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% gula? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 800 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 35 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 1100 kg/hx_F = 18 %x_P = 35 %

W = kg/h

3.Imbangan tenagaSederhana

minyak ringan 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 = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 60 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

minyak ringan 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 = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 100 °Ct: 10 → 70 °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 300 g O₂ pada 250 kPa dan 70 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 300 gM = 32 g/molP = 250 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi CO₂ pada 450 kPa dan 190 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 44.01 g/molP = 450 kPaT = 190 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

20 g Na dan 20 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 2Na + Cl₂ → 2NaCl, 16 g Na bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 35.79 g NaCl dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Na) = 22.99 g/molM(NaCl) = 58.44 g/molsebenar: 35.79 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

1 mol/L H₂ dan 1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 36. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 36

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.1 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.2 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0.2 mol/LK_c = 0.1

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah aluminium 50 g (c = 0.897 J/(g·°C)) pada 100 °C dijatuhkan ke dalam 400 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 15 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0.897 J/(g·°C)T_metal = 100 °Cm_water = 400 gT_water = 15 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari haba q yang dibebaskan apabila 20 g C₂H₅OH (M = 46.07 g/mol) terbakar sepenuhnya: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277.7 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 = 0.15 min⁻¹. Berapa lama masa yang diambil untuk mencapai penukaran 99%? Cari t.

k = 0.15 min⁻¹X = 99 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan C_A0 = 0.1 mol/L kadarnya ialah 0.012 mol/(L·s); dengan C_A0 = 0.4 mol/L ia ialah 0.768 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

C_A0,1 = 0.1 mol/Lr₁ = 0.012 mol/(L·s)C_A0,2 = 0.4 mol/Lr₂ = 0.768 mol/(L·s)

n =

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 = 0.05 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 2000 L yang disuap pada 50 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 2000 LQ = 50 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 220 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 175 kepada 155 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 25 kepada 105 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.85, dan U = 1000 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 220 kWF = 0.85U = 1000 W/(m²·K)T_h: 175 → 155 °CT_c: 25 → 105 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (1.5 kg/s, c_p = 2.5 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 105 kepada 80 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 3 kg/s air (c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 10 °C. Dengan U = 500 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 2.5 kJ/(kg·K)T_h: 105 → 80 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 10 °CU = 500 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 250 mm kaca dan 75 mm bata, dengan luas 20 m². Muka luarnya berada pada 24 °C dan 10 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 24 °CT₃ = 10 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 250 mm papan gipsum dan 150 mm kaca memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada 5 °C. Pekali perolakan ialah 7.7 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 15 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = 5 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada 30 L/s melalui paip sepanjang 100 m dengan diameter dalam 150 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.022 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

Q = 30 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0.022g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 300 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015. Permukaan air takungan atas berada 19 m di atas takungan bawah. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 5) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kadar alir Q dalam L/s.

Δz = 19 mL = 300 mD = 200 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 60 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 46 m manakala acinya mengambil 33 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 60 L/sH = 46 mP_shaft = 33 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 80 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 5 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 300 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 4 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 85%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 80 L/sΔz = 5 mL = 300 mD = 250 mmf = 0.015ΣK = 4η = 85%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 2400 kg/h

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

Imbangan

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

gula: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 800·(15 − 30)/(30 − 35) = 2400 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 2400 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 534.3 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 = 1100·18/35 = 565.7 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 1100 − 565.7 = 534.3 kg/h

Jawapan

W = 534.3 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 100.4 °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 = 2.5·2.1·(120 − 60) = 315 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 315/(1·4.18) = 100.4 °C

Jawapan

t_out = 100.4 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.9545 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 3·2.1·(140 − 100) = 252 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·252 = 239.4 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 239.4/(4.18·60) = 0.9545 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.9545 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 107 L

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

Mol

n = 300/32 = 9.375 mol

T = 70 + 273.15 = 343.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 9.375·8.314·343.1/250 = 107 L

Jawapan

V = 107 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 5.143 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 190 + 273.15 = 463.1 K

Ketumpatan

ρ = 450·44.01/(8.314·463.1) = 5.143 kg/m³

Jawapan

ρ = 5.143 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 32.97 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) = 20/22.99 = 0.8699 mol

n(Cl₂) = 20/70.9 = 0.2821 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.8699/2 = 0.435, 0.2821/1 = 0.2821 → Cl₂

