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 10% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 300 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 5 %x₃ = 10 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 2200 kg/hx_F = 17 %x_P = 65 %

W = 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 = 2.5 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Imbangan tenagaSukar

campuran glikol 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 = 1 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 120 °Ct: 25 → 70 °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 440 g Ar pada 550 kPa dan 75 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 440 gM = 39.95 g/molP = 550 kPaT = 75 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah CO₂ yang tetap berubah daripada 300 kPa, 2 L, 25 °C kepada 300 kPa dan 200 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 300 kPaV₁ = 2 LT₁ = 25 °CP₂ = 300 kPaT₂ = 200 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

16 g Na dan 10 g Cl₂ bertindak balas mengikut 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Berapakah jisim m bagi NaCl yang boleh terbentuk?

M(Na) = 22.99M(Cl₂) = 70.9M(NaCl) = 58.44 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂, 6 g C₆H₁₂O₆ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 2.39 g C₂H₅OH dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(C₆H₁₂O₆) = 180.16 g/molM(C₂H₅OH) = 46.07 g/molsebenar: 2.39 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.5 mol/L H₂ dan 0.5 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 = 0.5 mol/LK_c = 50

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.01 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LK_c = 0.01

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah kuprum 50 g (c = 0.385 J/(g·°C)) pada 130 °C dijatuhkan ke dalam 200 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 25 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0.385 J/(g·°C)T_metal = 130 °Cm_water = 200 gT_water = 25 °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 dengan hukum kadar −r_A = k·C_A² mempunyai k = 0.25 L/(mol·min) dan bermula pada 1 mol/L. Cari kepekatan C_A selepas 10 min.

k = 0.25 L/(mol·min)C_A0 = 1 mol/Lt = 10 min

C_A = mol/L

14.Kinetik tindak balasSukar

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan C_A0 = 0.25 mol/L kadarnya ialah 0.012 mol/(L·s); dengan C_A0 = 1 mol/L ia ialah 0.024 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

C_A0,1 = 0.25 mol/Lr₁ = 0.012 mol/(L·s)C_A0,2 = 1 mol/Lr₂ = 0.024 mol/(L·s)

n =

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair mesti mencapai penukaran 85%. 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 = 85%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 = 0.1 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 50 L yang disuap pada 10 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 50 LQ = 10 L/mink = 0.1 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran berlawanan memindahkan 320 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 145 kepada 85 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 15 kepada 125 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 200 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 320 kWU = 200 W/(m²·K)T_h: 145 → 85 °CT_c: 15 → 125 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba aliran songsang kedua-dua aliran mempunyai kadar muatan haba yang sama, ṁ·c_p = 0.5 kW/K. Aliran panas masuk pada 155 °C dan aliran sejuk pada 30 °C. Penukar itu mempunyai A = 0.5 m² dan U = 800 W/(m²·K). Cari suhu keluar panas T_h,out.

C_h = C_c = 0.5 kW/KT_h,in = 155 °CT_c,in = 30 °CA = 0.5 m²U = 800 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 200 mm bata dan 150 mm polistirena terkembang, dengan luas 6 m². Muka luarnya berada pada 19 °C dan 0 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 19 °CT₃ = 0 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 150 mm bata dan 50 mm papan gipsum memisahkan bilik pada 21 °C daripada udara luar pada -13 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 10 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -13 °C

T_s = °C

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada 6 L/s melalui paip sepanjang 200 m dengan diameter dalam 75 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.015 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

Q = 6 L/sL = 200 mD = 75 mmf = 0.015g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 100 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.02. 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. Apakah beza aras air Δz antara takungan yang memberikan kadar alir 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1.0

Δz = m

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam dengan kecekapan 70% menghantar 20 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 60 m. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa aci P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 20 L/sH = 60 mη = 70%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 80 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 150 m dengan diameter dalam 200 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. Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya berada pada tekanan tolok 100 kPa. Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 80 L/sΔz = 15 mL = 150 mD = 200 mmf = 0.02ΣK = 8p_tank = 100 kPa

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 1200 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) = 300·(30 − 10)/(10 − 5) = 1200 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 1200 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1625 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 = 2200·17/65 = 575.4 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 2200 − 575.4 = 1625 kg/h

Jawapan

W = 1625 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 50.89 °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 = 2.5·3.6·(130 − 80) = 450 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 450/(3·4.18) = 50.89 °C

Jawapan

t_out = 50.89 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.7273 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 1·3.6·(160 − 120) = 144 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.05)·144 = 136.8 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 136.8/(4.18·45) = 0.7273 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.7273 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 57.96 L

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

Mol

n = 440/39.95 = 11.01 mol

T = 75 + 273.15 = 348.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 11.01·8.314·348.1/550 = 57.96 L

Jawapan

V = 57.96 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 3.174 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 298.1 K, T₂ = 473.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(300/300)·(473.1/298.1) = 3.174 L

Jawapan

V₂ = 3.174 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 16.49 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(Na) = 16/22.99 = 0.696 mol

n(Cl₂) = 10/70.9 = 0.141 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.696/2 = 0.348, 0.141/1 = 0.141 → Cl₂

