Підготовка до іспиту FE Chemical: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 24 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачі Назад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Матеріальний баланс

Усталений режим: вхід = вихід
Загальний баланс: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Баланс компонента: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Випарник: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Енергетичний баланс

Явна теплота: Q = ṁ·c_p·ΔT
Прихована теплота: Q = ṁ·h_fg
Змішування: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Вода: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Рівняння стану ідеального газу

Рівняння стану ідеального газу: pV = nRT
Газова стала: R = 8,314 J/(mol·K)
Об’єднаний газовий закон: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Молі: n = m/M
Температура: T[K] = T[°C] + 273,15

Стехіометрія

Молі: n = m/M
Концентрація: c = n/V
Мольне співвідношення: використовуйте стехіометричні коефіцієнти рівняння реакції
Лімітуючий реагент: той, що закінчується першим
Вихід у відсотках: фактичний / теоретичний × 100%

Метод

Запишіть і зрівняйте хімічне рівняння.
Переведіть дану масу в моль: n = m/M.
Використайте коефіцієнти як мольне співвідношення, щоб знайти кількість молів потрібної речовини.
Поверніться до маси за m = n·M. Якщо реагентів два, спершу знайдіть лімітуючий реагент.

Хімічна рівновага

Константа рівноваги: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Таблиця ICE: Початкове (Initial), зміна (Change, ×коефіцієнт), рівновага (Equilibrium)
Квадратне рівняння: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Метод

Запишіть K_c як добуток концентрацій продуктів, поділений на добуток концентрацій реагентів, кожну в степені свого коефіцієнта.
Складіть таблицю ICE: Initial (початкові), Change (зміна, кроками x, помноженими на коефіцієнти), Equilibrium (рівноважні).
Підставте рівноважні вирази в K_c і розв’яжіть щодо x.
Перевірте, чи x достатньо мале для наближення; інакше розв’яжіть квадратне рівняння.

Калориметрія й ентальпія

Теплота: q = m·c·ΔT
Вода: c = 4,18 J/(g·°C)
Калориметр: віддана теплота = отримана теплота
Ентальпія реакції: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Хімічна кінетика

Перший порядок: ln(C_A/C_A0) = −kt
Період напівперетворення (перший порядок): t_½ = ln 2/k
Другий порядок: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Арреніус: k = A·e^−E_a/(RT)
Дві температури: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Час перебування (space time): τ = V/Q
CSTR, перший порядок: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, перший порядок: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Конверсія за об’ємом: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N однакових CSTR послідовно: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Теплообмінники (LMTD)

Теплове навантаження: Q = U·A·ΔT_lm
Середньологарифмічний температурний напір: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Баланс потоків: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Теплопровідність

Закон Фур’є: Q̇ = kAΔT/L
Термічний опір теплопровідності: R = L/(kA)
Термічний опір тепловіддачі: R = 1/(hA)
Послідовні опори: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Коефіцієнт теплопередачі U: U = 1/(ΣR·A)

Тертя в трубах і втрати напору

Число Рейнольдса: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Режим течії: ламінарний при Re нижче ≈ 2000, турбулентний при Re вище ≈ 4000
Середня швидкість: V = Q/A, A = π·D²/4
Дарсі–Вейсбах: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Місцеві втрати: h_m = ΣK·V²/(2g)
Типові значення K: вхід 0,5, вихід 1,0, коліно 90° ≈ 0,3
Перепад тиску: Δp = ρ·g·h_f
Два відкриті резервуари: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Вільний вихід: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Насоси й потужність насосів

Гідравлічна потужність: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Потужність на валу: P_shaft = P_h/η_pump
Електрична потужність: P_el = P_shaft/η_motor
Напір насоса: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Втрати в системі: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Задачі для практики

1.Матеріальний балансСередня

Скільки потоку 2 треба щогодини додавати до потоку 1, щоб суміш містила 30% компонента (цукор)? Знайдіть ṁ₂.

ṁ₁ = 250 kg/hx₁ = 40 %x₂ = 5 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Матеріальний балансСкладна

Випарник концентрує розчин (цукор), випаровуючи чисту воду. Знайдіть кількість випаруваної води W в kg/h.

