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 = 850 kg/hx₁ = 50 %x₂ = 15 %x₃ = 45 %

ṁ₂ = kg/h

2.Материальный балансСложная

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

F = 1300 kg/hx_F = 7 %x_P = 65 %

P = 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 = 0,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 90 °Cṁ_c = 3 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 15% 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: 160 → 80 °Ct: 30 → 45 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)потери = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Уравнение состояния идеального газаСредняя

Какой объём V занимает 360 g газа (Ar) при 300 kPa и 20 °C? Считайте газ идеальным.

m = 360 gM = 39,95 g/molP = 300 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Уравнение состояния идеального газаСложная

Найдите плотность ρ газа (O₂) при 250 kPa и 160 °C, считая его идеальным.

M = 32 g/molP = 250 kPaT = 160 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.СтехиометрияСредняя

8 g CH₄ и 8 g O₂ реагируют по уравнению CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Какая масса m вещества H₂O может образоваться?

M(CH₄) = 16,04M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.СтехиометрияСложная

В реакции 2H₂ + O₂ → 2H₂O 20 g H₂ реагирует полностью (остальные реагенты в избытке), и собирают 98,32 g H₂O. Найдите выход в процентах Y.

M(H₂) = 2,016 g/molM(H₂O) = 18,02 g/molфактический: 98,32 g

Y = %

9.Химическое равновесиеСредняя

В сосуд помещают 0,4 mol/L H₂ и 0,4 mol/L I₂, и они реагируют: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 16. Найдите равновесную концентрацию [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 16

[H₂] = mol/L

10.Химическое равновесиеСложная

PCl₅ разлагается: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,08 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 = 0,08

[Cl₂] = mol/L

11.Калориметрия и энтальпияСредняя

Брусок массой 250 g (материал: медь, c = 0,385 J/(g·°C)) при температуре 160 °C опускают в 100 g воды (c = 4,18 J/(g·°C)) при 19 °C в теплоизолированном стакане. Найдите конечную температуру T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,385 J/(g·°C)T_metal = 160 °Cm_water = 100 gT_water = 19 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Калориметрия и энтальпияСложная

По стандартным энтальпиям образования найдите ΔH° реакции C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C₃H₈) = −103,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Химическая кинетикаСредняя

Реакция нулевого порядка имеет k = 0,025 mol/(L·min) и начинается с 1,5 mol/L. Сколько времени нужно, чтобы степень превращения достигла 40%? Найдите t.

k = 0,025 mol/(L·min)C_A0 = 1,5 mol/LX = 40 %

t = min

14.Химическая кинетикаСложная

В двух опытах измерена начальная скорость реакции A → продукты. При C_A0 = 0,2 mol/L скорость равна 0,008 mol/(L·s); при C_A0 = 0,6 mol/L — 0,072 mol/(L·s). Найдите порядок реакции n по A.

C_A0,1 = 0,2 mol/Lr₁ = 0,008 mol/(L·s)C_A0,2 = 0,6 mol/Lr₂ = 0,072 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 100 L/min. Плотность постоянна, режим стационарный. Найдите объём реактора V в литрах для степени превращения A 60%.

Q = 100 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 60%

V = L

16.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)Сложная

Жидкофазная реакция первого порядка (k = 0,08 min⁻¹) проводится в двух одинаковых последовательных CSTR объёмом 250 L каждый. Расход сырья 25 L/min, плотность постоянна, режим стационарный. Найдите общую степень превращения X в процентах.

V = 250 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,08 min⁻¹

X = %

17.Теплообменники (LMTD)Средняя

Прямоточный теплообменник передаёт 420 kW. Горячий теплоноситель охлаждается с 140 до 85 °C, а холодный нагревается с 10 до 70 °C. Коэффициент теплопередачи 200 W/(m²·K). Найдите необходимую площадь теплообмена A.

Q̇ = 420 kWU = 200 W/(m²·K)T_h: 140 → 85 °CT_c: 10 → 70 °C

A = m²

18.Теплообменники (LMTD)Сложная

В прямоточном теплообменнике «труба в трубе» горячее масло (0,2 kg/s, c_p = 2,3 kJ/(kg·K)) течёт по внутренней трубе и охлаждается с 135 до 50 °C. Вода (1 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) входит в кольцевой зазор при 20 °C. Диаметр внутренней трубы 40 mm, а U = 500 W/(m²·K) отнесён к этому диаметру. Найдите необходимую длину трубы L.

