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 30% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 400 kg/hx₁ = 50 %x₂ = 5 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

Satu penyejat memekatkan larutan gula dengan mendidihkan air tulen. Cari air yang tersejat W dalam kg/h.

F = 1000 kg/hx_F = 12 %x_P = 65 %

W = 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 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 120 °Cṁ_c = 3 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 5% 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: 140 → 60 °Ct: 10 → 50 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Berapakah isi padu V yang diduduki oleh 400 g Ar pada 400 kPa dan 25 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 400 gM = 39.95 g/molP = 400 kPaT = 25 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah O₂ yang tetap berubah daripada 150 kPa, 2 L, 15 °C kepada 200 kPa dan 230 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 150 kPaV₁ = 2 LT₁ = 15 °CP₂ = 200 kPaT₂ = 230 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

4 g Al dan 80 g Cl₂ bertindak balas mengikut 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃. Berapakah jisim m bagi AlCl₃ yang boleh terbentuk?

M(Al) = 26.98M(Cl₂) = 70.9M(AlCl₃) = 133.33 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2Na + Cl₂ → 2NaCl, 6 g Na bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 8.39 g NaCl dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Na) = 22.99 g/molM(NaCl) = 58.44 g/molsebenar: 8.39 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 [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.25 mol/LK_c = 50

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.08 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.2 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0.2 mol/LK_c = 0.08

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah kuprum 200 g (c = 0.385 J/(g·°C)) pada 90 °C dijatuhkan ke dalam 250 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 16 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0.385 J/(g·°C)T_metal = 90 °Cm_water = 250 gT_water = 16 °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 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 0.02 min⁻¹ pada 40 °C dan tenaga pengaktifan 100 kJ/mol. Cari pemalar kadar k₂ pada 50 °C.

k₁ = 0.02 min⁻¹T₁ = 40 °CT₂ = 50 °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 dengan k = 0.3 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 40 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 60%.

Q = 40 L/mink = 0.3 min⁻¹X = 60%

V = L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam CSTR 1500 L yang disuap pada 100 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1500 LQ = 100 L/mink = 0.4 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba aliran selari memindahkan 110 kW. Luas pemindahan habanya ialah 15 m². Bendalir panas menyejuk daripada 100 kepada 85 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 20 kepada 40 °C. Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U.

Q̇ = 110 kWA = 15 m²T_h: 100 → 85 °CT_c: 20 → 40 °C

U = W/(m²·K)

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Stim memeluwap pada 140 °C yang malar di luar tiub sebuah kondenser dengan luas pemindahan haba 1.5 m² dan U = 1500 W/(m²·K). Air penyejuk (1 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) masuk ke dalam tiub pada 25 °C. Cari suhu keluar air T_c,out.

T_s = 140 °CA = 1.5 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1 kg/sc_p = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °C

T_c,out = °C

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 250 mm kayu dan 150 mm bata, dengan luas 6 m². Muka luarnya berada pada 15 °C dan -8 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 15 °CT₃ = -8 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 200 mm papan gipsum dan 25 mm kayu memisahkan bilik pada 20 °C daripada udara luar pada 5 °C. Pekali perolakan ialah 7.7 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 15 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = 5 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada 10 L/s melalui paip sepanjang 800 m dengan diameter dalam 150 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.025 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

Q = 10 L/sL = 800 mD = 150 mmf = 0.025g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Satu paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 200 mm (faktor geseran Darcy f = 0.018) bermula dari takungan terbuka dan mengalir keluar sebagai pancutan bebas ke udara. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 4 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 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 150 mD = 200 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 2

H = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam dengan kecekapan 85% menghantar 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 16 m. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa aci P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 25 L/sH = 16 mη = 85%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 120 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 31 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 150 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02; jumlah pekali kehilangan kecil ialah ΣK = 8 (masukan dan keluaran disertakan). Gunakan g = 9.81 m/s². Kecekapan pam ialah 70%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 120 L/sΔz = 31 mL = 150 mD = 250 mmf = 0.02ΣK = 8η = 70%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 320 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) = 400·(50 − 30)/(30 − 5) = 320 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 320 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 815.4 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 = 1000·12/65 = 184.6 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 1000 − 184.6 = 815.4 kg/h

Jawapan

W = 815.4 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 23.37 °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 = 1·2.1·(170 − 120) = 105 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 105/(3·4.18) = 23.37 °C

Jawapan

t_out = 23.37 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 2.773 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 2.5·2.44·(140 − 60) = 488 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·488 = 463.6 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 463.6/(4.18·40) = 2.773 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 2.773 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 62.05 L

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

Mol

n = 400/39.95 = 10.01 mol

T = 25 + 273.15 = 298.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 10.01·8.314·298.1/400 = 62.05 L

Jawapan

V = 62.05 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 2.619 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 288.1 K, T₂ = 503.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(150/200)·(503.1/288.1) = 2.619 L

