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 = 250 kg/hx₁ = 20 %x₂ = 50 %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 = 2100 kg/hx_F = 11 %x_P = 30 %

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 = 0.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 80 °Cṁ_c = 0.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

etanol 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 = 2 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 100 °Ct: 10 → 85 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 5 L mengandungi 390 g He pada 10 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 390 gM = 4.003 g/molV = 5 LT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi O₂ pada 700 kPa dan 120 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 32 g/molP = 700 kPaT = 120 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

8 g CH₄ dan 10 g O₂ bertindak balas mengikut CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Berapakah jisim m bagi CO₂ yang boleh terbentuk?

M(CH₄) = 16.04M(O₂) = 32M(CO₂) = 44.01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂, 10 g Fe₂O₃ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 3.85 g Fe dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Fe₂O₃) = 159.69 g/molM(Fe) = 55.85 g/molsebenar: 3.85 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 = 50. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 50

[H₂] = 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 [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LK_c = 0.5

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah kuprum 150 g (c = 0.385 J/(g·°C)) pada 120 °C dijatuhkan ke dalam 100 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 22 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 150 gc_metal = 0.385 J/(g·°C)T_metal = 120 °Cm_water = 100 gT_water = 22 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari ΔH° bagi tindak balas 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

ΔH°f(C₄H₁₀) = −125.6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Kinetik tindak balasSederhana

Dalam tindak balas peringkat pertama kepekatan A menurun daripada 1.5 mol/L kepada 0.525 mol/L dalam 10 min. Cari pemalar kadar k.

C_A0 = 1.5 mol/LC_A = 0.525 mol/Lt = 10 min

k = min⁻¹

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas mempunyai pemalar kadar 0.1 min⁻¹ pada 30 °C dan tenaga pengaktifan 60 kJ/mol. Cari pemalar kadar k₂ pada 45 °C.

k₁ = 0.1 min⁻¹T₁ = 30 °CT₂ = 45 °CE_a = 60 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)

k₂ = min⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 70%. 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 = 70%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) 1500 L yang disuap pada 25 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1500 LQ = 25 L/mink = 0.05 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran berlawanan memindahkan 300 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 180 kepada 160 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 30 kepada 155 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 300 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 300 kWU = 300 W/(m²·K)T_h: 180 → 160 °CT_c: 30 → 155 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (0.5 kg/s, c_p = 2.3 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 85 kepada 45 °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 = 800 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.3 kJ/(kg·K)T_h: 85 → 45 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 800 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 50 mm bulu mineral dan 25 mm papan gipsum, dengan luas 10 m². Muka luarnya berada pada 16 °C dan 1 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 16 °CT₃ = 1 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 250 mm polistirena terkembang dan 75 mm papan gipsum memisahkan bilik pada 20 °C daripada udara luar pada -4 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 6 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.035 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -4 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 1.2 m/s melalui paip sepanjang 800 m dengan diameter dalam 300 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.015 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 1.2 m/sL = 800 mD = 300 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02. Permukaan air takungan atas berada 37 m di atas takungan bawah. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 2) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kadar alir Q dalam L/s.

Δz = 37 mL = 150 mD = 150 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 2K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 50 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 48 m manakala acinya mengambil 28.7 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 50 L/sH = 48 mP_shaft = 28.7 kWg = 9.81 m/s²

η = %

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 6 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 300 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.022; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 6 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 70%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 60 L/sΔz = 6 mL = 300 mD = 250 mmf = 0.022ΣK = 6η = 70%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 125 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) = 250·(20 − 30)/(30 − 50) = 125 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 125 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1330 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 = 2100·11/30 = 770 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 2100 − 770 = 1330 kg/h

Jawapan

W = 1330 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 70.29 °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 = 0.5·3.6·(150 − 80) = 126 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 126/(0.5·4.18) = 70.29 °C

Jawapan

t_out = 70.29 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.5604 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 2·2.44·(140 − 100) = 195.2 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.1)·195.2 = 175.7 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 175.7/(4.18·75) = 0.5604 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.5604 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 45871 kPa

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

Mol

n = m/M = 390/4.003 = 97.43 mol

T = 10 + 273.15 = 283.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 97.43·8.314·283.1/0.005 = 45871 kPa

Jawapan

P = 45871 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 6.853 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 120 + 273.15 = 393.1 K

Ketumpatan

ρ = 700·32/(8.314·393.1) = 6.853 kg/m³

Jawapan

ρ = 6.853 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 6.877 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(CH₄) = 8/16.04 = 0.4988 mol

n(O₂) = 10/32 = 0.3125 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.4988/1 = 0.4988, 0.3125/2 = 0.1563 → O₂

