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 25% компонента (NaOH)? Знайдіть ṁ₂.

ṁ₁ = 200 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 20 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Матеріальний балансСкладна

Випарник концентрує розчин (цукор), випаровуючи чисту воду. Знайдіть витрату продукту P в kg/h.

F = 3500 kg/hx_F = 6 %x_P = 60 %

P = kg/h

3.Енергетичний балансСередня

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

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 70 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Енергетичний балансСкладна

Гарячий теплоносій (гліколева суміш) нагріває воду в теплообміннику, що втрачає в довкілля 15% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁ_c.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 70 °Ct: 20 → 85 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Рівняння стану ідеального газуСередня

Який об’єм V займає 500 g газу (CO₂) при 150 kPa і 20 °C? Вважайте газ ідеальним.

m = 500 gM = 44,01 g/molP = 150 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Рівняння стану ідеального газуСкладна

Стала кількість газу (He) переходить від 150 kPa, 5 L, 10 °C до 200 kPa і 180 °C. Знайдіть новий об’єм V₂.

P₁ = 150 kPaV₁ = 5 LT₁ = 10 °CP₂ = 200 kPaT₂ = 180 °C

V₂ = L

7.СтехіометріяСередня

24 g Al і 64 g Cl₂ реагують за рівнянням 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃. Яка маса m AlCl₃ може утворитися?

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

m = g

8.СтехіометріяСкладна

У реакції 2Mg + O₂ → 2MgO 10 g Mg реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 11,6 g MgO. Знайдіть вихід у відсотках Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molфактичний: 11,6 g

Y = %

9.Хімічна рівновагаСередня

У посудину вносять 1 mol/L H₂ і 1 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 49. Знайдіть рівноважну концентрацію [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 49

[HI] = mol/L

10.Хімічна рівновагаСкладна

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,04 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 0,25 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,04

[Cl₂] = mol/L

11.Калориметрія й ентальпіяСередня

Брусок масою 200 g (матеріал: залізо, c = 0,449 J/(g·°C)) за температури 120 °C опускають у 100 g води (c = 4,18 J/(g·°C)) за 24 °C у теплоізольованій склянці. Знайдіть кінцеву температуру T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0,449 J/(g·°C)T_metal = 120 °Cm_water = 100 gT_water = 24 °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 10 g C₂H₅OH (M = 46,07 g/mol): C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Подайте q додатним числом.

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.Хімічна кінетикаСередня

Реакція з кінетичним рівнянням −r_A = k·C_A² має k = 0,5 L/(mol·min) і починається з 2 mol/L. Знайдіть концентрацію C_A через 2 min.

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

C_A = mol/L

14.Хімічна кінетикаСкладна

Реакція має константу швидкості 0,02 min⁻¹ при 25 °C та енергію активації 75 kJ/mol. Знайдіть константу швидкості k₂ при 45 °C.

k₁ = 0,02 min⁻¹T₁ = 25 °CT₂ = 45 °CE_a = 75 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

k₂ = min⁻¹

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня

Рідиннофазна реакція першого порядку A → B (k = 0,1 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 1000 L. Живлення надходить з витратою 25 L/min при C_A0 = 2 mol/L. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть вихідну концентрацію C_A.

V = 1000 LQ = 25 L/mink = 0,1 min⁻¹C_A0 = 2 mol/L

C_A = mol/L

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,05 min⁻¹) відбувається у двох однакових послідовних CSTR об’ємом 2000 L кожен. Витрата живлення 25 L/min, густина стала, реактори працюють у стаціонарному режимі. Знайдіть загальну конверсію X у відсотках.

V = 2000 L (×2)Q = 25 L/mink = 0,05 min⁻¹

X = %

17.Теплообмінники (LMTD)Середня

Прямотечійний теплообмінник передає 40 kW. Його площа теплообміну 4 m². Гарячий теплоносій охолоджується від 115 до 80 °C, а холодний нагрівається від 30 до 65 °C. Знайдіть коефіцієнт теплопередачі U.

