Latihan peperiksaan FE Kimia: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 24 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Imbangan jisim

Keadaan mantap: masuk = keluar
Imbangan jumlah: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Imbangan komponen: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Penyejat: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Imbangan tenaga

Haba ketara: Q = ṁ·c_p·ΔT
Haba pendam: Q = ṁ·h_fg
Pencampuran: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Air: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

Hukum gas unggul

Hukum gas unggul: pV = nRT
Pemalar gas: R = 8.314 J/(mol·K)
Hukum gas gabungan: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Suhu: T[K] = T[°C] + 273.15

Stoikiometri

Mol: n = m/M
Kepekatan: c = n/V
Nisbah mol: gunakan pekali persamaan seimbang
Bahan tindak balas pengehad: yang habis dahulu
Hasil peratusan: sebenar / teori × 100%

Kaedah

Tulis dan seimbangkan persamaan kimia.
Tukar jisim yang diberi kepada mol: n = m/M.
Gunakan pekali sebagai nisbah mol untuk mencari mol bahan yang anda mahu.
Tukar balik kepada jisim dengan m = n·M. Dengan dua bahan tindak balas, cari bahan tindak balas pengehad dahulu.

Keseimbangan kimia

Pemalar keseimbangan: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Jadual ICE: Awal, Perubahan (×pekali), Keseimbangan
Kuadratik: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Kaedah

Tulis K_c dengan hasil di atas bahan tindak balas, setiap satu dinaikkan kepada kuasa pekalinya.
Sediakan jadual ICE: Awal, Perubahan (dalam langkah x darab pekali), Keseimbangan.
Masukkan ungkapan keseimbangan ke dalam K_c dan selesaikan untuk x.
Semak sama ada x cukup kecil untuk anggaran; jika tidak, selesaikan kuadratik.

Kalorimetri & entalpi

Haba: q = m·c·ΔT
Air: c = 4.18 J/(g·°C)
Kalorimeter: haba hilang = haba diperoleh
Entalpi tindak balas: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Kinetik tindak balas

Peringkat pertama: ln(C_A/C_A0) = −kt
Separuh hayat (peringkat pertama): t_½ = ln 2/k
Peringkat kedua: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Dua suhu: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Masa ruang: τ = V/Q
CSTR, peringkat pertama: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, peringkat pertama: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Penukaran daripada isi padu: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N CSTR yang sama secara bersiri: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Penukar haba (LMTD)

Beban haba: Q = U·A·ΔT_lm
Beza suhu min logaritma: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Imbangan aliran: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Pengaliran haba

Hukum Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Rintangan pengaliran: R = L/(kA)
Rintangan perolakan: R = 1/(hA)
Rintangan secara bersiri: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Nilai-U: U = 1/(ΣR·A)

Geseran paip & kehilangan turus

Nombor Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Rejim aliran: lamina di bawah Re ≈ 2000, gelora di atas Re ≈ 4000
Halaju min: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Kehilangan kecil: h_m = ΣK·V²/(2g)
Nilai K lazim: masukan 0.5, keluaran 1.0, lengkuk 90° ≈ 0.3
Susutan tekanan: Δp = ρ·g·h_f
Dua takungan terbuka: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Keluaran bebas: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pam & kuasa pam

Kuasa hidraulik: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Kuasa aci: P_shaft = P_h/η_pump
Kuasa elektrik: P_el = P_shaft/η_motor
Turus pam: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Kehilangan sistem: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Soalan latihan

1.Imbangan jisimSederhana

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 30% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 350 kg/hx₁ = 35 %x₂ = 20 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

Satu penyejat memekatkan larutan NaOH dengan mendidihkan air tulen. Cari air yang tersejat W dalam kg/h.

F = 1400 kg/hx_F = 9 %x_P = 65 %

W = kg/h

3.Imbangan tenagaSederhana

etanol panas menyejukkan air dalam penukar haba aliran berlawanan tanpa kehilangan haba. Cari suhu keluaran air t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 140 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

campuran glikol panas memanaskan air dalam penukar yang kehilangan 5% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 70 °Ct: 10 → 90 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Berapakah isi padu V yang diduduki oleh 110 g CO₂ pada 200 kPa dan 50 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 110 gM = 44.01 g/molP = 200 kPaT = 50 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah He yang tetap berubah daripada 250 kPa, 2 L, 25 °C kepada 350 kPa dan 90 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 2 LT₁ = 25 °CP₂ = 350 kPaT₂ = 90 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

16 g Na dan 80 g Cl₂ bertindak balas mengikut 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Berapakah jisim m bagi NaCl yang boleh terbentuk?

