FE Chemical 試験対策:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、24 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

物質収支

定常状態
入量 = 出量
全体収支
ṁ1 + ṁ2 = ṁ3
成分収支
ṁ1x1 + ṁ2x2 = ṁ3x3
蒸発缶
F·xF = P·xP, W = F − P

エネルギー収支

顕熱
Q = ṁ·cp·ΔT
潜熱
Q = ṁ·hfg
混合
ΣṁcpTin = ΣṁcpTout
水
cp ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

理想気体の状態方程式

理想気体の状態方程式
pV = nRT
気体定数
R = 8.314 J/(mol·K)
ボイル・シャルルの法則
p1V1/T1 = p2V2/T2
物質量
n = m/M
温度
T[K] = T[°C] + 273.15

化学量論

物質量
n = m/M
濃度
c = n/V
物質量の比
釣り合った反応式の係数を使う
限定反応物
先になくなる物質
収率
実際の量 / 理論量 × 100%

解き方

  1. 化学反応式を書き、係数をそろえます。
  2. 与えられた質量を物質量に換算します:n = m/M。
  3. 係数を物質量の比として使い、求めたい物質の物質量を求めます。
  4. m = n·M で質量に戻します。反応物が 2 つあるときは、まず限定反応物を求めます。

化学平衡

平衡定数
Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b)
ICE 表
初期、変化(×係数)、平衡
2 次方程式
x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

解き方

  1. Kc は生成物を反応物で割った形で書き、それぞれを係数乗します。
  2. ICE 表をつくります:初期(Initial)、変化(Change、x に係数を掛けた量)、平衡(Equilibrium)。
  3. 平衡時の式を Kc に代入し、x について解きます。
  4. 近似が使えるほど x が小さいか確認します。小さくなければ 2 次方程式を解きます。

熱量測定とエンタルピー

熱量
q = m·c·ΔT
水
c = 4.18 J/(g·°C)
熱量計
放出した熱量 = 吸収した熱量
反応エンタルピー
ΔH° = ΣΔH°f(products) − ΣΔH°f(reactants)

反応速度論

1 次
ln(CA/CA0) = −kt
半減期(1 次)
t½ = ln 2/k
2 次
1/CA = 1/CA0 + kt
アレニウス
k = A·e−Ea/(RT)
2 つの温度
ln(k2/k1) = (Ea/R)(1/T1 − 1/T2)

反応器の設計(CSTR と PFR)

空間時間
τ = V/Q
CSTR、1 次反応
τ = X/(k·(1 − X)), CA = CA0/(1 + kτ)
PFR、1 次反応
τ = ln(1/(1 − X))/k, CA = CA0·e−kτ
体積から求める反応率
CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e−kτ
直列につないだ N 個の等しい CSTR
X = 1 − 1/(1 + kτi)N

熱交換器 (LMTD)

交換熱量
Q = U·A·ΔTlm
対数平均温度差
ΔTlm = (ΔT1 − ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)
流体ごとの熱収支
Q = ṁcp(Tin − Tout)

熱伝導

フーリエの法則
Q̇ = kAΔT/L
熱伝導抵抗
R = L/(kA)
対流熱抵抗
R = 1/(hA)
直列の熱抵抗
Q̇ = ΔTtotal/ΣR
U 値
U = 1/(ΣR·A)

管摩擦と損失水頭

レイノルズ数
Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
流れの状態
Re ≈ 2000 未満で層流、Re ≈ 4000 を超えると乱流
平均流速
V = Q/A, A = π·D²/4
ダルシー・ワイスバッハの式
hf = f·(L/D)·V²/(2g)
局所損失
hm = ΣK·V²/(2g)
代表的な K の値
入口 0.5、出口 1.0、90° 曲がり ≈ 0.3
圧力損失
Δp = ρ·g·hf
2 つの開放貯水槽
Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
自由放出
H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

