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 30% компонента (соль)? Найдите ṁ₂.

ṁ₁ = 350 kg/hx₁ = 40 %x₂ = 5 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Материальный балансСложная

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

F = 5000 kg/hx_F = 18 %x_P = 60 %

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 = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 70 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Энергетический балансСложная

Горячий теплоноситель (гликолевая смесь) нагревает воду в теплообменнике, который теряет в окружающую среду 15% теплоты, отданной горячим потоком. Найдите необходимый расход воды ṁ_c.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Ct: 30 → 65 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Уравнение состояния идеального газаСредняя

Какой объём V занимает 260 g газа (N₂) при 150 kPa и 45 °C? Считайте газ идеальным.

m = 260 gM = 28,01 g/molP = 150 kPaT = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Уравнение состояния идеального газаСложная

Найдите плотность ρ газа (He) при 750 kPa и 90 °C, считая его идеальным.

M = 4,003 g/molP = 750 kPaT = 90 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.СтехиометрияСредняя

4 g H₂ и 8 g O₂ реагируют по уравнению 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Какая масса m вещества H₂O может образоваться?

M(H₂) = 2,016M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.СтехиометрияСложная

В реакции Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂ 10 g Fe₂O₃ реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 7,03 g CO₂. Найдите выход в процентах Y.

M(Fe₂O₃) = 159,69 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molфактический: 7,03 g

Y = %

9.Химическое равновесиеСредняя

В сосуд помещают 1 mol/L H₂ и 1 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 54. Найдите равновесную концентрацию [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 54

[H₂] = mol/L

10.Химическое равновесиеСложная

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,5 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 1,5 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LK_c = 0,5

[PCl₅] = mol/L

11.Калориметрия и энтальпияСредняя

Брусок массой 100 g (материал: железо, c = 0,449 J/(g·°C)) при температуре 120 °C опускают в 300 g воды (c = 4,18 J/(g·°C)) при 18 °C в теплоизолированном стакане. Найдите конечную температуру T_f.

m_metal = 100 gc_metal = 0,449 J/(g·°C)T_metal = 120 °Cm_water = 300 gT_water = 18 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Калориметрия и энтальпияСложная

По стандартным энтальпиям образования найдите теплоту q, выделяющуюся при полном сгорании 25 g C₆H₁₂O₆ (M = 180,16 g/mol): C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Укажите q положительным числом.

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.Химическая кинетикаСредняя

Реакция первого порядка в периодическом реакторе имеет k = 0,08 min⁻¹. Сколько времени нужно, чтобы степень превращения достигла 60%? Найдите t.

k = 0,08 min⁻¹X = 60 %

t = min

14.Химическая кинетикаСложная

Константа скорости реакции — 0,02 min⁻¹ при 20 °C и 0,464 min⁻¹ при 40 °C. Найдите энергию активации E_a.

k₁ = 0,02 min⁻¹T₁ = 20 °Ck₂ = 0,464 min⁻¹T₂ = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя

Жидкофазная реакция первого порядка A → B (k = 0,25 min⁻¹) проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) объёмом 400 L. Сырьё подаётся с расходом 100 L/min при C_A0 = 2,5 mol/L. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите выходную концентрацию C_A.

V = 400 LQ = 100 L/mink = 0,25 min⁻¹C_A0 = 2,5 mol/L

C_A = mol/L

16.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,15 min⁻¹) проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) объёмом 50 L с подачей 5 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите степень превращения X в процентах.

V = 50 LQ = 5 L/mink = 0,15 min⁻¹

X = %

17.Теплообменники (LMTD)Средняя

Кожухотрубный теплообменник (один ход в межтрубном пространстве, два хода по трубам) должен передавать 130 kW. Горячий теплоноситель охлаждается с 175 до 40 °C, а холодный нагревается с 10 до 50 °C. Поправочный коэффициент к LMTD для этой схемы F = 0,9, U = 800 W/(m²·K). Найдите необходимую площадь поверхности теплопередачи A.

