Przygotowanie do egzaminu FE Chemical: zestaw na powtórkę

Wzory, najważniejsze kroki metod dla każdego tematu i 24 zadań do ćwiczenia, z pełnymi rozwiązaniami na końcu.

Nowe zadania Wróć do przedmiotu

W oknie drukowania wybierz „Zapisz jako PDF”, aby zachować kopię na swoim urządzeniu.

1Wzory i metody

Bilans masy

Stan ustalony: na wejściu = na wyjściu
Bilans całkowity: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Bilans składnika: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Wyparka: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Bilans energii

Ciepło jawne: Q = ṁ·c_p·ΔT
Ciepło utajone: Q = ṁ·h_fg
Mieszanie: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Woda: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Równanie stanu gazu doskonałego

Równanie stanu gazu doskonałego: pV = nRT
Stała gazowa: R = 8,314 J/(mol·K)
Prawo gazowe dla dwóch stanów: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mole: n = m/M
Temperatura: T[K] = T[°C] + 273,15

Stechiometria

Mole: n = m/M
Stężenie: c = n/V
Stosunek molowy: użyj współczynników uzgodnionego równania
Substrat limitujący: ten, który wyczerpie się pierwszy
Wydajność procentowa: rzeczywista / teoretyczna × 100%

Metoda

Napisz i zbilansuj równanie reakcji.
Zamień podaną masę na mole: n = m/M.
Użyj współczynników jako stosunku molowego, aby wyznaczyć liczbę moli szukanej substancji.
Przelicz z powrotem na masę: m = n·M. Przy dwóch substratach najpierw wyznacz substrat limitujący.

Równowaga chemiczna

Stała równowagi: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Tabela ICE: Początek, Zmiana (×współczynnik), Równowaga
Równanie kwadratowe: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metoda

Zapisz K_c jako produkty przez substraty, każdy podniesiony do potęgi równej jego współczynnikowi.
Ułóż tabelę ICE: stan początkowy (I), zmiana (C, w krokach x razy współczynniki), stan równowagi (E).
Podstaw wyrażenia równowagowe do K_c i rozwiąż względem x.
Sprawdź, czy x jest dość małe, aby zastosować przybliżenie; w przeciwnym razie rozwiąż równanie kwadratowe.

Kalorymetria i entalpia

Ciepło: q = m·c·ΔT
Woda: c = 4,18 J/(g·°C)
Kalorymetr: ciepło oddane = ciepło pobrane
Entalpia reakcji: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Kinetyka reakcji

Pierwszy rząd: ln(C_A/C_A0) = −kt
Okres półtrwania (pierwszy rząd): t_½ = ln 2/k
Drugi rząd: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Dwie temperatury: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)

Czas przestrzenny: τ = V/Q
CSTR, pierwszy rząd: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, pierwszy rząd: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Stopień przemiany z objętości: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N jednakowych CSTR połączonych szeregowo: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Wymienniki ciepła (LMTD)

Moc cieplna: Q = U·A·ΔT_lm
Średnia logarytmiczna różnica temperatur: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Bilans strumieni: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Przewodzenie ciepła

Prawo Fouriera: Q̇ = kAΔT/L
Opór cieplny przewodzenia: R = L/(kA)
Opór cieplny konwekcji: R = 1/(hA)
Opory szeregowo: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Współczynnik U: U = 1/(ΣR·A)

Tarcie w rurach i straty wysokości

Liczba Reynoldsa: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Charakter przepływu: laminarny poniżej Re ≈ 2000, turbulentny powyżej Re ≈ 4000
Prędkość średnia: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Straty miejscowe: h_m = ΣK·V²/(2g)
Typowe wartości K: wlot 0,5, wylot 1,0, kolano 90° ≈ 0,3
Spadek ciśnienia: Δp = ρ·g·h_f
Dwa otwarte zbiorniki: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Swobodny wypływ: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompy i moc pomp

Moc hydrauliczna: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Moc na wale: P_shaft = P_h/η_pump
Moc elektryczna: P_el = P_shaft/η_motor
Wysokość podnoszenia pompy: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Straty w instalacji: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Zadania do ćwiczenia

1.Bilans masyŚredni

Ile strumienia 2 trzeba co godzinę dodać do strumienia 1, aby mieszanina zawierała 15% składnika (sól)? Wyznacz ṁ₂.

