FE Chemical sınav hazırlığı: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 24 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorular Derse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Kütle denkliği

Kararlı hâl: giren = çıkan
Toplam denklik: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Bileşen denkliği: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Buharlaştırıcı: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Enerji denkliği

Duyulur ısı: Q = ṁ·c_p·ΔT
Gizli ısı: Q = ṁ·h_fg
Karışma: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Su: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

İdeal gaz yasası

İdeal gaz yasası: pV = nRT
Gaz sabiti: R = 8,314 J/(mol·K)
Birleşik gaz yasası: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Sıcaklık: T[K] = T[°C] + 273,15

Stokiyometri

Mol: n = m/M
Konsantrasyon: c = n/V
Mol oranı: denkleştirilmiş denklemin katsayılarını kullanın
Sınırlayıcı reaktan: ilk tükenen
Yüzde verim: gerçek / teorik × 100%

Yöntem

Kimyasal denklemi yazın ve denkleştirin.
Verilen kütleyi mole çevirin: n = m/M.
İstediğiniz maddenin mol sayısını bulmak için katsayıları mol oranı olarak kullanın.
m = n·M ile kütleye geri çevirin. İki reaktan varsa önce sınırlayıcı reaktanı bulun.

Kimyasal denge

Denge sabiti: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
ICE tablosu: Başlangıç, Değişim (×katsayı), Denge
İkinci derece denklem: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Yöntem

K_c’yi, her biri katsayısı kadar kuvveti alınmış ürünler bölü reaktanlar olarak yazın.
Bir ICE tablosu kurun: Başlangıç, Değişim (katsayılar çarpı x adımlarıyla), Denge.
Denge ifadelerini K_c’ye yerleştirin ve x için çözün.
x’in bir yaklaşım için yeterince küçük olup olmadığını kontrol edin; değilse ikinci derece denklemi çözün.

Kalorimetri ve entalpi

Isı: q = m·c·ΔT
Su: c = 4,18 J/(g·°C)
Kalorimetre: verilen ısı = alınan ısı
Tepkime entalpisi: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Tepkime kinetiği

Birinci derece: ln(C_A/C_A0) = −kt
Yarılanma süresi (birinci derece): t_½ = ln 2/k
İkinci derece: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
İki sıcaklık: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Alıkonma süresi: τ = V/Q
CSTR, birinci derece: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, birinci derece: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Hacimden dönüşüm: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
Seri bağlı N eşit CSTR: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Isı değiştiriciler (LMTD)

Isı yükü: Q = U·A·ΔT_lm
Logaritmik ortalama sıcaklık farkı: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Akım denkliği: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Isı iletimi

Fourier yasası: Q̇ = kAΔT/L
İletim direnci: R = L/(kA)
Taşınım direnci: R = 1/(hA)
Seri dirençler: Q̇ = ΔT_total/ΣR
U değeri: U = 1/(ΣR·A)

Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Reynolds sayısı: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Akış rejimi: Re ≈ 2000’in altında laminer, Re ≈ 4000’in üstünde türbülanslı
Ortalama hız: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Yerel kayıplar: h_m = ΣK·V²/(2g)
Tipik K değerleri: giriş 0,5, çıkış 1,0, 90° dirsek ≈ 0,3
Basınç düşüşü: Δp = ρ·g·h_f
İki açık hazne: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Serbest çıkış: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompalar ve pompa gücü

Hidrolik güç: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Mil gücü: P_shaft = P_h/η_pump
Elektrik gücü: P_el = P_shaft/η_motor
Pompa basma yüksekliği: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Sistem kayıpları: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Alıştırma soruları

1.Kütle denkliğiOrta

Karışım ürünü %30 tuz içersin diye akım 1’e saatte ne kadar akım 2 eklenmeli? ṁ₂ değerini bulun.

ṁ₁ = 250 kg/hx₁ = 40 %x₂ = 20 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Kütle denkliğiZor

Bir buharlaştırıcı saf su buharlaştırarak bir tuz çözeltisini deriştiriyor. buharlaşan su W değerini kg/h cinsinden bulun.

