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

ṁ₁ = 850 kg/hx₁ = 10 %x₂ = 50 %x₃ = 40 %

ṁ₂ = kg/h

2.Kütle denkliğiZor

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

F = 2500 kg/hx_F = 17 %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 = 3 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 110 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Enerji denkliğiZor

Sıcak glikol karışımı, sıcak akımın verdiği ısının %10’ini çevreye kaybeden bir değiştiricide suyu ısıtıyor. Gereken su debisi ṁ_c değerini bulun.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 150 °Ct: 25 → 60 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kayıp = %10

ṁ_c = kg/s

5.İdeal gaz yasasıOrta

150 g O₂, 200 kPa ve 85 °C koşullarında hangi hacmi V kaplar? İdeal gaz kabul edin.

m = 150 gM = 32 g/molP = 200 kPaT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.İdeal gaz yasasıZor

CO₂ gazının 700 kPa ve 100 °C koşullarındaki yoğunluğu ρ değerini ideal gaz kabul ederek bulun.

M = 44,01 g/molP = 700 kPaT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StokiyometriOrta

12 g N₂ ve 8 g H₂, N₂ + 3H₂ → 2NH₃ denklemine göre tepkimeye giriyor. En fazla ne kadar kütle m NH₃ oluşabilir?

M(N₂) = 28,02M(H₂) = 2,016M(NH₃) = 17,03 g/mol

m = g

8.StokiyometriZor

CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O tepkimesinde 30 g CH₄ tamamen tepkimeye giriyor (diğer reaktanlar fazla) ve 72,44 g CO₂ toplanıyor. Yüzde verim Y'i bulun.

M(CH₄) = 16,04 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molgerçek: 72,44 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 = 50. Denge derişimi [H₂] değerini bulun.

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 50

[H₂] = mol/L

10.Kimyasal dengeZor

PCl₅ ayrışıyor: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, tepkime sıcaklığında K_c = 0,01. Kapta başlangıçta yalnızca 0,25 mol/L PCl₅ var. Denge derişimi [PCl₅] değerini bulun.

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,01

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri ve entalpiOrta

130 °C’deki 150 g’lık bir çinko bloğu (c = 0,388 J/(g·°C)), yalıtılmış bir kaptaki 20 °C’de 150 g suya (c = 4,18 J/(g·°C)) bırakılıyor. Son sıcaklık T_f değerini bulun.

m_metal = 150 gc_metal = 0,388 J/(g·°C)T_metal = 130 °Cm_water = 150 gT_water = 20 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri ve entalpiZor

Standart oluşum entalpilerini kullanarak 250 g C₂H₅OH (M = 46,07 g/mol) tamamen yandığında açığa çıkan ısı q değerini bulun: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). q’yu pozitif bir sayı olarak verin.

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277,7 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 = 0,5 L/(mol·min) ve başlangıç 2 mol/L. 5 min sonraki derişim C_A değerini bulun.

k = 0,5 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/Lt = 5 min

C_A = mol/L

14.Tepkime kinetiğiZor

Bir tepkimenin hız sabiti 35 °C’de 0,01 min⁻¹, 45 °C’de 0,0251 min⁻¹. Aktivasyon enerjisi E_a değerini bulun.

k₁ = 0,01 min⁻¹T₁ = 35 °Ck₂ = 0,0251 min⁻¹T₂ = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Orta

Sıvı fazda birinci derece bir A → B reaksiyonu (k = 0,15 min⁻¹), 2000 L’lik bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Besleme 80 L/min debiyle ve C_A0 = 1 mol/L ile giriyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Çıkış derişimi C_A değerini bulun.

V = 2000 LQ = 80 L/mink = 0,15 min⁻¹C_A0 = 1 mol/L

C_A = mol/L

16.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)Zor

Sıvı fazda birinci derece bir reaksiyon (k = 0,08 min⁻¹), 50 L/min ile beslenen 250 L’lik bir piston akışlı reaktörde (PFR) yürütülüyor. Yoğunluk sabittir ve reaktör kararlı hâldedir. Dönüşüm X değerini yüzde olarak bulun.

V = 250 LQ = 50 L/mink = 0,08 min⁻¹

X = %

17.Isı değiştiriciler (LMTD)Orta

Bir kondenserde buhar, boruların dış yüzeyinde sabit 130 °C’de yoğuşuyor. Soğutma suyu (3 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) borulardan akıyor ve 30 değerinden 115 °C değerine ısınıyor. Toplam ısı geçiş katsayısı 1000 W/(m²·K)’dir. Gereken ısı transfer alanı A değerini bulun.

