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 20% gula? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 850 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 40 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 2500 kg/hx_F = 17 %x_P = 60 %

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 = 1 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 100 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

minyak ringan 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 = 0.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 100 °Ct: 10 → 60 °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 490 g CO₂ pada 200 kPa dan 55 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 490 gM = 44.01 g/molP = 200 kPaT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi CH₄ pada 650 kPa dan 20 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 16.04 g/molP = 650 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

12 g Na dan 48 g Cl₂ bertindak balas mengikut 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Berapakah jisim m bagi NaCl yang boleh terbentuk?

M(Na) = 22.99M(Cl₂) = 70.9M(NaCl) = 58.44 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas CaCO₃ → CaO + CO₂, 6 g CaCO₃ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 1.64 g CO₂ dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(CaCO₃) = 100.09 g/molM(CO₂) = 44.01 g/molsebenar: 1.64 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 = 36. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LK_c = 36

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.2 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.2 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0.2 mol/LK_c = 0.2

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah plumbum 250 g (c = 0.129 J/(g·°C)) pada 190 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 20 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0.129 J/(g·°C)T_metal = 190 °Cm_water = 300 gT_water = 20 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari haba q yang dibebaskan apabila 10 g C₆H₁₂O₆ (M = 180.16 g/mol) terbakar sepenuhnya: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(C₆H₁₂O₆) = −1274 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 0.8 mol/L kepada 0.56 mol/L dalam 15 min. Cari pemalar kadar k.

C_A0 = 0.8 mol/LC_A = 0.56 mol/Lt = 15 min

k = min⁻¹

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai pemalar kadar 0.001 s⁻¹ pada 40 °C dan tenaga pengaktifan 50 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponen A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0.001 s⁻¹T = 40 °CE_a = 50 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 95%. 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 = 95%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 = 0.12 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 500 L. Kadar suapan ialah 80 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 500 L (×2)Q = 80 L/mink = 0.12 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 620 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 160 kepada 40 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 15 kepada 50 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.9, dan U = 800 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 620 kWF = 0.9U = 800 W/(m²·K)T_h: 160 → 40 °CT_c: 15 → 50 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (2 kg/s, c_p = 2.5 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 115 kepada 75 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 2 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 = 2 kg/sc_p,h = 2.5 kJ/(kg·K)T_h: 115 → 75 °Cṁ_c = 2 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 100 mm kaca dan 100 mm kayu, dengan luas 12 m². Muka luarnya berada pada 25 °C dan -14 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 25 °CT₃ = -14 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 100 mm konkrit dan 25 mm kayu memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada -11 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 4 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 4 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -11 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 2 m/s melalui paip sepanjang 1000 m dengan diameter dalam 250 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.025 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 2 m/sL = 1000 mD = 250 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 250 mm (faktor geseran Darcy f = 0.02) 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 = 150 mD = 250 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 80 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 42 m manakala acinya mengambil 38.8 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 80 L/sH = 42 mP_shaft = 38.8 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 100 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 8 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 500 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 72%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 100 L/sΔz = 8 mL = 500 mD = 250 mmf = 0.02ΣK = 8η = 72%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 212.5 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) = 850·(15 − 20)/(20 − 40) = 212.5 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 212.5 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 708.3 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 = 2500·17/60 = 708.3 kg/h

Jawapan

P = 708.3 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 32.51 °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 = 1·2.44·(130 − 100) = 73.2 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 73.2/(1·4.18) = 32.51 °C

Jawapan

t_out = 32.51 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.3818 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 0.5·2.1·(180 − 100) = 84 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·84 = 79.8 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 79.8/(4.18·50) = 0.3818 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.3818 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 151.9 L

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

Mol

n = 490/44.01 = 11.13 mol

T = 55 + 273.15 = 328.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 11.13·8.314·328.1/200 = 151.9 L

Jawapan

V = 151.9 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 4.278 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 = 650·16.04/(8.314·293.1) = 4.278 kg/m³

Jawapan

ρ = 4.278 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 30.5 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(Na) = 12/22.99 = 0.522 mol

n(Cl₂) = 48/70.9 = 0.677 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.522/2 = 0.261, 0.677/1 = 0.677 → Na

