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 = 500 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 = 3300 kg/hx_F = 19 %x_P = 30 %

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 = 2.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

minyak ringan panas memanaskan air dalam penukar yang kehilangan 10% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 1.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 80 °Ct: 25 → 70 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 50 L mengandungi 240 g CO₂ pada 70 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 240 gM = 44.01 g/molV = 50 LT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah O₂ yang tetap berubah daripada 400 kPa, 10 L, 35 °C kepada 300 kPa dan 250 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 400 kPaV₁ = 10 LT₁ = 35 °CP₂ = 300 kPaT₂ = 250 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

10 g CH₄ dan 40 g O₂ bertindak balas mengikut CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Berapakah jisim m bagi CO₂ yang boleh terbentuk?

M(CH₄) = 16.04M(O₂) = 32M(CO₂) = 44.01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2Mg + O₂ → 2MgO, 6 g Mg bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 8.45 g MgO dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Mg) = 24.31 g/molM(MgO) = 40.3 g/molsebenar: 8.45 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 = 36. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.25 mol/LK_c = 36

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.04 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 = 0.04

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah zink 100 g (c = 0.388 J/(g·°C)) pada 180 °C dijatuhkan ke dalam 150 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 24 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 100 gc_metal = 0.388 J/(g·°C)T_metal = 180 °Cm_water = 150 gT_water = 24 °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) mempunyai k = 0.5 L/(mol·min) dan kepekatan awal 1 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t_½.

k = 0.5 L/(mol·min)C_A0 = 1 mol/L

t_½ = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Pemalar kadar suatu tindak balas ialah 0.005 min⁻¹ pada 40 °C dan 0.103 min⁻¹ pada 70 °C. Cari tenaga pengaktifan E_a.

k₁ = 0.005 min⁻¹T₁ = 40 °Ck₂ = 0.103 min⁻¹T₂ = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 50%. Berapa kali ganda lebih besarkah CSTR mesti berbanding PFR untuk kadar suapan, pemalar kadar dan penukaran yang sama? Cari nisbah V_CSTR/V_PFR.

X = 50%peringkat pertama, k dan Q yang sama

V_CSTR/V_PFR =

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.3 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 1500 L yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1500 LQ = 80 L/mink = 0.3 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 450 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 160 kepada 110 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 25 kepada 80 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.8, dan U = 200 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 450 kWF = 0.8U = 200 W/(m²·K)T_h: 160 → 110 °CT_c: 25 → 80 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba paip dwi aliran songsang, minyak panas (0.5 kg/s, c_p = 2.1 kJ/(kg·K)) mengalir dalam tiub dalam dan menyejuk daripada 120 kepada 90 °C. Air (1.5 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) dalam anulus masuk pada 10 °C. Tiub dalam berdiameter 20 mm, dan U = 200 W/(m²·K) berdasarkan diameter ini. Cari panjang tiub L yang diperlukan.

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 90 °Cṁ_c = 1.5 kg/sT_c,in = 10 °CD = 20 mmU = 200 W/(m²·K)

L = m

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 150 mm konkrit dan 100 mm bulu mineral, dengan luas 8 m². Muka luarnya berada pada 21 °C dan -11 °C. Cari aliran haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 1.4 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 21 °CT₃ = -11 °C

Q̇ = W

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 50 mm kayu dan 150 mm bata memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada -3 °C. Pekali perolakan ialah 10 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 = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -3 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 1.1 m/s melalui paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 75 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.025 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 1.1 m/sL = 150 mD = 75 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 100 m dengan diameter dalam 150 mm (faktor geseran Darcy f = 0.025) bermula dari takungan terbuka dan mengalir keluar sebagai pancutan bebas ke udara. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 lengkuk (K = 0.3 setiap satu) dan injap (K = 2). Gunakan g = 9.81 m/s². Seberapa tinggi H permukaan takungan mesti berada di atas keluaran paip untuk kadar alir 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 100 mD = 150 mmf = 0.025K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 2

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam dengan kecekapan 70% menghantar 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 68 m. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa aci P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 25 L/sH = 68 mη = 70%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 21 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 150 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. Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya berada pada tekanan tolok 100 kPa. Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 60 L/sΔz = 21 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 8p_tank = 100 kPa

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 500 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 − 20)/(20 − 35) = 500 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 500 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 2090 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 = 3300·19/30 = 2090 kg/h

Jawapan

P = 2090 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 63.96 °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 = 2.5·2.1·(130 − 60) = 367.5 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 367.5/(2·4.18) = 63.96 °C

Jawapan

t_out = 63.96 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.6029 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 1.5·2.1·(120 − 80) = 126 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.1)·126 = 113.4 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 113.4/(4.18·45) = 0.6029 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.6029 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 311.2 kPa

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

Mol

n = m/M = 240/44.01 = 5.453 mol

T = 70 + 273.15 = 343.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 5.453·8.314·343.1/0.05 = 311.2 kPa

