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% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 850 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 15 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

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

F = 2800 kg/hx_F = 19 %x_P = 45 %

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 kg/sc_p,h = 3.6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 90 °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 = 3 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 120 °Ct: 10 → 85 °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 100 g He pada 350 kPa dan 15 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 100 gM = 4.003 g/molP = 350 kPaT = 15 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi N₂ pada 300 kPa dan 30 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 28.01 g/molP = 300 kPaT = 30 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

20 g Fe₂O₃ dan 40 g CO bertindak balas mengikut Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Berapakah jisim m bagi CO₂ yang boleh terbentuk?

M(Fe₂O₃) = 159.69M(CO) = 28.01M(CO₂) = 44.01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂, 30 g C₆H₁₂O₆ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 13.96 g C₂H₅OH dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(C₆H₁₂O₆) = 180.16 g/molM(C₂H₅OH) = 46.07 g/molsebenar: 13.96 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 = 49. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.25 mol/LK_c = 49

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.5 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.8 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0.8 mol/LK_c = 0.5

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah zink 100 g (c = 0.388 J/(g·°C)) pada 120 °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 = 100 gc_metal = 0.388 J/(g·°C)T_metal = 120 °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 10 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 kedua (−r_A = k·C_A²) dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.8 L/(mol·min) dan bermula pada 1.5 mol/L. Berapa lamakah masa yang diambil untuk mencapai penukaran 60%? Cari t.

k = 0.8 L/(mol·min)C_A0 = 1.5 mol/LX = 60 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Dua eksperimen mengukur kadar awal A → hasil. Dengan C_A0 = 0.1 mol/L kadarnya ialah 0.002 mol/(L·s); dengan C_A0 = 0.4 mol/L ia ialah 0.032 mol/(L·s). Cari peringkat tindak balas n terhadap A.

C_A0,1 = 0.1 mol/Lr₁ = 0.002 mol/(L·s)C_A0,2 = 0.4 mol/Lr₂ = 0.032 mol/(L·s)

n =

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B dengan k = 0.08 min⁻¹ dijalankan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang disuap pada 80 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 95%.

Q = 80 L/mink = 0.08 min⁻¹X = 95%

V = L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.15 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 1000 L yang disuap pada 40 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 1000 LQ = 40 L/mink = 0.15 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran berlawanan memindahkan 130 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 130 kepada 105 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 25 kepada 110 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 300 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 130 kWU = 300 W/(m²·K)T_h: 130 → 105 °CT_c: 25 → 110 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Dalam penukar haba paip dwi aliran songsang, minyak panas (0.2 kg/s, c_p = 2.1 kJ/(kg·K)) mengalir dalam tiub dalam dan menyejuk daripada 115 kepada 85 °C. Air (1.5 kg/s, c_p = 4.18 kJ/(kg·K)) dalam anulus masuk pada 20 °C. Tiub dalam berdiameter 32 mm, dan U = 200 W/(m²·K) berdasarkan diameter ini. Cari panjang tiub L yang diperlukan.

ṁ_h = 0.2 kg/sc_p,h = 2.1 kJ/(kg·K)T_h: 115 → 85 °Cṁ_c = 1.5 kg/sT_c,in = 20 °CD = 32 mmU = 200 W/(m²·K)

L = m

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 250 mm kayu dan 50 mm bulu mineral, dengan luas 4 m². Muka luarnya berada pada 18 °C dan -11 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 18 °CT₃ = -11 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 250 mm bulu mineral dan 75 mm papan gipsum memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada -14 °C. Pekali perolakan ialah 7.7 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 20 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0.04 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 20 m²h_i = 7.7 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -14 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada 25 L/s melalui paip sepanjang 500 m dengan diameter dalam 150 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.02 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

Q = 25 L/sL = 500 mD = 150 mmf = 0.02g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 100 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.018. 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 = 5) 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 = 100 mD = 150 mmf = 0.018K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 5K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Dalam satu ujian, satu pam menghantar 80 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 60 m manakala acinya mengambil 67.3 kW. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kecekapan pam η dalam peratus.

Q = 80 L/sH = 60 mP_shaft = 67.3 kWg = 9.81 m/s²

η = %

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 50 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 9 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 200 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.025; 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 200 kPa. Cari turus H yang mesti ditambah oleh pam.

Q = 50 L/sΔz = 9 mL = 200 mD = 200 mmf = 0.025ΣK = 8p_tank = 200 kPa

H = m

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 1700 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) = 850·(30 − 20)/(20 − 15) = 1700 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 1700 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 1618 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 = 2800·19/45 = 1182 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 2800 − 1182 = 1618 kg/h

Jawapan

W = 1618 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 83.9 °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 = 2·3.6·(170 − 90) = 576 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 576/(2·4.18) = 83.9 °C

Jawapan

t_out = 83.9 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.7939 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 3·2.44·(160 − 120) = 292.8 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·292.8 = 248.9 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 248.9/(4.18·75) = 0.7939 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.7939 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 171 L

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

Mol

n = 100/4.003 = 24.98 mol

T = 15 + 273.15 = 288.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 24.98·8.314·288.1/350 = 171 L

Jawapan

V = 171 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 3.334 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 30 + 273.15 = 303.1 K