Jisim hasil

n(NaCl) = 0.2821·2 = 0.5642 mol

m = 0.5642·58.44 = 32.97 g

Jawapan

m = 32.97 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 88 %

Hasil teori

n(Na) = 16/22.99 = 0.696 mol

m = 0.696·2/2·58.44 = 40.67 g

Hasil peratusan

Y = 35.79/40.67·100 = 88%

Jawapan

Y = 88%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.25 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

36 = (2x)²/(1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

6 = 2x/(1 − x) → x = 1·6/(2 + 6) = 0.75 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 1 − x = 0.25 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.25 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.1 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.1 = x²/(0.2 − x) → x² + 0.1·x − 0.02 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.1 + √(0.1² + 4·0.02))/2 = 0.1 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.2 − 0.1 = 0.1 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.1 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 17.22 °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

50·0.897·(100 − T_f) = 400·4.18·(T_f − 15)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (44.85·100 + 1672·15)/(44.85 + 1672) = 17.22 °C

Jawapan

T_f = 17.22 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 593.3 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [2·(−393.5) + 3·(−285.8)] − [1·(−277.7) + 3·0] = −1367 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 20/46.07 = 0.4341 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0.4341·1367 = 593.3 kJ

Jawapan

q = 593.3 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 30.7 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 = 0.01

Selesaikan untuk masa

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.01)/0.15 = 30.7 min

Jawapan

t = 30.7 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 3

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 = 0.768/0.012 = 64

C₂/C₁ = 0.4/0.1 = 4

Peringkat

n = ln(64)/ln(4) = 3

Jawapan

n = 3

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 = 86.47 %

Masa ruang

τ = V/Q = 2000/50 = 40 min, kτ = 0.05·40 = 2

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e⁻² = 86.47%

Jawapan

X = 86.47%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 2.67 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 = 175 − 105 = 70 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 155 − 25 = 130 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 130)/ln(70/130) = 96.92 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 220000/(1000·0.85·96.92) = 2.67 m²

Jawapan

A = 2.67 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 2.39 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) = 1.5·2.5·25 = 93.75 kW

T_c,out = 10 + 93.75/(3·4.18) = 17.48 °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 = 105 − 17.48 = 87.52 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 10 = 70 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (87.52 − 70)/ln(87.52/70) = 78.44 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 93750/(500·78.44) = 2.39 m²

Jawapan

A = 2.39 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 14 °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) = (250/1000)/(0.96·20) = 0.01302 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.72·20) = 0.005208 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 14/0.01823 = 768 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 24 − 768·0.01302 = 14 °C

Jawapan

T_i = 14 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 20.77 °C

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·15) = 0.008658 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0.17·15) = 0.09804 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.96·15) = 0.01042 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·15) = 0.002222 K/W

ΣR = 0.1193 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (22 − (5))/0.1193 = 142.5 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 22 − 142.5·0.008658 = 20.77 °C

Jawapan

T_s = 20.77 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 2.154 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.

Halaju min

A = π·0.15²/4 = 0.01767 m²

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

Turus halaju

V²/(2g) = 1.698²/(2·9.81) = 0.1469 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.022·(100/0.15)·1.698²/(2·9.81) = 2.154 m

Jawapan

h_f = 2.154 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 111.5 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·300/0.2 = 22.5

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 + 1.0 = 7.1

Persamaan tenaga

Kedua-dua permukaan terbuka kepada udara dan hampir pegun, jadi seluruh Δz hilang dalam paip.

19 = (22.5 + 7.1)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·19/29.6) = 3.549 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 3.549·0.03142 = 0.1115 m³/s = 111.5 L/s

Jawapan

Q = 111.5 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 82.05 %

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 = 1000·9.81·0.06·46 = 27.08 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 27.08/33 = 82.05%

Jawapan

η = 82.05%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 7.366 kW

Halaju

V = Q/A = 0.08/0.04909 = 1.63 m/s

V²/(2g) = 0.1354 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 4)·0.1354 = 2.978 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 5 + 2.978 = 7.978 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.08·7.978/0.85 = 7.366 kW

Jawapan

P_shaft = 7.366 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

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

Susun semula hukum gas

Ketumpatan

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

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

Selesaikan untuk ṁ₂