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 45% компонента (сахар)? Найдите ṁ₂.

ṁ₁ = 750 kg/hx₁ = 10 %x₂ = 50 %x₃ = 45 %

ṁ₂ = kg/h

2.Материальный балансСложная

Выпарной аппарат концентрирует раствор (сахар), выпаривая чистую воду. Найдите количество выпаренной воды W в kg/h.

F = 2400 kg/hx_F = 18 %x_P = 30 %

W = kg/h

3.Энергетический балансСредняя

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

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 100 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.Энергетический балансСложная

Горячий теплоноситель (лёгкое масло) нагревает воду в теплообменнике, который теряет в окружающую среду 10% теплоты, отданной горячим потоком. Найдите необходимый расход воды ṁ_c.

ṁ_h = 3 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 80 °Ct: 25 → 75 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Уравнение состояния идеального газаСредняя

Какой объём V занимает 480 g газа (Ar) при 700 kPa и 40 °C? Считайте газ идеальным.

m = 480 gM = 39,95 g/molP = 700 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Уравнение состояния идеального газаСложная

Найдите плотность ρ газа (Ar) при 100 kPa и 120 °C, считая его идеальным.

M = 39,95 g/molP = 100 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.СтехиометрияСредняя

30 g Fe₂O₃ и 80 g CO реагируют по уравнению Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Какая масса m вещества Fe может образоваться?

M(Fe₂O₃) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 g/mol

m = g

8.СтехиометрияСложная

В реакции N₂ + 3H₂ → 2NH₃ 16 g N₂ реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 15,95 g NH₃. Найдите выход в процентах Y.

M(N₂) = 28,02 g/molM(NH₃) = 17,03 g/molфактический: 15,95 g

Y = %

9.Химическое равновесиеСредняя

В сосуд помещают 0,1 mol/L H₂ и 0,1 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 54. Найдите равновесную концентрацию [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LK_c = 54

[H₂] = mol/L

10.Химическое равновесиеСложная

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,01 при температуре реакции. Вначале в сосуде есть только PCl₅ с концентрацией 0,1 mol/L. Найдите равновесную концентрацию [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LK_c = 0,01

[Cl₂] = mol/L

11.Калориметрия и энтальпияСредняя

Брусок массой 50 g (материал: алюминий, c = 0,897 J/(g·°C)) при температуре 80 °C опускают в 250 g воды (c = 4,18 J/(g·°C)) при 20 °C в теплоизолированном стакане. Найдите конечную температуру T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 80 °Cm_water = 250 gT_water = 20 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Калориметрия и энтальпияСложная

По стандартным энтальпиям образования найдите ΔH° реакции 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C₂H₆) = −84,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Химическая кинетикаСредняя

Реакция с кинетическим уравнением −r_A = k·C_A² имеет k = 0,25 L/(mol·min) и начинается с 1,5 mol/L. Найдите концентрацию C_A через 10 min.

k = 0,25 L/(mol·min)C_A0 = 1,5 mol/Lt = 10 min

C_A = mol/L

14.Химическая кинетикаСложная

В двух опытах измерена начальная скорость реакции A → продукты. При C_A0 = 0,4 mol/L скорость равна 0,002 mol/(L·s); при C_A0 = 1,2 mol/L — 0,018 mol/(L·s). Найдите порядок реакции n по A.

C_A0,1 = 0,4 mol/Lr₁ = 0,002 mol/(L·s)C_A0,2 = 1,2 mol/Lr₂ = 0,018 mol/(L·s)

n =

15.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Средняя

Жидкофазная реакция первого порядка A → B с k = 0,05 min⁻¹ проводится в реакторе идеального вытеснения (PFR) с подачей 25 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите объём реактора V в литрах для степени превращения A 80%.

Q = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 80%

V = L

16.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,25 min⁻¹) проводится в двух одинаковых последовательных CSTR объёмом 150 L каждый. Расход сырья 5 L/min, плотность постоянна, режим стационарный. Найдите общую степень превращения X в процентах.

