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% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 700 kg/hx₁ = 50 %x₂ = 15 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 1800 kg/hx_F = 11 %x_P = 45 %

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 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 80 °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 15% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Ct: 15 → 45 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Berapakah isi padu V yang diduduki oleh 370 g CO₂ pada 350 kPa dan 70 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 370 gM = 44.01 g/molP = 350 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi O₂ pada 750 kPa dan 30 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 32 g/molP = 750 kPaT = 30 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

8 g H₂ dan 10 g O₂ bertindak balas mengikut 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Berapakah jisim m bagi H₂O yang boleh terbentuk?

M(H₂) = 2.016M(O₂) = 32M(H₂O) = 18.02 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O, 8 g C₃H₈ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 19.64 g CO₂ dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(C₃H₈) = 44.1 g/molM(CO₂) = 44.01 g/molsebenar: 19.64 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 = 0.02 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LK_c = 0.02

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah zink 50 g (c = 0.388 J/(g·°C)) pada 150 °C dijatuhkan ke dalam 250 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 16 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0.388 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 250 gT_water = 16 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari ΔH° bagi tindak balas 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

Satu tindak balas dengan hukum kadar −r_A = k·C_A² mempunyai k = 1 L/(mol·min) dan bermula pada 1.5 mol/L. Cari kepekatan C_A selepas 20 min.

k = 1 L/(mol·min)C_A0 = 1.5 mol/Lt = 20 min

C_A = mol/L

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai pemalar kadar 0.002 s⁻¹ pada 40 °C dan tenaga pengaktifan 75 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponen A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0.002 s⁻¹T = 40 °CE_a = 75 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.15 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 150 L. Suapan masuk pada 80 L/min dengan C_A0 = 0.5 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 150 LQ = 80 L/mink = 0.15 min⁻¹C_A0 = 0.5 mol/L

C_A = mol/L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.05 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 1000 L yang disuap pada 10 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1000 LQ = 10 L/mink = 0.05 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran selari memindahkan 160 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 135 kepada 100 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 15 kepada 85 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 800 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 160 kWU = 800 W/(m²·K)T_h: 135 → 100 °CT_c: 15 → 85 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba aliran songsang kedua-dua aliran mempunyai kadar muatan haba yang sama, ṁ·c_p = 1.5 kW/K. Aliran panas masuk pada 100 °C dan aliran sejuk pada 25 °C. Penukar itu mempunyai A = 1.5 m² dan U = 800 W/(m²·K). Cari suhu keluar panas T_h,out.

C_h = C_c = 1.5 kW/KT_h,in = 100 °CT_c,in = 25 °CA = 1.5 m²U = 800 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 150 mm kayu dan 150 mm bata, dengan luas 15 m². Muka luarnya berada pada 18 °C dan -12 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 15 m²T₁ = 18 °CT₃ = -12 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 50 mm polistirena terkembang dan 75 mm konkrit memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada -14 °C. Pekali perolakan ialah 8 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 6 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.035 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 1.4 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -14 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 0.8 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 200 m dengan diameter dalam 50 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.018 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 0.8 m/sL = 200 mD = 50 mmf = 0.018ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 100 m dengan diameter dalam 150 mm (faktor geseran Darcy f = 0.015) bermula dari takungan terbuka dan mengalir keluar sebagai pancutan bebas ke udara. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 4 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 30 L/s?

Q = 30 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 10

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 30 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 62 m manakala acinya mengambil 26.1 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 30 L/sH = 62 mP_shaft = 26.1 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 80 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 150 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.018; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 2 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 65%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 80 L/sΔz = 8 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.018ΣK = 2η = 65%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 4200 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) = 700·(50 − 20)/(20 − 15) = 4200 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 4200 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 440 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 = 1800·11/45 = 440 kg/h

Jawapan

P = 440 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 41.79 °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 = 2·2.1·(160 − 80) = 336 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 336/(3·4.18) = 41.79 °C

Jawapan

t_out = 41.79 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.3559 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 0.5·2.1·(130 − 80) = 52.5 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·52.5 = 44.63 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 44.63/(4.18·30) = 0.3559 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.3559 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 68.53 L

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

Mol

n = 370/44.01 = 8.407 mol

T = 70 + 273.15 = 343.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 8.407·8.314·343.1/350 = 68.53 L

Jawapan

V = 68.53 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 9.522 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 30 + 273.15 = 303.1 K

Ketumpatan

ρ = 750·32/(8.314·303.1) = 9.522 kg/m³

Jawapan

ρ = 9.522 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 11.26 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(H₂) = 8/2.016 = 3.968 mol

n(O₂) = 10/32 = 0.3125 mol

Bahan tindak balas pengehad

3.968/2 = 1.984, 0.3125/1 = 0.3125 → O₂

Jisim hasil

n(H₂O) = 0.3125·2 = 0.625 mol

m = 0.625·18.02 = 11.26 g

Jawapan

m = 11.26 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 82 %

Hasil teori

n(C₃H₈) = 8/44.1 = 0.1814 mol

m = 0.1814·3/1·44.01 = 23.95 g

Hasil peratusan

Y = 19.64/23.95·100 = 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: [PCl₅] = 1.337 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.02 = x²/(1.5 − x) → x² + 0.02·x − 0.03 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.02 + √(0.02² + 4·0.03))/2 = 0.1635 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 1.5 − 0.1635 = 1.337 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 1.337 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 18.44 °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