ṁ₁ = 400 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 5 %x₃ = 15 %

ṁ₂ = kg/h

2.Bilans masyTrudny

Wyparka zatęża roztwór (NaOH), odparowując czystą wodę. Wyznacz ilość odparowanej wody W w kg/h.

F = 700 kg/hx_F = 16 %x_P = 50 %

W = kg/h

3.Bilans energiiŚredni

Gorący czynnik (mieszanina glikolu) chłodzi wodę w przeciwprądowym wymienniku ciepła bez strat. Wyznacz temperaturę wody na wylocie t_out.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 110 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Bilans energiiTrudny

Gorący czynnik (lekki olej) podgrzewa wodę w wymienniku, który traci do otoczenia 10% ciepła oddanego przez strumień gorący. Wyznacz potrzebne natężenie przepływu wody ṁ_c.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 60 °Ct: 10 → 35 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)straty = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Równanie stanu gazu doskonałegoŚredni

Zbiornik o pojemności 5 L zawiera 40 g (He) w temperaturze 90 °C. Potraktuj go jak gaz doskonały i wyznacz ciśnienie P.

m = 40 gM = 4,003 g/molV = 5 LT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Równanie stanu gazu doskonałegoTrudny

Wyznacz gęstość ρ gazu (Ar) przy 750 kPa i 190 °C, traktując go jak gaz doskonały.

M = 39,95 g/molP = 750 kPaT = 190 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StechiometriaŚredni

10 g Na i 20 g Cl₂ reagują zgodnie z 2Na + Cl₂ → 2NaCl. Jaka masa m NaCl może powstać?

M(Na) = 22,99M(Cl₂) = 70,9M(NaCl) = 58,44 g/mol

m = g

8.StechiometriaTrudny

W reakcji CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O 16 g CH₄ reaguje całkowicie (pozostałe substraty w nadmiarze) i otrzymuje się 22,29 g H₂O. Wyznacz wydajność procentową Y.

M(CH₄) = 16,04 g/molM(H₂O) = 18,02 g/molrzeczywista: 22,29 g

Y = %

9.Równowaga chemicznaŚredni

Do naczynia wprowadzono 0,8 mol/L H₂ i 0,8 mol/L I₂, które reagują: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, przy K_c = 50. Wyznacz stężenie równowagowe [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,8 mol/LK_c = 50

[HI] = mol/L

10.Równowaga chemicznaTrudny

PCl₅ rozkłada się: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, przy K_c = 0,5 w temperaturze reakcji. Na początku w naczyniu jest tylko PCl₅ o stężeniu 0,25 mol/L. Wyznacz stężenie równowagowe [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,5

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorymetria i entalpiaŚredni

Metalowy klocek (aluminium) o masie 100 g (c = 0,897 J/(g·°C)) i temperaturze 100 °C wrzucono do 300 g wody (c = 4,18 J/(g·°C)) o temperaturze 20 °C w izolowanym naczyniu. Wyznacz temperaturę końcową T_f.

m_metal = 100 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 100 °Cm_water = 300 gT_water = 20 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorymetria i entalpiaTrudny

Użyj standardowych entalpii tworzenia, aby wyznaczyć ΔH° reakcji 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.Kinetyka reakcjiŚredni

Reakcja drugiego rzędu (−r_A = k·C_A²) w reaktorze okresowym ma k = 0,05 L/(mol·min) i stężenie początkowe 1,5 mol/L. Ile czasu potrzeba, aby osiągnąć stopień przemiany 75 %? Wyznacz t.

k = 0,05 L/(mol·min)C_A0 = 1,5 mol/LX = 75 %

t = min

14.Kinetyka reakcjiTrudny

Reakcja pierwszego rzędu ma k = 0,01 min⁻¹ w 30 °C i energię aktywacji 80 kJ/mol. Reaktor okresowy pracuje teraz w 50 °C przez 60 min. Wyznacz osiągnięty stopień przemiany X.

k₁ = 0,01 min⁻¹T₁ = 30 °CE_a = 80 kJ/molT₂ = 50 °Ct = 60 minR = 8,314 J/(mol·K)

X = %

15.Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)Średni

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej A → B z k = 0,05 min⁻¹ jest prowadzona w reaktorze rurowym z przepływem tłokowym (PFR) zasilanym z natężeniem 10 L/min. Gęstość jest stała, a reaktor pracuje w stanie ustalonym. Wyznacz objętość reaktora V w litrach dla stopnia przemiany A równego 50%.