M(Na) = 22.99M(Cl₂) = 70.9M(NaCl) = 58.44 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, 10 g CH₄ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 12.36 g H₂O dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(CH₄) = 16.04 g/molM(H₂O) = 18.02 g/molsebenar: 12.36 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.8 mol/L H₂ dan 0.8 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 9. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LK_c = 9

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0.5 mol/LK_c = 0.02

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah zink 50 g (c = 0.388 J/(g·°C)) pada 170 °C dijatuhkan ke dalam 400 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 17 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0.388 J/(g·°C)T_metal = 170 °Cm_water = 400 gT_water = 17 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari haba q yang dibebaskan apabila 10 g C₃H₈ (M = 44.1 g/mol) terbakar sepenuhnya: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

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.Kinetik tindak balasSederhana

Satu tindak balas dengan hukum kadar −r_A = k·C_A² mempunyai k = 0.2 L/(mol·min) dan bermula pada 2 mol/L. Cari kepekatan C_A selepas 15 min.

k = 0.2 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/Lt = 15 min

C_A = mol/L

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas mempunyai tenaga pengaktifan 70 kJ/mol. Pada 40 °C ia terlalu perlahan. Kepada suhu T₂ (dalam °C) berapakah ia mesti dipanaskan untuk menjadikannya 3 kali lebih pantas?

E_a = 70 kJ/molT₁ = 40 °Ck₂/k₁ = 3R = 8.314 J/(mol·K)

T₂ = °C

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 60%. Berapa kali ganda lebih besarkah CSTR mesti berbanding PFR untuk kadar suapan, pemalar kadar dan penukaran yang sama? Cari nisbah V_CSTR/V_PFR.

X = 60%peringkat pertama, k dan Q yang sama

V_CSTR/V_PFR =

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.25 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 400 L yang disuap pada 40 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 400 LQ = 40 L/mink = 0.25 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 240 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 80 kepada 50 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 20 kepada 60 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.88, dan U = 500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 240 kWF = 0.88U = 500 W/(m²·K)T_h: 80 → 50 °CT_c: 20 → 60 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (2 kg/s, c_p = 2.5 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 115 kepada 90 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 3 kg/s air (c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 30 °C. Dengan U = 800 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2.5 kJ/(kg·K)T_h: 115 → 90 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 30 °CU = 800 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 100 mm papan gipsum dan 150 mm kaca, dengan luas 4 m². Muka luarnya berada pada 20 °C dan -1 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 20 °CT₃ = -1 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 150 mm bata dan 75 mm konkrit memisahkan bilik pada 20 °C daripada udara luar pada -3 °C. Pekali perolakan ialah 7.7 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 6 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 1.4 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -3 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 1.6 m/s melalui paip sepanjang 800 m dengan diameter dalam 50 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.022 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 1.6 m/sL = 800 mD = 50 mmf = 0.022g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 400 m dengan diameter dalam 300 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 4 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 10) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Apakah beza aras air Δz antara takungan yang memberikan kadar alir 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 400 mD = 300 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 10K_exit = 1.0

Δz = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam dengan kecekapan 85% menghantar 150 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 50 m. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa aci P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 150 L/sH = 50 mη = 85%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 30 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 8 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 200 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya berada pada tekanan tolok 350 kPa. Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 30 L/sΔz = 8 mL = 200 mD = 150 mmf = 0.02ΣK = 8p_tank = 350 kPa

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 175 kg/h

Imbangan jisim keadaan mantap: masuk = keluar bagi jumlah dan bagi setiap komponen. Masalah pengadunan menggabungkan kedua-duanya.

Imbangan

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

garam: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 350·(35 − 30)/(30 − 20) = 175 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 175 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1206 kg/h

Komponen penghubung: komponen yang melalui satu aliran tanpa berubah (di sini zat terlarut) menghubungkan aliran secara langsung. Kemudian imbangan jumlah memberikan yang selebihnya.