F = 1900 kg/hx_F = 18 %x_P = 65 %

W = kg/h

3.Enerji denkliğiOrta

Sıcak glikol karışımı, ısı kaybı olmayan ters akışlı bir ısı değiştiricide suyu soğutuyor. Suyun çıkış sıcaklığı t_out değerini bulun.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 80 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Enerji denkliğiZor

Sıcak hafif yağ, sıcak akımın verdiği ısının %15’ini çevreye kaybeden bir değiştiricide suyu ısıtıyor. Gereken su debisi ṁ_c değerini bulun.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 100 °Ct: 15 → 55 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kayıp = %15

ṁ_c = kg/s

5.İdeal gaz yasasıOrta

20 L hacimli bir tank, 50 °C sıcaklığında 100 g He içeriyor. İdeal gaz kabul edip basınç P değerini bulun.

m = 100 gM = 4,003 g/molV = 20 LT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.İdeal gaz yasasıZor

N₂ gazının 650 kPa ve 40 °C koşullarındaki yoğunluğu ρ değerini ideal gaz kabul ederek bulun.

M = 28,01 g/molP = 650 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StokiyometriOrta

4 g C₃H₈ ve 64 g O₂, C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O denklemine göre tepkimeye giriyor. En fazla ne kadar kütle m CO₂ oluşabilir?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.StokiyometriZor

2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ tepkimesinde 10 g Al tamamen tepkimeye giriyor (diğer reaktanlar fazla) ve 30,64 g AlCl₃ toplanıyor. Yüzde verim Y'i bulun.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl₃) = 133,33 g/molgerçek: 30,64 g

Y = %

9.Kimyasal dengeOrta

Bir kaba 0,2 mol/L H₂ ve 0,2 mol/L I₂ konuyor ve H₂ + I₂ ⇌ 2HI tepkimesi gerçekleşiyor; K_c = 9. Denge derişimi [HI] değerini bulun.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LK_c = 9

[HI] = mol/L

10.Kimyasal dengeZor

PCl₅ ayrışıyor: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, tepkime sıcaklığında K_c = 0,5. Kapta başlangıçta yalnızca 0,5 mol/L PCl₅ var. Denge derişimi [PCl₅] değerini bulun.

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LK_c = 0,5

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri ve entalpiOrta

180 °C’deki 150 g’lık bir demir bloğu (c = 0,449 J/(g·°C)), yalıtılmış bir kaptaki 18 °C’de 150 g suya (c = 4,18 J/(g·°C)) bırakılıyor. Son sıcaklık T_f değerini bulun.

m_metal = 150 gc_metal = 0,449 J/(g·°C)T_metal = 180 °Cm_water = 150 gT_water = 18 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri ve entalpiZor

Standart oluşum entalpilerini kullanarak CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l) tepkimesinin ΔH° değerini bulun.

ΔH°f(CH₄) = −74,8 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Tepkime kinetiğiOrta

Kesikli bir reaktördeki birinci dereceden tepkime için k = 0,2 min⁻¹. %95 dönüşüme ulaşmak ne kadar sürer? t değerini bulun.

k = 0,2 min⁻¹X = 95 %

t = min

14.Tepkime kinetiğiZor

İki deney A → ürünler tepkimesinin başlangıç hızını ölçüyor. C_A0 = 0,5 mol/L iken hız 0,01 mol/(L·s); C_A0 = 2 mol/L iken 0,16 mol/(L·s). A’ya göre tepkime derecesi n değerini bulun.

C_A0,1 = 0,5 mol/Lr₁ = 0,01 mol/(L·s)C_A0,2 = 2 mol/Lr₂ = 0,16 mol/(L·s)

n =

15.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Orta

k = 0,2 min⁻¹ olan sıvı fazda birinci derece bir A → B reaksiyonu, 25 L/min ile beslenen bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. A’nın %60 dönüşümü için reaktör hacmi V değerini litre cinsinden bulun.