F = 700 kg/hx_F = 13 %x_P = 50 %

W = kg/h

3.Енергетичний балансСередня

Гарячий теплоносій (легка олива) охолоджує воду в протитечійному теплообміннику без втрат тепла. Знайдіть температуру води на виході t_out.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 90 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °C

t_out = °C

4.Енергетичний балансСкладна

Гарячий теплоносій (легка олива) нагріває воду в теплообміннику, що втрачає в довкілля 5% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁ_c.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 90 °Ct: 10 → 30 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Рівняння стану ідеального газуСередня

Резервуар об’ємом 50 L містить 340 g газу (Ar) при 20 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.

m = 340 gM = 39,95 g/molV = 50 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Рівняння стану ідеального газуСкладна

Знайдіть густину ρ газу (N₂) при 250 kPa і 180 °C, вважаючи його ідеальним.

M = 28,01 g/molP = 250 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.СтехіометріяСередня

20 g C₃H₈ і 8 g O₂ реагують за рівнянням C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Яка маса m CO₂ може утворитися?

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

m = g

8.СтехіометріяСкладна

У реакції C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ 10 g C₆H₁₂O₆ реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 3,03 g CO₂. Знайдіть вихід у відсотках Y.

M(C₆H₁₂O₆) = 180,16 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molфактичний: 3,03 g

Y = %

9.Хімічна рівновагаСередня

У посудину вносять 0,5 mol/L H₂ і 0,5 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 9. Знайдіть рівноважну концентрацію [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,5 mol/LK_c = 9

[HI] = mol/L

10.Хімічна рівновагаСкладна

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,05 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 0,5 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LK_c = 0,05

[Cl₂] = mol/L

11.Калориметрія й ентальпіяСередня

Брусок масою 50 g (матеріал: цинк, c = 0,388 J/(g·°C)) за температури 190 °C опускають у 400 g води (c = 4,18 J/(g·°C)) за 25 °C у теплоізольованій склянці. Знайдіть кінцеву температуру T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,388 J/(g·°C)T_metal = 190 °Cm_water = 400 gT_water = 25 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Калориметрія й ентальпіяСкладна

За стандартними ентальпіями утворення знайдіть теплоту q, що виділяється під час повного згоряння 50 g CH₄ (M = 16,04 g/mol): CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Подайте q додатним числом.

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

q = kJ

13.Хімічна кінетикаСередня

Реакція з кінетичним рівнянням −r_A = k·C_A² має k = 0,5 L/(mol·min) і починається з 1,5 mol/L. Знайдіть концентрацію C_A через 10 min.

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

C_A = mol/L

14.Хімічна кінетикаСкладна

Константа швидкості реакції — 0,005 min⁻¹ при 25 °C і 0,0795 min⁻¹ при 55 °C. Знайдіть енергію активації E_a.

k₁ = 0,005 min⁻¹T₁ = 25 °Ck₂ = 0,0795 min⁻¹T₂ = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня

Рідиннофазна реакція першого порядку A → B (k = 0,08 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 250 L. Живлення надходить з витратою 10 L/min при C_A0 = 2,5 mol/L. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть вихідну концентрацію C_A.

V = 250 LQ = 10 L/mink = 0,08 min⁻¹C_A0 = 2,5 mol/L

C_A = mol/L

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,5 min⁻¹) відбувається в CSTR об’ємом 150 L з витратою живлення 25 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 150 LQ = 25 L/mink = 0,5 min⁻¹

X = %

17.Теплообмінники (LMTD)Середня

Кожухотрубний теплообмінник (один хід у міжтрубному просторі, два ходи в трубах) має передавати 150 kW. Гарячий теплоносій охолоджується від 85 до 55 °C, а холодний нагрівається від 25 до 50 °C. Поправковий коефіцієнт до LMTD для цієї схеми F = 0,92, а U = 800 W/(m²·K). Знайдіть потрібну площу теплообміну A.