T_s = 130 °Cṁ = 3 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c: 30 → 115 °CU = 1000 W/(m²·K)

A = m²

18.Isı değiştiriciler (LMTD)Zor

Ters akışlı çift borulu bir ısı değiştiricide sıcak yağ (0,5 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) iç boruda akıyor ve 130 değerinden 65 °C değerine soğuyor. Halka kesitteki su (0,2 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) 15 °C’de giriyor. İç borunun çapı 40 mm’dir ve U = 400 W/(m²·K) bu çapa göre verilmiştir. Gereken boru uzunluğu L değerini bulun.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 65 °Cṁ_c = 0,2 kg/sT_c,in = 15 °CD = 40 mmU = 400 W/(m²·K)

L = m

19.Isı iletimiOrta

Bir duvar, 10 m² alanında, 50 mm ahşap ve 50 mm beton katmanlarından oluşuyor. Dış yüzeyleri 20 °C ve -3 °C sıcaklığında. Duvardan geçen ısı akısı Q̇ değerini bulun.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 1,4 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 20 °CT₃ = -3 °C

Q̇ = W

20.Isı iletimiZor

50 mm tuğla ve 25 mm ahşap katmanlarından oluşan bir duvar, 20 °C sıcaklığındaki bir odayı -11 °C sıcaklığındaki dış havadan ayırıyor. Taşınım katsayıları içeride 8 W/(m²·K), dışarıda 30 W/(m²·K) ve duvar alanı 6 m². Duvardan ısı kaybı Q̇ değerini bulun.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -11 °C

Q̇ = W

21.Boru sürtünmesi ve yük kaybıOrta

Su (ρ = 1000 kg/m³), 1000 m uzunluğunda ve iç çapı 100 mm olan yatay bir borudan 1,5 m/s hızla akıyor. Darcy sürtünme faktörü f = 0,025 ve g = 9,81 m/s² kullanın. Boru boyunca basınç düşüşü Δp değerini kPa cinsinden bulun.

V = 1,5 m/sL = 1000 mD = 100 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Boru sürtünmesi ve yük kaybıZor

İki açık hazne, 150 m uzunluğunda, iç çapı 300 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,025 olan bir boruyla birleştirilmiştir. Yerel kayıplar: keskin kenarlı bir giriş (K = 0,5), 4 dirsek (her biri K = 0,3), bir vana (K = 10) ve alt hazneye çıkış (K = 1,0). g = 9,81 m/s² kullanın. Hazneler arasındaki hangi su seviyesi farkı Δz, 120 L/s debi verir?

Q = 120 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,025K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 10K_exit = 1,0

Δz = m

23.Pompalar ve pompa gücüOrta

Verimi %82 olan bir pompa 44 m basma yüksekliğine karşı 15 L/s su (ρ = 1000 kg/m³) basıyor. g = 9,81 m/s² kullanın. Gereken mil gücü P_shaft değerini kW cinsinden bulun.

Q = 15 L/sH = 44 mη = 82%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pompalar ve pompa gücüZor

Bir pompa 120 L/s suyu (ρ = 1000 kg/m³) açık bir alt hazneden, su yüzeyi 16 m daha yüksekte olan bir üst tanka basıyor. Boru 500 m uzunluğunda, iç çapı 250 mm ve Darcy sürtünme faktörü f = 0,025; yerel kayıp katsayılarının toplamı ΣK = 8 (giriş ve çıkış dahil). g = 9,81 m/s² kullanın. Pompa verimi %65. Mil gücü P_shaft değerini kW cinsinden bulun.