Q̇ = 40 kWA = 4 m²T_h: 115 → 80 °CT_c: 30 → 65 °C

U = W/(m²·K)

18.Теплообмінники (LMTD)Складна

Пара конденсується за сталої температури 100 °C на зовнішній поверхні труб конденсатора з площею теплообміну 4 m² і U = 1500 W/(m²·K). Охолоджувальна вода (0,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) входить у труби при 15 °C. Знайдіть температуру води на виході T_c,out.

T_s = 100 °CA = 4 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 0,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 15 °C

T_c,out = °C

19.ТеплопровідністьСередня

Стіна складається з 50 mm шару (цегла) і 150 mm шару (мінеральна вата), її площа 15 m². Зовнішні поверхні мають 17 °C і -14 °C. Знайдіть температуру T_i на межі між двома шарами.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 15 m²T₁ = 17 °CT₃ = -14 °C

T_i = °C

20.ТеплопровідністьСкладна

Стіна з 200 mm (цегла) і 50 mm (пінополістирол) відділяє приміщення при 21 °C від зовнішнього повітря при -14 °C. Коефіцієнти тепловіддачі — 7,7 W/(m²·K) всередині та 20 W/(m²·K) ззовні, площа стіни 10 m². Знайдіть коефіцієнт теплопередачі U стіни.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -14 °C

U = W/(m²·K)

21.Тертя в трубах і втрати напоруСередня

Вода тече з витратою 4 L/s трубою довжиною 800 m з внутрішнім діаметром 50 mm. Візьміть коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,015 і g = 9,81 m/s². Знайдіть втрати напору на тертя h_f.

Q = 4 L/sL = 800 mD = 50 mmf = 0,015g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Тертя в трубах і втрати напоруСкладна

Два відкриті резервуари з’єднані трубою довжиною 150 m з внутрішнім діаметром 300 mm і коефіцієнтом тертя Дарсі f = 0,018. Місцеві втрати: вхід з гострою кромкою (K = 0,5), 2 колін (K = 0,3 кожне), засувка (K = 2) і вихід у нижній резервуар (K = 1,0). Візьміть g = 9,81 m/s². Яка різниця рівнів води Δz між резервуарами дає витрату 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 150 mD = 300 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 2K_exit = 1,0

Δz = m

23.Насоси й потужність насосівСередня

Насос подає 80 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) проти напору 18 m. ККД насоса 80%, а ККД електродвигуна, що його приводить, — 95%. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть електричну потужність P_el, яку споживає двигун, у kW.

Q = 80 L/sH = 18 mη_pump = 80%η_motor = 95%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Насоси й потужність насосівСкладна

Насос перекачує 50 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) з відкритого нижнього резервуара у верхній бак, поверхня води в якому на 20 m вища. Труба довжиною 500 m має внутрішній діаметр 150 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. Верхній бак закритий, а повітря над водою в ньому має надлишковий тиск 200 kPa. Знайдіть напір H, який має створити насос.

Q = 50 L/sΔz = 20 mL = 500 mD = 150 mmf = 0,022ΣK = 8p_tank = 200 kPa

H = m

3Розчини

1.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ₂ = 200 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

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Виразіть ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 200·(30 − 25)/(25 − 20) = 200 kg/h

Відповідь

ṁ₂ = 200 kg/h

2.Матеріальний баланс

Відповідь: P = 350 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 = 3500·6/60 = 350 kg/h

Відповідь

P = 350 kg/h

3.Енергетичний баланс

Відповідь: t_out = 110,3 °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 = 2,5·2,44·(180 − 70) = 671 kW

Теплота, отримана водою

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 671/(2·4,18) = 110,3 °C

Відповідь

t_out = 110,3 °C

4.Енергетичний баланс

Відповідь: ṁ_c = 0,5631 kg/s

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

Віддана теплота

Q_h = 1·3,6·(120 − 70) = 180 kW

Теплота, що доходить до води

Q_c = (1 − 0,15)·180 = 153 kW

Витрата води

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 153/(4,18·65) = 0,5631 kg/s

Відповідь

ṁ_c = 0,5631 kg/s

5.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V = 184,6 L

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

Молі

n = 500/44,01 = 11,36 mol

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

Об’єм

V = nRT/P = 11,36·8,314·293,1/150 = 184,6 L

Відповідь

V = 184,6 L

6.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V₂ = 6,001 L

Об’єднаний газовий закон: для сталої кількості ідеального газу P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Абсолютні температури

