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% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 350 kg/hx₁ = 45 %x₂ = 5 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 3800 kg/hx_F = 18 %x_P = 50 %

W = 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 = 0.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

campuran glikol 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 = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Ct: 30 → 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 330 g O₂ pada 100 kPa dan 90 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 330 gM = 32 g/molP = 100 kPaT = 90 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi He pada 550 kPa dan 20 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 4.003 g/molP = 550 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

24 g CH₄ dan 20 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 2Na + Cl₂ → 2NaCl, 12 g Na bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 22.88 g NaCl dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Na) = 22.99 g/molM(NaCl) = 58.44 g/molsebenar: 22.88 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.2 mol/L H₂ dan 0.2 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 4. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LK_c = 4

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.08 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LK_c = 0.08

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah zink 100 g (c = 0.388 J/(g·°C)) pada 190 °C dijatuhkan ke dalam 200 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 24 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 100 gc_metal = 0.388 J/(g·°C)T_metal = 190 °Cm_water = 200 gT_water = 24 °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 CH₄ (M = 16.04 g/mol) terbakar sepenuhnya: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(CH₄) = −74.8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Kinetik tindak balasSederhana

Dalam tindak balas peringkat pertama kepekatan A menurun daripada 2 mol/L kepada 0.8 mol/L dalam 20 min. Cari pemalar kadar k.

C_A0 = 2 mol/LC_A = 0.8 mol/Lt = 20 min

k = min⁻¹

14.Kinetik tindak balasSukar

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan C_A0 = 0.5 mol/L kadarnya ialah 0.012 mol/(L·s); dengan C_A0 = 1.5 mol/L ia ialah 0.0208 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

C_A0,1 = 0.5 mol/Lr₁ = 0.012 mol/(L·s)C_A0,2 = 1.5 mol/Lr₂ = 0.0208 mol/(L·s)

n =

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.25 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 50 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 75%.

Q = 50 L/mink = 0.25 min⁻¹X = 75%

V = L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.1 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 1000 L yang disuap pada 50 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1000 LQ = 50 L/mink = 0.1 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran berlawanan memindahkan 290 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 135 kepada 50 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 30 kepada 95 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 1500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 290 kWU = 1500 W/(m²·K)T_h: 135 → 50 °CT_c: 30 → 95 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Stim memeluwap pada 105 °C yang malar di luar tiub sebuah kondenser dengan luas pemindahan haba 1.5 m² dan U = 2500 W/(m²·K). Air penyejuk (2 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) masuk ke dalam tiub pada 30 °C. Cari suhu keluar air T_c,out.

T_s = 105 °CA = 1.5 m²U = 2500 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/sc_p = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 30 °C

T_c,out = °C

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 200 mm bulu mineral dan 25 mm papan gipsum, dengan luas 10 m². Muka luarnya berada pada 17 °C dan -6 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 17 °CT₃ = -6 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 50 mm konkrit dan 50 mm bulu mineral memisahkan bilik pada 20 °C daripada udara luar pada -12 °C. Pekali perolakan ialah 8 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 20 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 50 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 20 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -12 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 1.7 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 200 m dengan diameter dalam 300 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.02 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 1.7 m/sL = 200 mD = 300 mmf = 0.02ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 200 m dengan diameter dalam 250 mm (faktor geseran Darcy f = 0.018) 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 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam menghantar 15 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 42 m. Kecekapan pam ialah 85% dan motor elektrik yang memacunya mempunyai kecekapan 94%. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa elektrik P_el yang diambil oleh motor, dalam kW.

Q = 15 L/sH = 42 mη_pump = 85%η_motor = 94%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 40 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 150 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 6 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 40 L/sΔz = 21 mL = 300 mD = 150 mmf = 0.015ΣK = 6

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 210 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) = 350·(45 − 30)/(30 − 5) = 210 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 210 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 2432 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 = 3800·18/50 = 1368 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 3800 − 1368 = 2432 kg/h

Jawapan

W = 2432 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 18.76 °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 = 0.5·2.44·(150 − 120) = 36.6 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 36.6/(1·4.18) = 18.76 °C

Jawapan

t_out = 18.76 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 4.295 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 3·3.6·(130 − 60) = 756 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·756 = 718.2 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 718.2/(4.18·40) = 4.295 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 4.295 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 311.4 L

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

Mol

n = 330/32 = 10.31 mol

T = 90 + 273.15 = 363.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 10.31·8.314·363.1/100 = 311.4 L

Jawapan

V = 311.4 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 0.9033 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 20 + 273.15 = 293.1 K