Q = 120 L/sΔz = 16 mL = 500 mD = 250 mmf = 0,025ΣK = 8η = 65%

P_shaft = kW

3Çözeltiler

1.Kütle denkliği

Cevap: ṁ₂ = 2550 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) = 850·(10 − 40)/(40 − 50) = 2550 kg/h

Cevap

ṁ₂ = 2550 kg/h

2.Kütle denkliği

Cevap: W = 1846 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 = 2500·17/65 = 653,8 kg/h

Toplam denklik

W = F − P = 2500 − 653,8 = 1846 kg/h

Cevap

W = 1846 kg/h

3.Enerji denkliği

Cevap: t_out = 63,06 °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 = 3·3,6·(160 − 110) = 540 kW

Suyun aldığı ısı

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 540/(3·4,18) = 63,06 °C

Cevap

t_out = 63,06 °C

4.Enerji denkliği

Cevap: ṁ_c = 1,661 kg/s

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

Verilen ısı

Q_h = 2,5·3,6·(180 − 150) = 270 kW

Suya ulaşan ısı

Q_c = (1 − 0,1)·270 = 243 kW

Su debisi

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 243/(4,18·35) = 1,661 kg/s

Cevap

ṁ_c = 1,661 kg/s

5.İdeal gaz yasası

Cevap: V = 69,79 L

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

Mol

n = 150/32 = 4,688 mol

T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Hacim

V = nRT/P = 4,688·8,314·358,1/200 = 69,79 L

Cevap

V = 69,79 L

6.İdeal gaz yasası

Cevap: ρ = 9,93 kg/m³

İdeal gaz yoğunluğu: ρ = PM/(RT).

Gaz yasasını düzenleyin

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Yoğunluk

ρ = 700·44,01/(8,314·373,1) = 9,93 kg/m³

Cevap

ρ = 9,93 kg/m³

7.Stokiyometri

Cevap: m = 14,59 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(N₂) = 12/28,02 = 0,4283 mol

n(H₂) = 8/2,016 = 3,968 mol

Sınırlayıcı reaktan

0,4283/1 = 0,4283, 3,968/3 = 1,323 → N₂

Ürünün kütlesi

n(NH₃) = 0,4283·2 = 0,8565 mol

m = 0,8565·17,03 = 14,59 g

Cevap

m = 14,59 g

8.Stokiyometri

Cevap: Y = 88,01 %

Teorik verim

n(CH₄) = 30/16,04 = 1,87 mol

m = 1,87·1/1·44,01 = 82,31 g

Yüzde verim

Y = 72,44/82,31·100 = 88,01%

Cevap

Y = 88,01%

9.Kimyasal denge

Cevap: [H₂] = 0,2205 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

50 = (2x)²/(1 − x)²

Karekök alın

7,071 = 2x/(1 − x) → x = 1·7,071/(2 + 7,071) = 0,7795 mol/L

Denge derişimi

[H₂] = 1 − x = 0,2205 mol/L

Cevap

[H₂] = 0,2205 mol/L

10.Kimyasal denge

Cevap: [PCl₅] = 0,2048 mol/L

Denge ifadesi

0,01 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,01·x − 0,0025 = 0

İkinci derece denklemi çözün

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,0025))/2 = 0,04525 mol/L

Denge derişimi

[PCl₅] = 0,25 − 0,04525 = 0,2048 mol/L

Cevap

[PCl₅] = 0,2048 mol/L

11.Kalorimetri ve entalpi

Cevap: T_f = 29,34 °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

150·0,388·(130 − T_f) = 150·4,18·(T_f − 20)

Son sıcaklık için çözün

T_f = (58,2·130 + 627·20)/(58,2 + 627) = 29,34 °C

Cevap

T_f = 29,34 °C

12.Kalorimetri ve entalpi

Cevap: q = 7416 kJ

Tepkime entalpisi

ΔH° = [2·(−393,5) + 3·(−285,8)] − [1·(−277,7) + 3·0] = −1367 kJ

Verilen kütle için ısı

n = 250/46,07 = 5,427 mol

q = n·|ΔH°/1| = 5,427·1367 = 7416 kJ

Cevap

q = 7416 kJ

13.Tepkime kinetiği

Cevap: C_A = 0,3333 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 + 0,5·5 = 3 L/mol

C_A = 1/3 = 0,3333 mol/L

Cevap

C_A = 0,3333 mol/L

14.Tepkime kinetiği

Cevap: E_a = 75,01 kJ/mol

Mutlak sıcaklıklar

T₁ = 308,1 K, T₂ = 318,1 K

Arrhenius’tan Ea’yı çözün

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·0,9203/(-1,020e-4) = 75011 J/mol

E_a = 75,01 kJ/mol

Cevap

E_a = 75,01 kJ/mol

15.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: C_A = 0,02352 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 = 2000/80 = 25 min

Çıkış derişimi

C_A = 1·e^−0,15·25 = 0,02352 mol/L

Cevap

C_A = 0,02352 mol/L

Dönüşüm: X = 97,65%.