Q = 10 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 50%

V = L

16.Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)Trudny

Reakcja pierwszego rzędu w fazie ciekłej (k = 0,4 min⁻¹) zachodzi w CSTR o objętości 1500 L zasilanym z natężeniem 80 L/min. Gęstość jest stała, a reaktor pracuje w stanie ustalonym. Wyznacz stopień przemiany X w procentach.

V = 1500 LQ = 80 L/mink = 0,4 min⁻¹

X = %

17.Wymienniki ciepła (LMTD)Średni

Współprądowy wymiennik ciepła przekazuje 180 kW. Jego powierzchnia wymiany ciepła wynosi 1 m². Gorący płyn stygnie od 95 do 60 °C, a zimny nagrzewa się od 15 do 40 °C. Wyznacz współczynnik przenikania ciepła U.

Q̇ = 180 kWA = 1 m²T_h: 95 → 60 °CT_c: 15 → 40 °C

U = W/(m²·K)

18.Wymienniki ciepła (LMTD)Trudny

W przeciwprądowym wymienniku ciepła oba strumienie mają tę samą pojemność cieplną strumienia, ṁ·c_p = 2 kW/K. Gorący strumień wpływa z temperaturą 150 °C, a zimny 25 °C. Wymiennik ma A = 6 m² i U = 800 W/(m²·K). Wyznacz temperaturę gorącego strumienia na wylocie T_h,out.

C_h = C_c = 2 kW/KT_h,in = 150 °CT_c,in = 25 °CA = 6 m²U = 800 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.Przewodzenie ciepłaŚredni

Ściana składa się z 200 mm (styropian) i 25 mm (wełna mineralna), a jej pole wynosi 20 m². Powierzchnie zewnętrzne mają 21 °C i -14 °C. Wyznacz temperaturę T_i na styku dwóch warstw.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 21 °CT₃ = -14 °C

T_i = °C

20.Przewodzenie ciepłaTrudny

Ściana z 250 mm (cegła) i 75 mm (płyta gipsowo-kartonowa) oddziela pomieszczenie o temperaturze 21 °C od powietrza zewnętrznego o temperaturze -12 °C. Współczynniki przejmowania ciepła wynoszą 10 W/(m²·K) wewnątrz i 20 W/(m²·K) na zewnątrz, a pole ściany 6 m². Wyznacz straty ciepła Q̇ przez ścianę.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -12 °C

Q̇ = W

21.Tarcie w rurach i straty wysokościŚredni

Woda płynie z natężeniem 20 L/s przez rurę o długości 800 m i średnicy wewnętrznej 100 mm. Przyjmij współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,018 i g = 9,81 m/s². Wyznacz stratę wysokości na tarcie h_f.

Q = 20 L/sL = 800 mD = 100 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Tarcie w rurach i straty wysokościTrudny

Dwa otwarte zbiorniki są połączone rurą o długości 100 m, średnicy wewnętrznej 100 mm i współczynniku tarcia Darcy’ego f = 0,025. Zwierciadło wody w górnym zbiorniku leży 32 m wyżej niż w dolnym. Straty miejscowe to: wlot o ostrej krawędzi (K = 0,5), kolana w liczbie 3 (K = 0,3 każde), zawór (K = 2) i wylot do dolnego zbiornika (K = 1,0). Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz natężenie przepływu Q w L/s.

Δz = 32 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,025K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 2K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompy i moc pompŚredni

Pompa o sprawności 65% tłoczy 60 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) przy wysokości podnoszenia 72 m. Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz potrzebną moc na wale P_shaft, w kW.

