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 %25 NaOH içersin diye akım 1’e saatte ne kadar akım 2 eklenmeli? ṁ₂ değerini bulun.

ṁ₁ = 850 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 15 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Kütle denkliğiZor

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

F = 1600 kg/hx_F = 16 %x_P = 45 %

W = kg/h

3.Enerji denkliğiOrta

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

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Cṁ_c = 0,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Enerji denkliğiZor

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

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 100 °Ct: 10 → 90 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kayıp = %15

ṁ_c = kg/s

5.İdeal gaz yasasıOrta

390 g He, 250 kPa ve 50 °C koşullarında hangi hacmi V kaplar? İdeal gaz kabul edin.

m = 390 gM = 4,003 g/molP = 250 kPaT = 50 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.İdeal gaz yasasıZor

Sabit miktarda CO₂, 250 kPa, 20 L, 25 °C durumundan 800 kPa ve 250 °C durumuna geçiyor. Yeni hacim V₂ değerini bulun.

P₁ = 250 kPaV₁ = 20 LT₁ = 25 °CP₂ = 800 kPaT₂ = 250 °C

V₂ = L

7.StokiyometriOrta

4 g Al ve 48 g Cl₂, 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ denklemine göre tepkimeye giriyor. En fazla ne kadar kütle m AlCl₃ oluşabilir?

M(Al) = 26,98M(Cl₂) = 70,9M(AlCl₃) = 133,33 g/mol

m = g

8.StokiyometriZor

2H₂ + O₂ → 2H₂O tepkimesinde 6 g H₂ tamamen tepkimeye giriyor (diğer reaktanlar fazla) ve 47,2 g H₂O toplanıyor. Yüzde verim Y'i bulun.

M(H₂) = 2,016 g/molM(H₂O) = 18,02 g/molgerçek: 47,2 g

Y = %

9.Kimyasal dengeOrta

Bir kaba 1 mol/L H₂ ve 1 mol/L I₂ konuyor ve H₂ + I₂ ⇌ 2HI tepkimesi gerçekleşiyor; K_c = 54. Denge derişimi [H₂] değerini bulun.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 54

[H₂] = mol/L

10.Kimyasal dengeZor

PCl₅ ayrışıyor: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, tepkime sıcaklığında K_c = 0,08. Kapta başlangıçta yalnızca 0,2 mol/L PCl₅ var. Denge derişimi [Cl₂] değerini bulun.

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LK_c = 0,08

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri ve entalpiOrta

170 °C’deki 200 g’lık bir bakır bloğu (c = 0,385 J/(g·°C)), yalıtılmış bir kaptaki 17 °C’de 400 g suya (c = 4,18 J/(g·°C)) bırakılıyor. Son sıcaklık T_f değerini bulun.

m_metal = 200 gc_metal = 0,385 J/(g·°C)T_metal = 170 °Cm_water = 400 gT_water = 17 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri ve entalpiZor

Standart oluşum entalpilerini kullanarak 20 g C₄H₁₀ (M = 58,12 g/mol) tamamen yandığında açığa çıkan ısı q değerini bulun: 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). q’yu pozitif bir sayı olarak verin.

ΔH°f(C₄H₁₀) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Tepkime kinetiğiOrta

Hız yasası −r_A = k·C_A² olan bir tepkimede k = 0,05 L/(mol·min) ve başlangıç 2 mol/L. 10 min sonraki derişim C_A değerini bulun.

k = 0,05 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/Lt = 10 min

C_A = mol/L

14.Tepkime kinetiğiZor

Birinci dereceden bir tepkimenin 60 °C’deki hız sabiti 0,02 s⁻¹ ve aktivasyon enerjisi 70 kJ/mol’dür. Arrhenius denklemindeki üs öncesi faktör A değerini bulun.

k = 0,02 s⁻¹T = 60 °CE_a = 70 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

15.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Orta

Sıvı fazda birinci derece bir A → B reaksiyonu (k = 0,08 min⁻¹), 150 L’lik bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Besleme 80 L/min debiyle ve C_A0 = 1,5 mol/L ile giriyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Çıkış derişimi C_A değerini bulun.

V = 150 LQ = 80 L/mink = 0,08 min⁻¹C_A0 = 1,5 mol/L

C_A = mol/L

16.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Zor

Sıvı fazda birinci derece bir reaksiyon (k = 0,2 min⁻¹), 40 L/min ile beslenen 150 L’lik bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Dönüşüm X değerini yüzde olarak bulun.