T₁ = 283,1 K, T₂ = 453,1 K

Об’єднаний газовий закон

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(150/200)·(453,1/283,1) = 6,001 L

Відповідь

V₂ = 6,001 L

7.Стехіометрія

Відповідь: m = 80,24 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(Al) = 24/26,98 = 0,8895 mol

n(Cl₂) = 64/70,9 = 0,9027 mol

Лімітуючий реагент

0,8895/2 = 0,4448, 0,9027/3 = 0,3009 → Cl₂

Маса продукту

n(AlCl₃) = 0,3009·2 = 0,6018 mol

m = 0,6018·133,33 = 80,24 g

Відповідь

m = 80,24 g

8.Стехіометрія

Відповідь: Y = 69,97 %

Теоретичний вихід

n(Mg) = 10/24,31 = 0,4114 mol

m = 0,4114·2/2·40,3 = 16,58 g

Вихід у відсотках

Y = 11,6/16,58·100 = 69,97%

Відповідь

Y = 69,97%

9.Хімічна рівновага

Відповідь: [HI] = 1,556 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

49 = (2x)²/(1 − x)²

Добудьте квадратний корінь

7 = 2x/(1 − x) → x = 1·7/(2 + 7) = 0,7778 mol/L

Рівноважна концентрація

[HI] = 2x = 1,556 mol/L

Відповідь

[HI] = 1,556 mol/L

10.Хімічна рівновага

Відповідь: [Cl₂] = 0,08198 mol/L

Вираз константи рівноваги

0,04 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,04·x − 0,01 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,01))/2 = 0,08198 mol/L

Рівноважна концентрація

[Cl₂] = x = 0,08198 mol/L

Відповідь

[Cl₂] = 0,08198 mol/L

11.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: T_f = 40,98 °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

200·0,449·(120 − T_f) = 100·4,18·(T_f − 24)

Виразіть кінцеву температуру

T_f = (89,8·120 + 418·24)/(89,8 + 418) = 40,98 °C

Відповідь

T_f = 40,98 °C

12.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: q = 296,7 kJ

Ентальпія реакції

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

Теплота для заданої маси

n = 10/46,07 = 0,2171 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,2171·1367 = 296,7 kJ

Відповідь

q = 296,7 kJ

13.Хімічна кінетика

Відповідь: C_A = 0,6667 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 = 0,5 + 0,5·2 = 1,5 L/mol

C_A = 1/1,5 = 0,6667 mol/L

Відповідь

C_A = 0,6667 mol/L

14.Хімічна кінетика

Відповідь: k₂ = 0,134 min⁻¹

Абсолютні температури

T₁ = 298,1 K, T₂ = 318,1 K

Співвідношення Арреніуса

ln(k₂/k₁) = −(75000/8,314)·(1/318,1 − 1/298,1) = 1,902

k₂ = 0,02·e^1,902 = 0,134 min⁻¹

Відповідь

k₂ = 0,134 min⁻¹

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: C_A = 0,03663 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 = 1000/25 = 40 min

Вихідна концентрація

C_A = 2·e^−0,1·40 = 0,03663 mol/L

Відповідь

C_A = 0,03663 mol/L

Конверсія: X = 98,17%.

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 96 %

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 2000/25 = 80 min, kτ = 0,05·80 = 4

Конверсія

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 4) = 0,2

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,04

X = 1 − 0,04 = 96%

Відповідь

X = 96%

17.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: U = 247,8 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.

Різниці температур на кінцях

При прямотечії обидва входи на одному кінці, а обидва виходи — на іншому.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 115 − 30 = 85 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 80 − 65 = 15 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 15)/ln(85/15) = 40,36 K

Коефіцієнт теплопередачі

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 40000/(4·40,36) = 247,8 W/(m²·K)

Відповідь

U = 247,8 W/(m²·K)

18.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: T_c,out = 95,18 °C

Поєднайте енергетичний баланс і рівняння теплопередачі

Якщо ΔT₁ = T_s − T_c,in і ΔT₂ = T_s − T_c,out, різниця ΔT₁ − ΔT₂ дорівнює підвищенню температури води, тож воно скорочується.