Q̇ = 130 kWF = 0,9U = 800 W/(m²·K)T_h: 175 → 40 °CT_c: 10 → 50 °C

A = m²

18.Теплообменники (LMTD)Сложная

Горячее масло (2 kg/s, c_p = 2,1 kJ/(kg·K)) охлаждается с 100 до 55 °C в противоточном теплообменнике. Оно нагревает 3 kg/s воды (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)), входящей при 15 °C. При U = 1000 W/(m²·K) найдите необходимую площадь теплообмена A.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 100 → 55 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 15 °CU = 1000 W/(m²·K)

A = m²

19.ТеплопроводностьСредняя

Стена состоит из слоя 250 mm (кирпич) и слоя 100 mm (стекло), её площадь 12 m². Наружные поверхности имеют 25 °C и 6 °C. Найдите температуру T_i на границе двух слоёв.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 25 °CT₃ = 6 °C

T_i = °C

20.ТеплопроводностьСложная

Стена из 100 mm (пенополистирол) и 25 mm (гипсокартон) отделяет помещение при 21 °C от наружного воздуха при 2 °C. Коэффициенты теплоотдачи — 6 W/(m²·K) внутри и 20 W/(m²·K) снаружи, площадь стены 15 m². Найдите коэффициент теплопередачи U стены.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = 2 °C

U = W/(m²·K)

21.Трение в трубах и потери напораСредняя

Вода (ρ = 1000 kg/m³) течёт со скоростью 1,6 m/s по горизонтальной трубе длиной 300 m с внутренним диаметром 150 mm. Примите коэффициент трения Дарси f = 0,02 и g = 9,81 m/s². Найдите перепад давления Δp на трубе в kPa.

V = 1,6 m/sL = 300 mD = 150 mmf = 0,02ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Трение в трубах и потери напораСложная

Труба длиной 600 m с внутренним диаметром 300 mm (коэффициент трения Дарси f = 0,015) отходит от открытого резервуара и выпускает воду свободной струёй в атмосферу. Местные потери: вход с острыми кромками (K = 0,5), 4 колена (K = 0,3 каждое) и задвижка (K = 5). Примите g = 9,81 m/s². На какой высоте H над выходом трубы должна находиться поверхность воды в резервуаре, чтобы расход был 200 L/s?

Q = 200 L/sL = 600 mD = 300 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 5

H = m

23.Насосы и мощность насосаСредняя

Насос с КПД 70% подаёт 50 L/s воды (ρ = 1000 kg/m³) при напоре 30 m. Примите g = 9,81 m/s². Найдите необходимую мощность на валу P_shaft в kW.

Q = 50 L/sH = 30 mη = 70%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 35 m выше. Труба длиной 150 m имеет внутренний диаметр 150 mm и коэффициент трения Дарси f = 0,018; сумма коэффициентов местных сопротивлений ΣK = 6 (включая вход и выход). Примите g = 9,81 m/s². Верхний бак закрыт, и воздух над водой в нём находится под избыточным давлением 250 kPa. Найдите напор H, который должен создать насос.

Q = 50 L/sΔz = 35 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,018ΣK = 6p_tank = 250 kPa

H = m

3Растворы

1.Материальный баланс

Ответ: ṁ₂ = 140 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

соль: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Выразите ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 350·(40 − 30)/(30 − 5) = 140 kg/h

Ответ

ṁ₂ = 140 kg/h

2.Материальный баланс

Ответ: P = 1500 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 = 5000·18/60 = 1500 kg/h

Ответ

P = 1500 kg/h

3.Энергетический баланс

Ответ: t_out = 30,07 °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 = 0,5·2,1·(130 − 70) = 63 kW

