिया करता है (बाकी अभिकारक अधिक मात्रा में) और 18.06 g CO2 एकत्र होता है। प्रतिशत उपज Y ज्ञात करें।

M(Fe2O3) = 159.69 g/molM(CO2) = 44.01 g/molवास्तविक: 18.06 g
Y = %
9.रासायनिक साम्यमध्यम
H2​I2​HII110C−x−x+2xE1 − x1 − x2x

एक पात्र में 1 mol/L H₂ और 1 mol/L I₂ डालकर अभिक्रिया कराई जाती है: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, जहाँ Kc = 25। साम्य सांद्रता [HI] ज्ञात कीजिए।

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LKc = 25
[HI] = mol/L
10.रासायनिक साम्यकठिन
PCl5​PCl3​Cl2​I0.2500C−x+x+xE0.25 − xxx

PCl₅ विघटित होता है: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, अभिक्रिया ताप पर Kc = 0.2। पात्र में शुरू में केवल 0.25 mol/L PCl₅ है। साम्य सांद्रता [PCl5] ज्ञात कीजिए।

[PCl₅]₀ = 0.25 mol/LKc = 0.2
[PCl5] = mol/L
11.कैलोरीमिति और एन्थैल्पीमध्यम
Tf​ = ?लोहाm = 50 gT = 80 °Cc = 0.449 J/(g·°C)पानीm = 300 gT = 23 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

80 °C पर लोहा का 50 g का एक टुकड़ा (c = 0.449 J/(g·°C)) एक ऊष्मारोधी कप में 23 °C पर रखे 300 g पानी (c = 4.18 J/(g·°C)) में डाला जाता है। अंतिम ताप Tf ज्ञात कीजिए।

mmetal = 50 gcmetal = 0.449 J/(g·°C)Tmetal = 80 °Cmwater = 300 gTwater = 23 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.कैलोरीमिति और एन्थैल्पीकठिन
HC3​H8​ + 5O₂अभिकारक3CO₂ + 4H₂O(l)उत्पादΔH° = ?

मानक संभवन एन्थैल्पियों से अभिक्रिया C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l) का ΔH° ज्ञात कीजिए।

ΔH°f(C3H8) = −103.8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
ΔH° = kJ
13.अभिक्रिया गतिकीमध्यम
t (min)X (%)t = ?80%

एक शून्य-कोटि अभिक्रिया में k = 0.01 mol/(L·min) है और यह 0.5 mol/L से शुरू होती है। 80% रूपांतरण तक पहुँचने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

k = 0.01 mol/(L·min)CA0 = 0.5 mol/LX = 80 %
t = min
14.अभिक्रिया गतिकीकठिन
Tk30 °C0.00260 °C0.0498

एक अभिक्रिया का दर स्थिरांक 30 °C पर 0.002 min⁻¹ और 60 °C पर 0.0498 min⁻¹ है। सक्रियण ऊर्जा Ea ज्ञात कीजिए।

k1 = 0.002 min⁻¹T1 = 30 °Ck2 = 0.0498 min⁻¹T2 = 60 °CR = 8.314 J/(mol·K)
Ea = kJ/mol
15.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)मध्यम
Q = 100 L/minX = 85%V = ?, k = 0.5 min⁻¹

k = 0.5 min⁻¹ वाली एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया A → B, 100 L/min फ़ीड वाले प्लग-फ़्लो रिएक्टर (PFR) में की जाती है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। A के 85% रूपांतरण के लिए रिएक्टर आयतन V लीटर में ज्ञात कीजिए।

Q = 100 L/mink = 0.5 min⁻¹X = 85%
V = L
16.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)कठिन
Q = 50 L/minX = ?V = 250 L

एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया (k = 0.5 min⁻¹) 50 L/min फ़ीड वाले 250 L प्लग-फ़्लो रिएक्टर (PFR) में चलती है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। रूपांतरण X प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।

V = 250 LQ = 50 L/mink = 0.5 min⁻¹
X = %
17.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)मध्यम
लंबाईT130 °C25 °C65 °CΔT₁ΔT₂संघनित होती भाप

एक संघनित्र में भाप नलियों के बाहर स्थिर 130 °C पर संघनित होती है। ठंडा करने वाला पानी (1 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K)) नलियों से होकर बहता है और 25 से 65 °C तक गर्म होता है। समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक 3000 W/(m²·K) है। आवश्यक ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल A ज्ञात कीजिए।