Q̇ = 150 kWF = 0,92U = 800 W/(m²·K)T_h: 85 → 55 °CT_c: 25 → 50 °C

A = m²

18.Теплообмінники (LMTD)Складна

Гаряча олива (0,5 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) охолоджується з 100 до 60 °C у протитечійному теплообміннику. Вона нагріває 1,5 kg/s води (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)), що входить при 25 °C. При U = 500 W/(m²·K) знайдіть потрібну площу теплообміну A.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 100 → 60 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 500 W/(m²·K)

A = m²

19.ТеплопровідністьСередня

Стіна складається з 50 mm шару (пінополістирол) і 50 mm шару (деревина), її площа 4 m². Зовнішні поверхні мають 19 °C і -15 °C. Знайдіть температуру T_i на межі між двома шарами.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 19 °CT₃ = -15 °C

T_i = °C

20.ТеплопровідністьСкладна

Стіна з 200 mm (скло) і 75 mm (бетон) відділяє приміщення при 20 °C від зовнішнього повітря при -6 °C. Коефіцієнти тепловіддачі — 8 W/(m²·K) всередині та 25 W/(m²·K) ззовні, площа стіни 6 m². Знайдіть температуру T_s внутрішньої поверхні стіни.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,96 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 1,4 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -6 °C

T_s = °C

21.Тертя в трубах і втрати напоруСередня

Вода тече з витратою 15 L/s трубою довжиною 150 m з внутрішнім діаметром 100 mm. Візьміть коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,03 і g = 9,81 m/s². Знайдіть втрати напору на тертя h_f.

Q = 15 L/sL = 150 mD = 100 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Тертя в трубах і втрати напоруСкладна

Два відкриті резервуари з’єднані трубою довжиною 300 m з внутрішнім діаметром 200 mm і коефіцієнтом тертя Дарсі f = 0,018. Поверхня води у верхньому резервуарі на 22 m вища, ніж у нижньому. Місцеві втрати: вхід з гострою кромкою (K = 0,5), 4 колін (K = 0,3 кожне), засувка (K = 5) і вихід у нижній резервуар (K = 1,0). Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть витрату Q у L/s.

Δz = 22 mL = 300 mD = 200 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 5K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Насоси й потужність насосівСередня

Насос подає 50 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) проти напору 30 m. ККД насоса 65%, а ККД електродвигуна, що його приводить, — 95%. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть електричну потужність P_el, яку споживає двигун, у kW.

Q = 50 L/sH = 30 mη_pump = 65%η_motor = 95%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Насоси й потужність насосівСкладна

Насос перекачує 15 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) з відкритого нижнього резервуара у верхній бак, поверхня води в якому на 5 m вища. Труба довжиною 100 m має внутрішній діаметр 100 mm і коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,022; сума коефіцієнтів місцевих втрат ΣK = 8 (з урахуванням входу й виходу). Візьміть g = 9,81 m/s². ККД насоса 82%. Знайдіть потужність на валу P_shaft у kW.

Q = 15 L/sΔz = 5 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,022ΣK = 8η = 82%

P_shaft = kW

3Розчини

1.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ₂ = 100 kg/h

Матеріальний баланс в усталеному режимі: вхід = вихід для загальної маси й для кожного компонента. Задачі на змішування поєднують обидва.

Баланси

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

цукор: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Виразіть ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 250·(40 − 30)/(30 − 5) = 100 kg/h

Відповідь

ṁ₂ = 100 kg/h

2.Матеріальний баланс

Відповідь: W = 518 kg/h

Ключовий компонент: компонент, що без змін проходить лише в одному потоці (тут розчинена речовина), напряму пов’язує витрати. Решту дає загальний баланс.

Баланс розчиненої речовини

F·x_F = P·x_P → P = 700·13/50 = 182 kg/h

Загальний баланс

W = F − P = 700 − 182 = 518 kg/h

Відповідь

W = 518 kg/h

3.Енергетичний баланс

Відповідь: t_out = 50,12 °C

Енергетичний баланс теплообмінника: без втрат ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Теплота, віддана гарячим потоком

Q = 2·2,1·(140 − 90) = 210 kW

Теплота, отримана водою

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 210/(2·4,18) = 50,12 °C

Відповідь

t_out = 50,12 °C

4.Енергетичний баланс

Відповідь: ṁ_c = 0,7159 kg/s

Енергетичний баланс із втратами: віддана теплота = отримана теплота + втрачена теплота.