V = 150 LQ = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹

X = %

17.Isı değiştiriciler (LMTD)Orta

Ters akışlı bir ısı değiştirici 410 kW aktarıyor. Isı transfer alanı 6 m²’dir. Sıcak akışkan 100 değerinden 80 °C değerine soğuyor, soğuk akışkan 30 değerinden 55 °C değerine ısınıyor. Toplam ısı geçiş katsayısı U değerini bulun.

Q̇ = 410 kWA = 6 m²T_h: 100 → 80 °CT_c: 30 → 55 °C

U = W/(m²·K)

18.Isı değiştiriciler (LMTD)Zor

Sıcak yağ (1,5 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) ters akışlı bir değiştiricide 140 değerinden 105 °C değerine soğuyor. 30 °C sıcaklığında giren 1 kg/s suyu (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) ısıtıyor. U = 200 W/(m²·K) ile gereken ısı transfer alanı A değerini bulun.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 105 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 30 °CU = 200 W/(m²·K)

A = m²

19.Isı iletimiOrta

Bir duvar, 20 m² alanında, 250 mm taş yünü ve 100 mm tuğla katmanlarından oluşuyor. Dış yüzeyleri 15 °C ve -15 °C sıcaklığında. İki katman arasındaki ara yüzeyde sıcaklık T_i değerini bulun.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,04 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 15 °CT₃ = -15 °C

T_i = °C

20.Isı iletimiZor

200 mm taş yünü ve 75 mm genleştirilmiş polistiren katmanlarından oluşan bir duvar, 20 °C sıcaklığındaki bir odayı -11 °C sıcaklığındaki dış havadan ayırıyor. Taşınım katsayıları içeride 7,7 W/(m²·K), dışarıda 25 W/(m²·K) ve duvar alanı 6 m². Duvardan ısı kaybı Q̇ değerini bulun.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,04 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -11 °C

Q̇ = W

21.Boru sürtünmesi ve yük kaybıOrta

Su, 400 m uzunluğunda ve iç çapı 75 mm olan bir borudan 3 L/s debiyle akıyor. Darcy sürtünme faktörü f = 0,02 ve g = 9,81 m/s² kullanın. Sürtünme yük kaybı h_f değerini bulun.

Q = 3 L/sL = 400 mD = 75 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Boru sürtünmesi ve yük kaybıZor

İki açık hazne, 100 m uzunluğunda, iç çapı 100 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,022 olan bir boruyla birleştirilmiştir. Üst haznenin su yüzeyi alttakinden 32 m yüksektedir. Yerel kayıplar: keskin kenarlı bir giriş (K = 0,5), 2 dirsek (her biri K = 0,3), bir vana (K = 5) ve alt hazneye çıkış (K = 1,0). g = 9,81 m/s² kullanın. Debi Q değerini L/s cinsinden bulun.

Δz = 32 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 5K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompalar ve pompa gücüOrta

Bir deneyde pompa 80 m basma yüksekliğine karşı 100 L/s su (ρ = 1000 kg/m³) basarken mili 120,7 kW çekiyor. g = 9,81 m/s² kullanın. Pompa verimi η değerini yüzde olarak bulun.

Q = 100 L/sH = 80 mP_shaft = 120,7 kWg = 9,81 m/s²

η = %

24.Pompalar ve pompa gücüZor

Bir pompa 12 L/s suyu (ρ = 1000 kg/m³) açık bir alt hazneden, su yüzeyi 5 m daha yüksekte olan bir üst tanka basıyor. Boru 400 m uzunluğunda, iç çapı 100 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,018; yerel kayıp katsayılarının toplamı ΣK = 8 (giriş ve çıkış dahil). g = 9,81 m/s² kullanın. Pompa verimi %70. Mil gücü P_shaft değerini kW cinsinden bulun.

Q = 12 L/sΔz = 5 mL = 400 mD = 100 mmf = 0,018ΣK = 8η = 70%

P_shaft = kW

3Çözeltiler

1.Kütle denkliği

Cevap: ṁ₂ = 425 kg/h

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

Denklikler

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

ṁ₂ için çözün

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 850·(30 − 25)/(25 − 15) = 425 kg/h

Cevap

ṁ₂ = 425 kg/h

2.Kütle denkliği

Cevap: W = 1031 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 = 1600·16/45 = 568,9 kg/h

Toplam denklik

W = F − P = 1600 − 568,9 = 1031 kg/h

Cevap

W = 1031 kg/h

3.Enerji denkliği

Cevap: t_out = 110,5 °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 = 2·2,1·(130 − 80) = 210 kW