ṁ_h = 0,2 kg/sc_p,h = 2,3 kJ/(kg·K)T_h: 135 → 50 °Cṁ_c = 1 kg/sT_c,in = 20 °CD = 40 mmU = 500 W/(m²·K)

L = m

19.ТеплопроводностьСредняя

Стена состоит из слоя 150 mm (гипсокартон) и слоя 150 mm (пенополистирол), её площадь 6 m². Наружные поверхности имеют 24 °C и -7 °C. Найдите тепловой поток Q̇ через стену.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 24 °CT₃ = -7 °C

Q̇ = W

20.ТеплопроводностьСложная

Стена из 200 mm (пенополистирол) и 150 mm (кирпич) отделяет помещение при 20 °C от наружного воздуха при 4 °C. Коэффициенты теплоотдачи — 8 W/(m²·K) внутри и 20 W/(m²·K) снаружи, площадь стены 8 m². Найдите температуру T_s внутренней поверхности стены.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = 4 °C

T_s = °C

21.Трение в трубах и потери напораСредняя

Вода (ρ = 1000 kg/m³) течёт со скоростью 2,3 m/s по горизонтальной трубе длиной 400 m с внутренним диаметром 300 mm. Примите коэффициент трения Дарси f = 0,028 и g = 9,81 m/s². Найдите перепад давления Δp на трубе в kPa.

V = 2,3 m/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Трение в трубах и потери напораСложная

Два открытых резервуара соединены трубой длиной 100 m с внутренним диаметром 200 mm и коэффициентом трения Дарси f = 0,022. Местные потери: вход с острыми кромками (K = 0,5), 2 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 40 L/s?

Q = 40 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 2K_exit = 1,0

Δz = m

23.Насосы и мощность насосаСредняя

При испытании насос подаёт 80 L/s воды (ρ = 1000 kg/m³) при напоре 80 m, а мощность на его валу 89,7 kW. Примите g = 9,81 m/s². Найдите КПД насоса η в процентах.

Q = 80 L/sH = 80 mP_shaft = 89,7 kWg = 9,81 m/s²

η = %

24.Насосы и мощность насосаСложная

Насос перекачивает 10 L/s воды (ρ = 1000 kg/m³) из открытого нижнего резервуара в верхний бак, поверхность воды в котором на 5 m выше. Труба длиной 150 m имеет внутренний диаметр 100 mm и коэффициент трения Дарси f = 0,022; сумма коэффициентов местных сопротивлений ΣK = 5 (включая вход и выход). Примите g = 9,81 m/s². Верхний бак закрыт, и воздух над водой в нём находится под избыточным давлением 150 kPa. Найдите напор H, который должен создать насос.

Q = 10 L/sΔz = 5 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 5p_tank = 150 kPa

H = m

3Растворы

1.Материальный баланс

Ответ: ṁ₂ = 141,7 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) = 850·(50 − 45)/(45 − 15) = 141,7 kg/h

Ответ

ṁ₂ = 141,7 kg/h

2.Материальный баланс

Ответ: P = 140 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 = 1300·7/65 = 140 kg/h

Ответ

P = 140 kg/h

3.Энергетический баланс

Ответ: t_out = 28,89 °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 = 0,5·2,44·(130 − 90) = 48,8 kW

Теплота, полученная водой

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 48,8/(3·4,18) = 28,89 °C

Ответ

t_out = 28,89 °C

4.Энергетический баланс

Ответ: ṁ_c = 5,694 kg/s

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

Отданная теплота

Q_h = 2,5·2,1·(160 − 80) = 420 kW

Теплота, дошедшая до воды

Q_c = (1 − 0,15)·420 = 357 kW

Расход воды

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 357/(4,18·15) = 5,694 kg/s

Ответ

ṁ_c = 5,694 kg/s

5.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: V = 73,21 L

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

Моли

n = 360/39,95 = 9,011 mol

T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Объём

V = nRT/P = 9,011·8,314·293,1/300 = 73,21 L

Ответ

V = 73,21 L

6.Уравнение состояния идеального газа

Ответ: ρ = 2,221 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 = 250·32/(8,314·433,1) = 2,221 kg/m³

Ответ

ρ = 2,221 kg/m³

7.Стехиометрия

Ответ: m = 4,505 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(CH₄) = 8/16,04 = 0,4988 mol

n(O₂) = 8/32 = 0,25 mol

Лимитирующий реагент

0,4988/1 = 0,4988, 0,25/2 = 0,125 → O₂

Масса продукта

n(H₂O) = 0,125·2 = 0,25 mol

m = 0,25·18,02 = 4,505 g

Ответ

m = 4,505 g

8.Стехиометрия

Ответ: Y = 55 %

Теоретический выход

n(H₂) = 20/2,016 = 9,921 mol

m = 9,921·2/2·18,02 = 178,8 g

Выход в процентах

Y = 98,32/178,8·100 = 55%

Ответ

Y = 55%

9.Химическое равновесие

Ответ: [H₂] = 0,1333 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/(0,4 − x)²

Извлеките квадратный корень

4 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·4/(2 + 4) = 0,2667 mol/L

Равновесная концентрация

[H₂] = 0,4 − x = 0,1333 mol/L

Ответ

[H₂] = 0,1333 mol/L

10.Химическое равновесие

Ответ: [Cl₂] = 0,05798 mol/L

Выражение константы равновесия

0,08 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,08·x − 0,008 = 0

Решите квадратное уравнение

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,008))/2 = 0,05798 mol/L

Равновесная концентрация

[Cl₂] = x = 0,05798 mol/L

Ответ

[Cl₂] = 0,05798 mol/L

11.Калориметрия и энтальпия

Ответ: T_f = 45,39 °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

250·0,385·(160 − T_f) = 100·4,18·(T_f − 19)

Выразите конечную температуру

T_f = (96,25·160 + 418·19)/(96,25 + 418) = 45,39 °C

Ответ

T_f = 45,39 °C

12.Калориметрия и энтальпия

Ответ: ΔH° = −2220 kJ

Энтальпия реакции

ΔH° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Ответ

ΔH° = −2220 kJ

Отрицательное: реакция выделяет теплоту (экзотермическая).

