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% NaOH? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 650 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 35 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 2900 kg/hx_F = 16 %x_P = 65 %

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 = 1.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 130 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °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: 160 → 90 °Ct: 25 → 90 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 30 L mengandungi 30 g He pada 35 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 30 gM = 4.003 g/molV = 30 LT = 35 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah CO₂ yang tetap berubah daripada 200 kPa, 5 L, 10 °C kepada 150 kPa dan 90 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 200 kPaV₁ = 5 LT₁ = 10 °CP₂ = 150 kPaT₂ = 90 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

30 g Fe₂O₃ dan 80 g CO bertindak balas mengikut Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Berapakah jisim m bagi Fe yang boleh terbentuk?

M(Fe₂O₃) = 159.69M(CO) = 28.01M(Fe) = 55.85 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas CaCO₃ → CaO + CO₂, 6 g CaCO₃ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 3.16 g CaO dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(CaCO₃) = 100.09 g/molM(CaO) = 56.08 g/molsebenar: 3.16 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.2 mol/L H₂ dan 0.2 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 9. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.2 mol/LK_c = 9

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.08 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.25 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0.25 mol/LK_c = 0.08

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah aluminium 75 g (c = 0.897 J/(g·°C)) pada 100 °C dijatuhkan ke dalam 400 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 24 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0.897 J/(g·°C)T_metal = 100 °Cm_water = 400 gT_water = 24 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari haba q yang dibebaskan apabila 250 g CH₄ (M = 16.04 g/mol) terbakar sepenuhnya: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(CH₄) = −74.8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Kinetik tindak balasSederhana

Satu tindak balas peringkat kedua (−r_A = k·C_A²) mempunyai k = 0.4 L/(mol·min) dan kepekatan awal 0.8 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t_½.

k = 0.4 L/(mol·min)C_A0 = 0.8 mol/L

t_½ = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas mempunyai pemalar kadar 0.05 min⁻¹ pada 40 °C dan tenaga pengaktifan 100 kJ/mol. Cari pemalar kadar k₂ pada 65 °C.

k₁ = 0.05 min⁻¹T₁ = 40 °CT₂ = 65 °CE_a = 100 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)

k₂ = min⁻¹

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) 200 L. Suapan masuk pada 100 L/min dengan C_A0 = 0.5 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 200 LQ = 100 L/mink = 0.2 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 = 0.15 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 150 L. Kadar suapan ialah 5 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 150 L (×2)Q = 5 L/mink = 0.15 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 500 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 155 kepada 95 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 20 kepada 30 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.85, dan U = 200 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 500 kWF = 0.85U = 200 W/(m²·K)T_h: 155 → 95 °CT_c: 20 → 30 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (0.5 kg/s, c_p = 2.3 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 100 kepada 80 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 1.5 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 = 2.3 kJ/(kg·K)T_h: 100 → 80 °Cṁ_c = 1.5 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 150 mm polistirena terkembang dan 100 mm bata, dengan luas 10 m². Muka luarnya berada pada 18 °C dan 1 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0.035 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 18 °CT₃ = 1 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 100 mm kaca dan 100 mm bata memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada 4 °C. Pekali perolakan ialah 10 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 = 100 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = 4 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada 25 L/s melalui paip sepanjang 100 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.025 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

Q = 25 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 200 m dengan diameter dalam 100 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 3 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 20 L/s?

Q = 20 L/sL = 200 mD = 100 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×3)K_valve = 10K_exit = 1.0

Δz = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 15 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 44 m manakala acinya mengambil 10 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 15 L/sH = 44 mP_shaft = 10 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 50 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 13 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 150 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.018; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 5 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 75%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 50 L/sΔz = 13 mL = 150 mD = 150 mmf = 0.018ΣK = 5η = 75%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 650 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) = 650·(5 − 20)/(20 − 35) = 650 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 650 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 713.8 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 = 2900·16/65 = 713.8 kg/h

Jawapan

P = 713.8 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 52.61 °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 = 1.5·2.1·(160 − 130) = 94.5 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 94.5/(1·4.18) = 52.61 °C

Jawapan

t_out = 52.61 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.7884 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 1·3.6·(160 − 90) = 252 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·252 = 214.2 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 214.2/(4.18·65) = 0.7884 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.7884 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 640 kPa

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

Mol

n = m/M = 30/4.003 = 7.494 mol

T = 35 + 273.15 = 308.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 7.494·8.314·308.1/0.03 = 640 kPa

Jawapan

P = 640 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 8.55 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 283.1 K, T₂ = 363.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(200/150)·(363.1/283.1) = 8.55 L

Jawapan

V₂ = 8.55 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 20.98 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(Fe₂O₃) = 30/159.69 = 0.1879 mol

n(CO) = 80/28.01 = 2.856 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.1879/1 = 0.1879, 2.856/3 = 0.952 → Fe₂O₃

