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 10% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 300 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 5 %x₃ = 10 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 900 kg/hx_F = 14 %x_P = 60 %

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: 140 → 100 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

etanol 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 = 3 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 120 °Ct: 20 → 90 °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 190 g He pada 450 kPa dan 25 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 190 gM = 4.003 g/molP = 450 kPaT = 25 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah Ar yang tetap berubah daripada 150 kPa, 20 L, 10 °C kepada 700 kPa dan 160 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 150 kPaV₁ = 20 LT₁ = 10 °CP₂ = 700 kPaT₂ = 160 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

12 g Na dan 10 g Cl₂ bertindak balas mengikut 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Berapakah jisim m bagi NaCl yang boleh terbentuk?

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

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas N₂ + 3H₂ → 2NH₃, 8 g N₂ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 8.56 g NH₃ dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(N₂) = 28.02 g/molM(NH₃) = 17.03 g/molsebenar: 8.56 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 = 0.5 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 = 0.5

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah besi 50 g (c = 0.449 J/(g·°C)) pada 190 °C dijatuhkan ke dalam 200 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 21 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0.449 J/(g·°C)T_metal = 190 °Cm_water = 200 gT_water = 21 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari ΔH° bagi tindak balas C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277.7 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) dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.2 L/(mol·min) dan bermula pada 0.5 mol/L. Berapa lamakah masa yang diambil untuk mencapai penukaran 50%? Cari t.

k = 0.2 L/(mol·min)C_A0 = 0.5 mol/LX = 50 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai k = 0.002 min⁻¹ pada 25 °C dan tenaga pengaktifan 70 kJ/mol. Reaktor kelompok kini dijalankan pada 50 °C selama 10 min. Cari penukaran X yang dicapai.

k₁ = 0.002 min⁻¹T₁ = 25 °CE_a = 70 kJ/molT₂ = 50 °Ct = 10 minR = 8.314 J/(mol·K)

X = %

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.15 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 95%.

Q = 80 L/mink = 0.15 min⁻¹X = 95%

V = L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 50 L yang disuap pada 40 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 50 LQ = 40 L/mink = 0.4 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 740 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 120 kepada 105 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 15 kepada 85 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.9, dan U = 800 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 740 kWF = 0.9U = 800 W/(m²·K)T_h: 120 → 105 °CT_c: 15 → 85 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba paip dwi aliran songsang, minyak panas (1 kg/s, c_p = 2.5 kJ/(kg·K)) mengalir dalam tiub dalam dan menyejuk daripada 155 kepada 80 °C. Air (1 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) dalam anulus masuk pada 10 °C. Tiub dalam berdiameter 32 mm, dan U = 500 W/(m²·K) berdasarkan diameter ini. Cari panjang tiub L yang diperlukan.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2.5 kJ/(kg·K)T_h: 155 → 80 °Cṁ_c = 1 kg/sT_c,in = 10 °CD = 32 mmU = 500 W/(m²·K)

L = m

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 200 mm kayu dan 50 mm papan gipsum, dengan luas 6 m². Muka luarnya berada pada 21 °C dan 5 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 21 °CT₃ = 5 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 100 mm bulu mineral dan 100 mm kaca memisahkan bilik pada 20 °C daripada udara luar pada -12 °C. Pekali perolakan ialah 7.7 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 20 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 20 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -12 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 2.8 m/s melalui paip sepanjang 800 m dengan diameter dalam 50 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.028 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 2.8 m/sL = 800 mD = 50 mmf = 0.028g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 400 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015. Permukaan air takungan atas berada 16 m di atas takungan bawah. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 2) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kadar alir Q dalam L/s.

Δz = 16 mL = 400 mD = 200 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 2K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam menghantar 50 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 36 m. Kecekapan pam ialah 65% dan motor elektrik yang memacunya mempunyai kecekapan 92%. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa elektrik P_el yang diambil oleh motor, dalam kW.

Q = 50 L/sH = 36 mη_pump = 65%η_motor = 92%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 20 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 21 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 150 m dengan diameter dalam 100 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 6 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 70%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 20 L/sΔz = 21 mL = 150 mD = 100 mmf = 0.02ΣK = 6η = 70%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 1200 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) = 300·(30 − 10)/(10 − 5) = 1200 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 1200 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 210 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 = 900·14/60 = 210 kg/h

Jawapan

P = 210 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 40.1 °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·(140 − 100) = 168 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 168/(2·4.18) = 40.1 °C

Jawapan

t_out = 40.1 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.8506 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 3·2.44·(160 − 120) = 292.8 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·292.8 = 248.9 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 248.9/(4.18·70) = 0.8506 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.8506 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 261.5 L

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

Mol

n = 190/4.003 = 47.46 mol

T = 25 + 273.15 = 298.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 47.46·8.314·298.1/450 = 261.5 L

Jawapan

V = 261.5 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 6.556 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 283.1 K, T₂ = 433.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 20·(150/700)·(433.1/283.1) = 6.556 L

Jawapan

V₂ = 6.556 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 16.49 g

Stoikiometri: persamaan seimbang mengira zarah, bukan gram. Tukar jisim kepada mol dengan n = m/M, gunakan pekali persamaan sebagai nisbah mol, kemudian tukar balik dengan m = n·M. Dengan dua bahan tindak balas, bahan tindak balas pengehad ialah yang habis dahulu dan menentukan berapa banyak hasil terbentuk.