ポンプとポンプ動力

水動力
Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp
軸動力
Pshaft = Ph/ηpump
電力
Pel = Pshaft/ηmotor
ポンプ揚程
H = Δz + Δp/(ρ·g) + hL
管路系の損失
hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2演習問題

1.物質収支ふつう
ミキサー流れ 1300 kg/h · 40% 砂糖流れ 2ṁ₂ = ? · 20% 砂糖製品30% 砂糖

混合後の製品が砂糖を 30% 含むようにするには、流れ 1 に毎時どれだけ流れ 2 を加えればよいか。ṁ2 を求めよ。

ṁ1 = 300 kg/hx1 = 40 %x2 = 20 %x3 = 30 %
ṁ2 = kg/h
2.物質収支むずかしい
蒸発缶原料 F3900 kg/h · 9% NaOH製品 P55% NaOH蒸気 W(純水)W = ? kg/h

蒸発缶で純水を蒸発させ、NaOH水溶液を濃縮する。蒸発した水量 Wを kg/h で求めよ。

F = 3900 kg/hxF = 9 %xP = 55 %
W = kg/h
3.エネルギー収支ふつう
高温側低温側軽油 · 160 °C110 °C水 · 15 °Ct = ? °C

高温の軽油が、熱損失のない向流熱交換器で水を冷やす。水の出口温度 tout を求めよ。

ṁh = 3 kg/scp,h = 2.1 kJ/(kg·K)Th: 160 → 110 °Cṁc = 1 kg/scp,c = 4.18 kJ/(kg·K)tin = 15 °C
tout = °C
4.エネルギー収支むずかしい
高温側低温側エタノール · 120 °C70 °C水 · 25 °C90 °C · ṁ = ?損失 10%

高温のエタノールが熱交換器で水を加熱する。この熱交換器は高温流体が放出する熱の 10% を周囲に失う。必要な水の流量 ṁc を求めよ。

ṁh = 3 kg/scp,h = 2.44 kJ/(kg·K)Th: 120 → 70 °Ct: 25 → 90 °Ccp,c = 4.18 kJ/(kg·K)損失 = 10 %
ṁc = kg/s
5.理想気体の状態方程式ふつう
260 g のO₂P = 650 kPaT = 50 °CV = ?

650 kPa、50 °C において、O₂ 260 g が占める体積 V はいくらか。理想気体として扱う。

m = 260 gM = 32 g/molP = 650 kPaT = 50 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
6.理想気体の状態方程式むずかしい
状態 1状態 2

一定量のN₂が 250 kPa、2 L、15 °C から 750 kPa、100 °C に変化する。新しい体積 V2 を求めよ。

P1 = 250 kPaV1 = 2 LT1 = 15 °CP2 = 750 kPaT2 = 100 °C
V2 = L
7.化学量論ふつう
m(X)n(X)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(X)× 1/ν× M(CO2​)

20 g の CH4 と 8 g の O2 が CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O に従って反応します。生じうる CO2 の質量 m はいくらですか?

M(CH4) = 16.04M(O2) = 32M(CO2) = 44.01 g/mol
m = g
8.化学量論むずかしい
m(CH4​)n(CH4​)n(CO2​)m(CO2​)÷ M(CH4​)× 1/1× M(CO2​)

反応 CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O で、10 g の CH4 が完全に反応し(ほかの反応物は過剰)、17.01 g の CO2 が得られました。収率 Y を求めなさい。

M(CH4) = 16.04 g/molM(CO2) = 44.01 g/mol実際: 17.01 g
Y = %
9.化学平衡ふつう
H2​I2​HII0.80.80C−x−x+2xE0.8 − x0.8 − x2x

0.8 mol/L の H₂ と 0.8 mol/L の I₂ を容器に入れると、H₂ + I₂ ⇌ 2HI の反応が起こる。Kc = 50 である。平衡濃度 [HI] を求めよ。

