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% NaOH? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 250 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 35 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 4700 kg/hx_F = 19 %x_P = 60 %

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 = 2.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 100 °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 10% haba yang dibebaskan oleh aliran panas kepada persekitaran. Cari kadar alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 100 °Ct: 20 → 40 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 30 L mengandungi 40 g CH₄ pada 45 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 40 gM = 16.04 g/molV = 30 LT = 45 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi O₂ pada 950 kPa dan 160 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 32 g/molP = 950 kPaT = 160 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

24 g N₂ dan 16 g H₂ bertindak balas mengikut N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Berapakah jisim m bagi NH₃ yang boleh terbentuk?

M(N₂) = 28.02M(H₂) = 2.016M(NH₃) = 17.03 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2Na + Cl₂ → 2NaCl, 6 g Na bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 13.42 g NaCl dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(Na) = 22.99 g/molM(NaCl) = 58.44 g/molsebenar: 13.42 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

1 mol/L H₂ dan 1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 4. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 4

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.04 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0.5 mol/LK_c = 0.04

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah zink 150 g (c = 0.388 J/(g·°C)) pada 150 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 25 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 150 gc_metal = 0.388 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 300 gT_water = 25 °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 CH₃OH (M = 32.04 g/mol) terbakar sepenuhnya: 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(CH₃OH) = −238.7 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 = 0.8 L/(mol·min) dan kepekatan awal 1.5 mol/L. Cari separuh hayat pertamanya t_½.

k = 0.8 L/(mol·min)C_A0 = 1.5 mol/L

t_½ = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan C_A0 = 0.4 mol/L kadarnya ialah 0.02 mol/(L·s); dengan C_A0 = 1.2 mol/L ia ialah 0.104 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

C_A0,1 = 0.4 mol/Lr₁ = 0.02 mol/(L·s)C_A0,2 = 1.2 mol/Lr₂ = 0.104 mol/(L·s)

n =

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.08 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 150 L. Suapan masuk pada 20 L/min dengan C_A0 = 1.5 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 150 LQ = 20 L/mink = 0.08 min⁻¹C_A0 = 1.5 mol/L

C_A = mol/L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.5 min⁻¹) berlaku dalam dua CSTR yang sama secara bersiri, setiap satu 150 L. Kadar suapan ialah 50 L/min, ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran keseluruhan X dalam peratus.

V = 150 L (×2)Q = 50 L/mink = 0.5 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Penukar haba cangkerang-dan-tiub (satu laluan cangkerang, dua laluan tiub) mesti memindahkan 680 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 100 kepada 35 °C dan bendalir sejuk memanas daripada 20 kepada 60 °C. Faktor pembetulan LMTD bagi susunan ini ialah F = 0.9, dan U = 500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 680 kWF = 0.9U = 500 W/(m²·K)T_h: 100 → 35 °CT_c: 20 → 60 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Minyak panas (0.5 kg/s, c_p = 2.1 kJ/(kg·K)) menyejuk daripada 135 kepada 65 °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 = 800 W/(m²·K), cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

ṁ_h = 0.5 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 135 → 65 °Cṁ_c = 1.5 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 800 W/(m²·K)

A = m²

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 50 mm kayu dan 75 mm kaca, dengan luas 12 m². Muka luarnya berada pada 24 °C dan 0 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.96 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 24 °CT₃ = 0 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 150 mm kaca dan 150 mm kayu memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada -15 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 15 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -15 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 1.7 m/s melalui paip sepanjang 300 m dengan diameter dalam 300 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.015 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 1.7 m/sL = 300 mD = 300 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 200 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.015. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 2 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 5) 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 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0.015K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5K_exit = 1.0

Δz = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 150 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 70 m manakala acinya mengambil 171.7 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 150 L/sH = 70 mP_shaft = 171.7 kWg = 9.81 m/s²

η = %

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 16 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 500 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 = 16 mL = 500 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 8

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 1250 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) = 250·(5 − 30)/(30 − 35) = 1250 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 1250 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 3212 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 = 4700·19/60 = 1488 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4700 − 1488 = 3212 kg/h

Jawapan

W = 3212 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 80.24 °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·(140 − 100) = 210 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 210/(1·4.18) = 80.24 °C

Jawapan

t_out = 80.24 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 3.488 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 3·3.6·(130 − 100) = 324 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.1)·324 = 291.6 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 291.6/(4.18·20) = 3.488 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 3.488 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 219.9 kPa

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

Mol

n = m/M = 40/16.04 = 2.494 mol

T = 45 + 273.15 = 318.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 2.494·8.314·318.1/0.03 = 219.9 kPa

Jawapan

P = 219.9 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 8.442 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 160 + 273.15 = 433.1 K

