द्रव्यमान संतुलन
- स्थायी अवस्था
- अंदर = बाहर
- कुल संतुलन
- ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
- घटक संतुलन
- ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
- वाष्पित्र
- F·xF = P·xP, W = F − P
FE Chemical परीक्षा अभ्यास: क्रैम पैक
सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 24 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।
1सूत्र और विधियाँ
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
- रासायनिक समीकरण लिखें और संतुलित करें।
- दिए गए द्रव्यमान को मोल में बदलें: n = m/M।
- वांछित पदार्थ के मोल ज्ञात करने के लिए गुणांकों को मोल अनुपात के रूप में उपयोग करें।
- 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
- Kc को उत्पाद बटा अभिकारक के रूप में लिखें, हर एक को उसके गुणांक की घात पर।
- एक ICE तालिका बनाएँ: प्रारंभिक (Initial), परिवर्तन (Change, गुणांकों के x गुना के चरणों में), साम्य (Equilibrium)।
- साम्य व्यंजकों को Kc में रखें और x के लिए हल करें।
- 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
धारा 1 में हर घंटे धारा 2 की कितनी मात्रा मिलाई जाए ताकि मिश्रित उत्पाद में 40% चीनी हो? ṁ2 ज्ञात कीजिए।
ṁ1 = 800 kg/hx1 = 50 %x2 = 15 %x3 = 40 %
ṁ2 = kg/h
2.द्रव्यमान संतुलनकठिन
एक वाष्पित्र शुद्ध पानी उबालकर NaOH विलयन को सांद्र करता है। उत्पाद प्रवाह P को kg/h में ज्ञात कीजिए।
F = 3200 kg/hxF = 16 %xP = 30 %
P = kg/h
3.ऊर्जा संतुलनमध्यम
गर्म ग्लाइकॉल मिश्रण बिना ऊष्मा हानि वाले प्रतिप्रवाह ऊष्मा विनिमयक में पानी को ठंडा करता है। पानी का निर्गम तापमान tout ज्ञात कीजिए।
ṁh = 1 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 120 → 60 °Cṁc = 0.5 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.ऊर्जा संतुलनकठिन
गर्म ग्लाइकॉल मिश्रण एक विनिमयक में पानी को गर्म करता है जो गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा का 5% परिवेश में खो देता है। आवश्यक पानी प्रवाह दर ṁc ज्ञात कीजिए।
ṁh = 2.5 kg/scp,h = 3.6 kJ/(kg·K)Th: 150 → 120 °Ct: 15 → 80 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)हानि = 5 %
ṁc = kg/s
5.आदर्श गैस नियममध्यम
30 L की टंकी में 70 °C पर CH₄ का 170 g है। इसे आदर्श गैस मानकर दाब P ज्ञात कीजिए।
m = 170 gM = 16.04 g/molV = 30 LT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)
P = kPa
6.आदर्श गैस नियमकठिन
900 kPa और 120 °C पर O₂ का घनत्व ρ आदर्श गैस मानकर ज्ञात कीजिए।
M = 32 g/molP = 900 kPaT = 120 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
7.स्टॉइकियोमेट्रीमध्यम
12 g Na और 40 g Cl2, 2Na + Cl2 → 2NaCl के अनुसार अभिक्रिया करते हैं। NaCl का कितना द्रव्यमान m बन सकता है?