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LKc = 50
[HI] = mol/L
10.化学平衡むずかしい
PCl5​PCl3​Cl2​I0.400C−x+x+xE0.4 − xxx

PCl₅ は PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂ のように分解し、反応温度で Kc = 0.1 である。容器には初め 0.4 mol/L の PCl₅ だけが入っている。平衡濃度 [PCl5] を求めよ。

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LKc = 0.1
[PCl5] = mol/L
11.熱量測定とエンタルピーふつう
Tf​ = ?銅m = 50 gT = 150 °Cc = 0.385 J/(g·°C)水m = 400 gT = 20 °Cc = 4.18 J/(g·°C)

温度 150 °C、質量 50 g の銅のブロック(c = 0.385 J/(g·°C))を、断熱容器に入った温度 20 °C、質量 400 g の水(c = 4.18 J/(g·°C))に入れる。最終温度 Tf を求めよ。

mmetal = 50 gcmetal = 0.385 J/(g·°C)Tmetal = 150 °Cmwater = 400 gTwater = 20 °Ccwater = 4.18 J/(g·°C)
Tf = °C
12.熱量測定とエンタルピーむずかしい
HC3​H8​ + 5O₂反応物3CO₂ + 4H₂O(l)生成物ΔH° = ?

標準生成エンタルピーを使って、反応 C3H8 + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l) の ΔH° を求めよ。

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.反応速度論ふつう
t (min)C (mol/L)t½​ = ?C0​/2

2 次反応(−rA = k·CA²)の k = 0.25 L/(mol·min)、初濃度は 0.2 mol/L である。最初の半減期 t½ を求めよ。

k = 0.25 L/(mol·min)CA0 = 0.2 mol/L
t½ = min
14.反応速度論むずかしい
1/Tln kT = 25 °Cln 0.1ln A = ?Ea​ = 40 kJ/mol

1 次反応の速度定数は 25 °C で 0.1 s⁻¹、活性化エネルギーは 40 kJ/mol である。アレニウスの式の頻度因子 A を求めよ。

k = 0.1 s⁻¹T = 25 °CEa = 40 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)
A = s⁻¹
15.反応器の設計(CSTR と PFR)ふつう
Q = 5 L/minX = 75%V = ?, k = 0.25 min⁻¹

k = 0.25 min⁻¹ の液相 1 次反応 A → B を、5 L/min で供給される押出し流れ反応器(PFR)で行う。 密度は一定で、反応器は定常状態にある。A の反応率 75% に必要な反応器体積 V をリットルで求めよ。

Q = 5 L/mink = 0.25 min⁻¹X = 75%
V = L
16.反応器の設計(CSTR と PFR)むずかしい
V = 2000 LQ = 10 L/minX = ?

液相 1 次反応(k = 0.25 min⁻¹)を、10 L/min で供給される 2000 L の CSTR で行う。密度は一定で、反応器は定常状態にある。反応率 X をパーセントで求めよ。

V = 2000 LQ = 10 L/mink = 0.25 min⁻¹
X = %
17.熱交換器 (LMTD)ふつう
長さT155 °C85 °C15 °C75 °CΔT₁ΔT₂並流

並流熱交換器が 380 kW を伝える。 高温流体は 155 から 85 °C まで冷え、低温流体は 15 から 75 °C まで温まる。熱通過率は 800 W/(m²·K) である。必要な伝熱面積 A を求めよ。

Q̇ = 380 kWU = 800 W/(m²·K)Th: 155 → 85 °CTc: 15 → 75 °C
A = m²
18.熱交換器 (LMTD)むずかしい
長さT115 °C65 °C?15 °CΔT₁ΔT₂向流

向流二重管式熱交換器で、高温の油(0.3 kg/s、cp = 2.3 kJ/(kg·K))が内管を流れ、115 から 65 °C まで冷える。 環状部の水(0.8 kg/s、cp = 4.18 kJ/(kg·K))は 15 °C で流入する。内管の直径は 40 mm で、U = 400 W/(m²·K) はこの直径を基準とする。必要な管の長さ L を求めよ。

ṁh = 0.3 kg/scp,h = 2.3 kJ/(kg·K)Th: 115 → 65 °Cṁc = 0.8 kg/sTc,in = 15 °CD = 40 mmU = 400 W/(m²·K)
L = m
19.熱伝導ふつう
れんが, k = 0.72250 mmロックウール, k = 0.04150 mm17 °C-5 °CQ̇ = ?