V = 150 L (×2)Q = 5 L/mink = 0,25 min⁻¹

X = %

17.Теплообменники (LMTD)Средняя

Противоточный теплообменник передаёт 330 kW. Горячий теплоноситель охлаждается с 100 до 40 °C, а холодный нагревается с 25 до 60 °C. Коэффициент теплопередачи 1000 W/(m²·K). Найдите необходимую площадь теплообмена A.

Q̇ = 330 kWU = 1000 W/(m²·K)T_h: 100 → 40 °CT_c: 25 → 60 °C

A = m²

18.Теплообменники (LMTD)Сложная

Горячее масло (2 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) охлаждается с 110 до 55 °C в противоточном теплообменнике. Оно нагревает 1,5 kg/s воды (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)), входящей при 25 °C. При U = 200 W/(m²·K) найдите необходимую площадь теплообмена A.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 110 → 55 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 200 W/(m²·K)

A = m²

19.ТеплопроводностьСредняя

Стена состоит из слоя 250 mm (стекло) и слоя 100 mm (кирпич), её площадь 20 m². Наружные поверхности имеют 21 °C и 10 °C. Найдите тепловой поток Q̇ через стену.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,96 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 21 °CT₃ = 10 °C

Q̇ = W

20.ТеплопроводностьСложная

Стена из 50 mm (минеральная вата) и 25 mm (кирпич) отделяет помещение при 21 °C от наружного воздуха при -7 °C. Коэффициенты теплоотдачи — 7,7 W/(m²·K) внутри и 20 W/(m²·K) снаружи, площадь стены 8 m². Найдите теплопотери Q̇ через стену.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,04 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -7 °C

Q̇ = W

21.Трение в трубах и потери напораСредняя

Вода (ρ = 1000 kg/m³) течёт со скоростью 2,8 m/s по горизонтальной трубе длиной 200 m с внутренним диаметром 50 mm. Примите коэффициент трения Дарси f = 0,03 и g = 9,81 m/s². Найдите перепад давления Δp на трубе в kPa.

V = 2,8 m/sL = 200 mD = 50 mmf = 0,03ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Трение в трубах и потери напораСложная

Два открытых резервуара соединены трубой длиной 200 m с внутренним диаметром 200 mm и коэффициентом трения Дарси f = 0,015. Местные потери: вход с острыми кромками (K = 0,5), 3 колена (K = 0,3 каждое), задвижка (K = 2) и выход в нижний резервуар (K = 1,0). Примите g = 9,81 m/s². Какая разность уровней воды Δz между резервуарами даёт расход 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 2K_exit = 1,0

Δz = m

23.Насосы и мощность насосаСредняя

При испытании насос подаёт 15 L/s воды (ρ = 1000 kg/m³) при напоре 70 m, а мощность на его валу 14,3 kW. Примите g = 9,81 m/s². Найдите КПД насоса η в процентах.

Q = 15 L/sH = 70 mP_shaft = 14,3 kWg = 9,81 m/s²

η = %

24.Насосы и мощность насосаСложная

Насос перекачивает 100 L/s воды (ρ = 1000 kg/m³) из открытого нижнего резервуара в верхний бак, поверхность воды в котором на 8 m выше. Труба длиной 600 m имеет внутренний диаметр 250 mm и коэффициент трения Дарси f = 0,02; сумма коэффициентов местных сопротивлений ΣK = 8 (включая вход и выход). Примите g = 9,81 m/s². Найдите напор H, который должен создать насос.

