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 35% gula? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 600 kg/hx₁ = 50 %x₂ = 15 %x₃ = 35 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 4300 kg/hx_F = 14 %x_P = 30 %

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 = 1.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 70 °Cṁ_c = 1 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 15% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Ct: 30 → 65 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Berapakah isi padu V yang diduduki oleh 230 g O₂ pada 200 kPa dan 35 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 230 gM = 32 g/molP = 200 kPaT = 35 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi N₂ pada 700 kPa dan 30 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 28.01 g/molP = 700 kPaT = 30 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

24 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 CaCO₃ → CaO + CO₂, 10 g CaCO₃ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 5.1 g CaO dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(CaCO₃) = 100.09 g/molM(CaO) = 56.08 g/molsebenar: 5.1 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.8 mol/L H₂ dan 0.8 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 16. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LK_c = 16

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.25 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0.25 mol/LK_c = 0.02

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah zink 250 g (c = 0.388 J/(g·°C)) pada 120 °C dijatuhkan ke dalam 150 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 16 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0.388 J/(g·°C)T_metal = 120 °Cm_water = 150 gT_water = 16 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari ΔH° bagi tindak balas 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(CH₃OH) = −238.7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Kinetik tindak balasSederhana

Satu tindak balas dengan hukum kadar −r_A = k·C_A² mempunyai k = 0.4 L/(mol·min) dan bermula pada 1.5 mol/L. Cari kepekatan C_A selepas 15 min.

k = 0.4 L/(mol·min)C_A0 = 1.5 mol/Lt = 15 min

C_A = mol/L

14.Kinetik tindak balasSukar

Pemalar kadar suatu tindak balas ialah 0.01 min⁻¹ pada 30 °C dan 0.0188 min⁻¹ pada 40 °C. Cari tenaga pengaktifan E_a.

k₁ = 0.01 min⁻¹T₁ = 30 °Ck₂ = 0.0188 min⁻¹T₂ = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.08 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 500 L. Suapan masuk pada 80 L/min dengan C_A0 = 1 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 500 LQ = 80 L/mink = 0.08 min⁻¹C_A0 = 1 mol/L

C_A = mol/L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 150 L. Kadar suapan ialah 25 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 150 L (×2)Q = 25 L/mink = 0.4 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 510 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 80 kepada 40 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 15 kepada 30 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.95, dan U = 800 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 510 kWF = 0.95U = 800 W/(m²·K)T_h: 80 → 40 °CT_c: 15 → 30 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (1.5 kg/s, c_p = 2.3 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 145 kepada 65 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 1 kg/s air (c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 15 °C. Dengan U = 800 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 2.3 kJ/(kg·K)T_h: 145 → 65 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 15 °CU = 800 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 250 mm kaca dan 75 mm bulu mineral, dengan luas 6 m². Muka luarnya berada pada 23 °C dan 0 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 23 °CT₃ = 0 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 50 mm bulu mineral dan 100 mm papan gipsum memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada -14 °C. Pekali perolakan ialah 6 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 = 50 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 4 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -14 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 2.2 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 800 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.018 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 2.2 m/sL = 800 mD = 200 mmf = 0.018ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.022. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 0.2) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Apakah beza aras air Δz antara takungan yang memberikan kadar alir 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0.022K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 0.2K_exit = 1.0

Δz = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 22 m manakala acinya mengambil 6.6 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 25 L/sH = 22 mP_shaft = 6.6 kWg = 9.81 m/s²

η = %

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 5 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 400 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.022; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 5 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya berada pada tekanan tolok 100 kPa. Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 75 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 5p_tank = 100 kPa

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 450 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) = 600·(50 − 35)/(35 − 15) = 450 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 450 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 2293 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 = 4300·14/30 = 2007 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4300 − 2007 = 2293 kg/h

Jawapan

W = 2293 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 80.05 °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 = 1.5·2.44·(150 − 70) = 292.8 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 292.8/(1·4.18) = 80.05 °C

Jawapan

t_out = 80.05 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.4962 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 0.5·2.44·(130 − 60) = 85.4 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·85.4 = 72.59 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 72.59/(4.18·35) = 0.4962 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.4962 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 92.07 L

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

Mol

n = 230/32 = 7.188 mol

T = 35 + 273.15 = 308.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 7.188·8.314·308.1/200 = 92.07 L

Jawapan

V = 92.07 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 7.779 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 30 + 273.15 = 303.1 K

Ketumpatan

ρ = 700·28.01/(8.314·303.1) = 7.779 kg/m³

Jawapan

ρ = 7.779 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 16.79 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) = 24/159.69 = 0.1503 mol

n(CO) = 80/28.01 = 2.856 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.1503/1 = 0.1503, 2.856/3 = 0.952 → Fe₂O₃

