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% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 800 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 20 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 4100 kg/hx_F = 18 %x_P = 35 %

W = kg/h

3.Imbangan tenagaSederhana

campuran glikol 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 = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 70 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

campuran glikol panas memanaskan air dalam penukar yang kehilangan 15% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 70 °Ct: 20 → 85 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 20 L mengandungi 90 g CH₄ pada 85 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 90 gM = 16.04 g/molV = 20 LT = 85 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi O₂ pada 250 kPa dan 110 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 32 g/molP = 250 kPaT = 110 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

6 g N₂ dan 80 g H₂ bertindak balas mengikut N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Berapakah jisim m bagi NH₃ yang boleh terbentuk?

M(N₂) = 28.02M(H₂) = 2.016M(NH₃) = 17.03 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2Mg + O₂ → 2MgO, 20 g Mg bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 28.18 g MgO dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Mg) = 24.31 g/molM(MgO) = 40.3 g/molsebenar: 28.18 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 = 54. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.4 mol/LK_c = 54

[H₂] = 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 [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0.5 mol/LK_c = 0.02

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah kuprum 75 g (c = 0.385 J/(g·°C)) pada 110 °C dijatuhkan ke dalam 250 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 17 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0.385 J/(g·°C)T_metal = 110 °Cm_water = 250 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 100 g CH₃OH (M = 32.04 g/mol) terbakar sepenuhnya: 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(CH₃OH) = −238.7 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 dengan hukum kadar −r_A = k·C_A² mempunyai k = 0.2 L/(mol·min) dan bermula pada 1.5 mol/L. Cari kepekatan C_A selepas 15 min.

k = 0.2 L/(mol·min)C_A0 = 1.5 mol/Lt = 15 min

C_A = mol/L

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai pemalar kadar 0.05 s⁻¹ pada 30 °C dan tenaga pengaktifan 90 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponen A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0.05 s⁻¹T = 30 °CE_a = 90 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.15 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 5 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 80%.

Q = 5 L/mink = 0.15 min⁻¹X = 80%

V = 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 40 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1000 LQ = 40 L/mink = 0.05 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran selari memindahkan 90 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 160 kepada 120 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 20 kepada 55 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 90 kWU = 500 W/(m²·K)T_h: 160 → 120 °CT_c: 20 → 55 °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 = 1.5 kW/K. Aliran panas masuk pada 95 °C dan aliran sejuk pada 25 °C. Penukar itu mempunyai A = 3 m² dan U = 500 W/(m²·K). Cari suhu keluar panas T_h,out.

C_h = C_c = 1.5 kW/KT_h,in = 95 °CT_c,in = 25 °CA = 3 m²U = 500 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 150 mm bata dan 100 mm polistirena terkembang, dengan luas 10 m². Muka luarnya berada pada 18 °C dan -3 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 18 °CT₃ = -3 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 100 mm kayu dan 150 mm bulu mineral memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada -1 °C. Pekali perolakan ialah 8 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 4 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 4 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -1 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 1.3 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 800 m dengan diameter dalam 50 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.02 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 1.3 m/sL = 800 mD = 50 mmf = 0.02ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 100 m dengan diameter dalam 250 mm (faktor geseran Darcy f = 0.025) 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 250 mmf = 0.025K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam menghantar 150 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 28 m. Kecekapan pam ialah 78% dan motor elektrik yang memacunya mempunyai kecekapan 88%. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa elektrik P_el yang diambil oleh motor, dalam kW.

Q = 150 L/sH = 28 mη_pump = 78%η_motor = 88%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 20 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 9 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 300 m dengan diameter dalam 100 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.025; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 6 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 85%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 20 L/sΔz = 9 mL = 300 mD = 100 mmf = 0.025ΣK = 6η = 85%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 800 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) = 800·(30 − 25)/(25 − 20) = 800 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 800 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1991 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 = 4100·18/35 = 2109 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4100 − 2109 = 1991 kg/h

Jawapan

W = 1991 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 149.2 °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 = 2.5·3.6·(160 − 70) = 810 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 810/(1.5·4.18) = 149.2 °C

Jawapan

t_out = 149.2 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 1.802 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 2·3.6·(150 − 70) = 576 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·576 = 489.6 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 489.6/(4.18·65) = 1.802 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 1.802 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 835.4 kPa

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

Mol

n = m/M = 90/16.04 = 5.611 mol

T = 85 + 273.15 = 358.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 5.611·8.314·358.1/0.02 = 835.4 kPa

Jawapan

P = 835.4 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 2.511 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 110 + 273.15 = 383.1 K

Ketumpatan

ρ = 250·32/(8.314·383.1) = 2.511 kg/m³

Jawapan

ρ = 2.511 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 7.293 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(N₂) = 6/28.02 = 0.2141 mol

n(H₂) = 80/2.016 = 39.68 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.2141/1 = 0.2141, 39.68/3 = 13.23 → N₂