Теплота, полученная водой

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 63/(1·4,18) = 30,07 °C

Ответ

t_out = 30,07 °C

4.Энергетический баланс

Ответ: ṁ_c = 2,196 kg/s

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

Отданная теплота

Q_h = 1,5·3,6·(130 − 60) = 378 kW

Теплота, дошедшая до воды

Q_c = (1 − 0,15)·378 = 321,3 kW

Расход воды

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 321,3/(4,18·35) = 2,196 kg/s

Ответ

ṁ_c = 2,196 kg/s

5.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 163,7 L

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

Моли

n = 260/28,01 = 9,282 mol

T = 45 + 273,15 = 318,1 K

Объём

V = nRT/P = 9,282·8,314·318,1/150 = 163,7 L

Ответ

V = 163,7 L

6.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 0,9944 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

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

Плотность

ρ = 750·4,003/(8,314·363,1) = 0,9944 kg/m³

Ответ

ρ = 0,9944 kg/m³

7.Стехиометрия

Ответ: m = 9,01 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(H₂) = 4/2,016 = 1,984 mol

n(O₂) = 8/32 = 0,25 mol

Лимитирующий реагент

1,984/2 = 0,9921, 0,25/1 = 0,25 → O₂

Масса продукта

n(H₂O) = 0,25·2 = 0,5 mol

m = 0,5·18,02 = 9,01 g

Ответ

m = 9,01 g

8.Стехиометрия

Ответ: Y = 85,03 %

Теоретический выход

n(Fe₂O₃) = 10/159,69 = 0,06262 mol

m = 0,06262·3/1·44,01 = 8,268 g

Выход в процентах

Y = 7,03/8,268·100 = 85,03%

Ответ

Y = 85,03%

9.Химическое равновесие

Ответ: [H₂] = 0,2139 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

54 = (2x)²/(1 − x)²

Извлеките квадратный корень

7,348 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,348/(2 + 7,348) = 0,7861 mol/L

Равновесная концентрация

[H₂] = 1 − x = 0,2139 mol/L

Ответ

[H₂] = 0,2139 mol/L

10.Химическое равновесие

Ответ: [PCl₅] = 0,8486 mol/L

Выражение константы равновесия

0,5 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,5·x − 0,75 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,75))/2 = 0,6514 mol/L

Равновесная концентрация

[PCl₅] = 1,5 − 0,6514 = 0,8486 mol/L

Ответ

[PCl₅] = 0,8486 mol/L

11.Калориметрия и энтальпия

Ответ: T_f = 21,53 °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

100·0,449·(120 − T_f) = 300·4,18·(T_f − 18)

Выразите конечную температуру

T_f = (44,9·120 + 1254·18)/(44,9 + 1254) = 21,53 °C

Ответ

T_f = 21,53 °C

12.Калориметрия и энтальпия

Ответ: q = 388,8 kJ

Энтальпия реакции

ΔH° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Теплота для данной массы

n = 25/180,16 = 0,1388 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,1388·2802 = 388,8 kJ

Ответ

q = 388,8 kJ

13.Химическая кинетика

Ответ: t = 11,45 min

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).

Степень превращения и концентрация

C/C₀ = 1 − X = 0,4

Выразите время

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,4)/0,08 = 11,45 min

Ответ

t = 11,45 min

14.Химическая кинетика

Ответ: E_a = 120 kJ/mol

Абсолютные температуры

T₁ = 293,1 K, T₂ = 313,1 K

Выразите Ea из уравнения Аррениуса

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·3,144/(-2,179e-4) = 119985 J/mol

E_a = 120 kJ/mol

Ответ

E_a = 120 kJ/mol

15.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: C_A = 0,9197 mol/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 = V/Q = 400/100 = 4 min

Выходная концентрация

C_A = 2,5·e^−0,25·4 = 0,9197 mol/L

Ответ

C_A = 0,9197 mol/L

Степень превращения: X = 63,21%.