Suyun aldığı ısı

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 210/(0,5·4,18) = 110,5 °C

Cevap

t_out = 110,5 °C

4.Enerji denkliği

Cevap: ṁ_c = 0,183 kg/s

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

Verilen ısı

Q_h = 0,5·3,6·(140 − 100) = 72 kW

Suya ulaşan ısı

Q_c = (1 − 0,15)·72 = 61,2 kW

Su debisi

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 61,2/(4,18·80) = 0,183 kg/s

Cevap

ṁ_c = 0,183 kg/s

5.İdeal gaz yasası

Cevap: V = 1047 L

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

Mol

n = 390/4,003 = 97,43 mol

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

Hacim

V = nRT/P = 97,43·8,314·323,1/250 = 1047 L

Cevap

V = 1047 L

6.İdeal gaz yasası

Cevap: V₂ = 10,97 L

Birleşik gaz yasası: sabit miktarda ideal gaz için P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Mutlak sıcaklıklar

T₁ = 298,1 K, T₂ = 523,1 K

Birleşik gaz yasası

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 20·(250/800)·(523,1/298,1) = 10,97 L

Cevap

V₂ = 10,97 L

7.Stokiyometri

Cevap: m = 19,77 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(Al) = 4/26,98 = 0,1483 mol

n(Cl₂) = 48/70,9 = 0,677 mol

Sınırlayıcı reaktan

0,1483/2 = 0,07413, 0,677/3 = 0,2257 → Al

Ürünün kütlesi

n(AlCl₃) = 0,07413·2 = 0,1483 mol

m = 0,1483·133,33 = 19,77 g

Cevap

m = 19,77 g

8.Stokiyometri

Cevap: Y = 88,01 %

Teorik verim

n(H₂) = 6/2,016 = 2,976 mol

m = 2,976·2/2·18,02 = 53,63 g

Yüzde verim

Y = 47,2/53,63·100 = 88,01%

Cevap

Y = 88,01%

9.Kimyasal denge

Cevap: [H₂] = 0,2139 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

54 = (2x)²/(1 − x)²

Karekök alın

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

Denge derişimi

[H₂] = 1 − x = 0,2139 mol/L

Cevap

[H₂] = 0,2139 mol/L

10.Kimyasal denge

Cevap: [Cl₂] = 0,09266 mol/L

Denge ifadesi

0,08 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,08·x − 0,016 = 0

İkinci derece denklemi çözün

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,016))/2 = 0,09266 mol/L

Denge derişimi

[Cl₂] = x = 0,09266 mol/L

Cevap

[Cl₂] = 0,09266 mol/L

11.Kalorimetri ve entalpi

Cevap: T_f = 23,74 °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

200·0,385·(170 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 17)

Son sıcaklık için çözün

T_f = (77·170 + 1672·17)/(77 + 1672) = 23,74 °C

Cevap

T_f = 23,74 °C

12.Kalorimetri ve entalpi

Cevap: q = 990,2 kJ

Tepkime entalpisi

ΔH° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Verilen kütle için ısı

n = 20/58,12 = 0,3441 mol

q = n·|ΔH°/2| = 0,3441·2877 = 990,2 kJ

Cevap

q = 990,2 kJ

13.Tepkime kinetiği

Cevap: C_A = 1 mol/L

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).

İntegre ikinci derece yasası

1/C_A = 1/C_A0 + kt = 0,5 + 0,05·10 = 1 L/mol

C_A = 1/1 = 1 mol/L

Cevap

C_A = 1 mol/L

14.Tepkime kinetiği

Cevap: A = 1,891 × 10⁹ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e^−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Mutlak sıcaklık

T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Arrhenius’u A için çözün

E_a/(RT) = 70000/(8,314·333,1) = 25,27

A = k·e^25,27 = 0,02·9,456 × 10¹⁰ = 1,891 × 10⁹ s⁻¹

Cevap

A = 1,891 × 10⁹ s⁻¹

15.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: C_A = 1,291 mol/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 = V/Q = 150/80 = 1,875 min

Çıkış derişimi

C_A = 1,5·e^{−0,08·1,875} = 1,291 mol/L

Cevap

C_A = 1,291 mol/L

Dönüşüm: X = 13,93%.

16.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: X = 52,76 %

Alıkonma süresi

τ = V/Q = 150/40 = 3,75 min, kτ = 0,2·3,75 = 0,75

Dönüşüm

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−0,75 = 52,76%

Cevap

X = 52,76%

17.Isı değiştiriciler (LMTD)

Cevap: U = 1440 W/(m²·K)

LMTD method: the temperature difference between the streams changes along the exchanger, so the rate equation uses its logarithmic mean: Q̇ = U·A·ΔT_lm, with ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), where ΔT₁ and ΔT₂ are the differences at the two ends. Counter-flow gives a larger ΔT_lm than parallel flow for the same inlet and outlet temperatures.