50·0.388·(150 − T_f) = 250·4.18·(T_f − 16)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (19.4·150 + 1045·16)/(19.4 + 1045) = 18.44 °C

Jawapan

T_f = 18.44 °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: C_A = 0.04839 mol/L

Kadar tindak balas: bagi tindak balas peringkat pertama −dC/dt = kC, jadi C = C₀·e^−kt dan separuh hayat ln 2/k tidak bergantung pada kepekatan. Bagi tindak balas peringkat kedua 1/C = 1/C₀ + kt. Pemalar kadar meningkat dengan suhu mengikut Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Hukum peringkat kedua teramir

1/C_A = 1/C_A0 + kt = 0.6667 + 1·20 = 20.67 L/mol

C_A = 1/20.67 = 0.04839 mol/L

Jawapan

C_A = 0.04839 mol/L

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: A = 6.483 × 10⁹ 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) = 75000/(8.314·313.1) = 28.81

A = k·e^28.81 = 0.002·3.241 × 10¹² = 6.483 × 10⁹ s⁻¹

Jawapan

A = 6.483 × 10⁹ s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 0.3774 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 = 150/80 = 1.875 min

Kepekatan keluaran

C_A = 0.5·e^{−0.15·1.875} = 0.3774 mol/L

Jawapan

C_A = 0.3774 mol/L

Penukaran: X = 24.52%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 83.33 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1000/10 = 100 min, kτ = 0.05·100 = 5

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 5/(1 + 5) = 83.33%

Jawapan

X = 83.33%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 3.961 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 = 135 − 15 = 120 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 100 − 85 = 15 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 15)/ln(120/15) = 50.49 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 160000/(800·50.49) = 3.961 m²

Jawapan

A = 3.961 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_h,out = 66.67 °C

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 malar

Bahagian keluar sejuk berhadapan dengan bahagian masuk panas: T_c,out = T_c,in + (T_h,in − T_h,out), maka ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = T_h,out − T_c,in = ΔT₂.

ΔT_lm = T_h,out − T_c,in

Imbangan tenaga sama dengan persamaan kadar

1.5·(100 − T_h,out) = 1.2·(T_h,out − 25)

T_h,out = (1.5·100 + 1.2·25)/(1.5 + 1.2) = 66.67 °C

Jawapan

T_h,out = 66.67 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 50 kW; aliran sejuk keluar pada 58.33 °C.

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 412.6 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) = (150/1000)/(0.17·15) = 0.05882 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.72·15) = 0.01389 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 30/0.07271 = 412.6 W

Jawapan

Q̇ = 412.6 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 18.33 °C

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·6) = 0.02083 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0.035·6) = 0.2381 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(1.4·6) = 0.008929 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·6) = 0.005556 K/W

ΣR = 0.2734 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (21 − (-14))/0.2734 = 128 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 128·0.02083 = 18.33 °C

Jawapan

T_s = 18.33 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 23.04 kPa

Aliran paip: nombor Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membezakan aliran lamina (Re di bawah kira-kira 2000) daripada aliran gelora (di atas kira-kira 4000). Geseran sepanjang paip menyebabkan kehilangan turus Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Alat sambungan, injap, masukan dan keluaran menambah kehilangan kecil h_m = ΣK·V²/(2g). Antara dua permukaan takungan terbuka persamaan tenaga memberikan Δz = h_f + h_m, dengan kehilangan keluaran K = 1 disertakan.

Kehilangan turus

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.018·(200/0.05)·0.8²/(2·9.81) = 2.349 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 = 1000·9.81·2.349 = 23040 Pa = 23.04 kPa

Jawapan

Δp = 23.04 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 3.334 m

Halaju

V = Q/A = 0.03/0.01767 = 1.698 m/s

V²/(2g) = 0.1469 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·100/0.15 = 10

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 = 11.7

Persamaan tenaga

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

H = (1 + 10 + 11.7)·0.1469 = 3.334 m

Jawapan

H = 3.334 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 69.91 %

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 = 1000·9.81·0.03·62 = 18.25 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 18.25/26.1 = 69.91%

Jawapan

η = 69.91%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 15.84 kW

Halaju

V = Q/A = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (13.5 + 2)·0.3305 = 5.123 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 8 + 5.123 = 13.12 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.08·13.12/0.65 = 15.84 kW

Jawapan

P_shaft = 15.84 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

Jawapan

Hukum peringkat kedua teramir

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk A

Jawapan

Masa ruang

Kepekatan keluaran

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Beza suhu malar

Imbangan tenaga sama dengan persamaan kadar

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Jawapan

Rintangan secara bersiri

Kehilangan haba

Jawapan

Selesaikan untuk ṁ₂