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% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 900 kg/hx₁ = 20 %x₂ = 50 %x₃ = 35 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 4800 kg/hx_F = 20 %x_P = 55 %

P = kg/h

3.Imbangan tenagaSederhana

minyak ringan 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 = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 80 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °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 = 1 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 70 °Ct: 10 → 75 °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 340 g Ar pada 550 kPa dan 55 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 340 gM = 39.95 g/molP = 550 kPaT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah CO₂ yang tetap berubah daripada 300 kPa, 10 L, 10 °C kepada 550 kPa dan 130 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 300 kPaV₁ = 10 LT₁ = 10 °CP₂ = 550 kPaT₂ = 130 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

24 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 CaCO₃ → CaO + CO₂, 24 g CaCO₃ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 9.92 g CO₂ dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(CaCO₃) = 100.09 g/molM(CO₂) = 44.01 g/molsebenar: 9.92 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.1 mol/L H₂ dan 0.1 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 = 0.1 mol/LK_c = 16

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.08 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.4 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0.4 mol/LK_c = 0.08

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah plumbum 75 g (c = 0.129 J/(g·°C)) pada 160 °C dijatuhkan ke dalam 200 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 18 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0.129 J/(g·°C)T_metal = 160 °Cm_water = 200 gT_water = 18 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari haba q yang dibebaskan apabila 250 g C₂H₅OH (M = 46.07 g/mol) terbakar sepenuhnya: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277.7 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 peringkat kedua (−r_A = k·C_A²) mempunyai k = 1 L/(mol·min) dan kepekatan awal 0.2 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t_½.

k = 1 L/(mol·min)C_A0 = 0.2 mol/L

t_½ = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai k = 0.01 min⁻¹ pada 25 °C dan tenaga pengaktifan 75 kJ/mol. Reaktor kelompok kini dijalankan pada 35 °C selama 15 min. Cari penukaran X yang dicapai.

k₁ = 0.01 min⁻¹T₁ = 25 °CE_a = 75 kJ/molT₂ = 35 °Ct = 15 minR = 8.314 J/(mol·K)

X = %

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 75%. 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 = 75%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 = 0.08 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 500 L. Kadar suapan ialah 25 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 500 L (×2)Q = 25 L/mink = 0.08 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba aliran selari memindahkan 240 kW. Luas pemindahan habanya ialah 25 m². Bendalir panas menyejuk daripada 155 kepada 120 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 20 kepada 70 °C. Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U.

Q̇ = 240 kWA = 25 m²T_h: 155 → 120 °CT_c: 20 → 70 °C

U = W/(m²·K)

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba paip dwi aliran songsang, minyak panas (0.3 kg/s, c_p = 2.5 kJ/(kg·K)) mengalir dalam tiub dalam dan menyejuk daripada 155 kepada 115 °C. Air (0.8 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) dalam anulus masuk pada 20 °C. Tiub dalam berdiameter 20 mm, dan U = 150 W/(m²·K) berdasarkan diameter ini. Cari panjang tiub L yang diperlukan.

ṁ_h = 0.3 kg/sc_p,h = 2.5 kJ/(kg·K)T_h: 155 → 115 °Cṁ_c = 0.8 kg/sT_c,in = 20 °CD = 20 mmU = 150 W/(m²·K)

L = m

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 200 mm kayu dan 100 mm polistirena terkembang, dengan luas 8 m². Muka luarnya berada pada 24 °C dan -12 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 24 °CT₃ = -12 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 100 mm bata dan 150 mm kayu memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada 0 °C. Pekali perolakan ialah 7.7 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 10 m². Cari kehilangan haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = 0 °C

Q̇ = W

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 2.1 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 300 m dengan diameter dalam 150 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.015 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 2.1 m/sL = 300 mD = 150 mmf = 0.015ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 300 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.025. Permukaan air takungan atas berada 27 m di atas takungan bawah. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 4 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 10) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kadar alir Q dalam L/s.

Δz = 27 mL = 150 mD = 300 mmf = 0.025K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 10K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam menghantar 40 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 34 m. Kecekapan pam ialah 78% dan motor elektrik yang memacunya mempunyai kecekapan 95%. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa elektrik P_el yang diambil oleh motor, dalam kW.

Q = 40 L/sH = 34 mη_pump = 78%η_motor = 95%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

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 100 m dengan diameter dalam 250 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 75%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 100 L/sΔz = 8 mL = 100 mD = 250 mmf = 0.025ΣK = 6η = 75%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 900 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) = 900·(20 − 35)/(35 − 50) = 900 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 900 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 1745 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 = 4800·20/55 = 1745 kg/h

Jawapan

P = 1745 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 82.8 °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 = 2.5·2.1·(180 − 80) = 525 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 525/(2·4.18) = 82.8 °C

Jawapan

t_out = 82.8 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.6608 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 1·2.1·(160 − 70) = 189 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·189 = 179.5 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 179.5/(4.18·65) = 0.6608 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.6608 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 42.22 L

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

Mol

n = 340/39.95 = 8.511 mol

T = 55 + 273.15 = 328.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 8.511·8.314·328.1/550 = 42.22 L

Jawapan

V = 42.22 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 7.766 L

Hukum gas gabungan: bagi jumlah gas unggul yang tetap, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Suhu mutlak

T₁ = 283.1 K, T₂ = 403.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(300/550)·(403.1/283.1) = 7.766 L