16.Reaktör boyutlandırma (CSTR ve PFR)

Cevap: X = 32,97 %

Alıkonma süresi

τ = V/Q = 250/50 = 5 min, kτ = 0,08·5 = 0,4

Dönüşüm

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−0,4 = 32,97%

Cevap

X = 32,97%

17.Isı değiştiriciler (LMTD)

Cevap: A = 23,79 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.

Su tarafından ısı yükü

Q̇ = 3·4,18·(115 − 30) = 1066 kW

Uç sıcaklık farkları

ΔT₁ = 130 − 30 = 100 K

ΔT₂ = 130 − 115 = 15 K

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 15)/ln(100/15) = 44,8 K

Alan

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 1,066 × 10⁶/(1000·44,8) = 23,79 m²

Cevap

A = 23,79 m²

18.Isı değiştiriciler (LMTD)

Cevap: L = 51,83 m

Isı yükü ve suyun çıkış sıcaklığı

Q̇ = 0,5·2,5·(130 − 65) = 81,25 kW

T_c,out = 15 + 81,25/(0,2·4,18) = 112,2 °C

Uç sıcaklık farkları

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

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 130 − 112,2 = 17,81 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 65 − 15 = 50 K

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (17,81 − 50)/ln(17,81/50) = 31,18 K

Alan ve uzunluk

A = 81250/(400·31,18) = 6,514 m²

L = A/(πD) = 6,514/(π·0,04) = 51,83 m

Cevap

L = 51,83 m

19.Isı iletimi

Cevap: Q̇ = 697,3 W

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) = (50/1000)/(0,17·10) = 0,02941 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(1,4·10) = 0,003571 K/W

Isı akısı

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 23/0,03298 = 697,3 W

Cevap

Q̇ = 697,3 W

20.Isı iletimi

Cevap: Q̇ = 496,2 W

Seri dirençler

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·6) = 0,02083 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,72·6) = 0,01157 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·6) = 0,02451 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·6) = 0,005556 K/W

ΣR = 0,06247 K/W

Isı kaybı

Q̇ = (20 − (-11))/0,06247 = 496,2 W

Cevap

Q̇ = 496,2 W

21.Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Cevap: Δp = 281,3 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) = 0,025·(1000/0,1)·1,5²/(2·9,81) = 28,67 m

Basınç düşüşü

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

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·28,67 = 281250 Pa = 281,3 kPa

Cevap

Δp = 281,3 kPa

22.Boru sürtünmesi ve yük kaybı

Cevap: Δz = 3,702 m

Hız

V = Q/A = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s

V²/(2g) = 0,1469 m

Kayıp katsayıları

f·L/D = 0,025·150/0,3 = 12,5

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Toplam yük kaybı

h_f = 12,5·0,1469 = 1,836 m

h_m = 12,7·0,1469 = 1,866 m

Δz = h_f + h_m = 3,702 m

Cevap

Δz = 3,702 m

23.Pompalar ve pompa gücü

Cevap: P_shaft = 7,896 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 = 1000·9,81·0,015·44 = 6,475 kW

Mil gücü

P_shaft = P_h/η = 6,475/0,82 = 7,896 kW

Cevap

P_shaft = 7,896 kW

24.Pompalar ve pompa gücü

Cevap: P_shaft = 60,97 kW

Hız

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s

V²/(2g) = 0,3046 m

Yük kayıpları

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 8)·0,3046 = 17,67 m

Pompa basma yüksekliği

H = Δz + h_L = 16 + 17,67 = 33,67 m

Mil gücü

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,12·33,67/0,65 = 60,97 kW

Cevap

P_shaft = 60,97 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

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

Verilen kütle için ısı

Cevap

İntegre ikinci derece yasası

Cevap

Mutlak sıcaklıklar

Arrhenius’tan Ea’yı çözün

Cevap

Alıkonma süresi

Çıkış derişimi

Cevap

Alıkonma süresi

Dönüşüm

Cevap

Su tarafından ısı yükü

Uç sıcaklık farkları

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

Alan

Cevap

Isı yükü ve suyun çıkış sıcaklığı

Uç sıcaklık farkları

Logaritmik ortalama sıcaklık farkı

Alan ve uzunluk

Cevap

Katman dirençleri

ṁ₂ için çözün