Jisim hasil

n(NaCl) = 0.261·2 = 0.522 mol

m = 0.522·58.44 = 30.5 g

Jawapan

m = 30.5 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 62.16 %

Hasil teori

n(CaCO₃) = 6/100.09 = 0.05995 mol

m = 0.05995·1/1·44.01 = 2.638 g

Hasil peratusan

Y = 1.64/2.638·100 = 62.16%

Jawapan

Y = 62.16%

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

36 = (2x)²/(0.2 − x)²

Ambil punca kuasa dua

6 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·6/(2 + 6) = 0.15 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.2 − x = 0.05 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.05 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.07639 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.2 = x²/(0.2 − x) → x² + 0.2·x − 0.04 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.2 + √(0.2² + 4·0.04))/2 = 0.1236 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.2 − 0.1236 = 0.07639 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.07639 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 24.26 °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

250·0.129·(190 − T_f) = 300·4.18·(T_f − 20)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (32.25·190 + 1254·20)/(32.25 + 1254) = 24.26 °C

Jawapan

T_f = 24.26 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 155.5 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [6·(−393.5) + 6·(−285.8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 10/180.16 = 0.05551 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0.05551·2802 = 155.5 kJ

Jawapan

q = 155.5 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: k = 0.02378 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(0.8/0.56)/15 = 0.3567/15 = 0.02378 min⁻¹

Jawapan

k = 0.02378 min⁻¹

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: A = 219026 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 = 40 + 273.15 = 313.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

E_a/(RT) = 50000/(8.314·313.1) = 19.2

A = k·e^19.2 = 0.001·2.190 × 10⁸ = 219026 s⁻¹

Jawapan

A = 219026 s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V_CSTR/V_PFR = 6.342

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) = 0.95/0.05 = 19

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(20) = 2.996

Nisbah isi padu

V_CSTR/V_PFR = 19/2.996 = 6.342

Jawapan

V_CSTR/V_PFR = 6.342

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 67.35 %

Masa ruang

τ = V/Q = 500/80 = 6.25 min, kτ = 0.12·6.25 = 0.75

Penukaran

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0.75) = 0.5714

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0.3265

X = 1 − 0.3265 = 67.35%

Jawapan

X = 67.35%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 15.01 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 = 160 − 50 = 110 K

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

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (110 − 25)/ln(110/25) = 57.37 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 620000/(800·0.9·57.37) = 15.01 m²

Jawapan

A = 15.01 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 3.692 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) = 2·2.5·40 = 200 kW

T_c,out = 15 + 200/(2·4.18) = 38.92 °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 = 115 − 38.92 = 76.08 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 75 − 15 = 60 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (76.08 − 60)/ln(76.08/60) = 67.72 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 200000/(800·67.72) = 3.692 m²

Jawapan

A = 3.692 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 675.9 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) = (100/1000)/(0.96·12) = 0.008681 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.17·12) = 0.04902 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 39/0.0577 = 675.9 W

Jawapan

Q̇ = 675.9 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 2.39 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(1.4·4) = 0.01786 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.17·4) = 0.03676 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·4) = 0.008333 K/W

ΣR = 0.1046 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0.1046) = 2.39 W/(m²·K)

Jawapan

U = 2.39 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 20.39 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) = 2²/(2·9.81) = 0.2039 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(1000/0.25)·2²/(2·9.81) = 20.39 m

Jawapan

h_f = 20.39 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 2.586 m

Halaju

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

V²/(2g) = 0.1354 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.02·150/0.25 = 12

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 + 12 + 6.1)·0.1354 = 2.586 m

Jawapan

H = 2.586 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 84.95 %

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 = 1000·9.81·0.08·42 = 32.96 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 32.96/38.8 = 84.95%

Jawapan

η = 84.95%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 24.73 kW

Halaju

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

V²/(2g) = 0.2115 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (40 + 8)·0.2115 = 10.15 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 8 + 10.15 = 18.15 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.1·18.15/0.72 = 24.73 kW

Jawapan

P_shaft = 24.73 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

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

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

Beban haba dan suhu keluaran air

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Jawapan

Selesaikan untuk ṁ₂