壁はれんが 250 mm とロックウール 150 mm からなり、面積は 15 m² である。外側の両面は 17 °C と -5 °C である。 壁を通る熱流量 Q̇ を求めよ。

L1 = 250 mm, k1 = 0.72 W/(m·K)L2 = 150 mm, k2 = 0.04 W/(m·K)A = 15 m²T1 = 17 °CT3 = -5 °C
Q̇ = W
20.熱伝導むずかしい
コンクリート, k = 1.450 mm木材, k = 0.17100 mm室内 22 °C屋外 -13 °CQ̇

50 mm のコンクリートと 100 mm の木材からなる壁が、22 °C の部屋と -13 °C の外気を隔てている。熱伝達率は室内側 10 W/(m²·K)、屋外側 20 W/(m²·K)、壁の面積は 15 m² である。 壁の熱通過率 U を求めよ。

L1 = 50 mm, k1 = 1.4 W/(m·K)L2 = 100 mm, k2 = 0.17 W/(m·K)A = 15 m²hi = 10 W/(m²·K)ho = 20 W/(m²·K)Troom = 22 °CTout = -13 °C
U = W/(m²·K)
21.管摩擦と損失水頭ふつう
V = 2.9 m/sD = 150 mmL = 400 mf = 0.03

水(ρ = 1000 kg/m³)が、長さ 400 m、内径 150 mm の水平管内を 2.9 m/s で流れている。ダルシーの管摩擦係数 f = 0.03、g = 9.81 m/s² とする。管での圧力損失 Δp を kPa で求めよ。

V = 2.9 m/sL = 400 mD = 150 mmf = 0.03ρ = 1000 kg/m³
Δp = kPa
22.管摩擦と損失水頭むずかしい
K = 2Δz = ?L = 200 m, D = 200 mm, f = 0.0252× 曲がり (K = 0.3)

2 つの開放貯水槽が、長さ 200 m、内径 200 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.025 の管でつながれている。局所損失は 角ばった入口(K = 0.5)、2 個の曲がり(各 K = 0.3)、弁(K = 2)、下の貯水槽への出口(K = 1.0) である。g = 9.81 m/s² とする。流量 100 L/s となる貯水槽間の水位差 Δz を求めよ。

Q = 100 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0.025Kentrance = 0.5Kbend = 0.3 (×2)Kvalve = 2Kexit = 1.0
Δz = m
23.ポンプとポンプ動力ふつう
PQ = 20 L/sH = 50 m

ポンプが揚程 50 m に対して水(ρ = 1000 kg/m³)を 20 L/s 送っている。ポンプ効率は 60%、これを駆動する電動機の効率は 92% である。g = 9.81 m/s² とする。電動機が消費する電力 Pel を kW で求めよ。

Q = 20 L/sH = 50 mηpump = 60%ηmotor = 92%g = 9.81 m/s²
Pel = kW
24.ポンプとポンプ動力むずかしい
PQ = 120 L/sΔz = 10 mL = 300 m, D = 250 mm, f = 0.018, ΣK = 4

ポンプが 120 L/s の水(ρ = 1000 kg/m³)を、開放された下の貯水槽から、水面が 10 m 高い上のタンクへ送る。管は長さ 300 m、内径 250 mm、ダルシーの管摩擦係数 f = 0.018 で、局所損失係数の合計は ΣK = 4(入口と出口を含む)である。g = 9.81 m/s² とする。 ポンプ効率は 80% である。軸動力 Pshaft を kW で求めよ。

