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% gula? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 450 kg/hx₁ = 20 %x₂ = 50 %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 = 4000 kg/hx_F = 17 %x_P = 45 %

W = kg/h

3.Imbangan tenagaSederhana

etanol panas menyejukkan air dalam penukar haba aliran berlawanan tanpa kehilangan haba. Cari suhu keluaran air t_out.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2.44 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 70 °Cṁ_c = 1 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 10% 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: 140 → 90 °Ct: 15 → 50 °Cc_p,c = 4.18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas unggulSederhana

Satu tangki 20 L mengandungi 280 g N₂ pada 85 °C. Anggap ia gas unggul dan cari tekanan P.

m = 280 gM = 28.01 g/molV = 20 LT = 85 °CR = 8.314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas unggulSukar

Cari ketumpatan ρ bagi CO₂ pada 850 kPa dan 140 °C, dengan menganggapnya gas unggul.

M = 44.01 g/molP = 850 kPaT = 140 °CR = 8.314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSederhana

4 g CH₄ dan 64 g O₂ bertindak balas mengikut CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Berapakah jisim m bagi CO₂ yang boleh terbentuk?

M(CH₄) = 16.04M(O₂) = 32M(CO₂) = 44.01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSukar

Dalam tindak balas 2H₂ + O₂ → 2H₂O, 16 g H₂ bertindak balas sepenuhnya (bahan tindak balas lain berlebihan) dan 111.5 g H₂O dikutip. Cari hasil peratusan Y.

M(H₂) = 2.016 g/molM(H₂O) = 18.02 g/molsebenar: 111.5 g

Y = %

9.Keseimbangan kimiaSederhana

0.8 mol/L H₂ dan 0.8 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam bekas dan bertindak balas: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 25. Cari kepekatan keseimbangan [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0.8 mol/LK_c = 25

[H₂] = mol/L

10.Keseimbangan kimiaSukar

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0.04 pada suhu tindak balas. Satu bekas bermula dengan 1.5 mol/L PCl₅ sahaja. Cari kepekatan keseimbangan [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 1.5 mol/LK_c = 0.04

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSederhana

Satu bongkah aluminium 200 g (c = 0.897 J/(g·°C)) pada 110 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4.18 J/(g·°C)) pada 23 °C dalam cawan berpenebat. Cari suhu akhir T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0.897 J/(g·°C)T_metal = 110 °Cm_water = 300 gT_water = 23 °Cc_water = 4.18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSukar

Gunakan entalpi pembentukan piawai untuk mencari ΔH° bagi tindak balas C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C₆H₁₂O₆) = −1274 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 pertama dalam reaktor kelompok mempunyai k = 0.2 min⁻¹. Berapa lama masa yang diambil untuk mencapai penukaran 90%? Cari t.

k = 0.2 min⁻¹X = 90 %

t = min

14.Kinetik tindak balasSukar

Satu tindak balas peringkat pertama mempunyai pemalar kadar 0.02 s⁻¹ pada 60 °C dan tenaga pengaktifan 100 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponen A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0.02 s⁻¹T = 60 °CE_a = 100 kJ/molR = 8.314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)Sederhana

Satu tindak balas peringkat pertama fasa cecair A → B (k = 0.4 min⁻¹) berlaku dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 100 L. Suapan masuk pada 100 L/min dengan C_A0 = 1.5 mol/L. Ketumpatan malar dan reaktor berada pada keadaan mantap. Cari kepekatan keluaran C_A.

V = 100 LQ = 100 L/mink = 0.4 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 = 0.08 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 = 0.08 min⁻¹

X = %

17.Penukar haba (LMTD)Sederhana

Satu penukar haba aliran berlawanan memindahkan 450 kW. Bendalir panas menyejuk daripada 115 kepada 45 °C dan bendalir sejuk dipanaskan daripada 10 kepada 70 °C. Pekali pemindahan haba keseluruhan ialah 500 W/(m²·K). Cari luas pemindahan haba A yang diperlukan.

Q̇ = 450 kWU = 500 W/(m²·K)T_h: 115 → 45 °CT_c: 10 → 70 °C

A = m²

18.Penukar haba (LMTD)Sukar

Stim memeluwap pada 110 °C yang malar di luar tiub sebuah kondenser dengan luas pemindahan haba 1 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 = 110 °CA = 1 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 200 mm bata dan 150 mm papan gipsum, dengan luas 12 m². Muka luarnya berada pada 21 °C dan 4 °C. Cari suhu T_i pada antara muka dua lapisan itu.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0.72 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0.17 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 21 °CT₃ = 4 °C

T_i = °C

20.Pengaliran habaSukar

Satu dinding 150 mm polistirena terkembang dan 75 mm bata memisahkan bilik pada 22 °C daripada udara luar pada 3 °C. Pekali perolakan ialah 6 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding ialah 8 m². Cari pekali pemindahan haba keseluruhan U bagi dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0.035 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0.72 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = 3 °C

U = W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turusSederhana

Air mengalir pada halaju min 2.3 m/s melalui paip sepanjang 800 m dengan diameter dalam 50 mm. Gunakan faktor geseran Darcy f = 0.025 dan g = 9.81 m/s². Cari kehilangan turus geseran h_f.

