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 40% NaOH? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 500 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 50 %x₃ = 40 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 1800 kg/hx_F = 9 %x_P = 40 %

P = 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 = 0.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 140 °Cṁ_c = 0.5 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 15% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 70 °Ct: 30 → 80 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 10 L mengandungi 330 g Ar pada 10 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 330 gM = 39.95 g/molV = 10 LT = 10 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah CO₂ yang tetap berubah daripada 250 kPa, 10 L, 25 °C kepada 500 kPa dan 180 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 10 LT₁ = 25 °CP₂ = 500 kPaT₂ = 180 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

30 g C₃H₈ dan 48 g O₂ bertindak balas mengikut C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Berapakah jisim m bagi CO₂ yang boleh terbentuk?

M(C₃H₈) = 44.1M(O₂) = 32M(CO₂) = 44.01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃, 4 g Al bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 17.99 g AlCl₃ dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Al) = 26.98 g/molM(AlCl₃) = 133.33 g/molsebenar: 17.99 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.4 mol/L H₂ dan 0.4 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 = 0.4 mol/LK_c = 50

[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 besi 75 g (c = 0.449 J/(g·°C)) pada 190 °C dijatuhkan ke dalam 250 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 23 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0.449 J/(g·°C)T_metal = 190 °Cm_water = 250 gT_water = 23 °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 peringkat pertama dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.05 min⁻¹. Berapa lama masa yang diambil untuk mencapai penukaran 50%? Cari t.

k = 0.05 min⁻¹X = 50 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan C_A0 = 0.5 mol/L kadarnya ialah 0.008 mol/(L·s); dengan C_A0 = 2 mol/L ia ialah 0.128 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

C_A0,1 = 0.5 mol/Lr₁ = 0.008 mol/(L·s)C_A0,2 = 2 mol/Lr₂ = 0.128 mol/(L·s)

n =

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.05 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 10 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 50%.

Q = 10 L/mink = 0.05 min⁻¹X = 50%

V = L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.05 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 500 L yang disuap pada 10 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 500 LQ = 10 L/mink = 0.05 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Dalam sebuah kondenser, stim memeluwap pada 110 °C yang malar di luar tiub. Air penyejuk (3 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) mengalir melalui tiub dan memanas daripada 20 kepada 35 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 1000 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

T_s = 110 °Cṁ = 3 kg/sc_p = 4.18 kJ/(kg·K)T_c: 20 → 35 °CU = 1000 W/(m²·K)

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba paip dwi aliran songsang, minyak panas (0.3 kg/s, c_p = 2.1 kJ/(kg·K)) mengalir dalam tiub dalam dan menyejuk daripada 145 kepada 50 °C. Air (0.8 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) dalam anulus masuk pada 20 °C. Tiub dalam berdiameter 50 mm, dan U = 250 W/(m²·K) berdasarkan diameter ini. Cari panjang tiub L yang diperlukan.

ṁ_h = 0.3 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 145 → 50 °Cṁ_c = 0.8 kg/sT_c,in = 20 °CD = 50 mmU = 250 W/(m²·K)

L = m

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 250 mm konkrit dan 150 mm bulu mineral, dengan luas 8 m². Muka luarnya berada pada 17 °C dan 4 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 250 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 17 °CT₃ = 4 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 250 mm kaca dan 25 mm polistirena terkembang memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada -3 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 4 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 4 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -3 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 1.9 m/s melalui paip sepanjang 500 m dengan diameter dalam 100 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.028 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 1.9 m/sL = 500 mD = 100 mmf = 0.028g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 600 m dengan diameter dalam 300 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015. 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. Apakah beza aras air Δz antara takungan yang memberikan kadar alir 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 600 mD = 300 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 10K_exit = 1.0

Δz = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 52 m manakala acinya mengambil 16.3 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 25 L/sH = 52 mP_shaft = 16.3 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 5 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 150 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.022; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 2.5 (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 = 80 L/sΔz = 5 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.022ΣK = 2.5p_tank = 400 kPa

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 1750 kg/h

Imbangan jisim keadaan mantap: masuk = keluar bagi jumlah dan bagi setiap komponen. Masalah pengadunan menggabungkan kedua-duanya.

Imbangan

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 500·(5 − 40)/(40 − 50) = 1750 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 1750 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 405 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 = 1800·9/40 = 405 kg/h

Jawapan

P = 405 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 37.51 °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 = 0.5·2.44·(170 − 140) = 36.6 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 36.6/(0.5·4.18) = 37.51 °C

Jawapan

t_out = 37.51 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 1.464 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 1·3.6·(170 − 70) = 360 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·360 = 306 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 306/(4.18·50) = 1.464 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 1.464 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 1945 kPa

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

Mol

n = m/M = 330/39.95 = 8.26 mol

T = 10 + 273.15 = 283.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 8.26·8.314·283.1/0.01 = 1945 kPa

