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 = 850 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 50 %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 = 1200 kg/hx_F = 7 %x_P = 55 %

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: 140 → 90 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °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 = 1.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 140 °Ct: 30 → 60 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 50 L mengandungi 310 g Ar pada 80 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 310 gM = 39.95 g/molV = 50 LT = 80 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi CH₄ pada 100 kPa dan 50 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 16.04 g/molP = 100 kPaT = 50 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

16 g C₃H₈ dan 16 g O₂ bertindak balas mengikut C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Berapakah jisim m bagi H₂O yang boleh terbentuk?

M(C₃H₈) = 44.1M(O₂) = 32M(H₂O) = 18.02 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2Na + Cl₂ → 2NaCl, 16 g Na bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 33.35 g NaCl dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Na) = 22.99 g/molM(NaCl) = 58.44 g/molsebenar: 33.35 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.25 mol/L H₂ dan 0.25 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 = 0.25 mol/LK_c = 50

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.05 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LK_c = 0.05

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah plumbum 100 g (c = 0.129 J/(g·°C)) pada 130 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 17 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 100 gc_metal = 0.129 J/(g·°C)T_metal = 130 °Cm_water = 300 gT_water = 17 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari ΔH° bagi tindak balas CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l).

ΔH°f(CH₄) = −74.8 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 0.5 mol/L kepada 0.3 mol/L dalam 30 min. Cari pemalar kadar k.

C_A0 = 0.5 mol/LC_A = 0.3 mol/Lt = 30 min

k = min⁻¹

14.Kinetik tindak balasSukar

Pemalar kadar suatu tindak balas ialah 0.1 min⁻¹ pada 25 °C dan 1.04 min⁻¹ pada 50 °C. Cari tenaga pengaktifan E_a.

k₁ = 0.1 min⁻¹T₁ = 25 °Ck₂ = 1.04 min⁻¹T₂ = 50 °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 = 0.2 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 1500 L. Suapan masuk pada 80 L/min dengan C_A0 = 2 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 1500 LQ = 80 L/mink = 0.2 min⁻¹C_A0 = 2 mol/L

C_A = mol/L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.3 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 1500 L yang disuap pada 20 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1500 LQ = 20 L/mink = 0.3 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 760 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 175 kepada 95 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 10 kepada 70 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.95, dan U = 500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 760 kWF = 0.95U = 500 W/(m²·K)T_h: 175 → 95 °CT_c: 10 → 70 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (0.5 kg/s, c_p = 2.1 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 140 kepada 60 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 0.5 kg/s air (c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 25 °C. Dengan U = 300 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 60 °Cṁ_c = 0.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 300 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 250 mm bulu mineral dan 75 mm konkrit, dengan luas 15 m². Muka luarnya berada pada 20 °C dan -7 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 1.4 W/(m·K)A = 15 m²T₁ = 20 °CT₃ = -7 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 200 mm konkrit dan 25 mm bulu mineral memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada -8 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 15 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -8 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 1.6 m/s melalui paip sepanjang 200 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.022 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 1.6 m/sL = 200 mD = 200 mmf = 0.022g = 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), 3 lengkuk (K = 0.3 setiap satu) dan injap (K = 10). Gunakan g = 9.81 m/s². Seberapa tinggi H permukaan takungan mesti berada di atas keluaran paip untuk kadar alir 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 10

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 15 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 36 m manakala acinya mengambil 6.2 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 15 L/sH = 36 mP_shaft = 6.2 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 12 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 100 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.018; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 4 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya berada pada tekanan tolok 400 kPa. Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 60 L/sΔz = 12 mL = 100 mD = 200 mmf = 0.018ΣK = 4p_tank = 400 kPa

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 1133 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) = 850·(15 − 35)/(35 − 50) = 1133 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 1133 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1047 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 = 1200·7/55 = 152.7 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 1200 − 152.7 = 1047 kg/h

Jawapan

W = 1047 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 63.78 °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·(140 − 90) = 183 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 183/(1·4.18) = 63.78 °C

Jawapan

t_out = 63.78 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 1.636 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 1.5·3.6·(180 − 140) = 216 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·216 = 205.2 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 205.2/(4.18·30) = 1.636 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 1.636 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 455.7 kPa

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

Mol

n = m/M = 310/39.95 = 7.76 mol

T = 80 + 273.15 = 353.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 7.76·8.314·353.1/0.05 = 455.7 kPa

Jawapan

P = 455.7 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 0.597 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 50 + 273.15 = 323.1 K