Imbangan zat terlarut

F·x_F = P·x_P → P = 1400·9/65 = 193.8 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 1400 − 193.8 = 1206 kg/h

Jawapan

W = 1206 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 45.57 °C

Imbangan tenaga penukar: tanpa kehilangan, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Haba yang dibebaskan oleh aliran panas

Q = 1·2.44·(180 − 140) = 97.6 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 97.6/(1.5·4.18) = 45.57 °C

Jawapan

t_out = 45.57 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 2.455 kg/s

Imbangan tenaga dengan kehilangan: haba dibebaskan = haba diserap + haba hilang.

Haba dibebaskan

Q_h = 3·3.6·(150 − 70) = 864 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·864 = 820.8 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 820.8/(4.18·80) = 2.455 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 2.455 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 33.58 L

Hukum gas unggul: PV = nRT, dengan n = m/M.

Mol

n = 110/44.01 = 2.499 mol

T = 50 + 273.15 = 323.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 2.499·8.314·323.1/200 = 33.58 L

Jawapan

V = 33.58 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 1.74 L

Hukum gas gabungan: bagi jumlah gas unggul yang tetap, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Suhu mutlak

T₁ = 298.1 K, T₂ = 363.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(250/350)·(363.1/298.1) = 1.74 L

Jawapan

V₂ = 1.74 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 40.67 g

Stoikiometri: persamaan seimbang mengira zarah, bukan gram. Tukar jisim kepada mol dengan n = m/M, gunakan pekali persamaan sebagai nisbah mol, kemudian tukar balik dengan m = n·M. Dengan dua bahan tindak balas, bahan tindak balas pengehad ialah yang habis dahulu dan menentukan berapa banyak hasil terbentuk.

Mol setiap bahan tindak balas

n(Na) = 16/22.99 = 0.696 mol

n(Cl₂) = 80/70.9 = 1.128 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.696/2 = 0.348, 1.128/1 = 1.128 → Na

Jisim hasil

n(NaCl) = 0.348·2 = 0.696 mol

m = 0.696·58.44 = 40.67 g

Jawapan

m = 40.67 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 55.01 %

Hasil teori

n(CH₄) = 10/16.04 = 0.6234 mol

m = 0.6234·2/1·18.02 = 22.47 g

Hasil peratusan

Y = 12.36/22.47·100 = 55.01%

Jawapan

Y = 55.01%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.96 mol/L

Keseimbangan kimia: bagi aA + bB ⇌ cC + dD, pemalar keseimbangan ialah K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), menggunakan kepekatan pada keseimbangan. Jadual ICE (Awal, Perubahan, Keseimbangan) menghubungkan jumlah permulaan dengan jumlah keseimbangan melalui satu nilai tidak diketahui x, diskalakan oleh pekali.

Ungkapan keseimbangan

9 = (2x)²/(0.8 − x)²

Ambil punca kuasa dua

3 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·3/(2 + 3) = 0.48 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.96 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.96 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.0905 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.02 = x²/(0.5 − x) → x² + 0.02·x − 0.01 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.01))/2 = 0.0905 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.0905 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.0905 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 18.75 °C

Haba dan entalpi: memanaskan sesuatu bahan memerlukan q = m·c·ΔT. Dalam kalorimeter, haba yang hilang oleh objek panas sama dengan haba yang diperoleh objek sejuk. Perubahan entalpi sesuatu tindak balas diperoleh daripada entalpi pembentukan: ΔH° = ΣΔH°f(hasil) − ΣΔH°f(bahan tindak balas), setiap satu didarab dengan pekalinya.

Imbangan haba

50·0.388·(170 − T_f) = 400·4.18·(T_f − 17)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (19.4·170 + 1672·17)/(19.4 + 1672) = 18.75 °C

Jawapan

T_f = 18.75 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 503.4 kJ

Entalpi tindak balas

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

Haba untuk jisim yang diberi

n = 10/44.1 = 0.2268 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0.2268·2220 = 503.4 kJ

Jawapan

q = 503.4 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: C_A = 0.2857 mol/L

Kadar tindak balas: bagi tindak balas peringkat pertama −dC/dt = kC, jadi C = C₀·e^−kt dan separuh hayat ln 2/k tidak bergantung pada kepekatan. Bagi tindak balas peringkat kedua 1/C = 1/C₀ + kt. Pemalar kadar meningkat dengan suhu mengikut Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Hukum peringkat kedua teramir

1/C_A = 1/C_A0 + kt = 0.5 + 0.2·15 = 3.5 L/mol

C_A = 1/3.5 = 0.2857 mol/L

Jawapan

C_A = 0.2857 mol/L

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: T₂ = 53.34 °C

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).

