Подготовка к экзамену FE Chemical: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (24) с полными решениями в конце.

Новые задачи Назад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Материальный баланс

Установившийся режим: вход = выход
Общий баланс: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Баланс компонента: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Выпарной аппарат: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Энергетический баланс

Явная теплота: Q = ṁ·c_p·ΔT
Скрытая теплота: Q = ṁ·h_fg
Смешение: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Вода: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Уравнение состояния идеального газа

Уравнение состояния идеального газа: pV = nRT
Газовая постоянная: R = 8,314 J/(mol·K)
Объединённый газовый закон: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Моли: n = m/M
Температура: T[K] = T[°C] + 273,15

Стехиометрия

Моли: n = m/M
Концентрация: c = n/V
Мольное соотношение: используйте стехиометрические коэффициенты уравнения реакции
Лимитирующий реагент: тот, что заканчивается первым
Выход в процентах: фактический / теоретический × 100%

Метод

Запишите и уравняйте химическое уравнение.
Переведите данную массу в моли: n = m/M.
Используйте коэффициенты как мольное отношение, чтобы найти количество нужного вещества в молях.
Переведите обратно в массу по m = n·M. Если реагентов два, сначала найдите лимитирующий реагент.

Химическое равновесие

Константа равновесия: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Таблица ICE: Исходное (Initial), изменение (Change, ×коэффициент), равновесие (Equilibrium)
Квадратное уравнение: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Метод

Запишите K_c как произведение концентраций продуктов, делённое на произведение концентраций реагентов, каждая в степени своего коэффициента.
Составьте таблицу ICE: исходное, изменение (с шагом x, умноженным на коэффициенты), равновесие.
Подставьте равновесные выражения в K_c и найдите x.
Проверьте, достаточно ли мало x для приближения; иначе решите квадратное уравнение.

Калориметрия и энтальпия

Теплота: q = m·c·ΔT
Вода: c = 4,18 J/(g·°C)
Калориметр: отданная теплота = полученная теплота
Энтальпия реакции: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Химическая кинетика

Первый порядок: ln(C_A/C_A0) = −kt
Период полупревращения (первый порядок): t_½ = ln 2/k
Второй порядок: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Аррениус: k = A·e^−E_a/(RT)
Две температуры: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Время пребывания: τ = V/Q
Реактор идеального смешения, первый порядок: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
Реактор идеального вытеснения, первый порядок: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Степень превращения по объёму: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N одинаковых реакторов смешения последовательно: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Теплообменники (LMTD)

Тепловая нагрузка: Q = U·A·ΔT_lm
Среднелогарифмический температурный напор: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Баланс потоков: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Теплопроводность

Закон Фурье: Q̇ = kAΔT/L
Термическое сопротивление теплопроводности: R = L/(kA)
Термическое сопротивление теплоотдачи: R = 1/(hA)
Последовательные сопротивления: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Коэффициент теплопередачи U: U = 1/(ΣR·A)

Трение в трубах и потери напора

Число Рейнольдса: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Режим течения: ламинарный при Re ниже ≈ 2000, турбулентный при Re выше ≈ 4000
Средняя скорость: V = Q/A, A = π·D²/4
Формула Дарси–Вейсбаха: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Местные потери: h_m = ΣK·V²/(2g)
Типичные значения K: вход 0,5, выход 1,0, колено 90° ≈ 0,3
Перепад давления: Δp = ρ·g·h_f
Два открытых резервуара: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Свободное истечение: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Насосы и мощность насоса

Гидравлическая мощность: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Мощность на валу: P_shaft = P_h/η_pump
Электрическая мощность: P_el = P_shaft/η_motor
Напор насоса: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Потери в системе: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Тренировочные задачи

1.Материальный балансСредняя

Сколько потока 2 нужно каждый час добавлять к потоку 1, чтобы смесь содержала 25% компонента (сахар)? Найдите ṁ₂.

ṁ₁ = 400 kg/hx₁ = 40 %x₂ = 20 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Материальный балансСложная

Выпарной аппарат концентрирует раствор (сахар), выпаривая чистую воду. Найдите расход продукта P в kg/h.

