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 = 450 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 45 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 3300 kg/hx_F = 10 %x_P = 50 %

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 = 3 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 100 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

etanol 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 = 1 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 60 °Ct: 20 → 55 °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 420 g Ar pada 450 kPa dan 70 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 420 gM = 39.95 g/molP = 450 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi He pada 450 kPa dan 60 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 4.003 g/molP = 450 kPaT = 60 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

10 g Fe₂O₃ dan 80 g CO bertindak balas mengikut Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Berapakah jisim m bagi Fe yang boleh terbentuk?

M(Fe₂O₃) = 159.69M(CO) = 28.01M(Fe) = 55.85 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2Mg + O₂ → 2MgO, 12 g Mg bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 14.92 g MgO dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Mg) = 24.31 g/molM(MgO) = 40.3 g/molsebenar: 14.92 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.25 mol/L H₂ dan 0.25 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 64. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.25 mol/LK_c = 64

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.04 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LK_c = 0.04

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah plumbum 150 g (c = 0.129 J/(g·°C)) pada 150 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 17 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 150 gc_metal = 0.129 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 300 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 25 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 peringkat pertama dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.3 min⁻¹. Berapa lama masa yang diambil untuk mencapai penukaran 80%? Cari t.

k = 0.3 min⁻¹X = 80 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai pemalar kadar 0.05 s⁻¹ pada 100 °C dan tenaga pengaktifan 80 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponen A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0.05 s⁻¹T = 100 °CE_a = 80 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

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 = 0.15 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 200 L yang disuap pada 5 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 200 LQ = 5 L/mink = 0.15 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 140 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 105 kepada 90 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 30 kepada 70 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.88, dan U = 1000 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 140 kWF = 0.88U = 1000 W/(m²·K)T_h: 105 → 90 °CT_c: 30 → 70 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba aliran songsang kedua-dua aliran mempunyai kadar muatan haba yang sama, ṁ·c_p = 4 kW/K. Aliran panas masuk pada 100 °C dan aliran sejuk pada 25 °C. Penukar itu mempunyai A = 1.5 m² dan U = 800 W/(m²·K). Cari suhu keluar panas T_h,out.

C_h = C_c = 4 kW/KT_h,in = 100 °CT_c,in = 25 °CA = 1.5 m²U = 800 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 50 mm polistirena terkembang dan 75 mm kaca, dengan luas 12 m². Muka luarnya berada pada 23 °C dan -3 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.035 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 23 °CT₃ = -3 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 250 mm kayu dan 150 mm polistirena terkembang 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 kehilangan haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.035 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

Q̇ = W

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 2.6 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 500 m dengan diameter dalam 100 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.03 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 2.6 m/sL = 500 mD = 100 mmf = 0.03ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 300 m dengan diameter dalam 250 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 = 2). 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 = 250 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 2

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam menghantar 40 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 72 m. Kecekapan pam ialah 75% dan motor elektrik yang memacunya mempunyai kecekapan 90%. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa elektrik P_el yang diambil oleh motor, dalam kW.

Q = 40 L/sH = 72 mη_pump = 75%η_motor = 90%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 75 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 6 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 400 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.018; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 75 L/sΔz = 6 mL = 400 mD = 250 mmf = 0.018ΣK = 8

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 225 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) = 450·(15 − 25)/(25 − 45) = 225 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 225 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 660 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 = 3300·10/50 = 660 kg/h

Jawapan

P = 660 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 96.72 °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 = 3·2.44·(170 − 100) = 512.4 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 512.4/(1.5·4.18) = 96.72 °C

Jawapan

t_out = 96.72 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.9506 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 1·2.44·(120 − 60) = 146.4 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·146.4 = 139.1 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 139.1/(4.18·35) = 0.9506 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.9506 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 66.65 L

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

Mol

n = 420/39.95 = 10.51 mol

T = 70 + 273.15 = 343.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 10.51·8.314·343.1/450 = 66.65 L

Jawapan

V = 66.65 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 0.6504 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 60 + 273.15 = 333.1 K

Ketumpatan

ρ = 450·4.003/(8.314·333.1) = 0.6504 kg/m³

Jawapan

ρ = 0.6504 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 6.995 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(Fe₂O₃) = 10/159.69 = 0.06262 mol

n(CO) = 80/28.01 = 2.856 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.06262/1 = 0.06262, 2.856/3 = 0.952 → Fe₂O₃

