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 = 300 kg/hx₁ = 20 %x₂ = 45 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Imbangan jisimSukar

Satu penyejat memekatkan larutan gula dengan mendidihkan air tulen. Cari aliran hasil P dalam kg/h.

F = 4400 kg/hx_F = 17 %x_P = 65 %

P = 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: 130 → 70 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °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 = 0.5 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 70 °Ct: 20 → 70 °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 90 g N₂ pada 400 kPa dan 40 °C? Anggap ia gas unggul.

m = 90 gM = 28.01 g/molP = 400 kPaT = 40 °CR = 8.314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas unggulSukar

Jumlah CH₄ yang tetap berubah daripada 250 kPa, 10 L, 15 °C kepada 700 kPa dan 70 °C. Cari isi padu baharu V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 10 LT₁ = 15 °CP₂ = 700 kPaT₂ = 70 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSederhana

12 g Al dan 64 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 C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O, 24 g C₃H₈ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 58.92 g CO₂ dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(C₃H₈) = 44.1 g/molM(CO₂) = 44.01 g/molsebenar: 58.92 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 = 4. Cari kepekatan keseimbangan [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.25 mol/LK_c = 4

[HI] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.05 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 0.1 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0.1 mol/LK_c = 0.05

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah plumbum 50 g (c = 0.129 J/(g·°C)) pada 130 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 16 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0.129 J/(g·°C)T_metal = 130 °Cm_water = 300 gT_water = 16 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari haba q yang dibebaskan apabila 50 g C₆H₁₂O₆ (M = 180.16 g/mol) terbakar sepenuhnya: C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Berikan q sebagai nombor positif.

ΔH°f(C₆H₁₂O₆) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393.5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285.8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Kinetik tindak balasSederhana

Dalam tindak balas peringkat pertama kepekatan A menurun daripada 2 mol/L kepada 0.6 mol/L dalam 40 min. Cari pemalar kadar k.

C_A0 = 2 mol/LC_A = 0.6 mol/Lt = 40 min

k = min⁻¹

14.Kinetik tindak balasSukar

Pemalar kadar suatu tindak balas ialah 0.1 min⁻¹ pada 35 °C dan 0.436 min⁻¹ pada 45 °C. Cari tenaga pengaktifan E_a.

k₁ = 0.1 min⁻¹T₁ = 35 °Ck₂ = 0.436 min⁻¹T₂ = 45 °CR = 8.314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

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 25 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari isi padu reaktor V dalam liter untuk penukaran A sebanyak 70%.

Q = 25 L/mink = 0.3 min⁻¹X = 70%

V = L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sukar

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair (k = 0.2 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 400 L yang disuap pada 50 L/min. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari penukaran X dalam peratus.

V = 400 LQ = 50 L/mink = 0.2 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran berlawanan memindahkan 270 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 140 kepada 125 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 25 kepada 55 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 200 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 270 kWU = 200 W/(m²·K)T_h: 140 → 125 °CT_c: 25 → 55 °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 = 1.5 kW/K. Aliran panas masuk pada 125 °C dan aliran sejuk pada 30 °C. Penukar itu mempunyai A = 4 m² dan U = 500 W/(m²·K). Cari suhu keluar panas T_h,out.

C_h = C_c = 1.5 kW/KT_h,in = 125 °CT_c,in = 30 °CA = 4 m²U = 500 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.Pengaliran habaSederhana

Satu dinding diperbuat daripada 100 mm kaca dan 50 mm bulu mineral, dengan luas 15 m². Muka luarnya berada pada 16 °C dan -2 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0.96 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.04 W/(m·K)A = 15 m²T₁ = 16 °CT₃ = -2 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 150 mm bata dan 50 mm polistirena terkembang memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada -13 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 15 m². Cari kehilangan haba Q̇ melalui dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0.035 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -13 °C

Q̇ = W

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 2.7 m/s melalui paip sepanjang 400 m dengan diameter dalam 50 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.02 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 2.7 m/sL = 400 mD = 50 mmf = 0.02g = 9.81 m/s²

h_f = m

22.Geseran paip & kehilangan turusSukar

Dua takungan terbuka disambung oleh paip sepanjang 150 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor geseran Darcy f = 0.022. Permukaan air takungan atas berada 27 m di atas takungan bawah. Kehilangan kecil ialah masukan bertepi segi empat (K = 0.5), 4 lengkuk (K = 0.3 setiap satu), injap (K = 2) dan keluaran ke dalam takungan bawah (K = 1.0). Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kadar alir Q dalam L/s.

Δz = 27 mL = 150 mD = 250 mmf = 0.022K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×4)K_valve = 2K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam dengan kecekapan 75% menghantar 60 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 56 m. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa aci P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 60 L/sH = 56 mη = 75%g = 9.81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 5 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 400 m dengan diameter dalam 150 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. Kecekapan pam ialah 80%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 25 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 150 mmf = 0.025ΣK = 8η = 80%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 200 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·(20 − 30)/(30 − 45) = 200 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 200 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: P = 1151 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 = 4400·17/65 = 1151 kg/h

Jawapan

P = 1151 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 59.45 °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·(130 − 70) = 432 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 432/(3·4.18) = 59.45 °C

Jawapan

t_out = 59.45 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 0.2481 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 0.5·2.44·(120 − 70) = 61 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.15)·61 = 51.85 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 51.85/(4.18·50) = 0.2481 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 0.2481 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: V = 20.91 L