M(Na) = 22.99M(Cl2) = 70.9M(NaCl) = 58.44 g/mol
m = g
8.स्टॉइकियोमेट्रीकठिन
अभिक्रिया CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O में 6 g CH4 पूरी तरह अभिक्रिया करता है (बाकी अभिकारक अधिक मात्रा में) और 13.5 g CO2 एकत्र होता है। प्रतिशत उपज Y ज्ञात करें।
M(CH4) = 16.04 g/molM(CO2) = 44.01 g/molवास्तविक: 13.5 g
Y = %
9.रासायनिक साम्यमध्यम
एक पात्र में 0.4 mol/L H₂ और 0.4 mol/L I₂ डालकर अभिक्रिया कराई जाती है: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, जहाँ Kc = 4। साम्य सांद्रता [H2] ज्ञात कीजिए।
[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LKc = 4
[H2] = mol/L
10.रासायनिक साम्यकठिन
PCl₅ विघटित होता है: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, अभिक्रिया ताप पर Kc = 0.2। पात्र में शुरू में केवल 1 mol/L PCl₅ है। साम्य सांद्रता [PCl5] ज्ञात कीजिए।
[PCl₅]₀ = 1 mol/LKc = 0.2
[PCl5] = mol/L
11.कैलोरीमिति और एन्थैल्पीमध्यम
150 °C पर एल्युमिनियम का 75 g का एक टुकड़ा (c = 0.897 J/(g·°C)) एक ऊष्मारोधी कप में 15 °C पर रखे 250 g पानी (c = 4.18 J/(g·°C)) में डाला जाता है। अंतिम ताप Tf ज्ञात कीजिए।
mmetal = 75 gcmetal = 0.897 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 250 gTwater = 15 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.कैलोरीमिति और एन्थैल्पीकठिन
मानक संभवन एन्थैल्पियों से वह ऊष्मा q ज्ञात कीजिए जो 100 g C6H12O6 (M = 180.16 g/mol) के पूर्ण दहन पर मुक्त होती है: C6H12O6 + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l)। q को धनात्मक संख्या के रूप में दें।
ΔH°f(C6H12O6) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0
q = kJ
13.अभिक्रिया गतिकीमध्यम
बैच रिएक्टर में एक प्रथम-कोटि अभिक्रिया का k = 0.15 min⁻¹ है। 60% रूपांतरण तक पहुँचने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।
k = 0.15 min⁻¹X = 60 %
t = min
14.अभिक्रिया गतिकीकठिन
एक अभिक्रिया का 40 °C पर दर स्थिरांक 0.05 min⁻¹ और सक्रियण ऊर्जा 120 kJ/mol है। 80 °C पर दर स्थिरांक k2 ज्ञात कीजिए।
k1 = 0.05 min⁻¹T1 = 40 °CT2 = 80 °CEa = 120 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
k2 = min⁻¹
15.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)मध्यम
k = 0.25 min⁻¹ वाली एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया A → B, 80 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 = 80 L/mink = 0.25 min⁻¹X = 85%
V = L
16.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)कठिन
एक प्रथम कोटि द्रव-प्रावस्था अभिक्रिया (k = 0.1 min⁻¹) 50 L/min फ़ीड वाले 800 L CSTR में चलती है। घनत्व नियत है और रिएक्टर स्थायी अवस्था में है। रूपांतरण X प्रतिशत में ज्ञात कीजिए।
V = 800 LQ = 50 L/mink = 0.1 min⁻¹
X = %
17.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)मध्यम
एक संघनित्र में भाप नलियों के बाहर स्थिर 110 °C पर संघनित होती है। ठंडा करने वाला पानी (3 kg/s, cp = 4.18 kJ/(kg·K)) नलियों से होकर बहता है और 30 से 50 °C तक गर्म होता है। समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक 3000 W/(m²·K) है। आवश्यक ऊष्मा अंतरण क्षेत्रफल A ज्ञात कीजिए।
Ts = 110 °Cṁ = 3 kg/scp = 4.18 kJ/(kg·K)Tc: 30 → 50 °CU = 3000 W/(m²·K)
A = m²
18.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)कठिन
एक प्रतिप्रवाह ऊष्मा विनिमयक में दोनों धाराओं की ऊष्मा धारिता दर समान है, ṁ·cp = 4 kW/K। गर्म धारा 155 °C पर और ठंडी धारा 10 °C पर प्रवेश करती है। विनिमयक में A = 6 m² और U = 800 W/(m²·K) है। गर्म निर्गम तापमान Th,out ज्ञात कीजिए।
Ch = Cc = 4 kW/KTh,in = 155 °CTc,in = 10 °CA = 6 m²U = 800 W/(m²·K)
Th,out = °C
19.ऊष्मा चालनमध्यम