Jawapan

P = 1945 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 7.599 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 298.1 K, T₂ = 453.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(250/500)·(453.1/298.1) = 7.599 L

Jawapan

V₂ = 7.599 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 39.61 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) = 30/44.1 = 0.6803 mol

n(O₂) = 48/32 = 1.5 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.6803/1 = 0.6803, 1.5/5 = 0.3 → O₂

Jisim hasil

n(CO₂) = 0.3·3 = 0.9 mol

m = 0.9·44.01 = 39.61 g

Jawapan

m = 39.61 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 91.01 %

Hasil teori

n(Al) = 4/26.98 = 0.1483 mol

m = 0.1483·2/2·133.33 = 19.77 g

Hasil peratusan

Y = 17.99/19.77·100 = 91.01%

Jawapan

Y = 91.01%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.08819 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/(0.4 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.071 = 2x/(0.4 − x) → x = 0.4·7.071/(2 + 7.071) = 0.3118 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.4 − x = 0.08819 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.08819 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 = 28.21 °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

75·0.449·(190 − T_f) = 250·4.18·(T_f − 23)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (33.68·190 + 1045·23)/(33.68 + 1045) = 28.21 °C

Jawapan

T_f = 28.21 °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: t = 13.86 min

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).

Penukaran dan kepekatan

C/C₀ = 1 − X = 0.5

Selesaikan untuk masa

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.5)/0.05 = 13.86 min

Jawapan

t = 13.86 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 2

Kaedah kadar awal: bagi r = k·Cⁿ, membandingkan dua larian yang hanya berbeza pada kepekatan awal menghapuskan k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Menggandakan C menggandakan kadar bagi peringkat pertama dan menjadikannya empat kali ganda bagi peringkat kedua.

Nisbah

r₂/r₁ = 0.128/0.008 = 16

C₂/C₁ = 2/0.5 = 4

Peringkat

n = ln(16)/ln(4) = 2

Jawapan

n = 2

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 138.6 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 − 0.5))/0.05 = 0.6931/0.05 = 13.86 min

Isi padu

V = Q·τ = 10·13.86 = 138.6 L

Jawapan

V = 138.6 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 91.79 %

Masa ruang

τ = V/Q = 500/10 = 50 min, kτ = 0.05·50 = 2.5

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−2.5 = 91.79%

Jawapan

X = 91.79%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 2.286 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.

Beban haba daripada bahagian air

Q̇ = 3·4.18·(35 − 20) = 188.1 kW

Beza suhu hujung

ΔT₁ = 110 − 20 = 90 K

ΔT₂ = 110 − 35 = 75 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 75)/ln(90/75) = 82.27 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 188100/(1000·82.27) = 2.286 m²

Jawapan

A = 2.286 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: L = 25.16 m

Beban haba dan suhu keluaran air

Q̇ = 0.3·2.1·(145 − 50) = 59.85 kW

T_c,out = 20 + 59.85/(0.8·4.18) = 37.9 °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 = 145 − 37.9 = 107.1 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 50 − 20 = 30 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (107.1 − 30)/ln(107.1/30) = 60.59 K

Luas dan panjang

A = 59850/(250·60.59) = 3.951 m²

L = A/(πD) = 3.951/(π·0.05) = 25.16 m

Jawapan

L = 25.16 m

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 16.41 °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)/(1.4·8) = 0.02232 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.04·8) = 0.4688 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 13/0.4911 = 26.47 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 17 − 26.47·0.02232 = 16.41 °C

Jawapan

T_i = 16.41 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 0.8513 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·4) = 0.04167 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0.96·4) = 0.0651 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.035·4) = 0.1786 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·4) = 0.008333 K/W

ΣR = 0.2937 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(4·0.2937) = 0.8513 W/(m²·K)

Jawapan

U = 0.8513 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 25.76 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) = 1.9²/(2·9.81) = 0.184 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.028·(500/0.1)·1.9²/(2·9.81) = 25.76 m

Jawapan

h_f = 25.76 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δz = 4.356 m

Halaju

V = Q/A = 0.1/0.07069 = 1.415 m/s

V²/(2g) = 0.102 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·600/0.3 = 30

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 10 + 1.0 = 12.7

Jumlah kehilangan turus

h_f = 30·0.102 = 3.06 m

h_m = 12.7·0.102 = 1.296 m

Δz = h_f + h_m = 4.356 m

Jawapan

Δz = 4.356 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 78.24 %

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 = 1000·9.81·0.025·52 = 12.75 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 12.75/16.3 = 78.24%

Jawapan

η = 78.24%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 52.05 m

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) = (16.5 + 2.5)·0.3305 = 6.28 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 = 5 + 40.77 + 6.28 = 52.05 m

Jawapan

H = 52.05 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

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

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

Penukaran dan kepekatan

Selesaikan untuk masa

Jawapan

Nisbah

Peringkat

Jawapan

Masa ruang

Isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beban haba daripada bahagian air

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

Selesaikan untuk ṁ₂