Q = 25 L/mink = 0,2 min⁻¹X = 60%

V = L

16.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Zor

Sıvı fazda birinci derece bir reaksiyon (k = 0,08 min⁻¹), 50 L/min ile beslenen 500 L’lik bir CSTR’de yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Dönüşüm X değerini yüzde olarak bulun.

V = 500 LQ = 50 L/mink = 0,08 min⁻¹

X = %

17.Isı değiştiriciler (LMTD)Orta

Bir gövde-boru ısı değiştiricisi (bir gövde geçişi, iki boru geçişi) 540 kW aktarmalıdır. Sıcak akışkan 115 değerinden 75 °C değerine soğuyor, soğuk akışkan 20 değerinden 105 °C değerine ısınıyor. Bu düzen için LMTD düzeltme çarpanı F = 0,88 ve U = 800 W/(m²·K)’dir. Gereken ısı transfer alanı A değerini bulun.

Q̇ = 540 kWF = 0,88U = 800 W/(m²·K)T_h: 115 → 75 °CT_c: 20 → 105 °C

A = m²

18.Isı değiştiriciler (LMTD)Zor

Isı transfer alanı 5 m² ve U = 3000 W/(m²·K) olan bir kondenserde buhar, boruların dış yüzeyinde sabit 110 °C’de yoğuşuyor. Soğutma suyu (3 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) borulara 20 °C’de giriyor. Suyun çıkış sıcaklığı T_c,out değerini bulun.

T_s = 110 °CA = 5 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 3 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 20 °C

T_c,out = °C

19.Isı iletimiOrta

Bir duvar, 8 m² alanında, 100 mm taş yünü ve 50 mm genleştirilmiş polistiren katmanlarından oluşuyor. Dış yüzeyleri 20 °C ve 7 °C sıcaklığında. İki katman arasındaki ara yüzeyde sıcaklık T_i değerini bulun.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,04 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 20 °CT₃ = 7 °C

T_i = °C

20.Isı iletimiZor

50 mm tuğla ve 50 mm cam katmanlarından oluşan bir duvar, 22 °C sıcaklığındaki bir odayı -4 °C sıcaklığındaki dış havadan ayırıyor. Taşınım katsayıları içeride 10 W/(m²·K), dışarıda 25 W/(m²·K) ve duvar alanı 4 m². Duvarın iç yüzey sıcaklığı T_s değerini bulun.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = -4 °C

T_s = °C

21.Boru sürtünmesi ve yük kaybıOrta

Su (ρ = 1000 kg/m³), 500 m uzunluğunda ve iç çapı 50 mm olan yatay bir borudan 0,9 m/s hızla akıyor. Darcy sürtünme faktörü f = 0,022 ve g = 9,81 m/s² kullanın. Boru boyunca basınç düşüşü Δp değerini kPa cinsinden bulun.

V = 0,9 m/sL = 500 mD = 50 mmf = 0,022ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Boru sürtünmesi ve yük kaybıZor

İki açık hazne, 200 m uzunluğunda, iç çapı 300 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,02 olan bir boruyla birleştirilmiştir. Üst haznenin su yüzeyi alttakinden 23 m yüksektedir. Yerel kayıplar: keskin kenarlı bir giriş (K = 0,5), 4 dirsek (her biri K = 0,3), bir vana (K = 2) ve alt hazneye çıkış (K = 1,0). g = 9,81 m/s² kullanın. Debi Q değerini L/s cinsinden bulun.

Δz = 23 mL = 200 mD = 300 mmf = 0,02K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 2K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompalar ve pompa gücüOrta

Bir pompa 28 m basma yüksekliğine karşı 60 L/s su (ρ = 1000 kg/m³) basıyor. Pompa verimi %65, onu çalıştıran elektrik motorunun verimi %92. g = 9,81 m/s² kullanın. Motorun çektiği elektrik gücü P_el değerini kW cinsinden bulun.