एक दीवार ईंट की 150 mm और कंक्रीट की 50 mm परत से बनी है, क्षेत्रफल 4 m²। बाहरी फलक 17 °C और -2 °C पर हैं। दीवार से ऊष्मा प्रवाह Q̇ ज्ञात कीजिए।
L1 = 150 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 50 mm, k2 = 1.4 W/(m·K)A = 4 m²T1 = 17 °CT3 = -2 °C
Q̇ = W
20.ऊष्मा चालनकठिन
250 mm जिप्सम बोर्ड और 75 mm ईंट की दीवार 21 °C वाले कमरे को -10 °C वाली बाहरी हवा से अलग करती है। संवहन गुणांक अंदर 10 W/(m²·K) और बाहर 25 W/(m²·K) हैं, और दीवार का क्षेत्रफल 8 m² है। दीवार का समग्र ऊष्मा अंतरण गुणांक U ज्ञात कीजिए।
L1 = 250 mm, k1 = 0.17 W/(m·K)L2 = 75 mm, k2 = 0.72 W/(m·K)A = 8 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 25 W/(m²·K)Troom = 21 °CTout = -10 °C
U = W/(m²·K)
21.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिमध्यम
जल 200 mm आंतरिक व्यास वाले 400 m लंबे पाइप से 1.4 m/s के औसत वेग से बहता है। डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.025 और g = 9.81 m/s² लें। घर्षण शीर्ष हानि hf ज्ञात कीजिए।
V = 1.4 m/sL = 400 mD = 200 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²
hf = m
22.पाइप घर्षण और शीर्ष हानिकठिन
दो खुले जलाशय 300 m लंबे, 200 mm आंतरिक व्यास और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.02 वाले पाइप से जुड़े हैं। लघु हानियाँ हैं: एक तीखे किनारे वाला प्रवेश (K = 0.5), 3 मोड़ (हर एक K = 0.3), एक वाल्व (K = 2) और निचले जलाशय में निकास (K = 1.0)। g = 9.81 m/s² लें। जलाशयों के बीच जल स्तर का कितना अंतर Δz, 75 L/s की प्रवाह दर देता है?
Q = 75 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0.02Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×3)Kvalve = 2Kexit = 1.0
Δz = m
23.पंप और पंप शक्तिमध्यम
78% दक्षता वाला एक पंप 52 m शीर्ष के विरुद्ध 100 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) देता है। g = 9.81 m/s² लें। आवश्यक शाफ़्ट शक्ति Pshaft kW में ज्ञात कीजिए।
Q = 100 L/sH = 52 mη = 78%g = 9.81 m/s²
Pshaft = kW
24.पंप और पंप शक्तिकठिन
एक पंप 60 L/s जल (ρ = 1000 kg/m³) को एक खुले निचले जलाशय से एक ऊपरी टैंक तक ले जाता है, जिसकी जल सतह 5 m ऊँची है। पाइप 300 m लंबा है, उसका आंतरिक व्यास 250 mm और डार्सी घर्षण गुणांक f = 0.015 है; लघु-हानि गुणांकों का योग ΣK = 6 है (प्रवेश और निकास सहित)। g = 9.81 m/s² लें। पंप द्वारा जोड़ा जाने वाला शीर्ष H ज्ञात कीजिए।
Q = 60 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 250 mmf = 0.015ΣK = 6
H = m
3विलयन
1.द्रव्यमान संतुलन
उत्तर: ṁ2 = 320 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
चीनी: ṁ1x1 + ṁ2x2 = (ṁ1 + ṁ2)x3
ṁ2 के लिए हल करें
ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 800·(50 − 40)/(40 − 15) = 320 kg/h
उत्तर
ṁ2 = 320 kg/h
2.द्रव्यमान संतुलन
उत्तर: P = 1707 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 = 3200·16/30 = 1707 kg/h
उत्तर
P = 1707 kg/h
3.ऊर्जा संतुलन
उत्तर: tout = 118.3 °C
विनिमयक ऊर्जा संतुलन: बिना हानि के ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)।
गर्म धारा द्वारा छोड़ी गई ऊष्मा
Q = 1·3.6·(120 − 60) = 216 kW
पानी द्वारा ली गई ऊष्मा
tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 216/(0.5·4.18) = 118.3 °C
उत्तर
tout = 118.3 °C
4.ऊर्जा संतुलन
उत्तर: ṁc = 0.9441 kg/s
हानि सहित ऊर्जा संतुलन: छोड़ी गई ऊष्मा = अवशोषित ऊष्मा + खोई ऊष्मा।
छोड़ी गई ऊष्मा
Qh = 2.5·3.6·(150 − 120) = 270 kW
पानी तक पहुँचने वाली ऊष्मा
Qc = (1 − 0.05)·270 = 256.5 kW
पानी प्रवाह दर
ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 256.5/(4.18·65) = 0.9441 kg/s
उत्तर
ṁc = 0.9441 kg/s
5.आदर्श गैस नियम
उत्तर: P = 1008 kPa
आदर्श गैस नियम: PV = nRT, n = m/M के साथ।
मोल
n = m/M = 170/16.04 = 10.6 mol
T = 70 + 273.15 = 343.1 K