Ts = 130 °Cṁ = 1 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc: 25 → 65 °CU = 3000 W/(m²·K)
A = m²
18.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)कठिन
लंबाईT160 °C40 °C37.01 °C15 °CΔT₁ΔT₂प्रतिप्रवाह

गर्म तेल (1 kg/s, cp = 2.3 kJ/(kg·K)) एक प्रतिप्रवाह विनिमयक में 160 से 40 °C तक ठंडा होता है। यह 15 °C पर प्रवेश करने वाले 3 kg/s पानी (cp = 4.18 kJ/(kg·K)) को गर्म करता है। U = 200 W/(m²·K) के साथ आवश्यक ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल A ज्ञात कीजिए।

ṁh = 1 kg/scp,h = 2.3 kJ/(kg·K)Th: 160 → 40 °Cṁc = 3 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)Tc,in = 15 °CU = 200 W/(m²·K)
A = m²
19.ऊष्मा चालनमध्यम
ईंट, k = 0.72100 mmजिप्सम बोर्ड, k = 0.1725 mm23 °C0 °CQ̇ = ?

एक दीवार ईंट की 100 mm और जिप्सम बोर्ड की 25 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 15 m²। बाहरी फलक 23 °C और 0 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।

L1 = 100 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 25 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 23 °CT3 = 0 °C
Q̇ = W
20.ऊष्मा चालनकठिन
काँच, k = 0.96100 mmखनिज ऊन, k = 0.0450 mmकमरा 21 °Cबाहर -3 °CQ̇

100 mm काँच और 50 mm खनिज ऊन की दीवार 21 °C वाले कमरे को -3 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 10 W/(m²·K) और बाहर 20 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 10 m² है। दीवार का समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक U ज्ञात कीजिए।

L1 = 100 mm, k1 = 0.96 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 10 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -3 °C
U = W/(m²·K)
21.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
V = 1.7 m/sD = 300 mmL = 50 mf = 0.015

जल 300 mm आंतरिक व्यास वाले 50 m लंबे पाइप से 1.7 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि hf ज्ञात कीजिए।

V = 1.7 m/sL = 50 mD = 300 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²
hf = m
22.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
K = 2Δz = 13 mL = 200 m, D = 250 mm, f = 0.0152× मोड़ (K = 0.3)

दो खुले जलाशय 200 m लंबे, 250 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 वाले पाइप से जुड़े हैं। ऊपरी जलाशय की जल सतह निचले जलाशय की सतह से 13 m ऊपर है। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 2 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 2) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। प्रवाह दर Q L/s में ज्ञात कीजिए।

Δz = 13 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.015Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1.0
Q = L/s
23.पंप और पंप शक्तिमध्यम
PQ = 40 L/sH = 56 m

एक पंप 56 m शीर्ष के विरुद्ध 40 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। पंप दक्षता 80% है और उसे चलाने वाली विद्युत मोटर की दक्षता 92% है। g = 9.81 m/s² लें। मोटर द्वारा ली गई विद्युत शक्ति Pel kW में ज्ञात कीजिए।

Q = 40 L/sH = 56 mηpump = 80%ηmotor = 92%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
24.पंप और पंप शक्तिकठिन
150 kPa (गेज)PQ = 25 L/sΔz = 6 mL = 500 m, D = 150 mm, f = 0.02, ΣK = 8

एक पंप 25 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 6 m ऊँची है। पाइप 500 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 150 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 8 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। ऊपरी टैंक बंद है और उसके जल के ऊपर की वायु 150 kPa के गेज दाब पर है। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।

Q = 25 L/sΔz = 6 mL = 500 mD = 150 mmf = 0.02ΣK = 8ptank = 150 kPa
H = m

3विलयन

1.द्रव्यमान संतुलन

उत्तर: ṁ2 = 333.3 kg/h

स्थायी अवस्था द्रव्यमान संतुलन: कुल और हर घटक के लिए अंदर = बाहर। मिश्रण के प्रश्न दोनों को जोड़ते हैं।

संतुलन

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

ṁ2 के लिए हल करें

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 500·(35 − 25)/(25 − 10) = 333.3 kg/h

उत्तर

ṁ2 = 333.3 kg/h
2.द्रव्यमान संतुलन

उत्तर: P = 440 kg/h

बंधक घटक: वह घटक जो केवल एक धारा में बिना बदले गुज़रता है (यहाँ विलेय) प्रवाहों को सीधे जोड़ता है। फिर कुल संतुलन बाकी देता है।