Q = 60 L/sH = 28 mη_pump = 65%η_motor = 92%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompalar ve pompa gücüZor

Bir pompa 60 L/s suyu (ρ = 1000 kg/m³) açık bir alt hazneden, su yüzeyi 18 m daha yüksekte olan bir üst tanka basıyor. Boru 150 m uzunluğunda, iç çapı 200 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,018; yerel kayıp katsayılarının toplamı ΣK = 8 (giriş ve çıkış dahil). g = 9,81 m/s² kullanın. Pompanın eklemesi gereken basma yüksekliği H değerini bulun.

Q = 60 L/sΔz = 18 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,018ΣK = 8

H = m

3Çözeltiler

1.Kütle denkliği

Cevap: ṁ₂ = 250 kg/h

Kararlı hal kütle denkliği: toplam ve her bileşen için giren = çıkan. Karıştırma problemleri ikisini birleştirir.

Denklikler

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

tuz: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

ṁ₂ için çözün

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 250·(40 − 30)/(30 − 20) = 250 kg/h

Cevap

ṁ₂ = 250 kg/h

2.Kütle denkliği

Cevap: W = 1374 kg/h

Bağlayıcı bileşen: tek bir akımda değişmeden geçen bileşen (burada çözünen) debileri doğrudan bağlar. Gerisini toplam denklik verir.

Çözünen denkliği

F·x_F = P·x_P → P = 1900·18/65 = 526,2 kg/h

Toplam denklik

W = F − P = 1900 − 526,2 = 1374 kg/h

Cevap

W = 1374 kg/h

3.Enerji denkliği

Cevap: t_out = 124,8 °C

Değiştirici enerji denkliği: kayıp yokken ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Sıcak akımın verdiği ısı

Q = 2·3,6·(180 − 80) = 720 kW

Suyun aldığı ısı

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 720/(1,5·4,18) = 124,8 °C

Cevap

t_out = 124,8 °C

4.Enerji denkliği

Cevap: ṁ_c = 1,601 kg/s

Kayıplı enerji denkliği: verilen ısı = alınan ısı + kaybedilen ısı.

Verilen ısı

Q_h = 2,5·2,1·(160 − 100) = 315 kW

Suya ulaşan ısı

Q_c = (1 − 0,15)·315 = 267,8 kW

Su debisi

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 267,8/(4,18·40) = 1,601 kg/s

Cevap

ṁ_c = 1,601 kg/s

5.İdeal gaz yasası

Cevap: P = 3356 kPa

İdeal gaz yasası: PV = nRT, n = m/M ile.

Mol

n = m/M = 100/4,003 = 24,98 mol

T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Basınç

P = nRT/V = 24,98·8,314·323,1/0,02 = 3356 kPa

Cevap

P = 3356 kPa

6.İdeal gaz yasası

Cevap: ρ = 6,993 kg/m³

İdeal gaz yoğunluğu: ρ = PM/(RT).

Gaz yasasını düzenleyin

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

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

Yoğunluk

ρ = 650·28,01/(8,314·313,1) = 6,993 kg/m³

Cevap

ρ = 6,993 kg/m³

7.Stokiyometri

Cevap: m = 11,98 g

Stokiyometri: denkleştirilmiş denklem gramları değil tanecikleri sayar. Kütleyi n = m/M ile mole çevirin, denklemin katsayılarını mol oranı olarak kullanın, sonra m = n·M ile geri çevirin. İki reaktan varsa sınırlayıcı reaktan önce tükenen ve ürün miktarını belirleyen reaktandır.

Her reaktanın mol sayısı

n(C₃H₈) = 4/44,1 = 0,0907 mol

n(O₂) = 64/32 = 2 mol

Sınırlayıcı reaktan

0,0907/1 = 0,0907, 2/5 = 0,4 → C₃H₈

Ürünün kütlesi

n(CO₂) = 0,0907·3 = 0,2721 mol

m = 0,2721·44,01 = 11,98 g

Cevap

m = 11,98 g

8.Stokiyometri

Cevap: Y = 62 %

Teorik verim

n(Al) = 10/26,98 = 0,3706 mol

m = 0,3706·2/2·133,33 = 49,42 g

Yüzde verim

Y = 30,64/49,42·100 = 62%

Cevap

Y = 62%

9.Kimyasal denge

Cevap: [HI] = 0,24 mol/L

Kimyasal denge: aA + bB ⇌ cC + dD için denge sabiti, denge derişimleri kullanılarak K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b) şeklindedir. ICE tablosu (Başlangıç, Değişim, Denge), başlangıç miktarlarını katsayılarla ölçeklenmiş tek bir x bilinmeyeni üzerinden denge miktarlarına bağlar.