Jisim hasil

n(CO₂) = 0.1563·1 = 0.1563 mol

m = 0.1563·44.01 = 6.877 g

Jawapan

m = 6.877 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 55.04 %

Hasil teori

n(Fe₂O₃) = 10/159.69 = 0.06262 mol

m = 0.06262·2/1·55.85 = 6.995 g

Hasil peratusan

Y = 3.85/6.995·100 = 55.04%

Jawapan

Y = 55.04%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.2205 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

50 = (2x)²/(1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.071 = 2x/(1 − x) → x = 1·7.071/(2 + 7.071) = 0.7795 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 1 − x = 0.2205 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.2205 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.1377 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

[PCl₅] = 0.4 − 0.2623 = 0.1377 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.1377 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 33.9 °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

150·0.385·(120 − T_f) = 100·4.18·(T_f − 22)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (57.75·120 + 418·22)/(57.75 + 418) = 33.9 °C

Jawapan

T_f = 33.9 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: ΔH° = −5755 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [8·(−393.5) + 10·(−285.8)] − [2·(−125.6) + 13·0] = −5755 kJ

Jawapan

ΔH° = −5755 kJ

Negatif: tindak balas membebaskan haba (eksotermik).

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: k = 0.105 min⁻¹

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Hukum kamiran peringkat pertama

k = ln(C_A0/C_A)/t = ln(1.5/0.525)/10 = 1.05/10 = 0.105 min⁻¹

Jawapan

k = 0.105 min⁻¹

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: k₂ = 0.3072 min⁻¹

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).

Suhu mutlak

T₁ = 303.1 K, T₂ = 318.1 K

Nisbah Arrhenius

ln(k₂/k₁) = −(60000/8.314)·(1/318.1 − 1/303.1) = 1.122

k₂ = 0.1·e^1.122 = 0.3072 min⁻¹

Jawapan

k₂ = 0.3072 min⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V_CSTR/V_PFR = 1.938

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) = 0.7/0.3 = 2.333

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(3.333) = 1.204

Nisbah isi padu

V_CSTR/V_PFR = 2.333/1.204 = 1.938

Jawapan

V_CSTR/V_PFR = 1.938

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 95.02 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1500/25 = 60 min, kτ = 0.05·60 = 3

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e⁻³ = 95.02%

Jawapan

X = 95.02%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 15.7 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 berlawanan, masukan panas bertentangan dengan keluaran sejuk, dan keluaran panas bertentangan dengan masukan sejuk.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 180 − 155 = 25 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 160 − 30 = 130 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (25 − 130)/ln(25/130) = 63.69 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 300000/(300·63.69) = 15.7 m²

Jawapan

A = 15.7 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 1.704 m²

Beban haba dan suhu keluaran air

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 0.5·2.3·40 = 46 kW

T_c,out = 25 + 46/(1.5·4.18) = 32.34 °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 = 85 − 32.34 = 52.66 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 45 − 25 = 20 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (52.66 − 20)/ln(52.66/20) = 33.74 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 46000/(800·33.74) = 1.704 m²

Jawapan

A = 1.704 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 2.579 °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) = (50/1000)/(0.04·10) = 0.125 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.17·10) = 0.01471 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 15/0.1397 = 107.4 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 16 − 107.4·0.125 = 2.579 °C

Jawapan

T_i = 2.579 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 19.49 °C

Rintangan secara bersiri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0.035·6) = 1.19 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.17·6) = 0.07353 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·6) = 0.006667 K/W

ΣR = 1.298 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (20 − (-4))/1.298 = 18.48 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 20 − 18.48·0.02778 = 19.49 °C

Jawapan

T_s = 19.49 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 2.936 m

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

Turus halaju

V²/(2g) = 1.2²/(2·9.81) = 0.07339 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(800/0.3)·1.2²/(2·9.81) = 2.936 m

Jawapan

h_f = 2.936 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 96.99 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.02·150/0.15 = 20

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 + 1.0 = 4.1

Persamaan tenaga

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

37 = (20 + 4.1)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·37/24.1) = 5.488 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 5.488·0.01767 = 0.09699 m³/s = 96.99 L/s

Jawapan

Q = 96.99 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 82.03 %

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 = 1000·9.81·0.05·48 = 23.54 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 23.54/28.7 = 82.03%

Jawapan

η = 82.03%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 7.12 kW

Halaju

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

V²/(2g) = 0.07615 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (26.4 + 6)·0.07615 = 2.467 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 6 + 2.467 = 8.467 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.06·8.467/0.7 = 7.12 kW

Jawapan

P_shaft = 7.12 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

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

Jawapan

Hukum kamiran peringkat pertama

Jawapan

Suhu mutlak

Nisbah Arrhenius

Jawapan

k·τ untuk setiap reaktor

Nisbah isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

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

Suhu antara muka

Selesaikan untuk ṁ₂