Q = 60 L/sH = 72 mη = 65%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pompy i moc pompTrudny

Pompa przetłacza 100 L/s wody (ρ = 1000 kg/m³) z otwartego dolnego zbiornika do górnego zbiornika, którego zwierciadło wody leży 19 m wyżej. Rura ma długość 300 m, średnicę wewnętrzną 250 mm i współczynnik tarcia Darcy’ego f = 0,015; współczynniki strat miejscowych sumują się do ΣK = 6 (łącznie z wlotem i wylotem). Przyjmij g = 9,81 m/s². Wyznacz wysokość podnoszenia H, którą musi zapewnić pompa.

Q = 100 L/sΔz = 19 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 6

H = m

3Roztwory

1.Bilans masy

Odpowiedź: ṁ₂ = 600 kg/h

Bilans masy w stanie ustalonym: wlot = wylot dla całości i dla każdego składnika. Zadania z mieszaniem łączą oba.

Bilanse

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

sól: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Wyznacz ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 400·(30 − 15)/(15 − 5) = 600 kg/h

Odpowiedź

ṁ₂ = 600 kg/h

2.Bilans masy

Odpowiedź: W = 476 kg/h

Składnik kluczowy: składnik, który przechodzi bez zmian w jednym strumieniu (tu substancja rozpuszczona), wiąże strumienie bezpośrednio. Resztę daje bilans całkowity.

Bilans substancji rozpuszczonej

F·x_F = P·x_P → P = 700·16/50 = 224 kg/h

Bilans całkowity

W = F − P = 700 − 224 = 476 kg/h

Odpowiedź

W = 476 kg/h

3.Bilans energii

Odpowiedź: t_out = 54,45 °C

Bilans energii wymiennika: bez strat ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Ciepło oddane przez strumień gorący

Q = 3·3,6·(150 − 110) = 432 kW

Ciepło przejęte przez wodę

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 432/(3·4,18) = 54,45 °C

Odpowiedź

t_out = 54,45 °C

4.Bilans energii

Odpowiedź: ṁ_c = 0,9043 kg/s

Bilans energii ze stratami: ciepło oddane = ciepło przejęte + ciepło stracone.

Ciepło oddane

Q_h = 0,5·2,1·(160 − 60) = 105 kW

Ciepło, które trafia do wody

Q_c = (1 − 0,1)·105 = 94,5 kW

Natężenie przepływu wody

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 94,5/(4,18·25) = 0,9043 kg/s

Odpowiedź

ṁ_c = 0,9043 kg/s

5.Równanie stanu gazu doskonałego

Odpowiedź: P = 6034 kPa

Równanie stanu gazu doskonałego: PV = nRT, gdzie n = m/M.

Mole

n = m/M = 40/4,003 = 9,993 mol

T = 90 + 273,15 = 363,1 K

Ciśnienie

P = nRT/V = 9,993·8,314·363,1/0,005 = 6034 kPa

Odpowiedź

P = 6034 kPa

6.Równanie stanu gazu doskonałego

Odpowiedź: ρ = 7,781 kg/m³

Gęstość gazu doskonałego: ρ = PM/(RT).

Przekształć prawo gazowe

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 190 + 273,15 = 463,1 K

Gęstość

ρ = 750·39,95/(8,314·463,1) = 7,781 kg/m³

Odpowiedź

ρ = 7,781 kg/m³

7.Stechiometria

Odpowiedź: m = 25,42 g

Stechiometria: uzgodnione równanie liczy cząstki, nie gramy. Zamień masę na mole wzorem n = m/M, użyj współczynników równania jako stosunku molowego, a potem wróć do masy: m = n·M. Przy dwóch substratach substrat limitujący to ten, który zużyje się pierwszy i ogranicza ilość produktu.