दाब
P = nRT/V = 10.6·8.314·343.1/0.03 = 1008 kPa
उत्तर
P = 1008 kPa
6.आदर्श गैस नियम
उत्तर: ρ = 8.811 kg/m³
आदर्श गैस घनत्व: ρ = PM/(RT)।
गैस नियम पुनर्व्यवस्थित करें
PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 120 + 273.15 = 393.1 K
घनत्व
ρ = 900·32/(8.314·393.1) = 8.811 kg/m³
उत्तर
ρ = 8.811 kg/m³
7.स्टॉइकियोमेट्री
उत्तर: m = 30.5 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(Na) = 12/22.99 = 0.522 mol
n(Cl2) = 40/70.9 = 0.5642 mol
सीमांत अभिकारक
0.522/2 = 0.261, 0.5642/1 = 0.5642 → Na
उत्पाद का द्रव्यमान
n(NaCl) = 0.261·2 = 0.522 mol
m = 0.522·58.44 = 30.5 g
उत्तर
m = 30.5 g
8.स्टॉइकियोमेट्री
उत्तर: Y = 82 %
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(CH4) = 6/16.04 = 0.3741 mol
m = 0.3741·1/1·44.01 = 16.46 g
प्रतिशत उपज
Y = 13.5/16.46·100 = 82%
उत्तर
Y = 82%
9.रासायनिक साम्य
उत्तर: [H2] = 0.2 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
4 = (2x)²/(0.4 − x)²
वर्गमूल लें
2 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·2/(2 + 2) = 0.2 mol/L
साम्य सांद्रता
[H₂] = 0.4 − x = 0.2 mol/L
उत्तर
[H2] = 0.2 mol/L
10.रासायनिक साम्य
उत्तर: [PCl5] = 0.6417 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/(1 − x) → x² + 0.2·x − 0.2 = 0
द्विघात समीकरण हल करें
x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.2))/2 = 0.3583 mol/L
साम्य सांद्रता
[PCl₅] = 1 − 0.3583 = 0.6417 mol/L
उत्तर
[PCl5] = 0.6417 mol/L
11.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: Tf = 23.17 °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
75·0.897·(150 − Tf) = 250·4.18·(Tf − 15)
अंतिम ताप के लिए हल करें
Tf = (67.28·150 + 1045·15)/(67.28 + 1045) = 23.17 °C
उत्तर
Tf = 23.17 °C
12.कैलोरीमिति और एन्थैल्पी
उत्तर: q = 1555 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° = [6·(−393.5) + 6·(−285.8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ
दिए गए द्रव्यमान के लिए ऊष्मा
n = 100/180.16 = 0.5551 mol
q = n·|ΔH°/1| = 0.5551·2802 = 1555 kJ
उत्तर
q = 1555 kJ
13.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: t = 6.109 min
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)।
रूपांतरण और सांद्रता
C/C0 = 1 − X = 0.4
समय के लिए हल करें
t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.4)/0.15 = 6.109 min
उत्तर
t = 6.109 min
14.अभिक्रिया गतिकी
उत्तर: k2 = 9.252 min⁻¹
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 = 313.1 K, T2 = 353.1 K
आरेनियस अनुपात
ln(k2/k1) = −(120000/8.314)·(1/353.1 − 1/313.1) = 5.221
k2 = 0.05·e5.221 = 9.252 min⁻¹
उत्तर
k2 = 9.252 min⁻¹
15.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
उत्तर: V = 607.1 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))/0.25 = 1.897/0.25 = 7.588 min
आयतन
V = Q·τ = 80·7.588 = 607.1 L
उत्तर
V = 607.1 L
16.रिएक्टर आकार निर्धारण (CSTR और PFR)
उत्तर: X = 61.54 %
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 = 800/50 = 16 min, kτ = 0.1·16 = 1.6
रूपांतरण
X = kτ/(1 + kτ) = 1.6/(1 + 1.6) = 61.54%
उत्तर
X = 61.54%
17.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: A = 1.203 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 = 3·4.18·(50 − 30) = 250.8 kW
सिरों पर तापांतर
ΔT₁ = 110 − 30 = 80 K
ΔT₂ = 110 − 50 = 60 K
लघुगणकीय माध्य तापांतर
ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 60)/ln(80/60) = 69.52 K
क्षेत्रफल
A = Q̇/(U·ΔTlm) = 250800/(3000·69.52) = 1.203 m²
उत्तर
A = 1.203 m²
18.ऊष्मा विनिमयक (LMTD)
उत्तर: Th,out = 75.91 °C
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.