Q = 100 L/sΔz = 8 mL = 600 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 8

H = m

3Растворы

1.Материальный баланс

Ответ: ṁ₂ = 5250 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) = 750·(10 − 45)/(45 − 50) = 5250 kg/h

Ответ

ṁ₂ = 5250 kg/h

2.Материальный баланс

Ответ: W = 960 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 = 2400·18/30 = 1440 kg/h

Общий баланс

W = F − P = 2400 − 1440 = 960 kg/h

Ответ

W = 960 kg/h

3.Энергетический баланс

Ответ: t_out = 68,78 °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 = 2,5·2,44·(130 − 100) = 183 kW

Теплота, полученная водой

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 183/(1·4,18) = 68,78 °C

Ответ

t_out = 68,78 °C

4.Энергетический баланс

Ответ: ṁ_c = 1,899 kg/s

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

Отданная теплота

Q_h = 3·2,1·(150 − 80) = 441 kW

Теплота, дошедшая до воды

Q_c = (1 − 0,1)·441 = 396,9 kW

Расход воды

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 396,9/(4,18·50) = 1,899 kg/s

Ответ

ṁ_c = 1,899 kg/s

5.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 44,69 L

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

Моли

n = 480/39,95 = 12,02 mol

T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Объём

V = nRT/P = 12,02·8,314·313,1/700 = 44,69 L

Ответ

V = 44,69 L

6.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 1,222 kg/m³

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

Преобразуйте газовый закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 120 + 273,15 = 393,1 K

Плотность

ρ = 100·39,95/(8,314·393,1) = 1,222 kg/m³

Ответ

ρ = 1,222 kg/m³

7.Стехиометрия

Ответ: m = 20,98 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(Fe₂O₃) = 30/159,69 = 0,1879 mol

n(CO) = 80/28,01 = 2,856 mol

Лимитирующий реагент

0,1879/1 = 0,1879, 2,856/3 = 0,952 → Fe₂O₃

Масса продукта

n(Fe) = 0,1879·2 = 0,3757 mol

m = 0,3757·55,85 = 20,98 g

Ответ

m = 20,98 g

8.Стехиометрия

Ответ: Y = 82,01 %

Теоретический выход

n(N₂) = 16/28,02 = 0,571 mol

m = 0,571·2/1·17,03 = 19,45 g

Выход в процентах

Y = 15,95/19,45·100 = 82,01%

Ответ

Y = 82,01%

9.Химическое равновесие

Ответ: [H₂] = 0,02139 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/(0,1 − x)²

Извлеките квадратный корень

7,348 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·7,348/(2 + 7,348) = 0,07861 mol/L

Равновесная концентрация

[H₂] = 0,1 − x = 0,02139 mol/L

Ответ

[H₂] = 0,02139 mol/L

10.Химическое равновесие

Ответ: [Cl₂] = 0,02702 mol/L

Выражение константы равновесия

0,01 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,01·x − 0,001 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,001))/2 = 0,02702 mol/L

Равновесная концентрация

[Cl₂] = x = 0,02702 mol/L

Ответ

[Cl₂] = 0,02702 mol/L

11.Калориметрия и энтальпия

Ответ: T_f = 22,47 °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

50·0,897·(80 − T_f) = 250·4,18·(T_f − 20)

Выразите конечную температуру

T_f = (44,85·80 + 1045·20)/(44,85 + 1045) = 22,47 °C

Ответ

T_f = 22,47 °C

12.Калориметрия и энтальпия

Ответ: ΔH° = −3119 kJ

Энтальпия реакции

ΔH° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Ответ

ΔH° = −3119 kJ

Отрицательное: реакция выделяет теплоту (экзотермическая).

13.Химическая кинетика

Ответ: C_A = 0,3158 mol/L

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).

Интегральное уравнение второго порядка

1/C_A = 1/C_A0 + kt = 0,6667 + 0,25·10 = 3,167 L/mol

C_A = 1/3,167 = 0,3158 mol/L

Ответ

C_A = 0,3158 mol/L

14.Химическая кинетика

Ответ: n = 2

Метод начальных скоростей: для r = k·Cⁿ сравнение двух опытов, различающихся только начальной концентрацией, исключает k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Удвоение C удваивает скорость при первом порядке и учетверяет её при втором.

