Latihan peperiksaan FE Kimia: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 24 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Imbangan jisim

Keadaan mantap: masuk = keluar
Imbangan jumlah: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Imbangan komponen: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Penyejat: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Imbangan tenaga

Haba ketara: Q = ṁ·c_p·ΔT
Haba pendam: Q = ṁ·h_fg
Pencampuran: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Air: c_p ≈ 4.18 kJ/(kg·K)

Hukum gas unggul

Hukum gas unggul: pV = nRT
Pemalar gas: R = 8.314 J/(mol·K)
Hukum gas gabungan: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Suhu: T[K] = T[°C] + 273.15

Stoikiometri

Mol: n = m/M
Kepekatan: c = n/V
Nisbah mol: gunakan pekali persamaan seimbang
Bahan tindak balas pengehad: yang habis dahulu
Hasil peratusan: sebenar / teori × 100%

Kaedah

Tulis dan seimbangkan persamaan kimia.
Tukar jisim yang diberi kepada mol: n = m/M.
Gunakan pekali sebagai nisbah mol untuk mencari mol bahan yang anda mahu.
Tukar balik kepada jisim dengan m = n·M. Dengan dua bahan tindak balas, cari bahan tindak balas pengehad dahulu.

Keseimbangan kimia

Pemalar keseimbangan: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Jadual ICE: Awal, Perubahan (×pekali), Keseimbangan
Kuadratik: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Kaedah

Tulis K_c dengan hasil di atas bahan tindak balas, setiap satu dinaikkan kepada kuasa pekalinya.
Sediakan jadual ICE: Awal, Perubahan (dalam langkah x darab pekali), Keseimbangan.
Masukkan ungkapan keseimbangan ke dalam K_c dan selesaikan untuk x.
Semak sama ada x cukup kecil untuk anggaran; jika tidak, selesaikan kuadratik.

Kalorimetri & entalpi

Haba: q = m·c·ΔT
Air: c = 4.18 J/(g·°C)
Kalorimeter: haba hilang = haba diperoleh
Entalpi tindak balas: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Kinetik tindak balas

Peringkat pertama: ln(C_A/C_A0) = −kt
Separuh hayat (peringkat pertama): t_½ = ln 2/k
Peringkat kedua: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Dua suhu: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Masa ruang: τ = V/Q
CSTR, peringkat pertama: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, peringkat pertama: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Penukaran daripada isi padu: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N CSTR yang sama secara bersiri: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Penukar haba (LMTD)

Beban haba: Q = U·A·ΔT_lm
Beza suhu min logaritma: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Imbangan aliran: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Pengaliran haba

Hukum Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Rintangan pengaliran: R = L/(kA)
Rintangan perolakan: R = 1/(hA)
Rintangan secara bersiri: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Nilai-U: U = 1/(ΣR·A)

Geseran paip & kehilangan turus

Nombor Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Rejim aliran: lamina di bawah Re ≈ 2000, gelora di atas Re ≈ 4000
Halaju min: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Kehilangan kecil: h_m = ΣK·V²/(2g)
Nilai K lazim: masukan 0.5, keluaran 1.0, lengkuk 90° ≈ 0.3
Susutan tekanan: Δp = ρ·g·h_f
Dua takungan terbuka: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Keluaran bebas: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pam & kuasa pam

Kuasa hidraulik: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Kuasa aci: P_shaft = P_h/η_pump
Kuasa elektrik: P_el = P_shaft/η_motor
Turus pam: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Kehilangan sistem: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Soalan latihan

1.Imbangan jisimSederhana

Berapakah aliran 2 yang mesti ditambah setiap jam kepada aliran 1 supaya hasil campuran mengandungi 30% gula? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 750 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 45 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 1600 kg/hx_F = 8 %x_P = 30 %

W = kg/h

3.Imbangan tenagaSederhana

campuran glikol panas menyejukkan air dalam penukar haba aliran berlawanan tanpa kehilangan haba. Cari suhu keluaran air t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 90 °Cṁ_c = 3 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 = 2 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 120 °Ct: 30 → 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 390 g He pada 750 kPa dan 20 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 390 gM = 4.003 g/molP = 750 kPaT = 20 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi CH₄ pada 300 kPa dan 40 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 16.04 g/molP = 300 kPaT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

6 g Al dan 64 g Cl₂ bertindak balas mengikut 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃. Berapakah jisim m bagi AlCl₃ yang boleh terbentuk?