Jisim hasil

n(Fe) = 0.1503·2 = 0.3006 mol

m = 0.3006·55.85 = 16.79 g

Jawapan

m = 16.79 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 91.02 %

Hasil teori

n(CaCO₃) = 10/100.09 = 0.09991 mol

m = 0.09991·1/1·56.08 = 5.603 g

Hasil peratusan

Y = 5.1/5.603·100 = 91.02%

Jawapan

Y = 91.02%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.2667 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

16 = (2x)²/(0.8 − x)²

Ambil punca kuasa dua

4 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·4/(2 + 4) = 0.5333 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.8 − x = 0.2667 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.2667 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.1886 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.02 = x²/(0.25 − x) → x² + 0.02·x − 0.005 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.005))/2 = 0.06141 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.25 − 0.06141 = 0.1886 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.1886 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 29.93 °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

250·0.388·(120 − T_f) = 150·4.18·(T_f − 16)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (97·120 + 627·16)/(97 + 627) = 29.93 °C

Jawapan

T_f = 29.93 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: ΔH° = −1453 kJ

Entalpi tindak balas

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

Jawapan

ΔH° = −1453 kJ

Negatif: tindak balas membebaskan haba (eksotermik).

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: C_A = 0.15 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 + 0.4·15 = 6.667 L/mol

C_A = 1/6.667 = 0.15 mol/L

Jawapan

C_A = 0.15 mol/L

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: E_a = 49.82 kJ/mol

Suhu mutlak

T₁ = 303.1 K, T₂ = 313.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8.314·0.6313/(-1.053e-4) = 49824 J/mol

E_a = 49.82 kJ/mol

Jawapan

E_a = 49.82 kJ/mol

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 0.6065 mol/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 = V/Q = 500/80 = 6.25 min

Kepekatan keluaran

C_A = 1·e^{−0.08·6.25} = 0.6065 mol/L

Jawapan

C_A = 0.6065 mol/L

Penukaran: X = 39.35%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 91.35 %

Masa ruang

τ = V/Q = 150/25 = 6 min, kτ = 0.4·6 = 2.4

Penukaran

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2.4) = 0.2941

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0.08651

X = 1 − 0.08651 = 91.35%

Jawapan

X = 91.35%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 18.61 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 = 80 − 30 = 50 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 40 − 15 = 25 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 25)/ln(50/25) = 36.07 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 510000/(800·0.95·36.07) = 18.61 m²

Jawapan

A = 18.61 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 6.085 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) = 1.5·2.3·80 = 276 kW

T_c,out = 15 + 276/(1·4.18) = 81.03 °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 = 145 − 81.03 = 63.97 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 65 − 15 = 50 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (63.97 − 50)/ln(63.97/50) = 56.7 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 276000/(800·56.7) = 6.085 m²

Jawapan

A = 6.085 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 64.62 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) = (250/1000)/(0.96·6) = 0.0434 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.04·6) = 0.3125 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 23/0.3559 = 64.62 W

Jawapan

Q̇ = 64.62 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 19.07 °C

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·4) = 0.04167 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0.04·4) = 0.3125 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.17·4) = 0.1471 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·4) = 0.01 K/W

ΣR = 0.5112 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (22 − (-14))/0.5112 = 70.42 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 22 − 70.42·0.04167 = 19.07 °C

Jawapan

T_s = 19.07 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 174.2 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) = 0.018·(800/0.2)·2.2²/(2·9.81) = 17.76 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 = 1000·9.81·17.76 = 174240 Pa = 174.2 kPa

Jawapan

Δp = 174.2 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δz = 5.461 m

Halaju

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s

V²/(2g) = 0.2905 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.022·150/0.2 = 16.5

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 0.2 + 1.0 = 2.3

Jumlah kehilangan turus

h_f = 16.5·0.2905 = 4.793 m

h_m = 2.3·0.2905 = 0.6681 m

Δz = h_f + h_m = 5.461 m

Jawapan

Δz = 5.461 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 81.75 %

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 = 1000·9.81·0.025·22 = 5.396 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 5.396/6.6 = 81.75%

Jawapan

η = 81.75%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 29.43 m

Halaju

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s

V²/(2g) = 0.2905 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (44 + 5)·0.2905 = 14.23 m

Turus tekanan

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9.81) = 10.19 m

Turus pam

Kedua-dua permukaan hampir pegun, jadi tiada sebutan turus halaju.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 5 + 10.19 + 14.23 = 29.43 m

Jawapan

H = 29.43 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

Jawapan

Hukum peringkat kedua teramir

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

Jawapan

Masa ruang

Kepekatan keluaran

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

Aliran haba

Jawapan

Selesaikan untuk ṁ₂