Віддана теплота

Q_h = 1·2,1·(120 − 90) = 63 kW

Теплота, що доходить до води

Q_c = (1 − 0,05)·63 = 59,85 kW

Витрата води

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 59,85/(4,18·20) = 0,7159 kg/s

Відповідь

ṁ_c = 0,7159 kg/s

5.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: P = 414,9 kPa

Рівняння стану ідеального газу: PV = nRT, де n = m/M.

Молі

n = m/M = 340/39,95 = 8,511 mol

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

Тиск

P = nRT/V = 8,511·8,314·293,1/0,05 = 414,9 kPa

Відповідь

P = 414,9 kPa

6.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: ρ = 1,859 kg/m³

Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).

Перетворіть газовий закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 180 + 273,15 = 453,1 K

Густина

ρ = 250·28,01/(8,314·453,1) = 1,859 kg/m³

Відповідь

ρ = 1,859 kg/m³

7.Стехіометрія

Відповідь: m = 6,602 g

Стехіометрія: зрівняне рівняння рахує частинки, а не грами. Переведіть масу в моль за n = m/M, використайте коефіцієнти рівняння як мольне співвідношення, а потім поверніться до маси: m = n·M. Якщо реагентів два, лімітуючий реагент — той, що закінчується першим і визначає кількість продукту.

Кількість речовини кожного реагенту

n(C₃H₈) = 20/44,1 = 0,4535 mol

n(O₂) = 8/32 = 0,25 mol

Лімітуючий реагент

0,4535/1 = 0,4535, 0,25/5 = 0,05 → O₂

Маса продукту

n(CO₂) = 0,05·3 = 0,15 mol

m = 0,15·44,01 = 6,602 g

Відповідь

m = 6,602 g

8.Стехіометрія

Відповідь: Y = 62,02 %

Теоретичний вихід

n(C₆H₁₂O₆) = 10/180,16 = 0,05551 mol

m = 0,05551·2/1·44,01 = 4,886 g

Вихід у відсотках

Y = 3,03/4,886·100 = 62,02%

Відповідь

Y = 62,02%

9.Хімічна рівновага

Відповідь: [HI] = 0,6 mol/L

Хімічна рівновага: для реакції aA + bB ⇌ cC + dD константа рівноваги K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), де беруть рівноважні концентрації. Таблиця ICE (початкове, зміна, рівновага) пов’язує початкові кількості з рівноважними через одне невідоме x, помножене на коефіцієнти.

Вираз константи рівноваги

9 = (2x)²/(0,5 − x)²

Добудьте квадратний корінь

3 = 2x/(0,5 − x) → x = 0,5·3/(2 + 3) = 0,3 mol/L

Рівноважна концентрація

[HI] = 2x = 0,6 mol/L

Відповідь

[HI] = 0,6 mol/L

10.Хімічна рівновага

Відповідь: [Cl₂] = 0,1351 mol/L

Вираз константи рівноваги

0,05 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,025 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,025))/2 = 0,1351 mol/L

Рівноважна концентрація

[Cl₂] = x = 0,1351 mol/L

Відповідь

[Cl₂] = 0,1351 mol/L

11.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: T_f = 26,89 °C

Теплота й ентальпія: для нагрівання речовини потрібна теплота q = m·c·ΔT. У калориметрі теплота, віддана гарячим тілом, дорівнює теплоті, отриманій холодним. Зміну ентальпії реакції знаходять за ентальпіями утворення: ΔH° = ΣΔH°f(продукти) − ΣΔH°f(реагенти), кожну множать на її коефіцієнт.

Тепловий баланс

50·0,388·(190 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 25)

Виразіть кінцеву температуру

T_f = (19,4·190 + 1672·25)/(19,4 + 1672) = 26,89 °C

Відповідь

T_f = 26,89 °C

12.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: q = 2775 kJ

Ентальпія реакції

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

Теплота для заданої маси

n = 50/16,04 = 3,117 mol

q = n·|ΔH°/1| = 3,117·890,3 = 2775 kJ

Відповідь

q = 2775 kJ

13.Хімічна кінетика

Відповідь: C_A = 0,1765 mol/L

Швидкість реакції: для реакції першого порядку −dC/dt = kC, тож C = C₀·e^−kt, а період напівперетворення ln 2/k не залежить від концентрації. Для реакції другого порядку 1/C = 1/C₀ + kt. Константа швидкості зростає з температурою за Арреніусом: k = A·e^−Ea/(RT).