विलेय संतुलन

F·xF = P·xP → P = 4400·6/60 = 440 kg/h

उत्तर

P = 440 kg/h
3.ऊर्जा संतुलन

उत्तर: tout = 53.91 °C

विनिमयक ऊर्जा संतुलन: बिना हानि के ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)।

गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा

Q = 1.5·2.1·(150 − 60) = 283.5 kW

पानी द्वारा ली गई ऊष्मा

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 20 + 283.5/(2·4.18) = 53.91 °C

उत्तर

tout = 53.91 °C
4.ऊर्जा संतुलन

उत्तर: ṁc = 1.051 kg/s

हानि सहित ऊर्जा संतुलन: छोड़ी गई ऊष्मा = अवशोषित ऊष्मा + खोई ऊष्मा।

छोड़ी गई ऊष्मा

Qh = 2·2.44·(130 − 90) = 195.2 kW

पानी तक पहुँचने वाली ऊष्मा

Qc = (1 − 0.1)·195.2 = 175.7 kW

पानी प्रवाह दर

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 175.7/(4.18·40) = 1.051 kg/s

उत्तर

ṁc = 1.051 kg/s
5.आदर्श गैस नियम

उत्तर: P = 26431 kPa

आदर्श गैस नियम: PV = nRT, n = m/M के साथ।

मोल

n = m/M = 400/4.003 = 99.93 mol
T = 45 + 273.15 = 318.1 K

दाब

P = nRT/V = 99.93·8.314·318.1/0.01 = 26431 kPa

उत्तर

P = 26431 kPa
6.आदर्श गैस नियम

उत्तर: ρ = 4.936 kg/m³

आदर्श गैस घनत्व: ρ = PM/(RT)।

गैस नियम पुनर्व्यवस्थित करें

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 20 + 273.15 = 293.1 K

घनत्व

ρ = 750·16.04/(8.314·293.1) = 4.936 kg/m³

उत्तर

ρ = 4.936 kg/m³
7.स्टॉइकियोमेट्री

उत्तर: m = 16.58 g

स्टॉइकियोमेट्री: संतुलित समीकरण कण गिनता है, ग्राम नहीं। n = m/M से द्रव्यमान को मोल में बदलें, समीकरण के गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में लें, फिर m = n·M से वापस बदलें। दो अभिकारकों में सीमांत अभिकारक वह है जो पहले खत्म होता है और उत्पाद की मात्रा तय करता है।

हर अभिकारक के मोल

n(Mg) = 10/24.31 = 0.4114 mol
n(O2) = 10/32 = 0.3125 mol

सीमांत अभिकारक

0.4114/2 = 0.2057, 0.3125/1 = 0.3125 → Mg

उत्पाद का द्रव्यमान

n(MgO) = 0.2057·2 = 0.4114 mol
m = 0.4114·40.3 = 16.58 g

उत्तर

m = 16.58 g
8.स्टॉइकियोमेट्री

उत्तर: Y = 91.01 %

स्टॉइकियोमेट्री: संतुलित समीकरण कण गिनता है, ग्राम नहीं। n = m/M से द्रव्यमान को मोल में बदलें, समीकरण के गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में लें, फिर m = n·M से वापस बदलें। दो अभिकारकों में सीमांत अभिकारक वह है जो पहले खत्म होता है और उत्पाद की मात्रा तय करता है।

सैद्धांतिक उपज

n(Fe2O3) = 24/159.69 = 0.1503 mol
m = 0.1503·3/1·44.01 = 19.84 g

प्रतिशत उपज

Y = 18.06/19.84·100 = 91.01%

उत्तर

Y = 91.01%
9.रासायनिक साम्य

उत्तर: [HI] = 1.429 mol/L

रासायनिक साम्य: aA + bB ⇌ cC + dD के लिए साम्य स्थिरांक Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) है, जिसमें साम्य पर सांद्रताएँ ली जाती हैं। ICE तालिका (प्रारंभिक, परिवर्तन, साम्य) प्रारंभिक मात्राओं को साम्य मात्राओं से एक अज्ञात x के ज़रिए जोड़ती है, जिसे गुणांकों से मापित किया जाता है।