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

Mol

n = 90/28.01 = 3.213 mol

T = 40 + 273.15 = 313.1 K

Isi padu

V = nRT/P = 3.213·8.314·313.1/400 = 20.91 L

Jawapan

V = 20.91 L

6.Hukum gas unggul

Jawapan: V₂ = 4.253 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 288.1 K, T₂ = 343.1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(250/700)·(343.1/288.1) = 4.253 L

Jawapan

V₂ = 4.253 L

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 59.3 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) = 12/26.98 = 0.4448 mol

n(Cl₂) = 64/70.9 = 0.9027 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.4448/2 = 0.2224, 0.9027/3 = 0.3009 → Al

Jisim hasil

n(AlCl₃) = 0.2224·2 = 0.4448 mol

m = 0.4448·133.33 = 59.3 g

Jawapan

m = 59.3 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 82 %

Hasil teori

n(C₃H₈) = 24/44.1 = 0.5442 mol

m = 0.5442·3/1·44.01 = 71.85 g

Hasil peratusan

Y = 58.92/71.85·100 = 82%

Jawapan

Y = 82%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [HI] = 0.25 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/(0.25 − x)²

Ambil punca kuasa dua

2 = 2x/(0.25 − x) → x = 0.25·2/(2 + 2) = 0.125 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[HI] = 2x = 0.25 mol/L

Jawapan

[HI] = 0.25 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [Cl₂] = 0.05 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.05 = x²/(0.1 − x) → x² + 0.05·x − 0.005 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.05 + √(0.05² + 4·0.005))/2 = 0.05 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[Cl₂] = x = 0.05 mol/L

Jawapan

[Cl₂] = 0.05 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 16.58 °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

50·0.129·(130 − T_f) = 300·4.18·(T_f − 16)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (6.45·130 + 1254·16)/(6.45 + 1254) = 16.58 °C

Jawapan

T_f = 16.58 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: q = 777.6 kJ

Entalpi tindak balas

ΔH° = [6·(−393.5) + 6·(−285.8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Haba untuk jisim yang diberi

n = 50/180.16 = 0.2775 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0.2775·2802 = 777.6 kJ

Jawapan

q = 777.6 kJ

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: k = 0.0301 min⁻¹

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).

Hukum kamiran peringkat pertama

k = ln(C_A0/C_A)/t = ln(2/0.6)/40 = 1.204/40 = 0.0301 min⁻¹

Jawapan

k = 0.0301 min⁻¹

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: E_a = 120 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 = 308.1 K, T₂ = 318.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8.314·1.472/(-1.020e-4) = 120019 J/mol

E_a = 120 kJ/mol

Jawapan

E_a = 120 kJ/mol

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: V = 100.3 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 − 0.7))/0.3 = 1.204/0.3 = 4.013 min

Isi padu

V = Q·τ = 25·4.013 = 100.3 L

Jawapan

V = 100.3 L

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 79.81 %

Masa ruang

τ = V/Q = 400/50 = 8 min, kτ = 0.2·8 = 1.6

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−1.6 = 79.81%

Jawapan

X = 79.81%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 14.63 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 = 140 − 55 = 85 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 125 − 25 = 100 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 100)/ln(85/100) = 92.3 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 270000/(200·92.3) = 14.63 m²

Jawapan

A = 14.63 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_h,out = 70.71 °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

1.5·(125 − T_h,out) = 2·(T_h,out − 30)

T_h,out = (1.5·125 + 2·30)/(1.5 + 2) = 70.71 °C

Jawapan

T_h,out = 70.71 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 81.43 kW; aliran sejuk keluar pada 84.29 °C.

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 14.62 °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) = (100/1000)/(0.96·15) = 0.006944 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.04·15) = 0.08333 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 18/0.09028 = 199.4 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 16 − 199.4·0.006944 = 14.62 °C

Jawapan

T_i = 14.62 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: Q̇ = 284.8 W

Rintangan secara bersiri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(0.72·15) = 0.01389 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0.035·15) = 0.09524 K/W

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

ΣR = 0.1229 K/W

Kehilangan haba

Q̇ = (22 − (-13))/0.1229 = 284.8 W

Jawapan

Q̇ = 284.8 W

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 59.45 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) = 2.7²/(2·9.81) = 0.3716 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.02·(400/0.05)·2.7²/(2·9.81) = 59.45 m

Jawapan

h_f = 59.45 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 267 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.022·150/0.25 = 13.2

ΣK = 0.5 + 4·0.3 + 2 + 1.0 = 4.7

Persamaan tenaga

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

27 = (13.2 + 4.7)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·27/17.9) = 5.44 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 5.44·0.04909 = 0.267 m³/s = 267 L/s

Jawapan

Q = 267 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 43.95 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 = 1000·9.81·0.06·56 = 32.96 kW

Kuasa aci

P_shaft = P_h/η = 32.96/0.75 = 43.95 kW

Jawapan

P_shaft = 43.95 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 3.868 kW

Halaju

V = Q/A = 0.025/0.01767 = 1.415 m/s

V²/(2g) = 0.102 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66.67 + 8)·0.102 = 7.617 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 5 + 7.617 = 12.62 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.025·12.62/0.8 = 3.868 kW

Jawapan

P_shaft = 3.868 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

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

Haba untuk jisim yang diberi

Jawapan

Hukum kamiran peringkat pertama

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

Jawapan

Masa ruang

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