Ketumpatan

ρ = 950·32/(8.314·433.1) = 8.442 kg/m³

Jawapan

ρ = 8.442 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 29.17 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(N₂) = 24/28.02 = 0.8565 mol

n(H₂) = 16/2.016 = 7.937 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.8565/1 = 0.8565, 7.937/3 = 2.646 → N₂

Jisim hasil

n(NH₃) = 0.8565·2 = 1.713 mol

m = 1.713·17.03 = 29.17 g

Jawapan

m = 29.17 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 87.99 %

Hasil teori

n(Na) = 6/22.99 = 0.261 mol

m = 0.261·2/2·58.44 = 15.25 g

Hasil peratusan

Y = 13.42/15.25·100 = 87.99%

Jawapan

Y = 87.99%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 1 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

4 = (2x)²/(1 − x)²

Ambil punca kuasa dua

2 = 2x/(1 − x) → x = 1·2/(2 + 2) = 0.5 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 1 mol/L

Jawapan

[HI] = 1 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.3772 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.04 = x²/(0.5 − x) → x² + 0.04·x − 0.02 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.02))/2 = 0.1228 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.5 − 0.1228 = 0.3772 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.3772 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 30.54 °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

150·0.388·(150 − T_f) = 300·4.18·(T_f − 25)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (58.2·150 + 1254·25)/(58.2 + 1254) = 30.54 °C

Jawapan

T_f = 30.54 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 5668 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [2·(−393.5) + 4·(−285.8)] − [2·(−238.7) + 3·0] = −1453 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 250/32.04 = 7.803 mol

q = n·|ΔH°/2| = 7.803·726.4 = 5668 kJ

Jawapan

q = 5668 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t_½ = 0.8333 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/(0.8·1.5) = 0.8333 min

Jawapan

t_½ = 0.8333 min

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

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 1.501

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 = 0.104/0.02 = 5.2

C₂/C₁ = 1.2/0.4 = 3

Peringkat

n = ln(5.2)/ln(3) = 1.501

Jawapan

n = 1.501

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 0.8232 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 = 150/20 = 7.5 min

Kepekatan keluaran

C_A = 1.5·e^−0.08·7.5 = 0.8232 mol/L

Jawapan

C_A = 0.8232 mol/L

Penukaran: X = 45.12%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 84 %

Masa ruang

τ = V/Q = 150/50 = 3 min, kτ = 0.5·3 = 1.5

Penukaran

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1.5) = 0.4

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0.16

X = 1 − 0.16 = 84%

Jawapan

X = 84%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 59.29 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 = 100 − 60 = 40 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 35 − 20 = 15 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 15)/ln(40/15) = 25.49 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 680000/(500·0.9·25.49) = 59.29 m²

Jawapan

A = 59.29 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 1.417 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) = 0.5·2.1·70 = 73.5 kW

T_c,out = 25 + 73.5/(1.5·4.18) = 36.72 °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 = 135 − 36.72 = 98.28 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 65 − 25 = 40 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (98.28 − 40)/ln(98.28/40) = 64.83 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 73500/(800·64.83) = 1.417 m²

Jawapan

A = 1.417 m²

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 5.037 °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) = (50/1000)/(0.17·12) = 0.02451 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.96·12) = 0.00651 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 24/0.03102 = 773.7 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 24 − 773.7·0.02451 = 5.037 °C

Jawapan

T_i = 5.037 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 16.22 °C

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·15) = 0.01111 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(0.96·15) = 0.01042 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.17·15) = 0.05882 K/W

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

ΣR = 0.08368 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (21 − (-15))/0.08368 = 430.2 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 430.2·0.01111 = 16.22 °C

Jawapan

T_s = 16.22 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 2.209 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) = 1.7²/(2·9.81) = 0.1473 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(300/0.3)·1.7²/(2·9.81) = 2.209 m

Jawapan

h_f = 2.209 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δz = 2.586 m

Halaju

V = Q/A = 0.08/0.04909 = 1.63 m/s

V²/(2g) = 0.1354 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.015·200/0.25 = 12

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 + 1.0 = 7.1

Jumlah kehilangan turus

h_f = 12·0.1354 = 1.625 m

h_m = 7.1·0.1354 = 0.9612 m

Δz = h_f + h_m = 2.586 m

Jawapan

Δz = 2.586 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 59.99 %

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 = 1000·9.81·0.15·70 = 103 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 103/171.7 = 59.99%

Jawapan

η = 59.99%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 24.46 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) = (37.5 + 8)·0.1859 = 8.459 m

Turus pam

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

H = Δz + h_L = 16 + 8.459 = 24.46 m

Jawapan

H = 24.46 m

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

Tekanan

Jawapan

Susun semula hukum gas

Ketumpatan

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

Nisbah

Peringkat

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

Selesaikan untuk ṁ₂