Ketumpatan

ρ = 100·16.04/(8.314·323.1) = 0.597 kg/m³

Jawapan

ρ = 0.597 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 7.208 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(C₃H₈) = 16/44.1 = 0.3628 mol

n(O₂) = 16/32 = 0.5 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.3628/1 = 0.3628, 0.5/5 = 0.1 → O₂

Jisim hasil

n(H₂O) = 0.1·4 = 0.4 mol

m = 0.4·18.02 = 7.208 g

Jawapan

m = 7.208 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 82 %

Hasil teori

n(Na) = 16/22.99 = 0.696 mol

m = 0.696·2/2·58.44 = 40.67 g

Hasil peratusan

Y = 33.35/40.67·100 = 82%

Jawapan

Y = 82%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.05512 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/(0.25 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.071 = 2x/(0.25 − x) → x = 0.25·7.071/(2 + 7.071) = 0.1949 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.25 − x = 0.05512 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.05512 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.25 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.05 = x²/(1.5 − x) → x² + 0.05·x − 0.075 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.05 + √(0.05² + 4·0.075))/2 = 0.25 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.25 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.25 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 18.15 °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

100·0.129·(130 − T_f) = 300·4.18·(T_f − 17)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (12.9·130 + 1254·17)/(12.9 + 1254) = 18.15 °C

Jawapan

T_f = 18.15 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: ΔH° = −890.3 kJ

Entalpi tindak balas

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

Jawapan

ΔH° = −890.3 kJ

Negatif: tindak balas membebaskan haba (eksotermik).

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: k = 0.01703 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(0.5/0.3)/30 = 0.5108/30 = 0.01703 min⁻¹

Jawapan

k = 0.01703 min⁻¹

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: E_a = 75.03 kJ/mol

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 = 298.1 K, T₂ = 323.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8.314·2.342/(-2.595e-4) = 75034 J/mol

E_a = 75.03 kJ/mol

Jawapan

E_a = 75.03 kJ/mol

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 0.04704 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 = 1500/80 = 18.75 min

Kepekatan keluaran

C_A = 2·e^{−0.2·18.75} = 0.04704 mol/L

Jawapan

C_A = 0.04704 mol/L

Penukaran: X = 97.65%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 95.74 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1500/20 = 75 min, kτ = 0.3·75 = 22.5

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 22.5/(1 + 22.5) = 95.74%

Jawapan

X = 95.74%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 16.9 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 = 175 − 70 = 105 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 95 − 10 = 85 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 85)/ln(105/85) = 94.65 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 760000/(500·0.95·94.65) = 16.9 m²

Jawapan

A = 16.9 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 5.343 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) = 0.5·2.1·80 = 84 kW

T_c,out = 25 + 84/(0.5·4.18) = 65.19 °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 = 140 − 65.19 = 74.81 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 60 − 25 = 35 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (74.81 − 35)/ln(74.81/35) = 52.41 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 84000/(300·52.41) = 5.343 m²

Jawapan

A = 5.343 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = −6.771 °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) = (250/1000)/(0.04·15) = 0.4167 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(1.4·15) = 0.003571 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 27/0.4202 = 64.25 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 20 − 64.25·0.4167 = −6.771 °C

Jawapan

T_i = −6.771 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 1.016 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·15) = 0.01111 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(1.4·15) = 0.009524 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.04·15) = 0.04167 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·15) = 0.003333 K/W

ΣR = 0.06563 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0.06563) = 1.016 W/(m²·K)

Jawapan

U = 1.016 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 2.871 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) = 1.6²/(2·9.81) = 0.1305 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.022·(200/0.2)·1.6²/(2·9.81) = 2.871 m

Jawapan

h_f = 2.871 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 7.432 m

Halaju

V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s

V²/(2g) = 0.3046 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.02·150/0.25 = 12

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 10 = 11.4

Persamaan tenaga

Pancutan keluaran masih membawa turus halajunya; ia bukan kehilangan tetapi mesti dibekalkan.

H = (1 + 12 + 11.4)·0.3046 = 7.432 m

Jawapan

H = 7.432 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 85.44 %

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 = 1000·9.81·0.015·36 = 5.297 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 5.297/6.2 = 85.44%

Jawapan

η = 85.44%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 55.19 m

Halaju

V = Q/A = 0.06/0.03142 = 1.91 m/s

V²/(2g) = 0.1859 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (9 + 4)·0.1859 = 2.417 m

Turus tekanan

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9.81) = 40.77 m

Turus pam

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 12 + 40.77 + 2.417 = 55.19 m

Jawapan

H = 55.19 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

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

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

Suhu antara muka

Selesaikan untuk ṁ₂