Jisim hasil

n(NaCl) = 0.141·2 = 0.2821 mol

m = 0.2821·58.44 = 16.49 g

Jawapan

m = 16.49 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 77.89 %

Hasil teori

n(C₆H₁₂O₆) = 6/180.16 = 0.0333 mol

m = 0.0333·2/1·46.07 = 3.069 g

Hasil peratusan

Y = 2.39/3.069·100 = 77.89%

Jawapan

Y = 77.89%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.7795 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/(0.5 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7.071 = 2x/(0.5 − x) → x = 0.5·7.071/(2 + 7.071) = 0.3898 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.7795 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.7795 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.9049 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.01 = x²/(1 − x) → x² + 0.01·x − 0.01 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.01 + √(0.01² + 4·0.01))/2 = 0.09512 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 1 − 0.09512 = 0.9049 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.9049 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 27.36 °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

50·0.385·(130 − T_f) = 200·4.18·(T_f − 25)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (19.25·130 + 836·25)/(19.25 + 836) = 27.36 °C

Jawapan

T_f = 27.36 °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: C_A = 0.2857 mol/L

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).

Hukum peringkat kedua teramir

1/C_A = 1/C_A0 + kt = 1 + 0.25·10 = 3.5 L/mol

C_A = 1/3.5 = 0.2857 mol/L

Jawapan

C_A = 0.2857 mol/L

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 0.5

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 = 0.024/0.012 = 2

C₂/C₁ = 1/0.25 = 4

Peringkat

n = ln(2)/ln(4) = 0.5

Jawapan

n = 0.5

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V_CSTR/V_PFR = 2.987

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) = 0.85/0.15 = 5.667

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6.667) = 1.897

Nisbah isi padu

V_CSTR/V_PFR = 5.667/1.897 = 2.987

Jawapan

V_CSTR/V_PFR = 2.987

Jurang bertambah dengan cepat pada penukaran tinggi.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 39.35 %

Masa ruang

τ = V/Q = 50/10 = 5 min, kτ = 0.1·5 = 0.5

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−0.5 = 39.35%

Jawapan

X = 39.35%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 40.09 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.

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 = 145 − 125 = 20 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 85 − 15 = 70 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (20 − 70)/ln(20/70) = 39.91 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 320000/(200·39.91) = 40.09 m²

Jawapan

A = 40.09 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_h,out = 99.44 °C

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 malar

Bahagian keluar sejuk berhadapan dengan bahagian masuk panas: T_c,out = T_c,in + (T_h,in − T_h,out), maka ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = T_h,out − T_c,in = ΔT₂.

ΔT_lm = T_h,out − T_c,in

Imbangan tenaga sama dengan persamaan kadar

0.5·(155 − T_h,out) = 0.4·(T_h,out − 30)

T_h,out = (0.5·155 + 0.4·30)/(0.5 + 0.4) = 99.44 °C

Jawapan

T_h,out = 99.44 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 27.78 kW; aliran sejuk keluar pada 85.56 °C.

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 17.84 °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) = (200/1000)/(0.72·6) = 0.0463 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.035·6) = 0.7143 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 19/0.7606 = 24.98 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 19 − 24.98·0.0463 = 17.84 °C

Jawapan

T_i = 17.84 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: T_s = 12.93 °C

Rintangan secara bersiri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(0.72·10) = 0.02083 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.17·10) = 0.02941 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·10) = 0.003333 K/W

ΣR = 0.07025 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (21 − (-13))/0.07025 = 484 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 484·0.01667 = 12.93 °C

Jawapan

T_s = 12.93 °C

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 3.76 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·0.075²/4 = 0.004418 m²

V = Q/A = 0.006/0.004418 = 1.358 m/s

Turus halaju

V²/(2g) = 1.358²/(2·9.81) = 0.09401 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.015·(200/0.075)·1.358²/(2·9.81) = 3.76 m

Jawapan

h_f = 3.76 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Δz = 4.109 m

Halaju

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

V²/(2g) = 0.1859 m

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.02·100/0.2 = 10

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 10 + 1.0 = 12.1

Jumlah kehilangan turus

h_f = 10·0.1859 = 1.859 m

h_m = 12.1·0.1859 = 2.25 m

Δz = h_f + h_m = 4.109 m

Jawapan

Δz = 4.109 m

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 16.82 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 = 1000·9.81·0.02·60 = 11.77 kW

Kuasa aci

P_shaft = P_h/η = 11.77/0.7 = 16.82 kW

Jawapan

P_shaft = 16.82 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 32.8 m

Halaju

V = Q/A = 0.08/0.03142 = 2.546 m/s

V²/(2g) = 0.3305 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 8)·0.3305 = 7.602 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 = 15 + 10.19 + 7.602 = 32.8 m

Jawapan

H = 32.8 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

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

Hukum peringkat kedua teramir

Jawapan

Nisbah

Peringkat

Jawapan

k·τ untuk setiap reaktor

Nisbah isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Beza suhu malar

Imbangan tenaga sama dengan persamaan kadar

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Suhu antara muka

Jawapan

Rintangan secara bersiri

Selesaikan untuk ṁ₂