Отношения

r₂/r₁ = 0,018/0,002 = 9

C₂/C₁ = 1,2/0,4 = 3

Порядок

n = ln(9)/ln(3) = 2

Ответ

n = 2

15.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: V = 804,7 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))/0,05 = 1,609/0,05 = 32,19 min

Объём

V = Q·τ = 25·32,19 = 804,7 L

Ответ

V = 804,7 L

16.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 98,62 %

Время пребывания

τ = V/Q = 150/5 = 30 min, kτ = 0,25·30 = 7,5

Степень превращения

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 7,5) = 0,1176

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01384

X = 1 − 0,01384 = 98,62%

Ответ

X = 98,62%

17.Теплообменники (LMTD)

Ответ: A = 12,95 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.

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 − 60 = 40 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 40 − 25 = 15 K

Среднелогарифмическая разность температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 15)/ln(40/15) = 25,49 K

Площадь

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 330000/(1000·25,49) = 12,95 m²

Ответ

A = 12,95 m²

18.Теплообменники (LMTD)

Ответ: A = 38,98 m²

Тепловая нагрузка и температура воды на выходе

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 2·2,5·55 = 275 kW

T_c,out = 25 + 275/(1,5·4,18) = 68,86 °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 = 110 − 68,86 = 41,14 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 55 − 25 = 30 K

Среднелогарифмическая разность температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (41,14 − 30)/ln(41,14/30) = 35,28 K

Площадь

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 275000/(200·35,28) = 38,98 m²

Ответ

A = 38,98 m²

19.Теплопроводность

Ответ: Q̇ = 551 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) = (250/1000)/(0,96·20) = 0,01302 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,72·20) = 0,006944 K/W

Тепловой поток

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 11/0,01997 = 551 W

Ответ

Q̇ = 551 W

20.Теплопроводность

Ответ: Q̇ = 152,9 W

Последовательные сопротивления

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·8) = 0,01623 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,04·8) = 0,1563 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,72·8) = 0,00434 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·8) = 0,00625 K/W

ΣR = 0,1831 K/W

Теплопотери

Q̇ = (21 − (-7))/0,1831 = 152,9 W

Ответ

Q̇ = 152,9 W

21.Трение в трубах и потери напора

Ответ: Δp = 470,4 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) = 0,03·(200/0,05)·2,8²/(2·9,81) = 47,95 m

Перепад давления

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

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·47,95 = 470400 Pa = 470,4 kPa

Ответ

Δp = 470,4 kPa

22.Трение в трубах и потери напора

Ответ: Δz = 10,02 m

Скорость

V = Q/A = 0,1/0,03142 = 3,183 m/s

V²/(2g) = 0,5164 m

Коэффициенты местных сопротивлений

f·L/D = 0,015·200/0,2 = 15

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 + 1,0 = 4,4

Полная потеря напора

h_f = 15·0,5164 = 7,746 m

h_m = 4,4·0,5164 = 2,272 m

Δz = h_f + h_m = 10,02 m

Ответ

Δz = 10,02 m

23.Насосы и мощность насоса

Ответ: η = 72,03 %

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 = 1000·9,81·0,015·70 = 10,3 kW

КПД

η = P_h/P_shaft = 10,3/14,3 = 72,03%

Ответ

η = 72,03%

24.Насосы и мощность насоса

Ответ: H = 19,85 m

Скорость

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

V²/(2g) = 0,2115 m

Потери напора

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (48 + 8)·0,2115 = 11,85 m

Напор насоса

Обе поверхности открыты и практически неподвижны, поэтому члены с давлением и скоростью выпадают.

H = Δz + h_L = 8 + 11,85 = 19,85 m

Ответ

H = 19,85 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

Общий баланс

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

Ответ

Интегральное уравнение второго порядка

Ответ

Отношения

Порядок

Ответ

Время пребывания

Объём

Ответ

Время пребывания

Степень превращения

Ответ

Разности температур на концах

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

Ответ

Выразите ṁ₂