13.Химическая кинетика

Ответ: t = 24 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).

Прореагировавшее количество

C_A0·X = 1,5·0,4 = 0,6 mol/L

Время

t = C_A0·X/k = 0,6/0,025 = 24 min

Ответ

t = 24 min

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 = 0,072/0,008 = 9

C₂/C₁ = 0,6/0,2 = 3

Порядок

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

Ответ

n = 2

15.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: V = 1833 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 − 0,6))/0,05 = 0,9163/0,05 = 18,33 min

Объём

V = Q·τ = 100·18,33 = 1833 L

Ответ

V = 1833 L

16.Расчёт реакторов (CSTR и PFR)

Ответ: X = 69,14 %

Время пребывания

τ = V/Q = 250/25 = 10 min, kτ = 0,08·10 = 0,8

Степень превращения

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 0,8) = 0,5556

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,3086

X = 1 − 0,3086 = 69,14%

Ответ

X = 69,14%

17.Теплообменники (LMTD)

Ответ: A = 39,43 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 прямотоке оба входа на одном конце, а оба выхода — на другом.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 140 − 10 = 130 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 85 − 70 = 15 K

Среднелогарифмическая разность температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 15)/ln(130/15) = 53,25 K

Площадь

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 420000/(200·53,25) = 39,43 m²

Ответ

A = 39,43 m²

18.Теплообменники (LMTD)

Ответ: L = 11,33 m

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.

Тепловая нагрузка и температура воды на выходе

Q̇ = 0,2·2,3·(135 − 50) = 39,1 kW

T_c,out = 20 + 39,1/(1·4,18) = 29,35 °C

Разности температур на концах

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

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 135 − 20 = 115 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 50 − 29,35 = 20,65 K

Среднелогарифмическая разность температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (115 − 20,65)/ln(115/20,65) = 54,94 K

Площадь и длина

A = 39100/(500·54,94) = 1,423 m²

L = A/(πD) = 1,423/(π·0,04) = 11,33 m

Ответ

L = 11,33 m

19.Теплопроводность

Ответ: Q̇ = 35,99 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) = (150/1000)/(0,17·6) = 0,1471 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,035·6) = 0,7143 K/W

Тепловой поток

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 31/0,8613 = 35,99 W

Ответ

Q̇ = 35,99 W

20.Теплопроводность

Ответ: T_s = 19,67 °C

Последовательные сопротивления

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·8) = 0,01563 K/W

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

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,72·8) = 0,02604 K/W

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

ΣR = 0,7622 K/W

Теплопотери

Q̇ = (20 − (4))/0,7622 = 20,99 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 20 − 20,99·0,01563 = 19,67 °C

Ответ

T_s = 19,67 °C

21.Трение в трубах и потери напора

Ответ: Δp = 98,75 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) = 0,028·(400/0,3)·2,3²/(2·9,81) = 10,07 m

Перепад давления

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

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·10,07 = 98747 Pa = 98,75 kPa

Ответ

Δp = 98,75 kPa

22.Трение в трубах и потери напора

Ответ: Δz = 1,248 m

Скорость

V = Q/A = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s

V²/(2g) = 0,08263 m

Коэффициенты местных сопротивлений

f·L/D = 0,022·100/0,2 = 11

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Полная потеря напора

h_f = 11·0,08263 = 0,9089 m

h_m = 4,1·0,08263 = 0,3388 m

Δz = h_f + h_m = 1,248 m

Ответ

Δz = 1,248 m

23.Насосы и мощность насоса

Ответ: η = 69,99 %

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 = 1000·9,81·0,08·80 = 62,78 kW

КПД

η = P_h/P_shaft = 62,78/89,7 = 69,99%

Ответ

η = 69,99%

24.Насосы и мощность насоса

Ответ: H = 23,43 m

Скорость

V = Q/A = 0,01/0,007854 = 1,273 m/s

V²/(2g) = 0,08263 m

Потери напора

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (33 + 5)·0,08263 = 3,14 m

Пьезометрический напор

p/(ρ·g) = 150000/(1000·9,81) = 15,29 m

Напор насоса

Обе поверхности практически неподвижны, поэтому скоростного напора нет.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 5 + 15,29 + 3,14 = 23,43 m

Ответ

H = 23,43 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

Ответ

Прореагировавшее количество

Время

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 и длина

Ответ

Сопротивления слоёв

Тепловой поток

Ответ

Выразите ṁ₂