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

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 1500·4/(0,5·4180) = 2,871

Температура на виході

ΔT₂ = ΔT₁·e^−2,871 = 85·0,05665 = 4,815 K

T_c,out = 100 − 4,815 = 95,18 °C

Відповідь

T_c,out = 95,18 °C

Передана теплота: Q̇ = 167,6 kW.

19.Теплопровідність

Відповідь: T_i = 16,44 °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)/(0,72·15) = 0,00463 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,04·15) = 0,25 K/W

Тепловий потік

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 31/0,2546 = 121,7 W

Температура на межі

На першому шарі температура падає на Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 17 − 121,7·0,00463 = 16,44 °C

Відповідь

T_i = 16,44 °C

20.Теплопровідність

Відповідь: U = 0,5302 W/(m²·K)

Послідовні опори

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·10) = 0,01299 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,72·10) = 0,02778 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,035·10) = 0,1429 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·10) = 0,005 K/W

ΣR = 0,1886 K/W

Коефіцієнт теплопередачі

U = 1/(A·ΣR) = 1/(10·0,1886) = 0,5302 W/(m²·K)

Відповідь

U = 0,5302 W/(m²·K)

21.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: h_f = 50,77 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·0,05²/4 = 0,001963 m²

V = Q/A = 0,004/0,001963 = 2,037 m/s

Швидкісний напір

V²/(2g) = 2,037²/(2·9,81) = 0,2115 m

Дарсі–Вейсбах

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,015·(800/0,05)·2,037²/(2·9,81) = 50,77 m

Відповідь

h_f = 50,77 m

22.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: Δz = 0,8552 m

Швидкість

V = Q/A = 0,08/0,07069 = 1,132 m/s

V²/(2g) = 0,06529 m

Коефіцієнти втрат

f·L/D = 0,018·150/0,3 = 9

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Сумарні втрати напору

h_f = 9·0,06529 = 0,5876 m

h_m = 4,1·0,06529 = 0,2677 m

Δz = h_f + h_m = 0,8552 m

Відповідь

Δz = 0,8552 m

23.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_el = 18,59 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 = 1000·9,81·0,08·18 = 14,13 kW

Потужність на валу

P_shaft = 14,13/0,8 = 17,66 kW

Електрична потужність

P_el = 17,66/0,95 = 18,59 kW

Відповідь

P_el = 18,59 kW

24.Насоси й потужність насосів

Відповідь: H = 73,57 m

Швидкість

V = Q/A = 0,05/0,01767 = 2,829 m/s

V²/(2g) = 0,408 m

Втрати напору

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (73,33 + 8)·0,408 = 33,19 m

П’єзометричний напір

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Напір насоса

Обидві поверхні практично нерухомі, тож члена зі швидкісним напором немає.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 20 + 20,39 + 33,19 = 73,57 m

Відповідь

H = 73,57 m

Це незалежні навчальні матеріали. ExamProblems не пов’язаний з організацією, що проводить цей іспит, і не схвалений нею; назву іспиту вжито лише для опису змісту. Іспит FE exam проводить NCEES; ця організація не пов’язана з ExamProblems і не підтримує його.

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

Відповідь

Теплота, віддана гарячим потоком

Теплота, отримана водою

Відповідь

Віддана теплота

Теплота, що доходить до води

Витрата води

Відповідь

Молі

Об’єм

Відповідь

Абсолютні температури

Об’єднаний газовий закон

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

Співвідношення Арреніуса

Відповідь

Час перебування (space time)

Вихідна концентрація

Відповідь

Час перебування (space time)

Конверсія

Відповідь

Різниці температур на кінцях

Середньологарифмічна різниця температур

Коефіцієнт теплопередачі

Відповідь

Поєднайте енергетичний баланс і рівняння теплопередачі

Температура на виході

Відповідь

Опори шарів

Тепловий потік

Температура на межі

Відповідь

Послідовні опори

Виразіть ṁ₂