Denge ifadesi

9 = (2x)²/(0,2 − x)²

Karekök alın

3 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·3/(2 + 3) = 0,12 mol/L

Denge derişimi

[HI] = 2x = 0,24 mol/L

Cevap

[HI] = 0,24 mol/L

10.Kimyasal denge

Cevap: [PCl₅] = 0,191 mol/L

Denge ifadesi

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

İkinci derece denklemi çözün

x = (−0,5 + √(0,5² + 4·0,25))/2 = 0,309 mol/L

Denge derişimi

[PCl₅] = 0,5 − 0,309 = 0,191 mol/L

Cevap

[PCl₅] = 0,191 mol/L

11.Kalorimetri ve entalpi

Cevap: T_f = 33,71 °C

Isı ve entalpi: bir maddeyi ısıtmak q = m·c·ΔT gerektirir. Kalorimetrede sıcak cismin verdiği ısı, soğuk cismin aldığı ısıya eşittir. Bir tepkimenin entalpi değişimi oluşum entalpilerinden bulunur: ΔH° = ΣΔH°f(ürünler) − ΣΔH°f(reaktanlar), her biri kendi katsayısıyla çarpılır.

Isı dengesi

150·0,449·(180 − T_f) = 150·4,18·(T_f − 18)

Son sıcaklık için çözün

T_f = (67,35·180 + 627·18)/(67,35 + 627) = 33,71 °C

Cevap

T_f = 33,71 °C

12.Kalorimetri ve entalpi

Cevap: ΔH° = −890,3 kJ

Tepkime entalpisi

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

Cevap

ΔH° = −890,3 kJ

Negatif: tepkime ısı verir (ekzotermik).

13.Tepkime kinetiği

Cevap: t = 14,98 min

Tepkime hızları: birinci dereceden tepkime için −dC/dt = kC, dolayısıyla C = C₀·e^−kt ve yarılanma süresi ln 2/k derişime bağlı değildir. İkinci dereceden tepkime için 1/C = 1/C₀ + kt. Hız sabiti Arrhenius’a göre sıcaklıkla artar: k = A·e^−Ea/(RT).

Dönüşüm ve derişim

C/C₀ = 1 − X = 0,05

Zaman için çözün

t = −ln(1 − X)/k = −ln(0,05)/0,2 = 14,98 min

Cevap

t = 14,98 min

14.Tepkime kinetiği

Cevap: n = 2

Başlangıç hızları yöntemi: r = k·Cⁿ için yalnızca başlangıç derişimi farklı olan iki deneyi karşılaştırmak k’yı yok eder: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. C’yi iki katına çıkarmak birinci derecede hızı iki katına, ikinci derecede dört katına çıkarır.

Oranlar

r₂/r₁ = 0,16/0,01 = 16

C₂/C₁ = 2/0,5 = 4

Derece

n = ln(16)/ln(4) = 2

Cevap

n = 2

15.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: V = 114,5 L

Kararlı hâlde, alıkonma süresi τ = V/Q ile ideal reaktörler, birinci derece reaksiyon (−r_A = k·C_A). CSTR tam karışımlıdır, bu yüzden tüm hacim düşük çıkış derişiminde reaksiyona girer: τ = X/(k·(1 − X)) ve C_A = C_A0/(1 + k·τ). PFR’de akışkanın her dilimi küçük bir kesikli reaktör gibi reaksiyona girer: τ = ln(1/(1 − X))/k ve C_A = C_A0·e^−k·τ. Aynı dönüşüm için CSTR her zaman PFR’den daha fazla hacim gerektirir.