V = 2.3 m/sL = 800 mD = 50 mmf = 0.025g = 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 = 0.02. Permukaan air takungan atas berada 22 m di atas takungan bawah. 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. Cari kadar alir Q dalam L/s.

Δz = 22 mL = 200 mD = 250 mmf = 0.02K_entrance = 0.5K_bend = 0.3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1.0

Q = L/s

23.Pam & kuasa pamSederhana

Satu pam menghantar 50 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan turus 64 m. Kecekapan pam ialah 82% dan motor elektrik yang memacunya mempunyai kecekapan 88%. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari kuasa elektrik P_el yang diambil oleh motor, dalam kW.

Q = 50 L/sH = 64 mη_pump = 82%η_motor = 88%g = 9.81 m/s²

P_el = kW

24.Pam & kuasa pamSukar

Satu pam memindahkan 75 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari takungan bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 14 m lebih tinggi. Paip itu sepanjang 600 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. Kecekapan pam ialah 70%. Cari kuasa aci P_shaft dalam kW.

Q = 75 L/sΔz = 14 mL = 600 mD = 200 mmf = 0.015ΣK = 8η = 70%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Imbangan jisim

Jawapan: ṁ₂ = 225 kg/h

Imbangan jisim keadaan mantap: masuk = keluar bagi jumlah dan bagi setiap komponen. Masalah pengadunan menggabungkan kedua-duanya.

Imbangan

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

gula: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 450·(20 − 30)/(30 − 50) = 225 kg/h

Jawapan

ṁ₂ = 225 kg/h

2.Imbangan jisim

Jawapan: W = 2489 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 = 4000·17/45 = 1511 kg/h

Imbangan jumlah

W = F − P = 4000 − 1511 = 2489 kg/h

Jawapan

W = 2489 kg/h

3.Imbangan tenaga

Jawapan: t_out = 112.6 °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 = 3·2.44·(120 − 70) = 366 kW

Haba yang diserap oleh air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 366/(1·4.18) = 112.6 °C

Jawapan

t_out = 112.6 °C

4.Imbangan tenaga

Jawapan: ṁ_c = 2.252 kg/s

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

Haba dibebaskan

Q_h = 3·2.44·(140 − 90) = 366 kW

Haba yang sampai kepada air

Q_c = (1 − 0.1)·366 = 329.4 kW

Kadar alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 329.4/(4.18·35) = 2.252 kg/s

Jawapan

ṁ_c = 2.252 kg/s

5.Hukum gas unggul

Jawapan: P = 1488 kPa

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

Mol

n = m/M = 280/28.01 = 9.996 mol

T = 85 + 273.15 = 358.1 K

Tekanan

P = nRT/V = 9.996·8.314·358.1/0.02 = 1488 kPa

Jawapan

P = 1488 kPa

6.Hukum gas unggul

Jawapan: ρ = 10.89 kg/m³

Ketumpatan gas unggul: ρ = PM/(RT).

Susun semula hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 140 + 273.15 = 413.1 K

Ketumpatan

ρ = 850·44.01/(8.314·413.1) = 10.89 kg/m³

Jawapan

ρ = 10.89 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawapan: m = 10.98 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(CH₄) = 4/16.04 = 0.2494 mol

n(O₂) = 64/32 = 2 mol

Bahan tindak balas pengehad

0.2494/1 = 0.2494, 2/2 = 1 → CH₄

Jisim hasil

n(CO₂) = 0.2494·1 = 0.2494 mol

m = 0.2494·44.01 = 10.98 g

Jawapan

m = 10.98 g

8.Stoikiometri

Jawapan: Y = 78 %

Hasil teori

n(H₂) = 16/2.016 = 7.937 mol

m = 7.937·2/2·18.02 = 143 g

Hasil peratusan

Y = 111.5/143·100 = 78%

Jawapan

Y = 78%

9.Keseimbangan kimia

Jawapan: [H₂] = 0.2286 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

25 = (2x)²/(0.8 − x)²

Ambil punca kuasa dua

5 = 2x/(0.8 − x) → x = 0.8·5/(2 + 5) = 0.5714 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[H₂] = 0.8 − x = 0.2286 mol/L

Jawapan

[H₂] = 0.2286 mol/L

10.Keseimbangan kimia

Jawapan: [PCl₅] = 1.274 mol/L

Ungkapan keseimbangan

0.04 = x²/(1.5 − x) → x² + 0.04·x − 0.06 = 0

Selesaikan kuadratik

x = (−0.04 + √(0.04² + 4·0.06))/2 = 0.2258 mol/L

Kepekatan keseimbangan

[PCl₅] = 1.5 − 0.2258 = 1.274 mol/L

Jawapan

[PCl₅] = 1.274 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: T_f = 33.89 °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

200·0.897·(110 − T_f) = 300·4.18·(T_f − 23)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (179.4·110 + 1254·23)/(179.4 + 1254) = 33.89 °C

Jawapan

T_f = 33.89 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawapan: ΔH° = −2802 kJ

Entalpi tindak balas

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

Jawapan

ΔH° = −2802 kJ

Negatif: tindak balas membebaskan haba (eksotermik).