F = 3900 kg/hx_F = 20 %x_P = 55 %

P = kg/h

3.Энергетический балансСредняя

Горячий теплоноситель (лёгкое масло) охлаждает воду в противоточном теплообменнике без потерь тепла. Найдите температуру воды на выходе t_out.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 70 °Cṁ_c = 0,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Энергетический балансСложная

Горячий теплоноситель (лёгкое масло) нагревает воду в теплообменнике, который теряет в окружающую среду 5% теплоты, отданной горячим потоком. Найдите необходимый расход воды ṁ_c.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 100 °Ct: 10 → 80 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Уравнение состояния идеального газаСредняя

Резервуар объёмом 5 L содержит 500 g газа (CH₄) при 15 °C. Считайте газ идеальным и найдите давление P.

m = 500 gM = 16,04 g/molV = 5 LT = 15 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Уравнение состояния идеального газаСложная

Найдите плотность ρ газа (He) при 450 kPa и 160 °C, считая его идеальным.

M = 4,003 g/molP = 450 kPaT = 160 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.СтехиометрияСредняя

10 g C₃H₈ и 32 g O₂ реагируют по уравнению C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Какая масса m вещества H₂O может образоваться?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.СтехиометрияСложная

В реакции C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ 8 g C₆H₁₂O₆ реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 3,6 g C₂H₅OH. Найдите выход в процентах Y.

M(C₆H₁₂O₆) = 180,16 g/molM(C₂H₅OH) = 46,07 g/molфактический: 3,6 g

Y = %

9.Химическое равновесиеСредняя

В сосуд помещают 0,25 mol/L H₂ и 0,25 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 16. Найдите равновесную концентрацию [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LK_c = 16

[H₂] = mol/L

10.Химическое равновесиеСложная

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,2 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,4 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LK_c = 0,2

[Cl₂] = mol/L

11.Калориметрия и энтальпияСредняя

Брусок массой 200 g (материал: железо, c = 0,449 J/(g·°C)) при температуре 90 °C опускают в 400 g воды (c = 4,18 J/(g·°C)) при 17 °C в теплоизолированном стакане. Найдите конечную температуру T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0,449 J/(g·°C)T_metal = 90 °Cm_water = 400 gT_water = 17 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Калориметрия и энтальпияСложная

По стандартным энтальпиям образования найдите ΔH° реакции C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Химическая кинетикаСредняя

В реакции первого порядка концентрация A уменьшается с 0,8 mol/L до 0,64 mol/L за 5 min. Найдите константу скорости k.

C_A0 = 0,8 mol/LC_A = 0,64 mol/Lt = 5 min

k = min⁻¹

14.Химическая кинетикаСложная

Константа скорости реакции — 0,002 min⁻¹ при 30 °C и 0,00683 min⁻¹ при 50 °C. Найдите энергию активации E_a.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 30 °Ck₂ = 0,00683 min⁻¹T₂ = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя

Жидкофазная реакция первого порядка A → B с k = 0,3 min⁻¹ проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) с подачей 40 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите объём реактора V в литрах для степени превращения A 80%.

Q = 40 L/mink = 0,3 min⁻¹X = 80%

V = L

16.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,3 min⁻¹) проводится в двух одинаковых последовательных CSTR объёмом 200 L каждый. Расход сырья 20 L/min, плотность постоянна, режим стационарный. Найдите общую степень превращения X в процентах.

V = 200 L (×2)Q = 20 L/mink = 0,3 min⁻¹

X = %

17.Теплообменники (LMTD)Средняя

Прямоточный теплообменник передаёт 500 kW. Площадь его поверхности теплопередачи 12 m². Горячий теплоноситель охлаждается с 150 до 125 °C, а холодный нагревается с 25 до 35 °C. Найдите коэффициент теплопередачи U.