साम्य व्यंजक

25 = (2x)²/(1 − x)²

वर्गमूल लें

5 = 2x/(1 − x) → x = 1·5/(2 + 5) = 0.7143 mol/L

साम्य सांद्रता

[HI] = 2x = 1.429 mol/L

उत्तर

[HI] = 1.429 mol/L
10.रासायनिक साम्य

उत्तर: [PCl5] = 0.1051 mol/L

रासायनिक साम्य: aA + bB ⇌ cC + dD के लिए साम्य स्थिरांक Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) है, जिसमें साम्य पर सांद्रताएँ ली जाती हैं। ICE तालिका (प्रारंभिक, परिवर्तन, साम्य) प्रारंभिक मात्राओं को साम्य मात्राओं से एक अज्ञात x के ज़रिए जोड़ती है, जिसे गुणांकों से मापित किया जाता है।

साम्य व्यंजक

0.2 = x²/(0.25 − x) → x² + 0.2·x − 0.05 = 0

द्विघात समीकरण हल करें

x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.05))/2 = 0.1449 mol/L

साम्य सांद्रता

[PCl₅] = 0.25 − 0.1449 = 0.1051 mol/L

उत्तर

[PCl5] = 0.1051 mol/L
11.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी

उत्तर: Tf = 24 °C

ऊष्मा और एन्थैल्पी: किसी पदार्थ को गर्म करने के लिए q = m·c·ΔT लगती है। कैलोरीमीटर में गर्म वस्तु द्वारा दी गई ऊष्मा ठंडी वस्तु द्वारा ली गई ऊष्मा के बराबर होती है। अभिक्रिया का एन्थैल्पी परिवर्तन संभवन एन्थैल्पियों से मिलता है: ΔH° = ΣΔH°f(उत्पाद) − ΣΔH°f(अभिकारक), हर एक को उसके गुणांक से गुणा करके।

ऊष्मा संतुलन

50·0.449·(80 − Tf) = 300·4.18·(Tf − 23)

अंतिम ताप के लिए हल करें

Tf = (22.45·80 + 1254·23)/(22.45 + 1254) = 24 °C

उत्तर

Tf = 24 °C
12.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी

उत्तर: ΔH° = −2220 kJ

ऊष्मा और एन्थैल्पी: किसी पदार्थ को गर्म करने के लिए q = m·c·ΔT लगती है। कैलोरीमीटर में गर्म वस्तु द्वारा दी गई ऊष्मा ठंडी वस्तु द्वारा ली गई ऊष्मा के बराबर होती है। अभिक्रिया का एन्थैल्पी परिवर्तन संभवन एन्थैल्पियों से मिलता है: ΔH° = ΣΔH°f(उत्पाद) − ΣΔH°f(अभिकारक), हर एक को उसके गुणांक से गुणा करके।

अभिक्रिया की एन्थैल्पी

ΔH° = [3·(−393.5) + 4·(−285.8)] − [1·(−103.8) + 5·0] = −2220 kJ

उत्तर

ΔH° = −2220 kJ

ऋणात्मक: अभिक्रिया ऊष्मा छोड़ती है (ऊष्माक्षेपी)।

13.अभिक्रिया गतिकी

उत्तर: t = 40 min

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).

रूपांतरित मात्रा

CA0·X = 0.5·0.8 = 0.4 mol/L

समय

t = CA0·X/k = 0.4/0.01 = 40 min

उत्तर

t = 40 min
14.अभिक्रिया गतिकी

उत्तर: Ea = 89.98 kJ/mol

अभिक्रिया दर: प्रथम-कोटि अभिक्रिया के लिए −dC/dt = kC, इसलिए C = C₀·e−kt और अर्धायु ln 2/k सांद्रता पर निर्भर नहीं करती। द्वितीय-कोटि अभिक्रिया के लिए 1/C = 1/C₀ + kt। दर स्थिरांक आरेनियस के अनुसार तापमान के साथ बढ़ता है: k = A·e−Ea/(RT)।

परम तापमान

T1 = 303.1 K, T2 = 333.1 K

आरेनियस से Ea हल करें

Ea = −R·ln(k2/k1)/(1/T2 − 1/T1) = −8.314·3.215/(-2.970e-4) = 89981 J/mol
Ea = 89.98 kJ/mol

उत्तर

Ea = 89.98 kJ/mol
15.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)

