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 25% NaOH? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 550 kg/hx₁ = 20 %x₂ = 50 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

Satu penyejat memekatkan larutan NaOH dengan mendidihkan air tulen. Cari aliran hasil P dalam kg/h.

F = 1000 kg/hx_F = 7 %x_P = 65 %

P = 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 = 2.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

campuran glikol panas memanaskan air dalam penukar yang kehilangan 10% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 120 °Ct: 25 → 65 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Berapakah isi padu V yang diduduki oleh 190 g O₂ pada 600 kPa dan 55 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 190 gM = 32 g/molP = 600 kPaT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah Ar yang tetap berubah daripada 300 kPa, 10 L, 25 °C kepada 550 kPa dan 210 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 300 kPaV₁ = 10 LT₁ = 25 °CP₂ = 550 kPaT₂ = 210 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

10 g C₃H₈ dan 24 g O₂ bertindak balas mengikut C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Berapakah jisim m bagi CO₂ yang boleh terbentuk?

M(C₃H₈) = 44.1M(O₂) = 32M(CO₂) = 44.01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas CaCO₃ → CaO + CO₂, 8 g CaCO₃ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 2.46 g CO₂ dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(CaCO₃) = 100.09 g/molM(CO₂) = 44.01 g/molsebenar: 2.46 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.4 mol/L H₂ dan 0.4 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 16. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LK_c = 16

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.5 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.4 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LK_c = 0.5

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah aluminium 150 g (c = 0.897 J/(g·°C)) pada 120 °C dijatuhkan ke dalam 200 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 16 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 150 gc_metal = 0.897 J/(g·°C)T_metal = 120 °Cm_water = 200 gT_water = 16 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari haba q yang dibebaskan apabila 250 g C₂H₆ (M = 30.07 g/mol) terbakar sepenuhnya: 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(C₂H₆) = −84.7 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 peringkat pertama dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.08 min⁻¹. Berapa lama masa yang diambil untuk mencapai penukaran 60%? Cari t.

k = 0.08 min⁻¹X = 60 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan C_A0 = 0.5 mol/L kadarnya ialah 0.008 mol/(L·s); dengan C_A0 = 1 mol/L ia ialah 0.0113 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

C_A0,1 = 0.5 mol/Lr₁ = 0.008 mol/(L·s)C_A0,2 = 1 mol/Lr₂ = 0.0113 mol/(L·s)

n =

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 50 L. Suapan masuk pada 100 L/min dengan C_A0 = 1.5 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 50 LQ = 100 L/mink = 0.4 min⁻¹C_A0 = 1.5 mol/L

C_A = mol/L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.05 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 1000 L yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1000 LQ = 80 L/mink = 0.05 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 550 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 105 kepada 55 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 30 kepada 50 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.85, dan U = 800 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 550 kWF = 0.85U = 800 W/(m²·K)T_h: 105 → 55 °CT_c: 30 → 50 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (1.5 kg/s, c_p = 2.3 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 100 kepada 80 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 1.5 kg/s air (c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 25 °C. Dengan U = 300 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 2.3 kJ/(kg·K)T_h: 100 → 80 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 300 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 100 mm bata dan 150 mm polistirena terkembang, dengan luas 20 m². Muka luarnya berada pada 25 °C dan -11 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 25 °CT₃ = -11 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 150 mm konkrit dan 25 mm bata memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada -9 °C. Pekali perolakan ialah 6 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 = 1.4 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -9 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 3 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 200 m dengan diameter dalam 75 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.015 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 3 m/sL = 200 mD = 75 mmf = 0.015ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 300 m dengan diameter dalam 200 mm (faktor geseran Darcy f = 0.015) bermula dari takungan terbuka dan mengalir keluar sebagai pancutan bebas ke udara. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 lengkuk (K = 0.3 setiap satu) dan injap (K = 5). Gunakan g = 9.81 m/s². Seberapa tinggi H permukaan takungan mesti berada di atas keluaran paip untuk kadar alir 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 300 mD = 200 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam dengan kecekapan 85% menghantar 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 12 m. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa aci P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 25 L/sH = 12 mη = 85%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 60 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 21 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 300 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.025; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 75%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 60 L/sΔz = 21 mL = 300 mD = 200 mmf = 0.025ΣK = 8η = 75%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 110 kg/h

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

Imbangan

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 550·(20 − 25)/(25 − 50) = 110 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 110 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 107.7 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 = 1000·7/65 = 107.7 kg/h

Jawapan

P = 107.7 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 39.59 °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 = 2.5·2.44·(150 − 120) = 183 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 183/(3·4.18) = 39.59 °C

Jawapan

t_out = 39.59 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.9689 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 1·3.6·(170 − 120) = 180 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.1)·180 = 162 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 162/(4.18·40) = 0.9689 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.9689 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 27 L

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

Mol

n = 190/32 = 5.938 mol

T = 55 + 273.15 = 328.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 5.938·8.314·328.1/600 = 27 L

Jawapan

V = 27 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 8.839 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 298.1 K, T₂ = 483.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(300/550)·(483.1/298.1) = 8.839 L