Ketumpatan

ρ = 550·4.003/(8.314·293.1) = 0.9033 kg/m³

Jawapan

ρ = 0.9033 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 13.75 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) = 24/16.04 = 1.496 mol

n(O₂) = 20/32 = 0.625 mol

Bahan tindak balas pengehad

1.496/1 = 1.496, 0.625/2 = 0.3125 → O₂

Jisim hasil

n(CO₂) = 0.3125·1 = 0.3125 mol

m = 0.3125·44.01 = 13.75 g

Jawapan

m = 13.75 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 75.01 %

Hasil teori

n(Na) = 12/22.99 = 0.522 mol

m = 0.522·2/2·58.44 = 30.5 g

Hasil peratusan

Y = 22.88/30.5·100 = 75.01%

Jawapan

Y = 75.01%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.2 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

4 = (2x)²/(0.2 − x)²

Ambil punca kuasa dua

2 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·2/(2 + 2) = 0.1 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.2 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.2 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.2457 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.08 = x²/(1 − x) → x² + 0.08·x − 0.08 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.08))/2 = 0.2457 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.2457 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.2457 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 31.36 °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

100·0.388·(190 − T_f) = 200·4.18·(T_f − 24)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (38.8·190 + 836·24)/(38.8 + 836) = 31.36 °C

Jawapan

T_f = 31.36 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 1110 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [1·(−393.5) + 2·(−285.8)] − [1·(−74.8) + 2·0] = −890.3 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 20/16.04 = 1.247 mol

q = n·|ΔH°/1| = 1.247·890.3 = 1110 kJ

Jawapan

q = 1110 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: k = 0.04581 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(2/0.8)/20 = 0.9163/20 = 0.04581 min⁻¹

Jawapan

k = 0.04581 min⁻¹

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 0.5007

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 = 0.0208/0.012 = 1.733

C₂/C₁ = 1.5/0.5 = 3

Peringkat

n = ln(1.733)/ln(3) = 0.5007

Jawapan

n = 0.5007

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 277.3 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 − 0.75))/0.25 = 1.386/0.25 = 5.545 min

Isi padu

V = Q·τ = 50·5.545 = 277.3 L

Jawapan

V = 277.3 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 66.67 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1000/50 = 20 min, kτ = 0.1·20 = 2

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 2/(1 + 2) = 66.67%

Jawapan

X = 66.67%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 6.7 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 = 135 − 95 = 40 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 50 − 30 = 20 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 20)/ln(40/20) = 28.85 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 290000/(1500·28.85) = 6.7 m²

Jawapan

A = 6.7 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_c,out = 57.11 °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.

Gabungkan imbangan tenaga dan persamaan kadar

Dengan ΔT₁ = T_s − T_c,in dan ΔT₂ = T_s − T_c,out, beza ΔT₁ − ΔT₂ sama dengan kenaikan suhu air, maka kenaikan itu saling batal.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 2500·1.5/(2·4180) = 0.4486

Suhu keluar

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0.4486 = 75·0.6385 = 47.89 K

T_c,out = 105 − 47.89 = 57.11 °C

Jawapan

T_c,out = 57.11 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 226.6 kW.

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 44.69 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) = (200/1000)/(0.04·10) = 0.5 K/W

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

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 23/0.5147 = 44.69 W

Jawapan

Q̇ = 44.69 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 0.6846 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·20) = 0.00625 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(1.4·20) = 0.001786 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.04·20) = 0.0625 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·20) = 0.0025 K/W

ΣR = 0.07304 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0.07304) = 0.6846 W/(m²·K)

Jawapan

U = 0.6846 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 19.27 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·(200/0.3)·1.7²/(2·9.81) = 1.964 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 = 1000·9.81·1.964 = 19267 Pa = 19.27 kPa

Jawapan

Δp = 19.27 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 4.548 m

Halaju

V = Q/A = 0.1/0.04909 = 2.037 m/s

V²/(2g) = 0.2115 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.018·200/0.25 = 14.4

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 + 14.4 + 6.1)·0.2115 = 4.548 m

Jawapan

H = 4.548 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_el = 7.735 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 = 1000·9.81·0.015·42 = 6.18 kW

Kuasa aci

P_shaft = 6.18/0.85 = 7.271 kW

Kuasa elektrik

P_el = 7.271/0.94 = 7.735 kW

Jawapan

P_el = 7.735 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 30.4 m

Halaju

V = Q/A = 0.04/0.01767 = 2.264 m/s

V²/(2g) = 0.2611 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 6)·0.2611 = 9.401 m

Turus pam

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

H = Δz + h_L = 21 + 9.401 = 30.4 m

Jawapan

H = 30.4 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

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

Hukum kamiran peringkat pertama

Jawapan

Nisbah

Peringkat

Jawapan

Masa ruang

Isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Gabungkan imbangan tenaga dan persamaan kadar

Suhu keluar

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Jawapan

Rintangan secara bersiri

Selesaikan untuk ṁ₂