Mole każdego substratu

n(Na) = 10/22,99 = 0,435 mol

n(Cl₂) = 20/70,9 = 0,2821 mol

Substrat limitujący

0,435/2 = 0,2175, 0,2821/1 = 0,2821 → Na

Masa produktu

n(NaCl) = 0,2175·2 = 0,435 mol

m = 0,435·58,44 = 25,42 g

Odpowiedź

m = 25,42 g

8.Stechiometria

Odpowiedź: Y = 62 %

Wydajność teoretyczna

n(CH₄) = 16/16,04 = 0,9975 mol

m = 0,9975·2/1·18,02 = 35,95 g

Wydajność procentowa

Y = 22,29/35,95·100 = 62%

Odpowiedź

Y = 62%

9.Równowaga chemiczna

Odpowiedź: [HI] = 1,247 mol/L

Równowaga chemiczna: dla aA + bB ⇌ cC + dD stała równowagi wynosi K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), przy stężeniach w stanie równowagi. Tabela ICE (początek, zmiana, równowaga) wiąże ilości początkowe z ilościami w stanie równowagi przez jedną niewiadomą x, pomnożoną przez współczynniki.

Wyrażenie na stałą równowagi

50 = (2x)²/(0,8 − x)²

Wyciągnij pierwiastek

7,071 = 2x/(0,8 − x) → x = 0,8·7,071/(2 + 7,071) = 0,6236 mol/L

Stężenie równowagowe

[HI] = 2x = 1,247 mol/L

Odpowiedź

[HI] = 1,247 mol/L

10.Równowaga chemiczna

Odpowiedź: [Cl₂] = 0,183 mol/L

Wyrażenie na stałą równowagi

0,5 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,5·x − 0,125 = 0

Rozwiąż równanie kwadratowe

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,125))/2 = 0,183 mol/L

Stężenie równowagowe

[Cl₂] = x = 0,183 mol/L

Odpowiedź

[Cl₂] = 0,183 mol/L

11.Kalorymetria i entalpia

Odpowiedź: T_f = 25,34 °C

Ciepło i entalpia: ogrzanie substancji wymaga q = m·c·ΔT. W kalorymetrze ciepło oddane przez ciało gorące jest równe ciepłu pobranemu przez ciało zimne. Zmianę entalpii reakcji wyznacza się z entalpii tworzenia: ΔH° = ΣΔH°f(produkty) − ΣΔH°f(substraty), każdą pomnożoną przez jej współczynnik.

Bilans cieplny

100·0,897·(100 − T_f) = 300·4,18·(T_f − 20)

Wyznacz temperaturę końcową

T_f = (89,7·100 + 1254·20)/(89,7 + 1254) = 25,34 °C

Odpowiedź

T_f = 25,34 °C

12.Kalorymetria i entalpia

Odpowiedź: ΔH° = −890,3 kJ

Entalpia reakcji

ΔH° = [1·(−393,5) + 2·(−285,8)] − [1·(−74,8) + 2·0] = −890,3 kJ

Odpowiedź

ΔH° = −890,3 kJ

Ujemna: reakcja wydziela ciepło (egzotermiczna).

13.Kinetyka reakcji

Odpowiedź: t = 40 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).

Stężenie końcowe

C_A = 1,5·(1 − 0,75) = 0,375 mol/L

Scałkowane równanie drugiego rzędu

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (2,667 − 0,6667)/0,05 = 40 min

Odpowiedź

t = 40 min

14.Kinetyka reakcji

Odpowiedź: X = 98,61 %

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).

Stała szybkości w nowej temperaturze

T₁ = 303,1 K, T₂ = 323,1 K

k₂ = 0,01·e^{−(80000/8,314)·(1/323,1 − 1/303,1)} = 0,07131 min⁻¹

Stopień przemiany

X = 1 − e^{−0,07131·60} = 1 − 0,01386 = 98,61 %

Odpowiedź

X = 98,61 %

15.Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)

Odpowiedź: V = 138,6 L

Reaktory idealne, reakcja pierwszego rzędu (−r_A = k·C_A) w stanie ustalonym, z czasem przestrzennym τ = V/Q. CSTR jest idealnie wymieszany, więc cała objętość reaguje przy niskim stężeniu wylotowym: τ = X/(k·(1 − X)) i C_A = C_A0/(1 + k·τ). W PFR każdy element płynu reaguje jak mały reaktor okresowy: τ = ln(1/(1 − X))/k i C_A = C_A0·e^−k·τ. Przy tym samym stopniu przemiany CSTR zawsze wymaga większej objętości niż PFR.