Jisim hasil

n(NH₃) = 0.2141·2 = 0.4283 mol

m = 0.4283·17.03 = 7.293 g

Jawapan

m = 7.293 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 84.99 %

Hasil teori

n(Mg) = 20/24.31 = 0.8227 mol

m = 0.8227·2/2·40.3 = 33.16 g

Hasil peratusan

Y = 28.18/33.16·100 = 84.99%

Jawapan

Y = 84.99%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.08558 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

54 = (2x)²/(0.4 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.348 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·7.348/(2 + 7.348) = 0.3144 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.4 − x = 0.08558 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.08558 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.4095 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

[PCl₅] = 0.5 − 0.0905 = 0.4095 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.4095 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 19.5 °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

75·0.385·(110 − T_f) = 250·4.18·(T_f − 17)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (28.88·110 + 1045·17)/(28.88 + 1045) = 19.5 °C

Jawapan

T_f = 19.5 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 2267 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [2·(−393.5) + 4·(−285.8)] − [2·(−238.7) + 3·0] = −1453 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 100/32.04 = 3.121 mol

q = n·|ΔH°/2| = 3.121·726.4 = 2267 kJ

Jawapan

q = 2267 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: C_A = 0.2727 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 = 0.6667 + 0.2·15 = 3.667 L/mol

C_A = 1/3.667 = 0.2727 mol/L

Jawapan

C_A = 0.2727 mol/L

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: A = 1.611 × 10¹⁴ 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 = 30 + 273.15 = 303.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

E_a/(RT) = 90000/(8.314·303.1) = 35.71

A = k·e^35.71 = 0.05·3.222 × 10¹⁵ = 1.611 × 10¹⁴ s⁻¹

Jawapan

A = 1.611 × 10¹⁴ s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 53.65 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 = ln(1/(1 − 0.8))/0.15 = 1.609/0.15 = 10.73 min

Isi padu

V = Q·τ = 5·10.73 = 53.65 L

Jawapan

V = 53.65 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 71.35 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1000/40 = 25 min, kτ = 0.05·25 = 1.25

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−1.25 = 71.35%

Jawapan

X = 71.35%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 1.841 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.

Beza suhu hujung

Dalam aliran selari kedua-dua masukan berada pada hujung yang sama, dan kedua-dua keluaran pada hujung yang lain.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 160 − 20 = 140 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 120 − 55 = 65 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (140 − 65)/ln(140/65) = 97.75 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 90000/(500·97.75) = 1.841 m²

Jawapan

A = 1.841 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_h,out = 60 °C

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 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

1.5·(95 − T_h,out) = 1.5·(T_h,out − 25)

T_h,out = (1.5·95 + 1.5·25)/(1.5 + 1.5) = 60 °C

Jawapan

T_h,out = 60 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 52.5 kW; aliran sejuk keluar pada 60 °C.

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 16.57 °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) = (150/1000)/(0.72·10) = 0.02083 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.035·10) = 0.2857 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 21/0.3065 = 68.5 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 18 − 68.5·0.02083 = 16.57 °C

Jawapan

T_i = 16.57 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 21.36 °C

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·4) = 0.03125 K/W

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

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.04·4) = 0.9375 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·4) = 0.01 K/W

ΣR = 1.126 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (22 − (-1))/1.126 = 20.43 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 22 − 20.43·0.03125 = 21.36 °C

Jawapan

T_s = 21.36 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 270.4 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) = 0.02·(800/0.05)·1.3²/(2·9.81) = 27.56 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 = 1000·9.81·27.56 = 270400 Pa = 270.4 kPa

Jawapan

Δp = 270.4 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 2.315 m

Halaju

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

V²/(2g) = 0.1354 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.025·100/0.25 = 10

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 + 10 + 6.1)·0.1354 = 2.315 m

Jawapan

H = 2.315 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_el = 60.03 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 = 1000·9.81·0.15·28 = 41.2 kW

Kuasa aci

P_shaft = 41.2/0.78 = 52.82 kW

Kuasa elektrik

P_el = 52.82/0.88 = 60.03 kW

Jawapan

P_el = 60.03 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 8.257 kW

Halaju

V = Q/A = 0.02/0.007854 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (75 + 6)·0.3305 = 26.77 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 9 + 26.77 = 35.77 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.02·35.77/0.85 = 8.257 kW

Jawapan

P_shaft = 8.257 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

Tekanan

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

Hukum peringkat kedua teramir

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk A

Jawapan

Masa ruang

Isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Beza suhu malar

Imbangan tenaga sama dengan persamaan kadar

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Suhu antara muka

Jawapan

Selesaikan untuk ṁ₂