Q = 120 L/sΔz = 10 mL = 300 mD = 250 mmf = 0.018ΣK = 4η = 80%
Pshaft = kW

3溶液

1.物質収支

答え: ṁ2 = 300 kg/h

定常状態の物質収支:全体と各成分で入量 = 出量。混合の問題では両方を組み合わせます。

収支

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

ṁ2 について解く

ṁ2 = ṁ1(x1 − x3)/(x3 − x2) = 300·(40 − 30)/(30 − 20) = 300 kg/h

答え

ṁ2 = 300 kg/h
2.物質収支

答え: W = 3262 kg/h

タイ成分:1 つの流れだけを変化せずに通る成分(ここでは溶質)は、流量どうしを直接結びつけます。残りは全体収支で求まります。

溶質収支

F·xF = P·xP → P = 3900·9/55 = 638.2 kg/h

全体収支

W = F − P = 3900 − 638.2 = 3262 kg/h

答え

W = 3262 kg/h
3.エネルギー収支

答え: tout = 90.36 °C

熱交換器のエネルギー収支:損失がなければ ṁhcp,h(Th,in − Th,out) = ṁccp,c(tout − tin)。

高温流体が放出する熱

Q = 3·2.1·(160 − 110) = 315 kW

水が受け取る熱

tout = tin + Q/(ṁccp,c) = 15 + 315/(1·4.18) = 90.36 °C

答え

tout = 90.36 °C
4.エネルギー収支

答え: ṁc = 1.212 kg/s

損失のあるエネルギー収支:放出熱 = 吸収熱 + 損失熱。

放出熱

Qh = 3·2.44·(120 − 70) = 366 kW

水に届く熱

Qc = (1 − 0.1)·366 = 329.4 kW

水の流量

ṁc = Qc/(cp,c·Δt) = 329.4/(4.18·65) = 1.212 kg/s

答え

ṁc = 1.212 kg/s
5.理想気体の状態方程式

答え: V = 33.58 L

理想気体の状態方程式:PV = nRT、n = m/M。

物質量

n = 260/32 = 8.125 mol
T = 50 + 273.15 = 323.1 K

体積

V = nRT/P = 8.125·8.314·323.1/650 = 33.58 L

答え

V = 33.58 L
6.理想気体の状態方程式

答え: V2 = 0.8633 L

ボイル・シャルルの法則:一定量の理想気体では P1V1/T1 = P2V2/T2。

絶対温度

T1 = 288.1 K, T2 = 373.1 K

ボイル・シャルルの法則

V2 = V1·(P1/P2)·(T2/T1) = 2·(250/750)·(373.1/288.1) = 0.8633 L

答え

V2 = 0.8633 L
7.化学量論

答え: m = 5.501 g

化学量論:化学反応式は粒子の数を表し、グラム数ではありません。n = m/M で質量を物質量に換算し、反応式の係数を物質量の比として使い、m = n·M で質量に戻します。反応物が 2 つあるとき、限定反応物は先になくなり、生成物の量を決めるほうです。

各反応物の物質量

n(CH4) = 20/16.04 = 1.247 mol
n(O2) = 8/32 = 0.25 mol

限定反応物

1.247/1 = 1.247, 0.25/2 = 0.125 → O2

生成物の質量

n(CO2) = 0.125·1 = 0.125 mol
m = 0.125·44.01 = 5.501 g

答え

m = 5.501 g
8.化学量論

答え: Y = 62 %

化学量論:化学反応式は粒子の数を表し、グラム数ではありません。n = m/M で質量を物質量に換算し、反応式の係数を物質量の比として使い、m = n·M で質量に戻します。反応物が 2 つあるとき、限定反応物は先になくなり、生成物の量を決めるほうです。

