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 = 300 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 5 %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 = 3000 kg/hx_F = 17 %x_P = 65 %

P = 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 = 3 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °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 = 2.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 90 °Ct: 20 → 65 °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 480 g CO₂ pada 350 kPa dan 55 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 480 gM = 44.01 g/molP = 350 kPaT = 55 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah N₂ yang tetap berubah daripada 250 kPa, 10 L, 35 °C kepada 200 kPa dan 110 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 10 LT₁ = 35 °CP₂ = 200 kPaT₂ = 110 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

24 g CH₄ dan 32 g O₂ bertindak balas mengikut CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Berapakah jisim m bagi H₂O yang boleh terbentuk?

M(CH₄) = 16.04M(O₂) = 32M(H₂O) = 18.02 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O, 12 g C₃H₈ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 18.44 g H₂O dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(C₃H₈) = 44.1 g/molM(H₂O) = 18.02 g/molsebenar: 18.44 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 = 64. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LK_c = 64

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.08 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LK_c = 0.08

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah plumbum 75 g (c = 0.129 J/(g·°C)) pada 150 °C dijatuhkan ke dalam 100 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 24 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0.129 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 100 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 20 g C₄H₁₀ (M = 58.12 g/mol) terbakar sepenuhnya: 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(C₄H₁₀) = −125.6 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 pertama dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.1 min⁻¹. Berapa lama masa yang diambil untuk mencapai penukaran 95%? Cari t.

k = 0.1 min⁻¹X = 95 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai pemalar kadar 0.05 s⁻¹ pada 50 °C dan tenaga pengaktifan 70 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponen A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0.05 s⁻¹T = 50 °CE_a = 70 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 dengan k = 0.3 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 100 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 70%.

Q = 100 L/mink = 0.3 min⁻¹X = 70%

V = L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.05 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 = 0.05 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Dalam sebuah kondenser, stim memeluwap pada 130 °C yang malar di luar tiub. Air penyejuk (2 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) mengalir melalui tiub dan memanas daripada 10 kepada 30 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 3500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

T_s = 130 °Cṁ = 2 kg/sc_p = 4.18 kJ/(kg·K)T_c: 10 → 30 °CU = 3500 W/(m²·K)

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (1 kg/s, c_p = 2.5 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 150 kepada 110 °C dalam penukar aliran berlawanan. Ia memanaskan 3 kg/s air (c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 15 °C. Dengan U = 300 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2.5 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 110 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 15 °CU = 300 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 200 mm kayu dan 150 mm bata, dengan luas 4 m². Muka luarnya berada pada 25 °C dan -11 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 25 °CT₃ = -11 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 200 mm konkrit dan 100 mm polistirena terkembang memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada -14 °C. Pekali perolakan ialah 7.7 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 15 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -14 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir pada 1.9 m/s melalui paip mengufuk sepanjang 100 m dengan diameter dalam 150 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.025 dan g = 9.81 m/s². Cari susutan tekanan Δp sepanjang paip dalam kPa.

V = 1.9 m/sL = 100 mD = 150 mmf = 0.025ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.025. Permukaan air takungan atas berada 30 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 = 30 mL = 150 mD = 250 mmf = 0.025K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam dengan kecekapan 60% menghantar 50 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 10 m. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa aci P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 50 L/sH = 10 mη = 60%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 60 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 15 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 400 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 60 L/sΔz = 15 mL = 400 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 8

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 200 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) = 300·(30 − 20)/(20 − 5) = 200 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 200 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 784.6 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 = 3000·17/65 = 784.6 kg/h

Jawapan

P = 784.6 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 79.59 °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 = 3·3.6·(130 − 80) = 540 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 540/(2·4.18) = 79.59 °C

Jawapan

t_out = 79.59 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.827 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 2.5·2.44·(120 − 90) = 183 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·183 = 155.5 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 155.5/(4.18·45) = 0.827 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.827 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 85.02 L

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

Mol

n = 480/44.01 = 10.91 mol

T = 55 + 273.15 = 328.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 10.91·8.314·328.1/350 = 85.02 L

Jawapan

V = 85.02 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 15.54 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 308.1 K, T₂ = 383.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(250/200)·(383.1/308.1) = 15.54 L