Jawapan

V₂ = 8.839 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 19.8 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(C₃H₈) = 10/44.1 = 0.2268 mol

n(O₂) = 24/32 = 0.75 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.2268/1 = 0.2268, 0.75/5 = 0.15 → O₂

Jisim hasil

n(CO₂) = 0.15·3 = 0.45 mol

m = 0.45·44.01 = 19.8 g

Jawapan

m = 19.8 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 69.93 %

Hasil teori

n(CaCO₃) = 8/100.09 = 0.07993 mol

m = 0.07993·1/1·44.01 = 3.518 g

Hasil peratusan

Y = 2.46/3.518·100 = 69.93%

Jawapan

Y = 69.93%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.5333 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

16 = (2x)²/(0.4 − x)²

Ambil punca kuasa dua

4 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·4/(2 + 4) = 0.2667 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.5333 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.5333 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.2623 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.5 = x²/(0.4 − x) → x² + 0.5·x − 0.2 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.5 + √(0.5² + 4·0.2))/2 = 0.2623 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.2623 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.2623 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 30.42 °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

150·0.897·(120 − T_f) = 200·4.18·(T_f − 16)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (134.6·120 + 836·16)/(134.6 + 836) = 30.42 °C

Jawapan

T_f = 30.42 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 12967 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [4·(−393.5) + 6·(−285.8)] − [2·(−84.7) + 7·0] = −3119 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 250/30.07 = 8.314 mol

q = n·|ΔH°/2| = 8.314·1560 = 12967 kJ

Jawapan

q = 12967 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 11.45 min

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).

Penukaran dan kepekatan

C/C₀ = 1 − X = 0.4

Selesaikan untuk masa

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.4)/0.08 = 11.45 min

Jawapan

t = 11.45 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 0.4983

Kaedah kadar awal: bagi r = k·Cⁿ, membandingkan dua larian yang hanya berbeza pada kepekatan awal menghapuskan k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Menggandakan C menggandakan kadar bagi peringkat pertama dan menjadikannya empat kali ganda bagi peringkat kedua.

Nisbah

r₂/r₁ = 0.0113/0.008 = 1.412

C₂/C₁ = 1/0.5 = 2

Peringkat

n = ln(1.412)/ln(2) = 0.4983

Jawapan

n = 0.4983

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 1.228 mol/L

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.

Masa ruang

τ = V/Q = 50/100 = 0.5 min

Kepekatan keluaran

C_A = 1.5·e^−0.4·0.5 = 1.228 mol/L

Jawapan

C_A = 1.228 mol/L

Penukaran: X = 18.13%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 46.47 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1000/80 = 12.5 min, kτ = 0.05·12.5 = 0.625

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−0.625 = 46.47%

Jawapan

X = 46.47%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 21.26 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 = 105 − 50 = 55 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 55 − 30 = 25 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (55 − 25)/ln(55/25) = 38.05 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 550000/(800·0.85·38.05) = 21.26 m²

Jawapan

A = 21.26 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 3.873 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) = 1.5·2.3·20 = 69 kW

T_c,out = 25 + 69/(1.5·4.18) = 36 °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 = 100 − 36 = 64 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 25 = 55 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (64 − 55)/ln(64/55) = 59.38 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 69000/(300·59.38) = 3.873 m²

Jawapan

A = 3.873 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 23.87 °C

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)/(0.72·20) = 0.006944 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.035·20) = 0.2143 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 36/0.2212 = 162.7 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 25 − 162.7·0.006944 = 23.87 °C

Jawapan

T_i = 23.87 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 2.789 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·6) = 0.02778 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(1.4·6) = 0.01786 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.72·6) = 0.005787 K/W

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

ΣR = 0.05976 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0.05976) = 2.789 W/(m²·K)

Jawapan

U = 2.789 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 180 kPa

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.

Kehilangan turus

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(200/0.075)·3²/(2·9.81) = 18.35 m

Susutan tekanan

Paip itu mengufuk dan halaju tidak berubah, jadi persamaan tenaga dipermudahkan kepada Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9.81·18.35 = 180000 Pa = 180 kPa

Jawapan

Δp = 180 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 5.503 m

Halaju

V = Q/A = 0.06/0.03142 = 1.91 m/s

V²/(2g) = 0.1859 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·300/0.2 = 22.5

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 = 6.1

Persamaan tenaga

Pancutan keluaran masih membawa turus halajunya; ia bukan kehilangan tetapi mesti dibekalkan.

H = (1 + 22.5 + 6.1)·0.1859 = 5.503 m

Jawapan

H = 5.503 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 3.462 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 = 1000·9.81·0.025·12 = 2.943 kW

Kuasa aci

P_shaft = P_h/η = 2.943/0.85 = 3.462 kW

Jawapan

P_shaft = 3.462 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 23.12 kW

Halaju

V = Q/A = 0.06/0.03142 = 1.91 m/s

V²/(2g) = 0.1859 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (37.5 + 8)·0.1859 = 8.459 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 21 + 8.459 = 29.46 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.06·29.46/0.75 = 23.12 kW

Jawapan

P_shaft = 23.12 kW

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

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

Penukaran dan kepekatan

Selesaikan untuk masa

Jawapan

Nisbah

Peringkat

Jawapan

Masa ruang

Kepekatan keluaran

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