Q̇ = 500 kWA = 12 m²T_h: 150 → 125 °CT_c: 25 → 35 °C

U = W/(m²·K)

18.Теплообменники (LMTD)Сложная

Горячее масло (1 kg/s, c_p = 2,3 kJ/(kg·K)) охлаждается с 145 до 45 °C в противоточном теплообменнике. Оно нагревает 0,5 kg/s воды (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)), входящей при 10 °C. При U = 1500 W/(m²·K) найдите необходимую площадь теплообмена A.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,3 kJ/(kg·K)T_h: 145 → 45 °Cṁ_c = 0,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 10 °CU = 1500 W/(m²·K)

A = m²

19.ТеплопроводностьСредняя

Стена состоит из слоя 200 mm (пенополистирол) и слоя 25 mm (гипсокартон), её площадь 8 m². Наружные поверхности имеют 16 °C и -12 °C. Найдите тепловой поток Q̇ через стену.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 16 °CT₃ = -12 °C

Q̇ = W

20.ТеплопроводностьСложная

Стена из 50 mm (древесина) и 75 mm (стекло) отделяет помещение при 21 °C от наружного воздуха при 5 °C. Коэффициенты теплоотдачи — 6 W/(m²·K) внутри и 30 W/(m²·K) снаружи, площадь стены 6 m². Найдите коэффициент теплопередачи U стены.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = 5 °C

U = W/(m²·K)

21.Трение в трубах и потери напораСредняя

Вода течёт со средней скоростью 1,6 m/s по трубе длиной 150 m с внутренним диаметром 150 mm. Примите коэффициент трения Дарси f = 0,018 и g = 9,81 m/s². Найдите потерю напора на трение h_f.

V = 1,6 m/sL = 150 mD = 150 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Трение в трубах и потери напораСложная

Два открытых резервуара соединены трубой длиной 100 m с внутренним диаметром 300 mm и коэффициентом трения Дарси f = 0,02. Уровень воды в верхнем резервуаре на 10 m выше, чем в нижнем. Местные потери: вход с острыми кромками (K = 0,5), 2 колена (K = 0,3 каждое), задвижка (K = 5) и выход в нижний резервуар (K = 1,0). Примите g = 9,81 m/s². Найдите расход Q в L/s.

Δz = 10 mL = 100 mD = 300 mmf = 0,02K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 5K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Насосы и мощность насосаСредняя

Насос с КПД 85% подаёт 40 L/s воды (ρ = 1000 kg/m³) при напоре 10 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите необходимую мощность на валу P_shaft в kW.

Q = 40 L/sH = 10 mη = 85%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Насосы и мощность насосаСложная

Насос перекачивает 50 L/s воды (ρ = 1000 kg/m³) из открытого нижнего резервуара в верхний бак, поверхность воды в котором на 8 m выше. Труба длиной 150 m имеет внутренний диаметр 150 mm и коэффициент трения Дарси f = 0,02; сумма коэффициентов местных сопротивлений ΣK = 6 (включая вход и выход). Примите g = 9,81 m/s². КПД насоса 70%. Найдите мощность на валу P_shaft в kW.

Q = 50 L/sΔz = 8 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,02ΣK = 6η = 70%

P_shaft = kW

3Растворы

1.Материальный баланс

Ответ: ṁ₂ = 1200 kg/h

Материальный баланс в установившемся режиме: вход = выход для общей массы и для каждого компонента. Задачи на смешение объединяют оба.

Балансы

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

сахар: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Выразите ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 400·(40 − 25)/(25 − 20) = 1200 kg/h

Ответ

ṁ₂ = 1200 kg/h

2.Материальный баланс

Ответ: P = 1418 kg/h

Ключевой компонент: компонент, который без изменений проходит только в одном потоке (здесь растворённое вещество), напрямую связывает расходы. Остальное даёт общий баланс.

Баланс растворённого вещества

F·x_F = P·x_P → P = 3900·20/55 = 1418 kg/h

Ответ

P = 1418 kg/h

3.Энергетический баланс

Ответ: t_out = 155,6 °C

Энергетический баланс теплообменника: без потерь ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Теплота, отданная горячим потоком

Q = 1,5·2,1·(160 − 70) = 283,5 kW

Теплота, полученная водой

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 283,5/(0,5·4,18) = 155,6 °C

Ответ

t_out = 155,6 °C

4.Энергетический баланс

Ответ: ṁ_c = 0,6818 kg/s

Энергетический баланс с потерями: отданная теплота = полученная теплота + потерянная теплота.

Отданная теплота

Q_h = 2,5·2,1·(140 − 100) = 210 kW

Теплота, дошедшая до воды

Q_c = (1 − 0,05)·210 = 199,5 kW

Расход воды

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 199,5/(4,18·70) = 0,6818 kg/s

Ответ

ṁ_c = 0,6818 kg/s

5.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: P = 14936 kPa

Уравнение состояния идеального газа: PV = nRT, где n = m/M.