Czas przestrzenny

τ = ln(1/(1 − 0,5))/0,05 = 0,6931/0,05 = 13,86 min

Objętość

V = Q·τ = 10·13,86 = 138,6 L

Odpowiedź

V = 138,6 L

16.Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)

Odpowiedź: X = 88,24 %

Czas przestrzenny

τ = V/Q = 1500/80 = 18,75 min, kτ = 0,4·18,75 = 7,5

Stopień przemiany

X = kτ/(1 + kτ) = 7,5/(1 + 7,5) = 88,24%

Odpowiedź

X = 88,24%

17.Wymienniki ciepła (LMTD)

Odpowiedź: U = 4159 W/(m²·K)

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.

Różnice temperatur na końcach

We współprądzie oba wloty są na tym samym końcu, a oba wyloty na drugim.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 95 − 15 = 80 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 60 − 40 = 20 K

Średnia logarytmiczna różnica temperatur

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 20)/ln(80/20) = 43,28 K

Współczynnik przenikania

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 180000/(1·43,28) = 4159 W/(m²·K)

Odpowiedź

U = 4159 W/(m²·K)

18.Wymienniki ciepła (LMTD)

Odpowiedź: T_h,out = 61,76 °C

Stała różnica temperatur

Wylot zimnego strumienia leży naprzeciw wlotu gorącego: T_c,out = T_c,in + (T_h,in − T_h,out), więc ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = T_h,out − T_c,in = ΔT₂.

ΔT_lm = T_h,out − T_c,in

Bilans energii równy równaniu wymiany ciepła

2·(150 − T_h,out) = 4,8·(T_h,out − 25)

T_h,out = (2·150 + 4,8·25)/(2 + 4,8) = 61,76 °C

Odpowiedź

T_h,out = 61,76 °C

Przekazane ciepło: Q̇ = 176,5 kW; zimny strumień wypływa z temperaturą 113,2 °C.

19.Przewodzenie ciepła

Odpowiedź: T_i = −10,55 °C

Opór cieplny: ustalony przepływ ciepła przez warstwy połączone szeregowo zachowuje się jak prąd w rezystorach szeregowych: Q̇ = ΔT/ΣR, gdzie R = L/(kA) dla warstwy przewodzącej i R = 1/(hA) dla powierzchni z konwekcją. Spadek temperatury na każdej warstwie jest proporcjonalny do jej oporu.

Opory warstw

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,035·20) = 0,2857 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,04·20) = 0,03125 K/W

Strumień ciepła

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 35/0,317 = 110,4 W

Temperatura na styku

Na pierwszej warstwie temperatura spada o Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 21 − 110,4·0,2857 = −10,55 °C

Odpowiedź

T_i = −10,55 °C

20.Przewodzenie ciepła

Odpowiedź: Q̇ = 211 W

Opory szeregowo

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·6) = 0,01667 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0,72·6) = 0,05787 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0,17·6) = 0,07353 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W

ΣR = 0,1564 K/W

Straty ciepła

Q̇ = (21 − (-12))/0,1564 = 211 W

Odpowiedź

Q̇ = 211 W

21.Tarcie w rurach i straty wysokości

Odpowiedź: h_f = 47,59 m

Przepływ w rurach: liczba Reynoldsa Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ odróżnia przepływ laminarny (Re poniżej ok. 2000) od turbulentnego (powyżej ok. 4000). Tarcie wzdłuż rury powoduje stratę wysokości Darcy’ego–Weisbacha h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Kształtki, zawory, wlot i wylot dodają straty miejscowe h_m = ΣK·V²/(2g). Między dwiema otwartymi powierzchniami zbiorników równanie energii daje Δz = h_f + h_m, z uwzględnioną stratą na wylocie K = 1.

Prędkość średnia

A = π·0,1²/4 = 0,007854 m²

V = Q/A = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s

Wysokość prędkości

V²/(2g) = 2,546²/(2·9,81) = 0,3305 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(800/0,1)·2,546²/(2·9,81) = 47,59 m

Odpowiedź

h_f = 47,59 m

22.Tarcie w rurach i straty wysokości

Odpowiedź: Q = 36,29 L/s

Współczynniki strat

f·L/D = 0,025·100/0,1 = 25

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Równanie energii

Obie powierzchnie są otwarte do atmosfery i praktycznie w spoczynku, więc całe Δz jest tracone w rurze.