Jawapan

P = 311.2 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 22.64 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 308.1 K, T₂ = 523.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(400/300)·(523.1/308.1) = 22.64 L

Jawapan

V₂ = 22.64 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 27.44 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) = 10/16.04 = 0.6234 mol

n(O₂) = 40/32 = 1.25 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.6234/1 = 0.6234, 1.25/2 = 0.625 → CH₄

Jisim hasil

n(CO₂) = 0.6234·1 = 0.6234 mol

m = 0.6234·44.01 = 27.44 g

Jawapan

m = 27.44 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 84.95 %

Hasil teori

n(Mg) = 6/24.31 = 0.2468 mol

m = 0.2468·2/2·40.3 = 9.947 g

Hasil peratusan

Y = 8.45/9.947·100 = 84.95%

Jawapan

Y = 84.95%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.0625 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

36 = (2x)²/(0.25 − x)²

Ambil punca kuasa dua

6 = 2x/(0.25 − x) → x = 0.25·6/(2 + 6) = 0.1875 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.25 − x = 0.0625 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.0625 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.1081 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.04 = x²/(0.4 − x) → x² + 0.04·x − 0.016 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.016))/2 = 0.1081 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.1081 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.1081 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 33.09 °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

100·0.388·(180 − T_f) = 150·4.18·(T_f − 24)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (38.8·180 + 627·24)/(38.8 + 627) = 33.09 °C

Jawapan

T_f = 33.09 °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_½ = 2 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/(0.5·1) = 2 min

Jawapan

t_½ = 2 min

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

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: E_a = 90.09 kJ/mol

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 = 343.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8.314·3.025/(-2.792e-4) = 90093 J/mol

E_a = 90.09 kJ/mol

Jawapan

E_a = 90.09 kJ/mol

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V_CSTR/V_PFR = 1.443

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.

k·τ untuk setiap reaktor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0.5/0.5 = 1

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(2) = 0.6931

Nisbah isi padu

V_CSTR/V_PFR = 1/0.6931 = 1.443

Jawapan

V_CSTR/V_PFR = 1.443

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 84.91 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1500/80 = 18.75 min, kτ = 0.3·18.75 = 5.625

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 5.625/(1 + 5.625) = 84.91%

Jawapan

X = 84.91%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 34.1 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 = 160 − 80 = 80 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 110 − 25 = 85 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 85)/ln(80/85) = 82.47 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 450000/(200·0.8·82.47) = 34.1 m²

Jawapan

A = 34.1 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: L = 27.27 m

Beban haba dan suhu keluaran air

Q̇ = 0.5·2.1·(120 − 90) = 31.5 kW

T_c,out = 10 + 31.5/(1.5·4.18) = 15.02 °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 = 120 − 15.02 = 105 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 90 − 10 = 80 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 80)/ln(105/80) = 91.92 K

Luas dan panjang

A = 31500/(200·91.92) = 1.713 m²

L = A/(πD) = 1.713/(π·0.02) = 27.27 m

Jawapan

L = 27.27 m

19.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 98.19 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)/(1.4·8) = 0.01339 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0.04·8) = 0.3125 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 32/0.3259 = 98.19 W

Jawapan

Q̇ = 98.19 W

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 17.23 °C

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·6) = 0.01667 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0.17·6) = 0.04902 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.72·6) = 0.03472 K/W

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

ΣR = 0.106 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (21 − (-3))/0.106 = 226.5 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 226.5·0.01667 = 17.23 °C

Jawapan

T_s = 17.23 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 3.084 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) = 1.1²/(2·9.81) = 0.06167 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(150/0.075)·1.1²/(2·9.81) = 3.084 m

Jawapan

h_f = 3.084 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 12.2 m

Halaju

V = Q/A = 0.06/0.01767 = 3.395 m/s

V²/(2g) = 0.5876 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.025·100/0.15 = 16.67

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 2 = 3.1

Persamaan tenaga

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

H = (1 + 16.67 + 3.1)·0.5876 = 12.2 m

Jawapan

H = 12.2 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 23.82 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 = 1000·9.81·0.025·68 = 16.68 kW

Kuasa aci

P_shaft = P_h/η = 16.68/0.7 = 23.82 kW

Jawapan

P_shaft = 23.82 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 34.77 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) = (11.25 + 8)·0.1859 = 3.579 m

Turus tekanan

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9.81) = 10.19 m

Turus pam

Kedua-dua permukaan hampir pegun, jadi tiada sebutan turus halaju.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 21 + 10.19 + 3.579 = 34.77 m

Jawapan

H = 34.77 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

Separuh hayat peringkat kedua

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

Jawapan

k·τ untuk setiap reaktor

Nisbah 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

Jawapan

Rintangan secara bersiri

Selesaikan untuk ṁ₂