स्थिर तापांतर
ठंडा निर्गम गर्म प्रवेश के सामने है: Tc,out = Tc,in + (Th,in − Th,out), इसलिए ΔT₁ = Th,in − Tc,out = Th,out − Tc,in = ΔT₂।
ΔTlm = Th,out − Tc,in
ऊर्जा संतुलन = दर समीकरण
4·(155 − Th,out) = 4.8·(Th,out − 10)
Th,out = (4·155 + 4.8·10)/(4 + 4.8) = 75.91 °C
उत्तर
Th,out = 75.91 °C
स्थानांतरित ऊष्मा: Q̇ = 316.4 kW; ठंडी धारा 89.09 °C पर निकलती है।
19.ऊष्मा चालन
उत्तर: Q̇ = 311.4 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) = (150/1000)/(0.72·4) = 0.05208 K/W
R2 = L2/(k2A) = (50/1000)/(1.4·4) = 0.008929 K/W
ऊष्मा प्रवाह
Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 19/0.06101 = 311.4 W
उत्तर
Q̇ = 311.4 W
20.ऊष्मा चालन
उत्तर: U = 0.5832 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/(10·8) = 0.0125 K/W
R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.17·8) = 0.1838 K/W
R2 = L2/(k2A) = (75/1000)/(0.72·8) = 0.01302 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(25·8) = 0.005 K/W
ΣR = 0.2143 K/W
समग्र गुणांक
U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0.2143) = 0.5832 W/(m²·K)
उत्तर
U = 0.5832 W/(m²·K)
21.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि
उत्तर: hf = 4.995 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) = 1.4²/(2·9.81) = 0.0999 m
डार्सी–वाइसबाख
hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(400/0.2)·1.4²/(2·9.81) = 4.995 m
उत्तर
hf = 4.995 m
22.पाइप घर्षण और शीर्ष हानि
उत्तर: Δz = 9.993 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
V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s
V²/(2g) = 0.2905 m
हानि गुणांक
f·L/D = 0.02·300/0.2 = 30
ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 2 + 1.0 = 4.4
कुल शीर्ष हानि
hf = 30·0.2905 = 8.715 m
hm = 4.4·0.2905 = 1.278 m
Δz = hf + hm = 9.993 m
उत्तर
Δz = 9.993 m
23.पंप और पंप शक्ति
उत्तर: Pshaft = 65.4 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 = 1000·9.81·0.1·52 = 51.01 kW
शाफ़्ट शक्ति
Pshaft = Ph/η = 51.01/0.78 = 65.4 kW
उत्तर
Pshaft = 65.4 kW
24.पंप और पंप शक्ति
उत्तर: H = 6.828 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 = 0.06/0.04909 = 1.222 m/s
V²/(2g) = 0.07615 m
शीर्ष हानियाँ
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 6)·0.07615 = 1.828 m
पंप शीर्ष
दोनों सतहें खुली और लगभग विराम में हैं, इसलिए दाब और वेग पद हट जाते हैं।
H = Δz + hL = 5 + 1.828 = 6.828 m
उत्तर
H = 6.828 m
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