Моли

n = m/M = 500/16,04 = 31,17 mol

T = 15 + 273,15 = 288,1 K

Давление

P = nRT/V = 31,17·8,314·288,1/0,005 = 14936 kPa

Ответ

P = 14936 kPa

6.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 0,5002 kg/m³

Плотность идеального газа: ρ = PM/(RT).

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 160 + 273,15 = 433,1 K

Плотность

ρ = 450·4,003/(8,314·433,1) = 0,5002 kg/m³

Ответ

ρ = 0,5002 kg/m³

7.Стехиометрия

Ответ: m = 14,42 g

Стехиометрия: уравненное уравнение считает частицы, а не граммы. Переведите массу в моли по n = m/M, используйте коэффициенты уравнения как мольное соотношение, затем вернитесь к массе: m = n·M. Если реагентов два, лимитирующий реагент — тот, что заканчивается первым и определяет количество продукта.

Количество вещества каждого реагента

n(C₃H₈) = 10/44,1 = 0,2268 mol

n(O₂) = 32/32 = 1 mol

Лимитирующий реагент

0,2268/1 = 0,2268, 1/5 = 0,2 → O₂

Масса продукта

n(H₂O) = 0,2·4 = 0,8 mol

m = 0,8·18,02 = 14,42 g

Ответ

m = 14,42 g

8.Стехиометрия

Ответ: Y = 87,99 %

Теоретический выход

n(C₆H₁₂O₆) = 8/180,16 = 0,0444 mol

m = 0,0444·2/1·46,07 = 4,091 g

Выход в процентах

Y = 3,6/4,091·100 = 87,99%

Ответ

Y = 87,99%

9.Химическое равновесие

Ответ: [H₂] = 0,08333 mol/L

Химическое равновесие: для реакции aA + bB ⇌ cC + dD константа равновесия K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), где берутся равновесные концентрации. Таблица ICE (исходное, изменение, равновесие) связывает начальные количества с равновесными через одно неизвестное x, умноженное на коэффициенты.

Выражение константы равновесия

16 = (2x)²/(0,25 − x)²

Извлеките квадратный корень

4 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·4/(2 + 4) = 0,1667 mol/L

Равновесная концентрация

[H₂] = 0,25 − x = 0,08333 mol/L

Ответ

[H₂] = 0,08333 mol/L

10.Химическое равновесие

Ответ: [Cl₂] = 0,2 mol/L

Выражение константы равновесия

0,2 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,2·x − 0,08 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,08))/2 = 0,2 mol/L

Равновесная концентрация

[Cl₂] = x = 0,2 mol/L

Ответ

[Cl₂] = 0,2 mol/L

11.Калориметрия и энтальпия

Ответ: T_f = 20,72 °C

Теплота и энтальпия: для нагревания вещества нужна теплота q = m·c·ΔT. В калориметре теплота, отданная горячим телом, равна теплоте, полученной холодным. Изменение энтальпии реакции находят по энтальпиям образования: ΔH° = ΣΔH°f(продукты) − ΣΔH°f(реагенты), каждая умножается на свой коэффициент.

Тепловой баланс

200·0,449·(90 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 17)

Выразите конечную температуру

T_f = (89,8·90 + 1672·17)/(89,8 + 1672) = 20,72 °C

Ответ

T_f = 20,72 °C

12.Калориметрия и энтальпия

Ответ: ΔH° = −1367 kJ

Энтальпия реакции

ΔH° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Ответ

ΔH° = −1367 kJ

Отрицательное: реакция выделяет теплоту (экзотермическая).

13.Химическая кинетика

Ответ: k = 0,04463 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).

Интегральное уравнение первого порядка

k = ln(C_A0/C_A)/t = ln(0,8/0,64)/5 = 0,2231/5 = 0,04463 min⁻¹

Ответ

k = 0,04463 min⁻¹

14.Химическая кинетика

Ответ: E_a = 50,02 kJ/mol

Скорость реакции: для реакции первого порядка −dC/dt = kC, поэтому C = C₀·e^−kt, а период полупревращения ln 2/k не зависит от концентрации. Для реакции второго порядка 1/C = 1/C₀ + kt. Константа скорости растёт с температурой по Аррениусу: k = A·e^−Ea/(RT).