Uç sıcaklık farkları

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

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 100 − 55 = 45 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 30 = 50 K

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (45 − 50)/ln(45/50) = 47,46 K

Toplam ısı geçiş katsayısı

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 410000/(6·47,46) = 1440 W/(m²·K)

Cevap

U = 1440 W/(m²·K)

18.Isı değiştiriciler (LMTD)

Cevap: A = 8,546 m²

LMTD yöntemi: akımlar arasındaki sıcaklık farkı değiştirici boyunca değişir, bu yüzden hız denklemi logaritmik ortalamasını kullanır: Q̇ = U·A·ΔT_lm, ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂); ΔT₁ ve ΔT₂ iki uçtaki farklardır. Aynı giriş ve çıkış sıcaklıkları için ters akış, paralel akıştan daha büyük ΔT_lm verir.

Isı yükü ve suyun çıkış sıcaklığı

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 1,5·2,5·35 = 131,3 kW

T_c,out = 30 + 131,3/(1·4,18) = 61,4 °C

Uç sıcaklık farkları

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

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 140 − 61,4 = 78,6 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 105 − 30 = 75 K

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (78,6 − 75)/ln(78,6/75) = 76,79 K

Alan

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 131250/(200·76,79) = 8,546 m²

Cevap

A = 8,546 m²

19.Isı iletimi

Cevap: T_i = −14,35 °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) = (250/1000)/(0,04·20) = 0,3125 K/W

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

Isı akısı

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 30/0,3194 = 93,91 W

Ara yüzey sıcaklığı

İlk katmanda sıcaklık Q̇·R₁ kadar düşer.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 15 − 93,91·0,3125 = −14,35 °C

Cevap

T_i = −14,35 °C

20.Isı iletimi

Cevap: Q̇ = 25,44 W

Seri dirençler

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·6) = 0,02165 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,04·6) = 0,8333 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0,035·6) = 0,3571 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·6) = 0,006667 K/W

ΣR = 1,219 K/W

Isı kaybı

Q̇ = (20 − (-11))/1,219 = 25,44 W

Cevap

Q̇ = 25,44 W

21.Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Cevap: h_f = 2,507 m

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.

Ortalama hız

A = π·0,075²/4 = 0,004418 m²

V = Q/A = 0,003/0,004418 = 0,6791 m/s

Hız yüksekliği

V²/(2g) = 0,6791²/(2·9,81) = 0,0235 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(400/0,075)·0,6791²/(2·9,81) = 2,507 m

Cevap

h_f = 2,507 m

22.Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Cevap: Q = 36,48 L/s

Kayıp katsayıları

f·L/D = 0,022·100/0,1 = 22

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Enerji denklemi

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

32 = (22 + 7,1)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·32/29,1) = 4,645 m/s

Debi

Q = V·π·D²/4 = 4,645·0,007854 = 0,03648 m³/s = 36,48 L/s

Cevap

Q = 36,48 L/s

23.Pompalar ve pompa gücü

Cevap: η = 65,02 %

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 = 1000·9,81·0,1·80 = 78,48 kW

Verim

η = P_h/P_shaft = 78,48/120,7 = 65,02%

Cevap

η = 65,02%

24.Pompalar ve pompa gücü

Cevap: P_shaft = 2,442 kW

Hız

V = Q/A = 0,012/0,007854 = 1,528 m/s

V²/(2g) = 0,119 m

Yük kayıpları

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (72 + 8)·0,119 = 9,519 m

Pompa basma yüksekliği

H = Δz + h_L = 5 + 9,519 = 14,52 m

Mil gücü

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,012·14,52/0,7 = 2,442 kW

Cevap

P_shaft = 2,442 kW

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

Hacim

Cevap

Mutlak sıcaklıklar

Birleşik gaz yasası

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

Verilen kütle için ısı

Cevap

İntegre ikinci derece yasası

Cevap

Mutlak sıcaklık

Arrhenius’u A için çözün

Cevap

Alıkonma süresi

Çıkış derişimi

Cevap

Alıkonma süresi

Dönüşüm

Cevap

Uç sıcaklık farkları

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

Toplam ısı geçiş katsayısı

Cevap

Isı yükü ve suyun çıkış sıcaklığı

Uç sıcaklık farkları

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

Alan

Cevap

Katman dirençleri

Isı akısı

ṁ₂ için çözün