उत्तर: V = 379.4 L

आदर्श रिएक्टर, प्रथम कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA) स्थायी अवस्था में, स्पेस टाइम τ = V/Q के साथ। CSTR पूर्णतः मिश्रित होता है, इसलिए पूरा आयतन निम्न निकास सांद्रता पर अभिक्रिया करता है: τ = X/(k·(1 − X)) और CA = CA0/(1 + k·τ)। PFR में तरल की हर परत एक छोटे बैच रिएक्टर की तरह अभिक्रिया करती है: τ = ln(1/(1 − X))/k और CA = CA0·e−k·τ। समान रूपांतरण के लिए CSTR को हमेशा PFR से अधिक आयतन चाहिए।

स्पेस टाइम

τ = ln(1/(1 − 0.85))/0.5 = 1.897/0.5 = 3.794 min

आयतन

V = Q·τ = 100·3.794 = 379.4 L

उत्तर

V = 379.4 L
16.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)

उत्तर: X = 91.79 %

आदर्श रिएक्टर, प्रथम कोटि अभिक्रिया (−rA = k·CA) स्थायी अवस्था में, स्पेस टाइम τ = V/Q के साथ। CSTR पूर्णतः मिश्रित होता है, इसलिए पूरा आयतन निम्न निकास सांद्रता पर अभिक्रिया करता है: τ = X/(k·(1 − X)) और CA = CA0/(1 + k·τ)। PFR में तरल की हर परत एक छोटे बैच रिएक्टर की तरह अभिक्रिया करती है: τ = ln(1/(1 − X))/k और CA = CA0·e−k·τ। समान रूपांतरण के लिए CSTR को हमेशा PFR से अधिक आयतन चाहिए।

स्पेस टाइम

τ = V/Q = 250/50 = 5 min, kτ = 0.5·5 = 2.5

रूपांतरण

X = 1 − e−kτ = 1 − e−2.5 = 91.79%

उत्तर

X = 91.79%
17.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)

उत्तर: A = 0.6682 m²

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔTlm, with ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔTlm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

पानी पक्ष से ऊष्मा भार

Q̇ = 1·4.18·(65 − 25) = 167.2 kW

सिरों पर तापांतर

ΔT₁ = 130 − 25 = 105 K
ΔT₂ = 130 − 65 = 65 K

लघुगणकीय माध्य तापांतर

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 65)/ln(105/65) = 83.41 K

क्षेत्रफल

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 167200/(3000·83.41) = 0.6682 m²

उत्तर

A = 0.6682 m²
18.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)

उत्तर: A = 22.44 m²

LMTD विधि: विनिमयक के साथ धाराओं के बीच तापांतर बदलता है, इसलिए दर समीकरण उसका लघुगणकीय माध्य लेता है: Q̇ = U·A·ΔTlm, जहाँ ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), और ΔT₁ व ΔT₂ दोनों सिरों पर अंतर हैं। समान इनलेट और आउटलेट तापमानों के लिए प्रतिप्रवाह, समांतर प्रवाह से बड़ा ΔTlm देता है।

ऊष्मा भार और पानी का निर्गम तापमान

Q̇ = ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = 1·2.3·120 = 276 kW
Tc,out = 15 + 276/(3·4.18) = 37.01 °C

सिरों पर तापांतर

प्रतिप्रवाह में गर्म इनलेट ठंडे आउटलेट के सामने और गर्म आउटलेट ठंडे इनलेट के सामने होता है।

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 160 − 37.01 = 123 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 40 − 15 = 25 K

लघुगणकीय माध्य तापांतर

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (123 − 25)/ln(123/25) = 61.5 K

क्षेत्रफल

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 276000/(200·61.5) = 22.44 m²

उत्तर

A = 22.44 m²
19.ऊष्मा चालन

उत्तर: Q̇ = 1207 W

तापीय प्रतिरोध: श्रेणी परतों से स्थिर ऊष्मा प्रवाह श्रेणी प्रतिरोधकों में धारा जैसा व्यवहार करता है: Q̇ = ΔT/ΣR, चालक परत के लिए R = L/(kA) और संवहन सतह के लिए R = 1/(hA)। हर परत पर तापमान पात उसके प्रतिरोध के अनुपात में होता है।

परत प्रतिरोध

R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.72·15) = 0.009259 K/W
R2 = L2/(k2A) = (25/1000)/(0.17·15) = 0.009804 K/W

ऊष्मा प्रवाह

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 23/0.01906 = 1207 W

उत्तर

Q̇ = 1207 W
20.ऊष्मा चालन

उत्तर: U = 0.6648 W/(m²·K)