Ketumpatan

ρ = 300·28.01/(8.314·303.1) = 3.334 kg/m³

Jawapan

ρ = 3.334 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 16.54 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(Fe₂O₃) = 20/159.69 = 0.1252 mol

n(CO) = 40/28.01 = 1.428 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.1252/1 = 0.1252, 1.428/3 = 0.476 → Fe₂O₃

Jisim hasil

n(CO₂) = 0.1252·3 = 0.3757 mol

m = 0.3757·44.01 = 16.54 g

Jawapan

m = 16.54 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 90.99 %

Hasil teori

n(C₆H₁₂O₆) = 30/180.16 = 0.1665 mol

m = 0.1665·2/1·46.07 = 15.34 g

Hasil peratusan

Y = 13.96/15.34·100 = 90.99%

Jawapan

Y = 90.99%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.3889 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

49 = (2x)²/(0.25 − x)²

Ambil punca kuasa dua

7 = 2x/(0.25 − x) → x = 0.25·7/(2 + 7) = 0.1944 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.3889 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.3889 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 0.3699 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.5 = x²/(0.8 − x) → x² + 0.5·x − 0.4 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.5 + √(0.5² + 4·0.4))/2 = 0.4301 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 0.8 − 0.4301 = 0.3699 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 0.3699 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 32.15 °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·(120 − T_f) = 100·4.18·(T_f − 24)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (38.8·120 + 418·24)/(38.8 + 418) = 32.15 °C

Jawapan

T_f = 32.15 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 495.1 kJ

Entalpi tindak balas

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

Haba untuk jisim yang diberi

n = 10/58.12 = 0.1721 mol

q = n·|ΔH°/2| = 0.1721·2877 = 495.1 kJ

Jawapan

q = 495.1 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 1.25 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).

Kepekatan pada akhir

C_A = 1.5·(1 − 0.6) = 0.6 mol/L

Hukum peringkat kedua teramir

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (1.667 − 0.6667)/0.8 = 1.25 min

Jawapan

t = 1.25 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: n = 2

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 = 0.032/0.002 = 16

C₂/C₁ = 0.4/0.1 = 4

Peringkat

n = ln(16)/ln(4) = 2

Jawapan

n = 2

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 2996 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 − 0.95))/0.08 = 2.996/0.08 = 37.45 min

Isi padu

V = Q·τ = 80·37.45 = 2996 L

Jawapan

V = 2996 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 97.65 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1000/40 = 25 min, kτ = 0.15·25 = 3.75

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−3.75 = 97.65%

Jawapan

X = 97.65%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 10.01 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 = 130 − 110 = 20 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 105 − 25 = 80 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (20 − 80)/ln(20/80) = 43.28 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 130000/(300·43.28) = 10.01 m²

Jawapan

A = 10.01 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: L = 8.018 m

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 dan suhu keluaran air

Q̇ = 0.2·2.1·(115 − 85) = 12.6 kW

T_c,out = 20 + 12.6/(1.5·4.18) = 22.01 °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 = 115 − 22.01 = 92.99 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 85 − 20 = 65 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (92.99 − 65)/ln(92.99/65) = 78.16 K

Luas dan panjang

A = 12600/(200·78.16) = 0.806 m²

L = A/(πD) = 0.806/(π·0.032) = 8.018 m

Jawapan

L = 8.018 m

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 2.324 °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)/(0.17·4) = 0.3676 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.04·4) = 0.3125 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 29/0.6801 = 42.64 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 18 − 42.64·0.3676 = 2.324 °C

Jawapan

T_i = 2.324 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 0.1455 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7.7·20) = 0.006494 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0.04·20) = 0.3125 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.17·20) = 0.02206 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·20) = 0.0025 K/W

ΣR = 0.3436 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(20·0.3436) = 0.1455 W/(m²·K)

Jawapan

U = 0.1455 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 6.801 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 = 0.025/0.01767 = 1.415 m/s

Turus halaju

V²/(2g) = 1.415²/(2·9.81) = 0.102 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(500/0.15)·1.415²/(2·9.81) = 6.801 m

Jawapan

h_f = 6.801 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 98.1 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.018·100/0.15 = 12

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 5 + 1.0 = 7.1

Persamaan tenaga

Kedua-dua permukaan terbuka kepada udara dan hampir pegun, jadi seluruh Δz hilang dalam paip.

30 = (12 + 7.1)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·30/19.1) = 5.551 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 5.551·0.01767 = 0.0981 m³/s = 98.1 L/s

Jawapan

Q = 98.1 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: η = 69.97 %

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 = 1000·9.81·0.08·60 = 47.09 kW

Kecekapan

η = P_h/P_shaft = 47.09/67.3 = 69.97%

Jawapan

η = 69.97%

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: H = 33.65 m

Halaju

V = Q/A = 0.05/0.03142 = 1.592 m/s

V²/(2g) = 0.1291 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (25 + 8)·0.1291 = 4.26 m

Turus tekanan

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9.81) = 20.39 m

Turus pam

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 9 + 20.39 + 4.26 = 33.65 m

Jawapan

H = 33.65 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

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

Kepekatan pada akhir

Hukum peringkat kedua teramir

Jawapan

Nisbah

Peringkat

Jawapan

Masa ruang

Isi padu

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

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

Selesaikan untuk ṁ₂