Alıkonma süresi

τ = ln(1/(1 − 0,6))/0,2 = 0,9163/0,2 = 4,581 min

Hacim

V = Q·τ = 25·4,581 = 114,5 L

Cevap

V = 114,5 L

16.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: X = 44,44 %

Alıkonma süresi

τ = V/Q = 500/50 = 10 min, kτ = 0,08·10 = 0,8

Dönüşüm

X = kτ/(1 + kτ) = 0,8/(1 + 0,8) = 44,44%

Cevap

X = 44,44%

17.Isı değiştiriciler (LMTD)

Cevap: A = 29,06 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.

Uç sıcaklık farkları (ters akış)

Ters akışta sıcak giriş soğuk çıkışın, sıcak çıkış soğuk girişin karşısındadır.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 115 − 105 = 10 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 75 − 20 = 55 K

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (10 − 55)/ln(10/55) = 26,4 K

Alan

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 540000/(800·0,88·26,4) = 29,06 m²

Cevap

A = 29,06 m²

18.Isı değiştiriciler (LMTD)

Cevap: T_c,out = 82,79 °C

Enerji dengesi ile hız denklemini birleştirin

ΔT₁ = T_s − T_c,in ve ΔT₂ = T_s − T_c,out ile ΔT₁ − ΔT₂ farkı suyun sıcaklık artışına eşittir, bu yüzden artış sadeleşir.

ṁc_p(ΔT₁ − ΔT₂) = U·A·(ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 3000·5/(3·4180) = 1,196

Çıkış sıcaklığı

ΔT₂ = ΔT₁·e^−1,196 = 90·0,3023 = 27,21 K

T_c,out = 110 − 27,21 = 82,79 °C

Cevap

T_c,out = 82,79 °C

Aktarılan ısı: Q̇ = 787,4 kW.

19.Isı iletimi

Cevap: T_i = 11,73 °C

Isıl direnç: seri katmanlardan geçen kararlı ısı akışı, seri dirençlerden geçen akım gibi davranır: Q̇ = ΔT/ΣR; iletken bir katman için R = L/(kA), taşınımlı bir yüzey için R = 1/(hA). Her katmandaki sıcaklık düşümü direnciyle orantılıdır.

Katman dirençleri

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0,04·8) = 0,3125 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,035·8) = 0,1786 K/W

Isı akısı

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 13/0,4911 = 26,47 W

Ara yüzey sıcaklığı

İlk katmanda sıcaklık Q̇·R₁ kadar düşer.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 20 − 26,47·0,3125 = 11,73 °C

Cevap

T_i = 11,73 °C

20.Isı iletimi

Cevap: T_s = 12,06 °C

Seri dirençler

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·4) = 0,025 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,72·4) = 0,01736 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,96·4) = 0,01302 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·4) = 0,01 K/W

ΣR = 0,06538 K/W

Isı kaybı

Q̇ = (22 − (-4))/0,06538 = 397,7 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 22 − 397,7·0,025 = 12,06 °C

Cevap

T_s = 12,06 °C

21.Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Cevap: Δp = 89,1 kPa

Boru akışı: Reynolds sayısı Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ, laminer akışı (Re yaklaşık 2000’in altında) türbülanslı akıştan (yaklaşık 4000’in üstünde) ayırır. Boru boyunca sürtünme, Darcy–Weisbach yük kaybına h_f = f·(L/D)·V²/(2g) yol açar. Bağlantı parçaları, vanalar, giriş ve çıkış yerel kayıplar h_m = ΣK·V²/(2g) ekler. İki açık hazne yüzeyi arasında enerji denklemi, çıkış kaybı K = 1 dahil, Δz = h_f + h_m verir.