Jawapan

V₂ = 2.619 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 19.77 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(Al) = 4/26.98 = 0.1483 mol

n(Cl₂) = 80/70.9 = 1.128 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.1483/2 = 0.07413, 1.128/3 = 0.3761 → Al

Jisim hasil

n(AlCl₃) = 0.07413·2 = 0.1483 mol

m = 0.1483·133.33 = 19.77 g

Jawapan

m = 19.77 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 55.01 %

Hasil teori

n(Na) = 6/22.99 = 0.261 mol

m = 0.261·2/2·58.44 = 15.25 g

Hasil peratusan

Y = 8.39/15.25·100 = 55.01%

Jawapan

Y = 55.01%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.3898 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

[HI] = 2x = 0.3898 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.3898 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.09266 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.08 = x²/(0.2 − x) → x² + 0.08·x − 0.016 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.08 + √(0.08² + 4·0.016))/2 = 0.09266 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.09266 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.09266 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 21.08 °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

200·0.385·(90 − T_f) = 250·4.18·(T_f − 16)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (77·90 + 1045·16)/(77 + 1045) = 21.08 °C

Jawapan

T_f = 21.08 °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_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 = 0.06565 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 = 323.1 K

Nisbah Arrhenius

ln(k₂/k₁) = −(100000/8.314)·(1/323.1 − 1/313.1) = 1.189

k₂ = 0.02·e^1.189 = 0.06565 min⁻¹

Jawapan

k₂ = 0.06565 min⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 122.2 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 − 0.6))/0.3 = 0.9163/0.3 = 3.054 min

Isi padu

V = Q·τ = 40·3.054 = 122.2 L

Jawapan

V = 122.2 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 85.71 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1500/100 = 15 min, kτ = 0.4·15 = 6

Penukaran

X = kτ/(1 + kτ) = 6/(1 + 6) = 85.71%

Jawapan

X = 85.71%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: U = 120.6 W/(m²·K)

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

Dalam aliran selari kedua-dua masukan berada pada hujung yang sama, dan kedua-dua keluaran pada hujung yang lain.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 100 − 20 = 80 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 85 − 40 = 45 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 45)/ln(80/45) = 60.83 K

Pekali keseluruhan

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 110000/(15·60.83) = 120.6 W/(m²·K)

Jawapan

U = 120.6 W/(m²·K)

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_c,out = 72.87 °C

Gabungkan imbangan tenaga dan persamaan kadar

Dengan ΔT₁ = T_s − T_c,in dan ΔT₂ = T_s − T_c,out, beza ΔT₁ − ΔT₂ sama dengan kenaikan suhu air, maka kenaikan itu saling batal.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 1500·1.5/(1·4180) = 0.5383

Suhu keluar

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0.5383 = 115·0.5838 = 67.13 K

T_c,out = 140 − 67.13 = 72.87 °C

Jawapan

T_c,out = 72.87 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 200.1 kW.

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = −5.146 °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)/(0.17·6) = 0.2451 K/W

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

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 23/0.2798 = 82.2 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 15 − 82.2·0.2451 = −5.146 °C

Jawapan

T_i = −5.146 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 0.6696 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0.17·15) = 0.07843 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0.17·15) = 0.009804 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·15) = 0.002667 K/W

ΣR = 0.09956 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0.09956) = 0.6696 W/(m²·K)

Jawapan

U = 0.6696 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 2.176 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·0.15²/4 = 0.01767 m²

V = Q/A = 0.01/0.01767 = 0.5659 m/s

Turus halaju

V²/(2g) = 0.5659²/(2·9.81) = 0.01632 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(800/0.15)·0.5659²/(2·9.81) = 2.176 m

Jawapan

h_f = 2.176 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: H = 1.504 m

Halaju

V = Q/A = 0.04/0.03142 = 1.273 m/s

V²/(2g) = 0.08263 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.018·150/0.2 = 13.5

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 2 = 3.7

Persamaan tenaga

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

H = (1 + 13.5 + 3.7)·0.08263 = 1.504 m

Jawapan

H = 1.504 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 4.616 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 = 1000·9.81·0.025·16 = 3.924 kW

Kuasa aci

P_shaft = P_h/η = 3.924/0.85 = 4.616 kW

Jawapan

P_shaft = 4.616 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 62.38 kW

Halaju

V = Q/A = 0.12/0.04909 = 2.445 m/s

V²/(2g) = 0.3046 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (12 + 8)·0.3046 = 6.092 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 31 + 6.092 = 37.09 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.12·37.09/0.7 = 62.38 kW

Jawapan

P_shaft = 62.38 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

Imbangan jumlah

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

Separuh hayat peringkat kedua

Jawapan

Suhu mutlak

Nisbah Arrhenius

Jawapan

Masa ruang

Isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Pekali keseluruhan

Jawapan

Gabungkan imbangan tenaga dan persamaan kadar

Suhu keluar

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Suhu antara muka

Jawapan

Rintangan secara bersiri

Selesaikan untuk ṁ₂