理論収量

n(CH4) = 10/16.04 = 0.6234 mol
m = 0.6234·1/1·44.01 = 27.44 g

収率

Y = 17.01/27.44·100 = 62%

答え

Y = 62%
9.化学平衡

答え: [HI] = 1.247 mol/L

化学平衡:aA + bB ⇌ cC + dD に対して、平衡定数は Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) で、平衡時の濃度を使います。ICE 表(初期・変化・平衡)は、係数倍した 1 つの未知数 x を通して、初めの量と平衡時の量を結びつけます。

平衡の式

50 = (2x)²/(0.8 − x)²

平方根をとる

7.071 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·7.071/(2 + 7.071) = 0.6236 mol/L

平衡濃度

[HI] = 2x = 1.247 mol/L

答え

[HI] = 1.247 mol/L
10.化学平衡

答え: [PCl5] = 0.2438 mol/L

化学平衡:aA + bB ⇌ cC + dD に対して、平衡定数は Kc = [C]c[D]d/([A]a[B]b) で、平衡時の濃度を使います。ICE 表(初期・変化・平衡)は、係数倍した 1 つの未知数 x を通して、初めの量と平衡時の量を結びつけます。

平衡の式

0.1 = x²/(0.4 − x) → x² + 0.1·x − 0.04 = 0

2 次方程式を解く

x = (−0.1 + √(0.1² + 4·0.04))/2 = 0.1562 mol/L

平衡濃度

[PCl₅] = 0.4 − 0.1562 = 0.2438 mol/L

答え

[PCl5] = 0.2438 mol/L
11.熱量測定とエンタルピー

答え: Tf = 21.48 °C

熱とエンタルピー:物質を加熱するのに必要な熱量は q = m·c·ΔT です。熱量計では、高温の物体が失った熱量が低温の物体が得た熱量に等しくなります。反応のエンタルピー変化は生成エンタルピーから求められます:ΔH° = ΣΔH°f(生成物) − ΣΔH°f(反応物)。各項にはそれぞれの係数を掛けます。

熱収支

50·0.385·(150 − Tf) = 400·4.18·(Tf − 20)

最終温度を求める

Tf = (19.25·150 + 1672·20)/(19.25 + 1672) = 21.48 °C

答え

Tf = 21.48 °C
12.熱量測定とエンタルピー

答え: ΔH° = −2220 kJ

熱とエンタルピー:物質を加熱するのに必要な熱量は q = m·c·ΔT です。熱量計では、高温の物体が失った熱量が低温の物体が得た熱量に等しくなります。反応のエンタルピー変化は生成エンタルピーから求められます:ΔH° = ΣΔH°f(生成物) − ΣΔH°f(反応物)。各項にはそれぞれの係数を掛けます。

反応エンタルピー

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

答え

ΔH° = −2220 kJ

負の値:この反応は熱を放出します(発熱反応)。

13.反応速度論

答え: t½ = 20 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).

2 次反応の半減期

t½ = 1/(k·CA0) = 1/(0.25·0.2) = 20 min

答え

t½ = 20 min

C₀ が半分になるので、その後の半減期はそれぞれ 2 倍の長さになります。

14.反応速度論

答え: A = 1.019 × 10⁶ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e−Ea/(RT).

絶対温度

T = 25 + 273.15 = 298.1 K

アレニウスの式を A について解く

Ea/(RT) = 40000/(8.314·298.1) = 16.14
A = k·e16.14 = 0.1·1.019 × 10⁷ = 1.019 × 10⁶ s⁻¹

答え

A = 1.019 × 10⁶ s⁻¹
15.反応器の設計(CSTR と PFR)

答え: V = 27.73 L

理想反応器、1 次反応(−rA = k·CA)の定常状態、空間時間 τ = V/Q。CSTR は完全に混合されているので、体積全体が低い出口濃度で反応します:τ = X/(k·(1 − X))、CA = CA0/(1 + k·τ)。PFR では流体の各断片が小さな回分反応器のように反応します:τ = ln(1/(1 − X))/k、CA = CA0·e−k·τ。同じ反応率では、CSTR は常に PFR より大きな体積を必要とします。