Абсолютные температуры

T₁ = 303,1 K, T₂ = 323,1 K

Выразите Ea из уравнения Аррениуса

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·1,228/(-2,042e-4) = 50015 J/mol

E_a = 50,02 kJ/mol

Ответ

E_a = 50,02 kJ/mol

15.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: V = 214,6 L

Идеальные реакторы, реакция первого порядка (−r_A = k·C_A) в стационарном режиме, время пребывания τ = V/Q. Реактор идеального смешения (CSTR) перемешан полностью, поэтому весь объём реагирует при низкой выходной концентрации: τ = X/(k·(1 − X)) и C_A = C_A0/(1 + k·τ). В реакторе идеального вытеснения (PFR) каждый элемент жидкости реагирует как маленький реактор периодического действия: τ = ln(1/(1 − X))/k и C_A = C_A0·e^−k·τ. При одинаковой степени превращения CSTR всегда требует большего объёма, чем PFR.

Время пребывания

τ = ln(1/(1 − 0,8))/0,3 = 1,609/0,3 = 5,365 min

Объём

V = Q·τ = 40·5,365 = 214,6 L

Ответ

V = 214,6 L

16.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 93,75 %

Время пребывания

τ = V/Q = 200/20 = 10 min, kτ = 0,3·10 = 3

Степень превращения

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 3) = 0,25

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,0625

X = 1 − 0,0625 = 93,75%

Ответ

X = 93,75%

17.Теплообменники (LMTD)

Ответ: U = 391,1 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.

Разности температур на концах

При прямотоке оба входа на одном конце, а оба выхода — на другом.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 150 − 25 = 125 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 125 − 35 = 90 K

Среднелогарифмическая разность температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 90)/ln(125/90) = 106,5 K

Коэффициент теплопередачи

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 500000/(12·106,5) = 391,1 W/(m²·K)

Ответ

U = 391,1 W/(m²·K)

18.Теплообменники (LMTD)

Ответ: A = 5,164 m²

Метод LMTD: разность температур между потоками меняется вдоль теплообменника, поэтому уравнение теплопередачи использует её среднелогарифмическое значение: Q̇ = U·A·ΔT_lm, где ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), а ΔT₁ и ΔT₂ — разности на двух концах. При тех же температурах на входе и выходе противоток даёт больший ΔT_lm, чем прямоток.

Тепловая нагрузка и температура воды на выходе

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 1·2,3·100 = 230 kW

T_c,out = 10 + 230/(0,5·4,18) = 120 °C

Разности температур на концах

При противотоке горячий вход напротив холодного выхода, а горячий выход — напротив холодного входа.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 145 − 120 = 24,95 K

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

Среднелогарифмическая разность температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (24,95 − 35)/ln(24,95/35) = 29,69 K

Площадь

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 230000/(1500·29,69) = 5,164 m²

Ответ

A = 5,164 m²

19.Теплопроводность

Ответ: Q̇ = 38,22 W

Термическое сопротивление: установившийся тепловой поток через последовательные слои ведёт себя как ток через последовательные резисторы: Q̇ = ΔT/ΣR, где R = L/(kA) для теплопроводного слоя и R = 1/(hA) для поверхности с конвекцией. Перепад температуры на каждом слое пропорционален его сопротивлению.

Сопротивления слоёв

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,035·8) = 0,7143 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W

Тепловой поток

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 28/0,7327 = 38,22 W

Ответ

Q̇ = 38,22 W

20.Теплопроводность

Ответ: U = 1,748 W/(m²·K)

Последовательные сопротивления

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·6) = 0,02778 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0,96·6) = 0,01302 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W

ΣR = 0,09537 K/W

Коэффициент теплопередачи

U = 1/(A·ΣR) = 1/(6·0,09537) = 1,748 W/(m²·K)

Ответ

U = 1,748 W/(m²·K)

21.Трение в трубах и потери напора

Ответ: h_f = 2,349 m

Течение в трубах: число Рейнольдса Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ отличает ламинарное течение (Re ниже примерно 2000) от турбулентного (выше примерно 4000). Трение по длине трубы даёт потерю напора по Дарси–Вейсбаху h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Фасонные части, задвижки, вход и выход добавляют местные потери h_m = ΣK·V²/(2g). Между двумя открытыми поверхностями резервуаров уравнение энергии даёт Δz = h_f + h_m, включая потерю на выходе K = 1.