16.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 77,69 %

Время пребывания

τ = V/Q = 50/5 = 10 min, kτ = 0,15·10 = 1,5

Степень превращения

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−1,5 = 77,69%

Ответ

X = 77,69%

17.Теплообменники (LMTD)

Ответ: A = 2,712 m²

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.

Концевые разности температур (противоток)

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

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 175 − 50 = 125 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 40 − 10 = 30 K

Среднелогарифмическая разность температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (125 − 30)/ln(125/30) = 66,57 K

Площадь

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 130000/(800·0,9·66,57) = 2,712 m²

Ответ

A = 2,712 m²

18.Теплообменники (LMTD)

Ответ: A = 3,528 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) = 2·2,1·45 = 189 kW

T_c,out = 15 + 189/(3·4,18) = 30,07 °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 = 100 − 30,07 = 69,93 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 55 − 15 = 40 K

Среднелогарифмическая разность температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (69,93 − 40)/ln(69,93/40) = 53,58 K

Площадь

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 189000/(1000·53,58) = 3,528 m²

Ответ

A = 3,528 m²

19.Теплопроводность

Ответ: T_i = 10,38 °C

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) = (250/1000)/(0,72·12) = 0,02894 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,96·12) = 0,008681 K/W

Тепловой поток

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 19/0,03762 = 505,1 W

Температура на границе

На первом слое температура падает на Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 25 − 505,1·0,02894 = 10,38 °C

Ответ

T_i = 10,38 °C

20.Теплопроводность

Ответ: U = 0,3105 W/(m²·K)

Последовательные сопротивления

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·15) = 0,01111 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0,035·15) = 0,1905 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·15) = 0,009804 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·15) = 0,003333 K/W

ΣR = 0,2147 K/W

Коэффициент теплопередачи

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,2147) = 0,3105 W/(m²·K)

Ответ

U = 0,3105 W/(m²·K)

21.Трение в трубах и потери напора

Ответ: Δp = 51,2 kPa

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.

Потеря напора

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(300/0,15)·1,6²/(2·9,81) = 5,219 m

Перепад давления

Труба горизонтальна, а скорость не меняется, поэтому уравнение энергии сводится к Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·5,219 = 51200 Pa = 51,2 kPa

Ответ

Δp = 51,2 kPa

22.Трение в трубах и потери напора

Ответ: H = 15,38 m

Скорость

V = Q/A = 0,2/0,07069 = 2,829 m/s

V²/(2g) = 0,408 m

Коэффициенты местных сопротивлений

f·L/D = 0,015·600/0,3 = 30

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Уравнение энергии

Выходящая струя сохраняет свой скоростной напор; это не потеря, но его нужно обеспечить.

H = (1 + 30 + 6,7)·0,408 = 15,38 m

Ответ

H = 15,38 m

23.Насосы и мощность насоса

Ответ: P_shaft = 21,02 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 = 1000·9,81·0,05·30 = 14,71 kW

Мощность на валу

P_shaft = P_h/η = 14,71/0,7 = 21,02 kW

Ответ

P_shaft = 21,02 kW

24.Насосы и мощность насоса

Ответ: H = 70,28 m

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) = (18 + 6)·0,408 = 9,793 m

Пьезометрический напор

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Напор насоса

Обе поверхности практически неподвижны, поэтому скоростного напора нет.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 35 + 25,48 + 9,793 = 70,28 m

Ответ

H = 70,28 m

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

Объём

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

Теплота для данной массы

Ответ

Степень превращения и концентрация

Выразите время

Ответ

Абсолютные температуры

Выразите Ea из уравнения Аррениуса

Ответ

Время пребывания

Выходная концентрация

Ответ

Время пребывания

Степень превращения

Ответ

Концевые разности температур (противоток)

Среднелогарифмическая разность температур

Площадь

Ответ

Тепловая нагрузка и температура воды на выходе

Разности температур на концах

Среднелогарифмическая разность температур

Площадь

Ответ

Сопротивления слоёв

Тепловой поток

Выразите ṁ₂