Jawapan

V₂ = 7.766 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 29.17 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) = 24/28.02 = 0.8565 mol

n(H₂) = 80/2.016 = 39.68 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.8565/1 = 0.8565, 39.68/3 = 13.23 → N₂

Jisim hasil

n(NH₃) = 0.8565·2 = 1.713 mol

m = 1.713·17.03 = 29.17 g

Jawapan

m = 29.17 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 94 %

Hasil teori

n(CaCO₃) = 24/100.09 = 0.2398 mol

m = 0.2398·1/1·44.01 = 10.55 g

Hasil peratusan

Y = 9.92/10.55·100 = 94%

Jawapan

Y = 94%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.03333 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/(0.1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

4 = 2x/(0.1 − x) → x = 0.1·4/(2 + 4) = 0.06667 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.1 − x = 0.03333 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.03333 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.1433 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.08 = x²/(0.4 − x) → x² + 0.08·x − 0.032 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.032))/2 = 0.1433 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.1433 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.1433 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 19.62 °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

75·0.129·(160 − T_f) = 200·4.18·(T_f − 18)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (9.675·160 + 836·18)/(9.675 + 836) = 19.62 °C

Jawapan

T_f = 19.62 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 7416 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [2·(−393.5) + 3·(−285.8)] − [1·(−277.7) + 3·0] = −1367 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 250/46.07 = 5.427 mol

q = n·|ΔH°/1| = 5.427·1367 = 7416 kJ

Jawapan

q = 7416 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t_½ = 5 min

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).

Separuh hayat peringkat kedua

t_½ = 1/(k·C_A0) = 1/(1·0.2) = 5 min

Jawapan

t_½ = 5 min

Setiap separuh hayat berikutnya dua kali lebih panjang, kerana C₀ telah menjadi separuh.

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: X = 33 %

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).

Pemalar kadar pada suhu baharu

T₁ = 298.1 K, T₂ = 308.1 K

k₂ = 0.01·e^{−(75000/8.314)·(1/308.1 − 1/298.1)} = 0.02669 min⁻¹

Penukaran

X = 1 − e^{−0.02669·15} = 1 − 0.67 = 33 %

Jawapan

X = 33 %

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V_CSTR/V_PFR = 2.164

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) = 0.75/0.25 = 3

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(4) = 1.386

Nisbah isi padu

V_CSTR/V_PFR = 3/1.386 = 2.164

Jawapan

V_CSTR/V_PFR = 2.164

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 85.21 %

Masa ruang

τ = V/Q = 500/25 = 20 min, kτ = 0.08·20 = 1.6

Penukaran

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1.6) = 0.3846

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0.1479

X = 1 − 0.1479 = 85.21%

Jawapan

X = 85.21%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: U = 112.2 W/(m²·K)

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

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 = 155 − 20 = 135 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 120 − 70 = 50 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (135 − 50)/ln(135/50) = 85.58 K

Pekali keseluruhan

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 240000/(25·85.58) = 112.2 W/(m²·K)

Jawapan

U = 112.2 W/(m²·K)

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: L = 28.99 m

Beban haba dan suhu keluaran air

Q̇ = 0.3·2.5·(155 − 115) = 30 kW

T_c,out = 20 + 30/(0.8·4.18) = 28.97 °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 = 155 − 28.97 = 126 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 115 − 20 = 95 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (126 − 95)/ln(126/95) = 109.8 K

Luas dan panjang

A = 30000/(150·109.8) = 1.822 m²

L = A/(πD) = 1.822/(π·0.02) = 28.99 m

Jawapan

L = 28.99 m

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 71.4 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)/(0.17·8) = 0.1471 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.035·8) = 0.3571 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 36/0.5042 = 71.4 W

Jawapan

Q̇ = 71.4 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 177.3 W

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·10) = 0.01299 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0.72·10) = 0.01389 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.17·10) = 0.08824 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·10) = 0.003333 K/W

ΣR = 0.1184 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (21 − (0))/0.1184 = 177.3 W

Jawapan

Q̇ = 177.3 W

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 66.15 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) = 0.015·(300/0.15)·2.1²/(2·9.81) = 6.743 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 = 1000·9.81·6.743 = 66150 Pa = 66.15 kPa

Jawapan

Δp = 66.15 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 324.1 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.025·150/0.3 = 12.5

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7

Persamaan tenaga

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

27 = (12.5 + 12.7)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·27/25.2) = 4.585 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 4.585·0.07069 = 0.3241 m³/s = 324.1 L/s

Jawapan

Q = 324.1 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_el = 18 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 = 1000·9.81·0.04·34 = 13.34 kW

Kuasa aci

P_shaft = 13.34/0.78 = 17.1 kW

Kuasa elektrik

P_el = 17.1/0.95 = 18 kW

Jawapan

P_el = 18 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 14.89 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) = (10 + 6)·0.2115 = 3.384 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 8 + 3.384 = 11.38 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.1·11.38/0.75 = 14.89 kW

Jawapan

P_shaft = 14.89 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

Suhu mutlak

Hukum gas gabungan

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

Separuh hayat peringkat kedua

Jawapan

Pemalar kadar pada suhu baharu

Penukaran

Jawapan

k·τ untuk setiap reaktor

Nisbah isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Pekali keseluruhan

Jawapan

Beban haba dan suhu keluaran air

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas dan panjang

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Jawapan

Selesaikan untuk ṁ₂