Yük kaybı

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,022·(500/0,05)·0,9²/(2·9,81) = 9,083 m

Basınç düşüşü

Boru yataydır ve hız değişmez, bu yüzden enerji denklemi Δp = ρ·g·h_f’ye indirgenir.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·9,083 = 89100 Pa = 89,1 kPa

Cevap

Δp = 89,1 kPa

22.Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Cevap: Q = 353,6 L/s

Kayıp katsayıları

f·L/D = 0,02·200/0,3 = 13,33

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 2 + 1,0 = 4,7

Enerji denklemi

İki yüzey de havaya açıktır ve pratikte durgundur, bu yüzden Δz’nin tamamı boruda kaybolur.

23 = (13,33 + 4,7)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·23/18,03) = 5,002 m/s

Debi

Q = V·π·D²/4 = 5,002·0,07069 = 0,3536 m³/s = 353,6 L/s

Cevap

Q = 353,6 L/s

23.Pompalar ve pompa gücü

Cevap: P_el = 27,56 kW

Pompa gücü: suya verilen güç hidrolik güç P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp’dir. Pompada kayıplar olduğu için mil daha fazlasını vermelidir: P_shaft = P_h/η_pump; motor ise P_el = P_shaft/η_motor çeker. Pompa basma yüksekliği H enerji denkleminden bulunur: statik yükseklik + basınç yüksekliği + tüm sürtünme ve yerel kayıplar.

Hidrolik güç

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,06·28 = 16,48 kW

Mil gücü

P_shaft = 16,48/0,65 = 25,36 kW

Elektrik gücü

P_el = 25,36/0,92 = 27,56 kW

Cevap

P_el = 27,56 kW

24.Pompalar ve pompa gücü

Cevap: H = 22 m

Hız

V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s

V²/(2g) = 0,1859 m

Yük kayıpları

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (13,5 + 8)·0,1859 = 3,997 m

Pompa basma yüksekliği

İki yüzey de açıktır ve pratikte durgundur, bu yüzden basınç ve hız terimleri düşer.

H = Δz + h_L = 18 + 3,997 = 22 m

Cevap

H = 22 m

Bu bağımsız bir alıştırma materyalidir. ExamProblems bu sınavı düzenleyen kuruluşla bağlantılı değildir ve onun tarafından onaylanmamıştır; sınav adı yalnızca içeriği tanımlamak için kullanılmaktadır. FE exam sınavı NCEES tarafından yürütülür; bu kuruluş ExamProblems ile bağlantılı değildir ve onu desteklemez.

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

FE Chemical sınav hazırlığı: hızlı tekrar paketi

1Formüller ve yöntemler

Kütle denkliği

Enerji denkliği

İdeal gaz yasası

Stokiyometri

Yöntem

Kimyasal denge

Yöntem

Kalorimetri ve entalpi

Tepkime kinetiği

Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Isı değiştiriciler (LMTD)

Isı iletimi

Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Pompalar ve pompa gücü

2Alıştırma soruları

3Çözeltiler

Denklikler

ṁ2 için çözün

Cevap

Çözünen denkliği

Toplam denklik

Cevap

Sıcak akımın verdiği ısı

Suyun aldığı ısı

Cevap

Verilen ısı

Suya ulaşan ısı

Su debisi

Cevap

Mol

Basınç

Cevap

Gaz yasasını düzenleyin

Yoğunluk

Cevap

Her reaktanın mol sayısı

Sınırlayıcı reaktan

Ürünün kütlesi

Cevap

Teorik verim

Yüzde verim

Cevap

Denge ifadesi

Karekök alın

Denge derişimi

Cevap

Denge ifadesi

İkinci derece denklemi çözün

Denge derişimi

Cevap

Isı dengesi

Son sıcaklık için çözün

Cevap

Tepkime entalpisi

Cevap

Dönüşüm ve derişim

Zaman için çözün

Cevap

Oranlar

Derece

Cevap

Alıkonma süresi

Hacim

Cevap

Alıkonma süresi

Dönüşüm

Cevap

Uç sıcaklık farkları (ters akış)

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

Alan

Cevap

Enerji dengesi ile hız denklemini birleştirin

Çıkış sıcaklığı

Cevap

Katman dirençleri

Isı akısı

Ara yüzey sıcaklığı

Cevap

ṁ₂ için çözün