Suhu mutlak

T₁ = 313.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk T₂

1/T₂ = 1/313.1 − 8.314·ln(3)/70000 = 3.193 × 10⁻³ − 1.305 × 10⁻⁴ = 3.063 × 10⁻³ K⁻¹

T₂ = 326.5 K = 53.34 °C

Jawapan

T₂ = 53.34 °C

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V_CSTR/V_PFR = 1.637

Reaktor unggul, tindak balas peringkat pertama (−r_A = k·C_A) pada keadaan mantap, dengan masa ruang τ = V/Q. CSTR bercampur sempurna, jadi seluruh isi padu bertindak balas pada kepekatan keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan C_A = C_A0/(1 + k·τ). Dalam PFR setiap hirisan bendalir bertindak balas seperti reaktor kelompok kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan C_A = C_A0·e^−k·τ. Untuk penukaran yang sama CSTR sentiasa memerlukan isi padu lebih besar daripada PFR.

k·τ untuk setiap reaktor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0.6/0.4 = 1.5

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2.5) = 0.9163

Nisbah isi padu

V_CSTR/V_PFR = 1.5/0.9163 = 1.637

Jawapan

V_CSTR/V_PFR = 1.637

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 91.79 %

Masa ruang

τ = V/Q = 400/40 = 10 min, kτ = 0.25·10 = 2.5

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−2.5 = 91.79%

Jawapan

X = 91.79%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 22.12 m²

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

Beza suhu hujung (aliran songsang)

Dalam aliran berlawanan, masukan panas bertentangan dengan keluaran sejuk, dan keluaran panas bertentangan dengan masukan sejuk.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 80 − 60 = 20 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 50 − 20 = 30 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (20 − 30)/ln(20/30) = 24.66 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 240000/(500·0.88·24.66) = 22.12 m²

Jawapan

A = 22.12 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 2.324 m²

Kaedah LMTD: beza suhu antara kedua-dua aliran berubah sepanjang penukar, jadi persamaan kadar menggunakan min logaritmanya: Q̇ = U·A·ΔT_lm, dengan ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dengan ΔT₁ dan ΔT₂ ialah beza pada kedua-dua hujung. Aliran berlawanan memberikan ΔT_lm yang lebih besar daripada aliran selari untuk suhu masuk dan keluar yang sama.

Beban haba dan suhu keluaran air

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 2·2.5·25 = 125 kW

T_c,out = 30 + 125/(3·4.18) = 39.97 °C

Beza suhu hujung

Dalam aliran berlawanan, masukan panas bertentangan dengan keluaran sejuk, dan keluaran panas bertentangan dengan masukan sejuk.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 115 − 39.97 = 75.03 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 90 − 30 = 60 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (75.03 − 60)/ln(75.03/60) = 67.24 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 125000/(800·67.24) = 2.324 m²

Jawapan

A = 2.324 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 112.8 W

Rintangan terma: aliran haba mantap melalui lapisan secara bersiri berkelakuan seperti arus melalui perintang secara bersiri: Q̇ = ΔT/ΣR, dengan R = L/(kA) bagi lapisan pengalir dan R = 1/(hA) bagi permukaan perolakan. Susutan suhu merentasi setiap lapisan berkadar dengan rintangannya.

Rintangan lapisan

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0.17·4) = 0.1471 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.96·4) = 0.03906 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 21/0.1861 = 112.8 W

Jawapan

Q̇ = 112.8 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 2.264 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·6) = 0.02165 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(0.72·6) = 0.03472 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(1.4·6) = 0.008929 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·6) = 0.008333 K/W

ΣR = 0.07363 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0.07363) = 2.264 W/(m²·K)

Jawapan

U = 2.264 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 45.93 m

Aliran paip: nombor Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membezakan aliran lamina (Re di bawah kira-kira 2000) daripada aliran gelora (di atas kira-kira 4000). Geseran sepanjang paip menyebabkan kehilangan turus Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Alat sambungan, injap, masukan dan keluaran menambah kehilangan kecil h_m = ΣK·V²/(2g). Antara dua permukaan takungan terbuka persamaan tenaga memberikan Δz = h_f + h_m, dengan kehilangan keluaran K = 1 disertakan.