Jisim hasil

n(Fe) = 0.06262·2 = 0.1252 mol

m = 0.1252·55.85 = 6.995 g

Jawapan

m = 6.995 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 75 %

Hasil teori

n(Mg) = 12/24.31 = 0.4936 mol

m = 0.4936·2/2·40.3 = 19.89 g

Hasil peratusan

Y = 14.92/19.89·100 = 75%

Jawapan

Y = 75%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.05 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

64 = (2x)²/(0.25 − x)²

Ambil punca kuasa dua

8 = 2x/(0.25 − x) → x = 0.25·8/(2 + 8) = 0.2 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.25 − x = 0.05 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.05 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.04633 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.04 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.04·x − 0.004 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.004))/2 = 0.04633 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.04633 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.04633 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 19.02 °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

150·0.129·(150 − T_f) = 300·4.18·(T_f − 17)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (19.35·150 + 1254·17)/(19.35 + 1254) = 19.02 °C

Jawapan

T_f = 19.02 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 1258 kJ

Entalpi tindak balas

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

Haba untuk jisim yang diberi

n = 25/44.1 = 0.5669 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0.5669·2220 = 1258 kJ

Jawapan

q = 1258 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 5.365 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 = 0.2

Selesaikan untuk masa

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.2)/0.3 = 5.365 min

Jawapan

t = 5.365 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: A = 7.907 × 10⁹ 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).

Suhu mutlak

T = 100 + 273.15 = 373.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

E_a/(RT) = 80000/(8.314·373.1) = 25.79

A = k·e^25.79 = 0.05·1.581 × 10¹¹ = 7.907 × 10⁹ s⁻¹

Jawapan

A = 7.907 × 10⁹ s⁻¹

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 = 85.71 %

Masa ruang

τ = V/Q = 200/5 = 40 min, kτ = 0.15·40 = 6

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 6/(1 + 6) = 85.71%

Jawapan

X = 85.71%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 3.43 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 − 70 = 35 K

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

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 60)/ln(35/60) = 46.38 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 140000/(1000·0.88·46.38) = 3.43 m²

Jawapan

A = 3.43 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_h,out = 82.69 °C

Beza suhu malar

Bahagian keluar sejuk berhadapan dengan bahagian masuk panas: T_c,out = T_c,in + (T_h,in − T_h,out), maka ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = T_h,out − T_c,in = ΔT₂.

ΔT_lm = T_h,out − T_c,in

Imbangan tenaga sama dengan persamaan kadar

4·(100 − T_h,out) = 1.2·(T_h,out − 25)

T_h,out = (4·100 + 1.2·25)/(4 + 1.2) = 82.69 °C

Jawapan

T_h,out = 82.69 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 69.23 kW; aliran sejuk keluar pada 42.31 °C.

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 207.1 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) = (50/1000)/(0.035·12) = 0.119 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.96·12) = 0.00651 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 26/0.1256 = 207.1 W

Jawapan

Q̇ = 207.1 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 43.08 W

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)/(0.035·15) = 0.2857 K/W

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

ΣR = 0.3946 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (22 − (5))/0.3946 = 43.08 W

Jawapan

Q̇ = 43.08 W

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 507 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) = 0.03·(500/0.1)·2.6²/(2·9.81) = 51.68 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 = 1000·9.81·51.68 = 507000 Pa = 507 kPa

Jawapan

Δp = 507 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 1.683 m

Halaju

V = Q/A = 0.06/0.04909 = 1.222 m/s

V²/(2g) = 0.07615 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·300/0.25 = 18

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 = 3.1

Persamaan tenaga

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

H = (1 + 18 + 3.1)·0.07615 = 1.683 m

Jawapan

H = 1.683 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_el = 41.86 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 = 1000·9.81·0.04·72 = 28.25 kW

Kuasa aci

P_shaft = 28.25/0.75 = 37.67 kW

Kuasa elektrik

P_el = 37.67/0.9 = 41.86 kW

Jawapan

P_el = 41.86 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 10.38 m

Halaju

V = Q/A = 0.075/0.04909 = 1.528 m/s

V²/(2g) = 0.119 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (28.8 + 8)·0.119 = 4.379 m

Turus pam

Kedua-dua permukaan terbuka dan hampir pegun, jadi sebutan tekanan dan halaju tersingkir.

H = Δz + h_L = 6 + 4.379 = 10.38 m

Jawapan

H = 10.38 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

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

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk A

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

Beza suhu malar

Imbangan tenaga sama dengan persamaan kadar

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Jawapan

Rintangan secara bersiri

Selesaikan untuk ṁ₂