Інтегроване рівняння другого порядку

1/C_A = 1/C_A0 + kt = 0,6667 + 0,5·10 = 5,667 L/mol

C_A = 1/5,667 = 0,1765 mol/L

Відповідь

C_A = 0,1765 mol/L

14.Хімічна кінетика

Відповідь: E_a = 75,01 kJ/mol

Абсолютні температури

T₁ = 298,1 K, T₂ = 328,1 K

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·2,766/(-3,066e-4) = 75006 J/mol

E_a = 75,01 kJ/mol

Відповідь

E_a = 75,01 kJ/mol

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: C_A = 0,3383 mol/L

Ідеальні реактори, реакція першого порядку (−r_A = k·C_A) у стаціонарному режимі, з часом перебування τ = V/Q. CSTR ідеально перемішаний, тож увесь об’єм реагує при низькій вихідній концентрації: τ = X/(k·(1 − X)) і C_A = C_A0/(1 + k·τ). У PFR кожен шар рідини реагує як малий періодичний реактор: τ = ln(1/(1 − X))/k і C_A = C_A0·e^−k·τ. Для тієї самої конверсії CSTR завжди потребує більшого об’єму, ніж PFR.

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 250/10 = 25 min

Вихідна концентрація

C_A = 2,5·e^−0,08·25 = 0,3383 mol/L

Відповідь

C_A = 0,3383 mol/L

Конверсія: X = 86,47%.

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 75 %

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 150/25 = 6 min, kτ = 0,5·6 = 3

Конверсія

X = kτ/(1 + kτ) = 3/(1 + 3) = 75%

Відповідь

X = 75%

17.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: A = 6,283 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.

Різниці температур на кінцях (протитечія)

При протитечії гарячий вхід навпроти холодного виходу, а гарячий вихід — навпроти холодного входу.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 85 − 50 = 35 K

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

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 30)/ln(35/30) = 32,44 K

Площа

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 150000/(800·0,92·32,44) = 6,283 m²

Відповідь

A = 6,283 m²

18.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: A = 2,029 m²

Метод LMTD: різниця температур між потоками змінюється вздовж теплообмінника, тож рівняння теплопередачі використовує її середньологарифмічне значення: Q̇ = U·A·ΔT_lm, де ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), а ΔT₁ і ΔT₂ — різниці на двох кінцях. За тих самих температур на вході й виході протитечія дає більший ΔT_lm, ніж прямотечія.

Теплове навантаження і температура води на виході

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 0,5·2,5·40 = 50 kW

T_c,out = 25 + 50/(1,5·4,18) = 32,97 °C

Різниці температур на кінцях

При протитечії гарячий вхід навпроти холодного виходу, а гарячий вихід — навпроти холодного входу.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 100 − 32,97 = 67,03 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 60 − 25 = 35 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (67,03 − 35)/ln(67,03/35) = 49,29 K

Площа

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 50000/(500·49,29) = 2,029 m²

Відповідь

A = 2,029 m²

19.Теплопровідність

Відповідь: T_i = −9,195 °C

Термічний опір: усталений тепловий потік через послідовні шари поводиться як струм через послідовні резистори: Q̇ = ΔT/ΣR, де R = L/(kA) для теплопровідного шару і R = 1/(hA) для поверхні з конвекцією. Перепад температури на кожному шарі пропорційний його опору.

Опори шарів

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,035·4) = 0,3571 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,17·4) = 0,07353 K/W

Тепловий потік

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 34/0,4307 = 78,95 W

Температура на межі

На першому шарі температура падає на Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 19 − 78,95·0,3571 = −9,195 °C

Відповідь

T_i = −9,195 °C

20.Теплопровідність

Відповідь: T_s = 12,39 °C

Послідовні опори

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,96·6) = 0,03472 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(1,4·6) = 0,008929 K/W

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

ΣR = 0,07115 K/W

Тепловтрати

Q̇ = (20 − (-6))/0,07115 = 365,4 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 20 − 365,4·0,02083 = 12,39 °C

Відповідь

T_s = 12,39 °C

21.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: h_f = 8,366 m

Течія в трубах: число Рейнольдса Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ відрізняє ламінарну течію (Re нижче приблизно 2000) від турбулентної (вище приблизно 4000). Тертя вздовж труби спричиняє втрати напору за Дарсі–Вейсбахом h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Фітинги, засувки, вхід і вихід додають місцеві втрати h_m = ΣK·V²/(2g). Між двома відкритими поверхнями резервуарів рівняння енергії дає Δz = h_f + h_m, з урахуванням втрат на виході K = 1.