तापीय प्रतिरोध: श्रेणी परतों से स्थिर ऊष्मा प्रवाह श्रेणी प्रतिरोधकों में धारा जैसा व्यवहार करता है: Q̇ = ΔT/ΣR, चालक परत के लिए R = L/(kA) और संवहन सतह के लिए R = 1/(hA)। हर परत पर तापमान पात उसके प्रतिरोध के अनुपात में होता है।

श्रेणी प्रतिरोध

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·10) = 0.01 K/W
R1 = L1/(k1A) = (100/1000)/(0.96·10) = 0.01042 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(0.04·10) = 0.125 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·10) = 0.005 K/W
ΣR = 0.1504 K/W

समग्र गुणांक

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0.1504) = 0.6648 W/(m²·K)

उत्तर

U = 0.6648 W/(m²·K)
21.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: hf = 0.3682 m

पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि hf = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ hm = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = hf + hm देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।

वेग शीर्ष

V²/(2g) = 1.7²/(2·9.81) = 0.1473 m

डार्सी–वाइसबाख

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(50/0.3)·1.7²/(2·9.81) = 0.3682 m

उत्तर

hf = 0.3682 m
22.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि

उत्तर: Q = 195.4 L/s

पाइप प्रवाह: रेनॉल्ड्स संख्या Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ स्तरीय प्रवाह (Re लगभग 2000 से कम) को विक्षुब्ध प्रवाह (लगभग 4000 से अधिक) से अलग करती है। पाइप के अनुदिश घर्षण से डार्सी–वाइसबाख शीर्ष हानि hf = f·(L/D)·V²/(2g) होती है। फ़िटिंग, वाल्व, प्रवेश और निकास लघु हानियाँ hm = ΣK·V²/(2g) जोड़ते हैं। दो खुले जलाशय सतहों के बीच ऊर्जा समीकरण Δz = hf + hm देता है, जिसमें निकास हानि K = 1 शामिल है।

हानि गुणांक

f·L/D = 0.015·200/0.25 = 12
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 + 1.0 = 4.1

ऊर्जा समीकरण

दोनों सतहें वायु के लिए खुली हैं और लगभग विराम में हैं, इसलिए पूरा Δz पाइप में खो जाता है।

13 = (12 + 4.1)·V²/(2·9.81)
V = √(2·9.81·13/16.1) = 3.98 m/s

प्रवाह दर

Q = V·π·D²/4 = 3.98·0.04909 = 0.1954 m³/s = 195.4 L/s

उत्तर

Q = 195.4 L/s
23.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: Pel = 29.86 kW

पंप शक्ति: जल को दी गई शक्ति द्रवीय शक्ति Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp है। शाफ़्ट को अधिक देना पड़ता है क्योंकि पंप में कुछ हानि होती है: Pshaft = Ph/ηpump, और मोटर Pel = Pshaft/ηmotor लेती है। पंप शीर्ष H ऊर्जा समीकरण से मिलता है: स्थैतिक उठान + दाब शीर्ष + सभी घर्षण और लघु हानियाँ।

द्रवीय शक्ति

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.04·56 = 21.97 kW

शाफ़्ट शक्ति

Pshaft = 21.97/0.8 = 27.47 kW

विद्युत शक्ति

Pel = 27.47/0.92 = 29.86 kW

उत्तर

Pel = 29.86 kW
24.पंप और पंप शक्ति

उत्तर: H = 28.91 m

पंप शक्ति: जल को दी गई शक्ति द्रवीय शक्ति Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp है। शाफ़्ट को अधिक देना पड़ता है क्योंकि पंप में कुछ हानि होती है: Pshaft = Ph/ηpump, और मोटर Pel = Pshaft/ηmotor लेती है। पंप शीर्ष H ऊर्जा समीकरण से मिलता है: स्थैतिक उठान + दाब शीर्ष + सभी घर्षण और लघु हानियाँ।

वेग

V = Q/A = 0.025/0.01767 = 1.415 m/s
V²/(2g) = 0.102 m

शीर्ष हानियाँ

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66.67 + 8)·0.102 = 7.617 m

दाब शीर्ष

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9.81) = 15.29 m

पंप शीर्ष

दोनों सतहें लगभग विराम में हैं, इसलिए कोई वेग शीर्ष पद नहीं है।

H = Δz + p/(ρ·g) + hL = 6 + 15.29 + 7.617 = 28.91 m

उत्तर

H = 28.91 m

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