M(Al) = 26.98M(Cl₂) = 70.9M(AlCl₃) = 133.33 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2H₂ + O₂ → 2H₂O, 24 g H₂ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 195.2 g H₂O dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(H₂) = 2.016 g/molM(H₂O) = 18.02 g/molsebenar: 195.2 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 = 50. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LK_c = 50

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.04 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LK_c = 0.04

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah aluminium 50 g (c = 0.897 J/(g·°C)) pada 110 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 15 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0.897 J/(g·°C)T_metal = 110 °Cm_water = 300 gT_water = 15 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari ΔH° bagi tindak balas C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C₆H₁₂O₆) = −1274 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 peringkat kedua (−r_A = k·C_A²) mempunyai k = 0.1 L/(mol·min) dan kepekatan awal 0.2 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t_½.

k = 0.1 L/(mol·min)C_A0 = 0.2 mol/L

t_½ = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai k = 0.02 min⁻¹ pada 20 °C dan tenaga pengaktifan 50 kJ/mol. Reaktor kelompok kini dijalankan pada 45 °C selama 45 min. Cari penukaran X yang dicapai.

k₁ = 0.02 min⁻¹T₁ = 20 °CE_a = 50 kJ/molT₂ = 45 °Ct = 45 minR = 8.314 J/(mol·K)

X = %

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.5 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 25 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 70%.

Q = 25 L/mink = 0.5 min⁻¹X = 70%

V = 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 200 L. Kadar suapan ialah 40 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 200 L (×2)Q = 40 L/mink = 0.4 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran selari memindahkan 370 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 115 kepada 95 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 10 kepada 55 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 1000 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 370 kWU = 1000 W/(m²·K)T_h: 115 → 95 °CT_c: 10 → 55 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba paip dwi aliran songsang, minyak panas (0.2 kg/s, c_p = 2.1 kJ/(kg·K)) mengalir dalam tiub dalam dan menyejuk daripada 105 kepada 65 °C. Air (1.5 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) dalam anulus masuk pada 25 °C. Tiub dalam berdiameter 50 mm, dan U = 250 W/(m²·K) berdasarkan diameter ini. Cari panjang tiub L yang diperlukan.

ṁ_h = 0.2 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 105 → 65 °Cṁ_c = 1.5 kg/sT_c,in = 25 °CD = 50 mmU = 250 W/(m²·K)

L = m

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 250 mm kaca dan 25 mm polistirena terkembang, dengan luas 10 m². Muka luarnya berada pada 25 °C dan -4 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 25 °CT₃ = -4 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 50 mm bulu mineral dan 150 mm bata memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada -11 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 4 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 4 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -11 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 1 m/s melalui paip sepanjang 500 m dengan diameter dalam 150 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.018 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 1 m/sL = 500 mD = 150 mmf = 0.018g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02. Permukaan air takungan atas berada 5 m di atas takungan bawah. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 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 = 5 mL = 150 mD = 250 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 20 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 24 m manakala acinya mengambil 7.8 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 20 L/sH = 24 mP_shaft = 7.8 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 40 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 7 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 100 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 6 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 82%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 40 L/sΔz = 7 mL = 100 mD = 150 mmf = 0.015ΣK = 6η = 82%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 1250 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) = 750·(5 − 30)/(30 − 45) = 1250 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 1250 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1173 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 = 1600·8/30 = 426.7 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 1600 − 426.7 = 1173 kg/h

Jawapan

W = 1173 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 29.35 °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 = 1·3.6·(140 − 90) = 180 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 180/(3·4.18) = 29.35 °C

Jawapan

t_out = 29.35 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 1.061 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 2·2.1·(170 − 120) = 210 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·210 = 199.5 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 199.5/(4.18·45) = 1.061 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 1.061 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 316.6 L

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

Mol

n = 390/4.003 = 97.43 mol

T = 20 + 273.15 = 293.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 97.43·8.314·293.1/750 = 316.6 L

Jawapan

V = 316.6 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 1.848 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 40 + 273.15 = 313.1 K

Ketumpatan

ρ = 300·16.04/(8.314·313.1) = 1.848 kg/m³

Jawapan

ρ = 1.848 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 29.65 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(Al) = 6/26.98 = 0.2224 mol

n(Cl₂) = 64/70.9 = 0.9027 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.2224/2 = 0.1112, 0.9027/3 = 0.3009 → Al

Jisim hasil

n(AlCl₃) = 0.1112·2 = 0.2224 mol

m = 0.2224·133.33 = 29.65 g

Jawapan

m = 29.65 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 91 %

Hasil teori

n(H₂) = 24/2.016 = 11.9 mol

m = 11.9·2/2·18.02 = 214.5 g

Hasil peratusan

Y = 195.2/214.5·100 = 91%

Jawapan

Y = 91%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 1.247 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/(0.8 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.071 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·7.071/(2 + 7.071) = 0.6236 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 1.247 mol/L

Jawapan

[HI] = 1.247 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.181 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.04 = x²/(1 − x) → x² + 0.04·x − 0.04 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.04))/2 = 0.181 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.181 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.181 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 18.28 °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

50·0.897·(110 − T_f) = 300·4.18·(T_f − 15)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (44.85·110 + 1254·15)/(44.85 + 1254) = 18.28 °C

Jawapan

T_f = 18.28 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: ΔH° = −2802 kJ

Entalpi tindak balas

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

Jawapan

ΔH° = −2802 kJ

Negatif: tindak balas membebaskan haba (eksotermik).