Середня швидкість

A = π·0,1²/4 = 0,007854 m²

V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s

Швидкісний напір

V²/(2g) = 1,91²/(2·9,81) = 0,1859 m

Дарсі–Вейсбах

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(150/0,1)·1,91²/(2·9,81) = 8,366 m

Відповідь

h_f = 8,366 m

22.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: Q = 110,8 L/s

Коефіцієнти втрат

f·L/D = 0,018·300/0,2 = 27

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 + 1,0 = 7,7

Рівняння енергії

Обидві поверхні відкриті в атмосферу й практично нерухомі, тож усе Δz втрачається в трубі.

22 = (27 + 7,7)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·22/34,7) = 3,527 m/s

Витрата

Q = V·π·D²/4 = 3,527·0,03142 = 0,1108 m³/s = 110,8 L/s

Відповідь

Q = 110,8 L/s

23.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_el = 23,83 kW

Потужність насоса: потужність, передана воді, — це гідравлічна потужність P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Вал має передавати більше, бо насос має втрати: P_shaft = P_h/η_pump, а двигун споживає P_el = P_shaft/η_motor. Напір насоса H випливає з рівняння енергії: геометрична висота підйому + п’єзометричний напір + усі втрати на тертя й місцеві втрати.

Гідравлічна потужність

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,05·30 = 14,71 kW

Потужність на валу

P_shaft = 14,71/0,65 = 22,64 kW

Електрична потужність

P_el = 22,64/0,95 = 23,83 kW

Відповідь

P_el = 23,83 kW

24.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_shaft = 1,898 kW

Швидкість

V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s

V²/(2g) = 0,1859 m

Втрати напору

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22 + 8)·0,1859 = 5,577 m

Напір насоса

H = Δz + h_L = 5 + 5,577 = 10,58 m

Потужність на валу

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,015·10,58/0,82 = 1,898 kW

Відповідь

P_shaft = 1,898 kW

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

Підготовка до іспиту FE Chemical: шпаргалка-підсумок

1Формули та методи

Матеріальний баланс

Енергетичний баланс

Рівняння стану ідеального газу

Стехіометрія

Метод

Хімічна рівновага

Метод

Калориметрія й ентальпія

Хімічна кінетика

Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Теплообмінники (LMTD)

Теплопровідність

Тертя в трубах і втрати напору

Насоси й потужність насосів

2Задачі для практики

3Розчини

Баланси

Виразіть ṁ2

Відповідь

Баланс розчиненої речовини

Загальний баланс

Відповідь

Теплота, віддана гарячим потоком

Теплота, отримана водою

Відповідь

Віддана теплота

Теплота, що доходить до води

Витрата води

Відповідь

Молі

Тиск

Відповідь

Перетворіть газовий закон

Густина

Відповідь

Кількість речовини кожного реагенту

Лімітуючий реагент

Маса продукту

Відповідь

Теоретичний вихід

Вихід у відсотках

Відповідь

Вираз константи рівноваги

Добудьте квадратний корінь

Рівноважна концентрація

Відповідь

Вираз константи рівноваги

Розв’яжіть квадратне рівняння

Рівноважна концентрація

Відповідь

Тепловий баланс

Виразіть кінцеву температуру

Відповідь

Ентальпія реакції

Теплота для заданої маси

Відповідь

Інтегроване рівняння другого порядку

Відповідь

Абсолютні температури

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

Відповідь

Час перебування (space time)

Вихідна концентрація

Відповідь

Час перебування (space time)

Конверсія

Відповідь

Різниці температур на кінцях (протитечія)

Середньологарифмічна різниця температур

Площа

Відповідь

Теплове навантаження і температура води на виході

Різниці температур на кінцях

Середньологарифмічна різниця температур

Площа

Відповідь

Опори шарів

Тепловий потік

Виразіть ṁ₂