Скоростной напор

V²/(2g) = 1,6²/(2·9,81) = 0,1305 m

Формула Дарси–Вейсбаха

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(150/0,15)·1,6²/(2·9,81) = 2,349 m

Ответ

h_f = 2,349 m

22.Трение в трубах и потери напора

Ответ: Q = 266,9 L/s

Коэффициенты местных сопротивлений

f·L/D = 0,02·100/0,3 = 6,667

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Уравнение энергии

Обе поверхности открыты в атмосферу и практически неподвижны, поэтому весь перепад Δz теряется в трубе.

10 = (6,667 + 7,1)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·10/13,77) = 3,775 m/s

Расход

Q = V·π·D²/4 = 3,775·0,07069 = 0,2669 m³/s = 266,9 L/s

Ответ

Q = 266,9 L/s

23.Насосы и мощность насоса

Ответ: P_shaft = 4,616 kW

Мощность насоса: мощность, передаваемая воде, — это гидравлическая мощность P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Вал должен передавать больше, так как в насосе есть потери: P_shaft = P_h/η_pump, а двигатель потребляет P_el = P_shaft/η_motor. Напор насоса H находят из уравнения энергии: геометрическая высота подъёма + пьезометрический напор + все потери на трение и местные потери.

Гидравлическая мощность

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,04·10 = 3,924 kW

Мощность на валу

P_shaft = P_h/η = 3,924/0,85 = 4,616 kW

Ответ

P_shaft = 4,616 kW

24.Насосы и мощность насоса

Ответ: P_shaft = 13,04 kW

Скорость

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s

V²/(2g) = 0,408 m

Потери напора

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 6)·0,408 = 10,61 m

Напор насоса

H = Δz + h_L = 8 + 10,61 = 18,61 m

Мощность на валу

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,05·18,61/0,7 = 13,04 kW

Ответ

P_shaft = 13,04 kW

Это независимый учебный материал. ExamProblems не связан с организацией, проводящей этот экзамен, и не одобрен ею; название экзамена используется только для описания содержания. Экзамен FE exam проводит NCEES; эта организация не связана с ExamProblems и не поддерживает его.

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

Подготовка к экзамену FE Chemical: шпаргалка-пакет

1Формулы и методы

Материальный баланс

Энергетический баланс

Уравнение состояния идеального газа

Стехиометрия

Метод

Химическое равновесие

Метод

Калориметрия и энтальпия

Химическая кинетика

Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Теплообменники (LMTD)

Теплопроводность

Трение в трубах и потери напора

Насосы и мощность насоса

2Тренировочные задачи

3Растворы

Балансы

Выразите ṁ2

Ответ

Баланс растворённого вещества

Ответ

Теплота, отданная горячим потоком

Теплота, полученная водой

Ответ

Отданная теплота

Теплота, дошедшая до воды

Расход воды

Ответ

Моли

Давление

Ответ

Преобразуйте газовый закон

Плотность

Ответ

Количество вещества каждого реагента

Лимитирующий реагент

Масса продукта

Ответ

Теоретический выход

Выход в процентах

Ответ

Выражение константы равновесия

Извлеките квадратный корень

Равновесная концентрация

Ответ

Выражение константы равновесия

Решите квадратное уравнение

Равновесная концентрация

Ответ

Тепловой баланс

Выразите конечную температуру

Ответ

Энтальпия реакции

Ответ

Интегральное уравнение первого порядка

Ответ

Абсолютные температуры

Выразите Ea из уравнения Аррениуса

Ответ

Время пребывания

Объём

Ответ

Время пребывания

Степень превращения

Ответ

Разности температур на концах

Среднелогарифмическая разность температур

Коэффициент теплопередачи

Ответ

Тепловая нагрузка и температура воды на выходе

Разности температур на концах

Среднелогарифмическая разность температур

Площадь

Ответ

Сопротивления слоёв

Тепловой поток

Ответ

Последовательные сопротивления

Выразите ṁ₂