32 = (25 + 4,4)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·32/29,4) = 4,621 m/s

Natężenie przepływu

Q = V·π·D²/4 = 4,621·0,007854 = 0,03629 m³/s = 36,29 L/s

Odpowiedź

Q = 36,29 L/s

23.Pompy i moc pomp

Odpowiedź: P_shaft = 65,2 kW

Moc pompy: moc przekazana wodzie to moc hydrauliczna P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Wał musi dostarczyć więcej, bo pompa ma straty: P_shaft = P_h/η_pump, a silnik pobiera P_el = P_shaft/η_motor. Wysokość podnoszenia pompy H wynika z równania energii: geometryczna wysokość podnoszenia + wysokość ciśnienia + wszystkie straty tarcia i miejscowe.

Moc hydrauliczna

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·72 = 42,38 kW

Moc na wale

P_shaft = P_h/η = 42,38/0,65 = 65,2 kW

Odpowiedź

P_shaft = 65,2 kW

24.Pompy i moc pomp

Odpowiedź: H = 24,08 m

Prędkość

V = Q/A = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s

V²/(2g) = 0,2115 m

Straty wysokości

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18 + 6)·0,2115 = 5,077 m

Wysokość podnoszenia pompy

Oba zwierciadła są otwarte i praktycznie w spoczynku, więc człony ciśnienia i prędkości znikają.

H = Δz + h_L = 19 + 5,077 = 24,08 m

Odpowiedź

H = 24,08 m

To niezależne materiały do ćwiczeń. ExamProblems nie jest powiązane z organizacją przeprowadzającą ten egzamin ani przez nią rekomendowane, a nazwa egzaminu służy wyłącznie do opisu treści. Egzamin FE exam prowadzi NCEES, organizacja niezwiązana z ExamProblems, która go nie popiera.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical

Przygotowanie do egzaminu FE Chemical: zestaw na powtórkę

1Wzory i metody

Bilans masy

Bilans energii

Równanie stanu gazu doskonałego

Stechiometria

Metoda

Równowaga chemiczna

Metoda

Kalorymetria i entalpia

Kinetyka reakcji

Projektowanie reaktorów (CSTR i PFR)

Wymienniki ciepła (LMTD)

Przewodzenie ciepła

Tarcie w rurach i straty wysokości

Pompy i moc pomp

2Zadania do ćwiczenia

3Roztwory

Bilanse

Wyznacz ṁ2

Odpowiedź

Bilans substancji rozpuszczonej

Bilans całkowity

Odpowiedź

Ciepło oddane przez strumień gorący

Ciepło przejęte przez wodę

Odpowiedź

Ciepło oddane

Ciepło, które trafia do wody

Natężenie przepływu wody

Odpowiedź

Mole

Ciśnienie

Odpowiedź

Przekształć prawo gazowe

Gęstość

Odpowiedź

Mole każdego substratu

Substrat limitujący

Masa produktu

Odpowiedź

Wydajność teoretyczna

Wydajność procentowa

Odpowiedź

Wyrażenie na stałą równowagi

Wyciągnij pierwiastek

Stężenie równowagowe

Odpowiedź

Wyrażenie na stałą równowagi

Rozwiąż równanie kwadratowe

Stężenie równowagowe

Odpowiedź

Bilans cieplny

Wyznacz temperaturę końcową

Odpowiedź

Entalpia reakcji

Odpowiedź

Stężenie końcowe

Scałkowane równanie drugiego rzędu

Odpowiedź

Stała szybkości w nowej temperaturze

Stopień przemiany

Odpowiedź

Czas przestrzenny

Objętość

Odpowiedź

Czas przestrzenny

Stopień przemiany

Odpowiedź

Różnice temperatur na końcach

Średnia logarytmiczna różnica temperatur

Współczynnik przenikania

Odpowiedź

Stała różnica temperatur

Bilans energii równy równaniu wymiany ciepła

Odpowiedź

Opory warstw

Strumień ciepła

Temperatura na styku

Odpowiedź

Wyznacz ṁ₂