Turus halaju

V²/(2g) = 1.6²/(2·9.81) = 0.1305 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.022·(800/0.05)·1.6²/(2·9.81) = 45.93 m

Jawapan

h_f = 45.93 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δz = 1.876 m

Halaju

V = Q/A = 0.075/0.07069 = 1.061 m/s

V²/(2g) = 0.05738 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·400/0.3 = 20

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7

Jumlah kehilangan turus

h_f = 20·0.05738 = 1.148 m

h_m = 12.7·0.05738 = 0.7287 m

Δz = h_f + h_m = 1.876 m

Jawapan

Δz = 1.876 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 86.56 kW

Kuasa pam: kuasa yang diberikan kepada air ialah kuasa hidraulik P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Aci mesti menyalurkan lebih kerana pam kehilangan sebahagian: P_shaft = P_h/η_pump, dan motor mengambil P_el = P_shaft/η_motor. Turus pam H diperoleh daripada persamaan tenaga: ketinggian statik + turus tekanan + semua kehilangan geseran dan kehilangan kecil.

Kuasa hidraulik

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9.81·0.15·50 = 73.58 kW

Kuasa aci

P_shaft = P_h/η = 73.58/0.85 = 86.56 kW

Jawapan

P_shaft = 86.56 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 48.77 m

Halaju

V = Q/A = 0.03/0.01767 = 1.698 m/s

V²/(2g) = 0.1469 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (26.67 + 8)·0.1469 = 5.092 m

Turus tekanan

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9.81) = 35.68 m

Turus pam

Kedua-dua permukaan hampir pegun, jadi tiada sebutan turus halaju.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 8 + 35.68 + 5.092 = 48.77 m

Jawapan

H = 48.77 m

Ini ialah bahan latihan bebas. ExamProblems tidak berafiliasi dengan atau disokong oleh organisasi yang mengendalikan peperiksaan ini, dan nama peperiksaan hanya digunakan untuk menerangkan kandungannya. FE exam dikendalikan oleh NCEES, yang tidak bergabung dengan ExamProblems dan tidak menyokongnya.

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

Latihan peperiksaan FE Kimia: pek ulang kaji kilat

1Formula dan kaedah

Imbangan jisim

Imbangan tenaga

Hukum gas unggul

Stoikiometri

Kaedah

Keseimbangan kimia

Kaedah

Kalorimetri & entalpi

Kinetik tindak balas

Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Penukar haba (LMTD)

Pengaliran haba

Geseran paip & kehilangan turus

Pam & kuasa pam

2Soalan latihan

3Larutan

Imbangan

Selesaikan untuk ṁ2

Jawapan

Imbangan zat terlarut

Imbangan jumlah

Jawapan

Haba yang dibebaskan oleh aliran panas

Haba yang diserap oleh air

Jawapan

Haba dibebaskan

Haba yang sampai kepada air

Kadar alir air

Jawapan

Mol

Isi padu

Jawapan

Suhu mutlak

Hukum gas gabungan

Jawapan

Mol setiap bahan tindak balas

Bahan tindak balas pengehad

Jisim hasil

Jawapan

Hasil teori

Hasil peratusan

Jawapan

Ungkapan keseimbangan

Ambil punca kuasa dua

Kepekatan keseimbangan

Jawapan

Ungkapan keseimbangan

Selesaikan kuadratik

Kepekatan keseimbangan

Jawapan

Imbangan haba

Selesaikan untuk suhu akhir

Jawapan

Entalpi tindak balas

Haba untuk jisim yang diberi

Jawapan

Hukum peringkat kedua teramir

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk T₂

Jawapan

k·τ untuk setiap reaktor

Nisbah isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung (aliran songsang)

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Beban haba dan suhu keluaran air

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Selesaikan untuk ṁ₂