空間時間

τ = ln(1/(1 − 0.75))/0.25 = 1.386/0.25 = 5.545 min

体積

V = Q·τ = 5·5.545 = 27.73 L

答え

V = 27.73 L
16.反応器の設計(CSTR と PFR)

答え: X = 98.04 %

理想反応器、1 次反応(−rA = k·CA)の定常状態、空間時間 τ = V/Q。CSTR は完全に混合されているので、体積全体が低い出口濃度で反応します:τ = X/(k·(1 − X))、CA = CA0/(1 + k·τ)。PFR では流体の各断片が小さな回分反応器のように反応します:τ = ln(1/(1 − X))/k、CA = CA0·e−k·τ。同じ反応率では、CSTR は常に PFR より大きな体積を必要とします。

空間時間

τ = V/Q = 2000/10 = 200 min, kτ = 0.25·200 = 50

反応率

X = kτ/(1 + kτ) = 50/(1 + 50) = 98.04%

答え

X = 98.04%
17.熱交換器 (LMTD)

答え: A = 9.643 m²

LMTD 法:流体間の温度差は熱交換器に沿って変化するので、伝熱の式ではその対数平均を使います:Q̇ = U·A·ΔTlm、ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)(ΔT₁、ΔT₂ は両端の温度差)。出入口温度が同じなら、向流の ΔTlm は並流より大きくなります。

両端の温度差

並流では、2 つの入口が同じ端に、2 つの出口がもう一方の端にあります。

ΔT₁ = Th,in − Tc,in = 155 − 15 = 140 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,out = 85 − 75 = 10 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (140 − 10)/ln(140/10) = 49.26 K

面積

A = Q̇/(U·ΔTlm) = 380000/(800·49.26) = 9.643 m²

答え

A = 9.643 m²
18.熱交換器 (LMTD)

答え: L = 10.11 m

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.

熱負荷と水の出口温度

Q̇ = 0.3·2.3·(115 − 65) = 34.5 kW
Tc,out = 15 + 34.5/(0.8·4.18) = 25.32 °C

両端の温度差

向流では、高温側入口が低温側出口と、高温側出口が低温側入口と向かい合います。

ΔT₁ = Th,in − Tc,out = 115 − 25.32 = 89.68 K
ΔT₂ = Th,out − Tc,in = 65 − 15 = 50 K

対数平均温度差

ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (89.68 − 50)/ln(89.68/50) = 67.92 K

面積と長さ

A = 34500/(400·67.92) = 1.27 m²
L = A/(πD) = 1.27/(π·0.04) = 10.11 m

答え

L = 10.11 m
19.熱伝導

答え: Q̇ = 80.54 W

熱抵抗:直列の層を通る定常の熱流は、直列抵抗を流れる電流と同じように振る舞います:Q̇ = ΔT/ΣR。伝導層では R = L/(kA)、対流面では R = 1/(hA)。各層の温度降下はその熱抵抗に比例します。

各層の熱抵抗

R1 = L1/(k1A) = (250/1000)/(0.72·15) = 0.02315 K/W
R2 = L2/(k2A) = (150/1000)/(0.04·15) = 0.25 K/W

熱流量

Q̇ = (T1 − T3)/(R1 + R2) = 22/0.2731 = 80.54 W

答え

Q̇ = 80.54 W
20.熱伝導

答え: U = 1.292 W/(m²·K)

熱抵抗:直列の層を通る定常の熱流は、直列抵抗を流れる電流と同じように振る舞います:Q̇ = ΔT/ΣR。伝導層では R = L/(kA)、対流面では R = 1/(hA)。各層の温度降下はその熱抵抗に比例します。