13.Kinetik tindak balas

Jawapan: t = 11.51 min

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).

Penukaran dan kepekatan

C/C₀ = 1 − X = 0.1

Selesaikan untuk masa

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0.1)/0.2 = 11.51 min

Jawapan

t = 11.51 min

14.Kinetik tindak balas

Jawapan: A = 9.563 × 10¹³ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e^−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Suhu mutlak

T = 60 + 273.15 = 333.1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

E_a/(RT) = 100000/(8.314·333.1) = 36.1

A = k·e^36.1 = 0.02·4.782 × 10¹⁵ = 9.563 × 10¹³ s⁻¹

Jawapan

A = 9.563 × 10¹³ s⁻¹

15.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: C_A = 1.005 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 = 100/100 = 1 min

Kepekatan keluaran

C_A = 1.5·e^−0.4·1 = 1.005 mol/L

Jawapan

C_A = 1.005 mol/L

Penukaran: X = 32.97%.

16.Saiz reaktor (CSTR & PFR)

Jawapan: X = 86.47 %

Masa ruang

τ = V/Q = 1000/40 = 25 min, kτ = 0.08·25 = 2

Penukaran

X = 1 − e^−kτ = 1 − e⁻² = 86.47%

Jawapan

X = 86.47%

17.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: A = 22.62 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 = 115 − 70 = 45 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 45 − 10 = 35 K

Beza suhu min logaritma

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45 − 35)/ln(45/35) = 39.79 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 450000/(500·39.79) = 22.62 m²

Jawapan

A = 22.62 m²

18.Penukar haba (LMTD)

Jawapan: T_c,out = 50.63 °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.

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/(1·4180) = 0.3589

Suhu keluar

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0.3589 = 85·0.6985 = 59.37 K

T_c,out = 110 − 59.37 = 50.63 °C

Jawapan

T_c,out = 50.63 °C

Haba yang dipindahkan: Q̇ = 107.1 kW.

19.Pengaliran haba

Jawapan: T_i = 16.93 °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)/(0.72·12) = 0.02315 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0.17·12) = 0.07353 K/W

Aliran haba

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 17/0.09668 = 175.8 W

Suhu antara muka

Suhu menurun merentasi lapisan pertama sebanyak Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 21 − 175.8·0.02315 = 16.93 °C

Jawapan

T_i = 16.93 °C

20.Pengaliran haba

Jawapan: U = 0.2171 W/(m²·K)

Rintangan secara bersiri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·8) = 0.02083 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(0.035·8) = 0.5357 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0.72·8) = 0.01302 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·8) = 0.00625 K/W

ΣR = 0.5758 K/W

Pekali keseluruhan

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0.5758) = 0.2171 W/(m²·K)

Jawapan

U = 0.2171 W/(m²·K)

21.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: h_f = 107.8 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) = 2.3²/(2·9.81) = 0.2696 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0.025·(800/0.05)·2.3²/(2·9.81) = 107.8 m

Jawapan

h_f = 107.8 m

22.Geseran paip & kehilangan turus

Jawapan: Q = 192.4 L/s

Pekali kehilangan

f·L/D = 0.02·200/0.25 = 16

ΣK = 0.5 + 2·0.3 + 10 + 1.0 = 12.1

Persamaan tenaga

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

22 = (16 + 12.1)·V²/(2·9.81)

V = √(2·9.81·22/28.1) = 3.919 m/s

Kadar alir

Q = V·π·D²/4 = 3.919·0.04909 = 0.1924 m³/s = 192.4 L/s

Jawapan

Q = 192.4 L/s

23.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_el = 43.5 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 = 1000·9.81·0.05·64 = 31.39 kW

Kuasa aci

P_shaft = 31.39/0.82 = 38.28 kW

Kuasa elektrik

P_el = 38.28/0.88 = 43.5 kW

Jawapan

P_el = 43.5 kW

24.Pam & kuasa pam

Jawapan: P_shaft = 30.9 kW

Halaju

V = Q/A = 0.075/0.03142 = 2.387 m/s

V²/(2g) = 0.2905 m

Kehilangan turus

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (45 + 8)·0.2905 = 15.4 m

Turus pam

H = Δz + h_L = 14 + 15.4 = 29.4 m

Kuasa aci

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9.81·0.075·29.4/0.7 = 30.9 kW

Jawapan

P_shaft = 30.9 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

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

Jawapan

Penukaran dan kepekatan

Selesaikan untuk masa

Jawapan

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk A

Jawapan

Masa ruang

Kepekatan keluaran

Jawapan

Masa ruang

Penukaran

Jawapan

Beza suhu hujung

Beza suhu min logaritma

Luas

Jawapan

Gabungkan imbangan tenaga dan persamaan kadar

Suhu keluar

Jawapan

Rintangan lapisan

Aliran haba

Suhu antara muka

Jawapan

Selesaikan untuk ṁ₂