Jisim hasil

n(Fe) = 0.1879·2 = 0.3757 mol

m = 0.3757·55.85 = 20.98 g

Jawapan

m = 20.98 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 94 %

Hasil teori

n(CaCO₃) = 6/100.09 = 0.05995 mol

m = 0.05995·1/1·56.08 = 3.362 g

Hasil peratusan

Y = 3.16/3.362·100 = 94%

Jawapan

Y = 94%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.08 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

9 = (2x)²/(0.2 − x)²

Ambil punca kuasa dua

3 = 2x/(0.2 − x) → x = 0.2·3/(2 + 3) = 0.12 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.2 − x = 0.08 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.08 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.107 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.08 = x²/(0.25 − x) → x² + 0.08·x − 0.02 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.02))/2 = 0.107 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.107 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.107 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 26.94 °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

75·0.897·(100 − T_f) = 400·4.18·(T_f − 24)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (67.28·100 + 1672·24)/(67.28 + 1672) = 26.94 °C

Jawapan

T_f = 26.94 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 13876 kJ

Entalpi tindak balas

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

Haba untuk jisim yang diberi

n = 250/16.04 = 15.59 mol

q = n·|ΔH°/1| = 15.59·890.3 = 13876 kJ

Jawapan

q = 13876 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t_½ = 3.125 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/(0.4·0.8) = 3.125 min

Jawapan

t_½ = 3.125 min

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

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: k₂ = 0.8555 min⁻¹

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 = 313.1 K, T₂ = 338.1 K

Nisbah Arrhenius

ln(k₂/k₁) = −(100000/8.314)·(1/338.1 − 1/313.1) = 2.84

k₂ = 0.05·e^2.84 = 0.8555 min⁻¹

Jawapan

k₂ = 0.8555 min⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 0.3352 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 = 200/100 = 2 min

Kepekatan keluaran

C_A = 0.5·e^−0.2·2 = 0.3352 mol/L

Jawapan

C_A = 0.3352 mol/L

Penukaran: X = 32.97%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 96.69 %

Masa ruang

τ = V/Q = 150/5 = 30 min, kτ = 0.15·30 = 4.5

Penukaran

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 4.5) = 0.1818

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0.03306

X = 1 − 0.03306 = 96.69%

Jawapan

X = 96.69%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 30.05 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 = 155 − 30 = 125 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 95 − 20 = 75 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 75)/ln(125/75) = 97.88 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 500000/(200·0.85·97.88) = 30.05 m²

Jawapan

A = 30.05 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 1.221 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) = 0.5·2.3·20 = 23 kW

T_c,out = 25 + 23/(1.5·4.18) = 28.67 °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 = 100 − 28.67 = 71.33 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 25 = 55 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (71.33 − 55)/ln(71.33/55) = 62.81 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 23000/(300·62.81) = 1.221 m²

Jawapan

A = 1.221 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 38.42 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)/(0.035·10) = 0.4286 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.72·10) = 0.01389 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 17/0.4425 = 38.42 W

Jawapan

Q̇ = 38.42 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 2.544 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·15) = 0.006667 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0.96·15) = 0.006944 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.72·15) = 0.009259 K/W

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

ΣR = 0.0262 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0.0262) = 2.544 W/(m²·K)

Jawapan

U = 2.544 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 0.4035 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.

Halaju min

A = π·0.2²/4 = 0.03142 m²

V = Q/A = 0.025/0.03142 = 0.7958 m/s

Turus halaju

V²/(2g) = 0.7958²/(2·9.81) = 0.03228 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(100/0.2)·0.7958²/(2·9.81) = 0.4035 m

Jawapan

h_f = 0.4035 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δz = 14.01 m

Halaju

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

V²/(2g) = 0.3305 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·200/0.1 = 30

ΣK = 0.5 + 3·0.3 + 10 + 1.0 = 12.4

Jumlah kehilangan turus

h_f = 30·0.3305 = 9.915 m

h_m = 12.4·0.3305 = 4.098 m

Δz = h_f + h_m = 14.01 m

Jawapan

Δz = 14.01 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 64.75 %

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 = 1000·9.81·0.015·44 = 6.475 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 6.475/10 = 64.75%

Jawapan

η = 64.75%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 14.64 kW

Halaju

V = Q/A = 0.05/0.01767 = 2.829 m/s

V²/(2g) = 0.408 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 5)·0.408 = 9.385 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 13 + 9.385 = 22.38 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.05·22.38/0.75 = 14.64 kW

Jawapan

P_shaft = 14.64 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

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

Haba untuk jisim yang diberi

Jawapan

Separuh hayat peringkat kedua

Jawapan

Suhu mutlak

Nisbah Arrhenius

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

Jawapan

Selesaikan untuk ṁ₂