Jawapan

V₂ = 15.54 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 18.02 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(CH₄) = 24/16.04 = 1.496 mol

n(O₂) = 32/32 = 1 mol

Bahan tindak balas pengehad

1.496/1 = 1.496, 1/2 = 0.5 → O₂

Jisim hasil

n(H₂O) = 0.5·2 = 1 mol

m = 1·18.02 = 18.02 g

Jawapan

m = 18.02 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 94.02 %

Hasil teori

n(C₃H₈) = 12/44.1 = 0.2721 mol

m = 0.2721·4/1·18.02 = 19.61 g

Hasil peratusan

Y = 18.44/19.61·100 = 94.02%

Jawapan

Y = 94.02%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.16 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

64 = (2x)²/(0.8 − x)²

Ambil punca kuasa dua

8 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·8/(2 + 8) = 0.64 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.8 − x = 0.16 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.16 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.04202 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.08 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.08·x − 0.008 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.008))/2 = 0.05798 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.1 − 0.05798 = 0.04202 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.04202 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 26.85 °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

75·0.129·(150 − T_f) = 100·4.18·(T_f − 24)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (9.675·150 + 418·24)/(9.675 + 418) = 26.85 °C

Jawapan

T_f = 26.85 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 990.2 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [8·(−393.5) + 10·(−285.8)] − [2·(−125.6) + 13·0] = −5755 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 20/58.12 = 0.3441 mol

q = n·|ΔH°/2| = 0.3441·2877 = 990.2 kJ

Jawapan

q = 990.2 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 29.96 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 = 0.05

Selesaikan untuk masa

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.05)/0.1 = 29.96 min

Jawapan

t = 29.96 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: A = 1.034 × 10¹⁰ 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 = 50 + 273.15 = 323.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

E_a/(RT) = 70000/(8.314·323.1) = 26.05

A = k·e^26.05 = 0.05·2.067 × 10¹¹ = 1.034 × 10¹⁰ s⁻¹

Jawapan

A = 1.034 × 10¹⁰ s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 401.3 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))/0.3 = 1.204/0.3 = 4.013 min

Isi padu

V = Q·τ = 100·4.013 = 401.3 L

Jawapan

V = 401.3 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 36 %

Masa ruang

τ = V/Q = 200/40 = 5 min, kτ = 0.05·5 = 0.25

Penukaran

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0.25) = 0.8

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0.64

X = 1 − 0.64 = 36%

Jawapan

X = 36%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 0.4355 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 = 2·4.18·(30 − 10) = 167.2 kW

Beza suhu hujung

ΔT₁ = 130 − 10 = 120 K

ΔT₂ = 130 − 30 = 100 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 100)/ln(120/100) = 109.7 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 167200/(3500·109.7) = 0.4355 m²

Jawapan

A = 0.4355 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 3.024 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) = 1·2.5·40 = 100 kW

T_c,out = 15 + 100/(3·4.18) = 22.97 °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 = 150 − 22.97 = 127 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 110 − 15 = 95 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (127 − 95)/ln(127/95) = 110.2 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 100000/(300·110.2) = 3.024 m²

Jawapan

A = 3.024 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 104 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) = (200/1000)/(0.17·4) = 0.2941 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.72·4) = 0.05208 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 36/0.3462 = 104 W

Jawapan

Q̇ = 104 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 0.3161 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·15) = 0.008658 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(1.4·15) = 0.009524 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.035·15) = 0.1905 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·15) = 0.002222 K/W

ΣR = 0.2109 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0.2109) = 0.3161 W/(m²·K)

Jawapan

U = 0.3161 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δp = 30.08 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) = 0.025·(100/0.15)·1.9²/(2·9.81) = 3.067 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 = 1000·9.81·3.067 = 30083 Pa = 30.08 kPa

Jawapan

Δp = 30.08 kPa

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 228.8 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.025·150/0.25 = 15

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.

30 = (15 + 12.1)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·30/27.1) = 4.66 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 4.66·0.04909 = 0.2288 m³/s = 228.8 L/s

Jawapan

Q = 228.8 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 8.175 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 = 1000·9.81·0.05·10 = 4.905 kW

Kuasa aci

P_shaft = P_h/η = 4.905/0.6 = 8.175 kW

Jawapan

P_shaft = 8.175 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 22.06 m

Halaju

V = Q/A = 0.06/0.03142 = 1.91 m/s

V²/(2g) = 0.1859 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (30 + 8)·0.1859 = 7.065 m

Turus pam

Kedua-dua permukaan terbuka dan hampir pegun, jadi sebutan tekanan dan halaju tersingkir.

H = Δz + h_L = 15 + 7.065 = 22.06 m

Jawapan

H = 22.06 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

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

Haba untuk jisim yang diberi

Jawapan

Penukaran dan kepekatan

Selesaikan untuk masa

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk A

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

Jawapan

Rintangan lapisan

Selesaikan untuk ṁ₂