直列の熱抵抗

Ri = 1/(hiA) = 1/(10·15) = 0.006667 K/W
R1 = L1/(k1A) = (50/1000)/(1.4·15) = 0.002381 K/W
R2 = L2/(k2A) = (100/1000)/(0.17·15) = 0.03922 K/W
Ro = 1/(hoA) = 1/(20·15) = 0.003333 K/W
ΣR = 0.0516 K/W

熱通過率

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0.0516) = 1.292 W/(m²·K)

答え

U = 1.292 W/(m²·K)
21.管摩擦と損失水頭

答え: Δp = 336.4 kPa

管内流れ:レイノルズ数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ によって、層流(Re が約 2000 未満)と乱流(約 4000 超)を区別します。管に沿った摩擦によってダルシー・ワイスバッハの損失水頭 hf = f·(L/D)·V²/(2g) が生じます。継手、弁、入口、出口は局所損失 hm = ΣK·V²/(2g) を加えます。2 つの開放貯水槽の水面間では、エネルギー式から Δz = hf + hm(出口損失 K = 1 を含む)が得られます。

損失水頭

hf = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.03·(400/0.15)·2.9²/(2·9.81) = 34.29 m

圧力損失

管は水平で流速も変わらないので、エネルギー式は Δp = ρ·g·hf になります。

Δp = ρ·g·hf = 1000·9.81·34.29 = 336400 Pa = 336.4 kPa

答え

Δp = 336.4 kPa
22.管摩擦と損失水頭

答え: Δz = 15.03 m

管内流れ:レイノルズ数 Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ によって、層流(Re が約 2000 未満)と乱流(約 4000 超)を区別します。管に沿った摩擦によってダルシー・ワイスバッハの損失水頭 hf = f·(L/D)·V²/(2g) が生じます。継手、弁、入口、出口は局所損失 hm = ΣK·V²/(2g) を加えます。2 つの開放貯水槽の水面間では、エネルギー式から Δz = hf + hm(出口損失 K = 1 を含む)が得られます。

速度

V = Q/A = 0.1/0.03142 = 3.183 m/s
V²/(2g) = 0.5164 m

損失係数

f·L/D = 0.025·200/0.2 = 25
ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 + 1.0 = 4.1

全損失水頭

hf = 25·0.5164 = 12.91 m
hm = 4.1·0.5164 = 2.117 m
Δz = hf + hm = 15.03 m

答え

Δz = 15.03 m
23.ポンプとポンプ動力

答え: Pel = 17.77 kW

ポンプ動力:水に与えられる動力は水動力 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp です。ポンプには損失があるので、軸はそれより大きな動力を伝えなければなりません:Pshaft = Ph/ηpump。モーターが消費する電力は Pel = Pshaft/ηmotor です。ポンプ揚程 H はエネルギー式から求めます:実揚程 + 圧力水頭 + すべての摩擦損失と局所損失。

水動力

Ph = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.02·50 = 9.81 kW

軸動力

Pshaft = 9.81/0.6 = 16.35 kW

電力

Pel = 16.35/0.92 = 17.77 kW

答え

Pel = 17.77 kW
24.ポンプとポンプ動力

答え: Pshaft = 26.19 kW

ポンプ動力:水に与えられる動力は水動力 Ph = ρ·g·Q·H = Q·Δp です。ポンプには損失があるので、軸はそれより大きな動力を伝えなければなりません:Pshaft = Ph/ηpump。モーターが消費する電力は Pel = Pshaft/ηmotor です。ポンプ揚程 H はエネルギー式から求めます:実揚程 + 圧力水頭 + すべての摩擦損失と局所損失。

速度

V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s
V²/(2g) = 0.3046 m

損失水頭

hL = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (21.6 + 4)·0.3046 = 7.798 m

ポンプ揚程

H = Δz + hL = 10 + 7.798 = 17.8 m

軸動力

Pshaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.12·17.8/0.8 = 26.19 kW

答え

Pshaft = 26.19 kW

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