Mol setiap bahan tindak balas

n(Na) = 12/22.99 = 0.522 mol

n(Cl₂) = 10/70.9 = 0.141 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.522/2 = 0.261, 0.141/1 = 0.141 → Cl₂

Jisim hasil

n(NaCl) = 0.141·2 = 0.2821 mol

m = 0.2821·58.44 = 16.49 g

Jawapan

m = 16.49 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 88.03 %

Hasil teori

n(N₂) = 8/28.02 = 0.2855 mol

m = 0.2855·2/1·17.03 = 9.724 g

Hasil peratusan

Y = 8.56/9.724·100 = 88.03%

Jawapan

Y = 88.03%

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] = 0.8486 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.5 = x²/(1.5 − x) → x² + 0.5·x − 0.75 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.5 + √(0.5² + 4·0.75))/2 = 0.6514 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 1.5 − 0.6514 = 0.8486 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.8486 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 25.42 °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

50·0.449·(190 − T_f) = 200·4.18·(T_f − 21)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (22.45·190 + 836·21)/(22.45 + 836) = 25.42 °C

Jawapan

T_f = 25.42 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: ΔH° = −1367 kJ

Entalpi tindak balas

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

Jawapan

ΔH° = −1367 kJ

Negatif: tindak balas membebaskan haba (eksotermik).

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 10 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).

Kepekatan pada akhir

C_A = 0.5·(1 − 0.5) = 0.25 mol/L

Hukum peringkat kedua teramir

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (4 − 2)/0.2 = 10 min

Jawapan

t = 10 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: X = 16.29 %

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 = 323.1 K

k₂ = 0.002·e^{−(70000/8.314)·(1/323.1 − 1/298.1)} = 0.01778 min⁻¹

Penukaran

X = 1 − e^{−0.01778·10} = 1 − 0.8371 = 16.29 %

Jawapan

X = 16.29 %

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 1598 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 − 0.95))/0.15 = 2.996/0.15 = 19.97 min

Isi padu

V = Q·τ = 80·19.97 = 1598 L

Jawapan

V = 1598 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 33.33 %

Masa ruang

τ = V/Q = 50/40 = 1.25 min, kτ = 0.4·1.25 = 0.5

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 0.5/(1 + 0.5) = 33.33%

Jawapan

X = 33.33%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 17.65 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 = 120 − 85 = 35 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 105 − 15 = 90 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 90)/ln(35/90) = 58.23 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 740000/(800·0.9·58.23) = 17.65 m²

Jawapan

A = 17.65 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: L = 44.32 m

Beban haba dan suhu keluaran air

Q̇ = 1·2.5·(155 − 80) = 187.5 kW

T_c,out = 10 + 187.5/(1·4.18) = 54.86 °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 − 54.86 = 100.1 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 10 = 70 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100.1 − 70)/ln(100.1/70) = 84.17 K

Luas dan panjang

A = 187500/(500·84.17) = 4.455 m²

L = A/(πD) = 4.455/(π·0.032) = 44.32 m

Jawapan

L = 44.32 m

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 8.2 °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) = (200/1000)/(0.17·6) = 0.1961 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.17·6) = 0.04902 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 16/0.2451 = 65.28 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 21 − 65.28·0.1961 = 8.2 °C

Jawapan

T_i = 8.2 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 18.51 °C

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·20) = 0.006494 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0.04·20) = 0.125 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.96·20) = 0.005208 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·20) = 0.0025 K/W

ΣR = 0.1392 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (20 − (-12))/0.1392 = 229.9 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 20 − 229.9·0.006494 = 18.51 °C

Jawapan

T_s = 18.51 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 179 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) = 2.8²/(2·9.81) = 0.3996 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.028·(800/0.05)·2.8²/(2·9.81) = 179 m

Jawapan

h_f = 179 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 95.32 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·400/0.2 = 30

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 + 1.0 = 4.1

Persamaan tenaga

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

16 = (30 + 4.1)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·16/34.1) = 3.034 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 3.034·0.03142 = 0.09532 m³/s = 95.32 L/s

Jawapan

Q = 95.32 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_el = 29.53 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 = 1000·9.81·0.05·36 = 17.66 kW

Kuasa aci

P_shaft = 17.66/0.65 = 27.17 kW

Kuasa elektrik

P_el = 27.17/0.92 = 29.53 kW

Jawapan

P_el = 29.53 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 9.221 kW

Halaju

V = Q/A = 0.02/0.007854 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 6)·0.3305 = 11.9 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 21 + 11.9 = 32.9 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.02·32.9/0.7 = 9.221 kW

Jawapan

P_shaft = 9.221 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

Jawapan

Kepekatan pada akhir

Hukum peringkat kedua teramir

Jawapan

Pemalar kadar pada suhu baharu

Penukaran

Jawapan

Masa ruang

Isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung (aliran songsang)

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Beban haba dan suhu keluaran air

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas dan panjang

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Suhu antara muka

Selesaikan untuk ṁ₂