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t_½ = 50 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/(0.1·0.2) = 50 min

Jawapan

t_½ = 50 min

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

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: X = 98.9 %

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 = 293.1 K, T₂ = 318.1 K

k₂ = 0.02·e^{−(50000/8.314)·(1/318.1 − 1/293.1)} = 0.1003 min⁻¹

Penukaran

X = 1 − e^{−0.1003·45} = 1 − 0.01098 = 98.9 %

Jawapan

X = 98.9 %

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 60.2 L

Reaktor unggul, tindak balas peringkat pertama (−r_A = k·C_A) pada keadaan mantap, dengan masa ruang τ = V/Q. CSTR bercampur sempurna, jadi seluruh isi padu bertindak balas pada kepekatan keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan C_A = C_A0/(1 + k·τ). Dalam PFR setiap hirisan bendalir bertindak balas seperti reaktor kelompok kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan C_A = C_A0·e^−k·τ. Untuk penukaran yang sama CSTR sentiasa memerlukan isi padu lebih besar daripada PFR.

Masa ruang

τ = ln(1/(1 − 0.7))/0.5 = 1.204/0.5 = 2.408 min

Isi padu

V = Q·τ = 25·2.408 = 60.2 L

Jawapan

V = 60.2 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 88.89 %

Masa ruang

τ = V/Q = 200/40 = 5 min, kτ = 0.4·5 = 2

Penukaran

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 2) = 0.3333

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0.1111

X = 1 − 0.1111 = 88.89%

Jawapan

X = 88.89%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 5.494 m²

Kaedah LMTD: beza suhu antara kedua-dua aliran berubah sepanjang penukar, jadi persamaan kadar menggunakan min logaritmanya: Q̇ = U·A·ΔT_lm, dengan ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), dengan ΔT₁ dan ΔT₂ ialah beza pada kedua-dua hujung. Aliran berlawanan memberikan ΔT_lm yang lebih besar daripada aliran selari untuk suhu masuk dan keluar yang sama.

Beza suhu hujung

Dalam aliran selari kedua-dua masukan berada pada hujung yang sama, dan kedua-dua keluaran pada hujung yang lain.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 115 − 10 = 105 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 95 − 55 = 40 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 40)/ln(105/40) = 67.35 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 370000/(1000·67.35) = 5.494 m²

Jawapan

A = 5.494 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: L = 7.555 m

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.

Beban haba dan suhu keluaran air

Q̇ = 0.2·2.1·(105 − 65) = 16.8 kW

T_c,out = 25 + 16.8/(1.5·4.18) = 27.68 °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 = 105 − 27.68 = 77.32 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 65 − 25 = 40 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (77.32 − 40)/ln(77.32/40) = 56.63 K

Luas dan panjang

A = 16800/(250·56.63) = 1.187 m²

L = A/(πD) = 1.187/(π·0.05) = 7.555 m

Jawapan

L = 7.555 m

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 17.25 °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)/(0.96·10) = 0.02604 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.035·10) = 0.07143 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 29/0.09747 = 297.5 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 25 − 297.5·0.02604 = 17.25 °C

Jawapan

T_i = 17.25 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 0.6006 W/(m²·K)

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) = (150/1000)/(0.72·4) = 0.05208 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·4) = 0.01 K/W

ΣR = 0.4163 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0.4163) = 0.6006 W/(m²·K)

Jawapan

U = 0.6006 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 3.058 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) = 1²/(2·9.81) = 0.05097 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.018·(500/0.15)·1²/(2·9.81) = 3.058 m

Jawapan

h_f = 3.058 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 99.04 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.02·150/0.25 = 12

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 10 + 1.0 = 12.1

Persamaan tenaga

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

5 = (12 + 12.1)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·5/24.1) = 2.018 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 2.018·0.04909 = 0.09904 m³/s = 99.04 L/s

Jawapan

Q = 99.04 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 60.37 %

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 = 1000·9.81·0.02·24 = 4.709 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 4.709/7.8 = 60.37%

Jawapan

η = 60.37%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 5.349 kW

Halaju

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

V²/(2g) = 0.2611 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 6)·0.2611 = 4.178 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 7 + 4.178 = 11.18 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.04·11.18/0.82 = 5.349 kW

Jawapan

P_shaft = 5.349 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

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

Separuh hayat peringkat kedua

Jawapan

Pemalar kadar pada suhu baharu

Penukaran

Jawapan

Masa ruang

Isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Beban haba dan suhu keluaran air

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas dan panjang

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Suhu antara muka

Selesaikan untuk ṁ₂