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 (цукор)? Знайдіть ṁ₂.

ṁ₁ = 950 kg/hx₁ = 10 %x₂ = 50 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Матеріальний балансСкладна

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

F = 3000 kg/hx_F = 5 %x_P = 65 %

P = 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 = 3 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 60 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °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 = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 60 °Ct: 10 → 75 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Рівняння стану ідеального газуСередня

Який об’єм V займає 390 g газу (N₂) при 300 kPa і 30 °C? Вважайте газ ідеальним.

m = 390 gM = 28,01 g/molP = 300 kPaT = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Рівняння стану ідеального газуСкладна

Стала кількість газу (CH₄) переходить від 150 kPa, 5 L, 35 °C до 700 kPa і 80 °C. Знайдіть новий об’єм V₂.

P₁ = 150 kPaV₁ = 5 LT₁ = 35 °CP₂ = 700 kPaT₂ = 80 °C

V₂ = L

7.СтехіометріяСередня

8 g C₃H₈ і 64 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 CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O 10 g CH₄ реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 12,36 g H₂O. Знайдіть вихід у відсотках Y.

M(CH₄) = 16,04 g/molM(H₂O) = 18,02 g/molфактичний: 12,36 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 = 64. Знайдіть рівноважну концентрацію [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 64

[HI] = mol/L

10.Хімічна рівновагаСкладна

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,1 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 0,4 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LK_c = 0,1

[PCl₅] = mol/L

11.Калориметрія й ентальпіяСередня

Брусок масою 200 g (матеріал: свинець, c = 0,129 J/(g·°C)) за температури 170 °C опускають у 300 g води (c = 4,18 J/(g·°C)) за 17 °C у теплоізольованій склянці. Знайдіть кінцеву температуру T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 170 °Cm_water = 300 gT_water = 17 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Калориметрія й ентальпіяСкладна

За стандартними ентальпіями утворення знайдіть ΔH° реакції C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l).

ΔH°f(C₂H₅OH) = −277,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

ΔH° = kJ

13.Хімічна кінетикаСередня

Реакція другого порядку (−r_A = k·C_A²) у реакторі періодичної дії має k = 1 L/(mol·min) і початкову концентрацію 2 mol/L. Скільки часу потрібно, щоб досягти ступеня перетворення 50 %? Знайдіть t.

k = 1 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/LX = 50 %

t = min

14.Хімічна кінетикаСкладна

Константа швидкості реакції — 0,002 min⁻¹ при 20 °C і 0,00451 min⁻¹ при 30 °C. Знайдіть енергію активації E_a.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 20 °Ck₂ = 0,00451 min⁻¹T₂ = 30 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня

Рідиннофазна реакція першого порядку має досягти 85% конверсії. У скільки разів CSTR має бути більшим за PFR при тій самій витраті живлення, константі швидкості й конверсії? Знайдіть відношення V_CSTR/V_PFR.

X = 85%перший порядок, ті самі k і Q

V_CSTR/V_PFR =

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,3 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 800 L з витратою живлення 100 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 800 LQ = 100 L/mink = 0,3 min⁻¹

X = %

17.Теплообмінники (LMTD)Середня

Протитечійний теплообмінник передає 130 kW. Його площа теплообміну 8 m². Гарячий теплоносій охолоджується від 150 до 85 °C, а холодний нагрівається від 25 до 115 °C. Знайдіть коефіцієнт теплопередачі U.

Q̇ = 130 kWA = 8 m²T_h: 150 → 85 °CT_c: 25 → 115 °C

U = W/(m²·K)

18.Теплообмінники (LMTD)Складна

Гаряча олива (1 kg/s, c_p = 2,1 kJ/(kg·K)) охолоджується з 180 до 30 °C у протитечійному теплообміннику. Вона нагріває 1 kg/s води (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)), що входить при 10 °C. При U = 1500 W/(m²·K) знайдіть потрібну площу теплообміну A.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 30 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 10 °CU = 1500 W/(m²·K)

A = m²

19.ТеплопровідністьСередня

Стіна складається з 50 mm шару (бетон) і 75 mm шару (скло), її площа 4 m². Зовнішні поверхні мають 25 °C і -15 °C. Знайдіть тепловий потік Q̇ через стіну.

L₁ = 50 mm, k₁ = 1,4 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 25 °CT₃ = -15 °C

Q̇ = W

20.ТеплопровідністьСкладна

Стіна з 200 mm (цегла) і 75 mm (пінополістирол) відділяє приміщення при 22 °C від зовнішнього повітря при 4 °C. Коефіцієнти тепловіддачі — 6 W/(m²·K) всередині та 30 W/(m²·K) ззовні, площа стіни 15 m². Знайдіть коефіцієнт теплопередачі U стіни.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = 4 °C

U = W/(m²·K)

21.Тертя в трубах і втрати напоруСередня

Вода тече з витратою 4 L/s трубою довжиною 200 m з внутрішнім діаметром 75 mm. Візьміть коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,025 і g = 9,81 m/s². Знайдіть втрати напору на тертя h_f.

Q = 4 L/sL = 200 mD = 75 mmf = 0,025g = 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 250 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 = 10) і вихід у нижній резервуар (K = 1,0). Візьміть g = 9,81 m/s². Яка різниця рівнів води Δz між резервуарами дає витрату 100 L/s?

Q = 100 L/sL = 150 mD = 250 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1,0

Δz = m

23.Насоси й потужність насосівСередня

Насос з ККД 72% подає 100 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) проти напору 52 m. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть потрібну потужність на валу P_shaft у kW.

Q = 100 L/sH = 52 mη = 72%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Насоси й потужність насосівСкладна

Насос перекачує 20 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) з відкритого нижнього резервуара у верхній бак, поверхня води в якому на 32 m вища. Труба довжиною 100 m має внутрішній діаметр 100 mm і коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,025; 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 100 kPa. Знайдіть напір H, який має створити насос.

Q = 20 L/sΔz = 32 mL = 100 mD = 100 mmf = 0,025ΣK = 8p_tank = 100 kPa

H = m

3Розчини

1.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ₂ = 570 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) = 950·(10 − 25)/(25 − 50) = 570 kg/h

Відповідь

ṁ₂ = 570 kg/h

2.Матеріальний баланс

Відповідь: P = 230,8 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 = 3000·5/65 = 230,8 kg/h

Відповідь

P = 230,8 kg/h

3.Енергетичний баланс

Відповідь: t_out = 115,4 °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 = 3·2,1·(120 − 60) = 378 kW

Теплота, отримана водою

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 378/(1·4,18) = 115,4 °C

Відповідь

t_out = 115,4 °C

4.Енергетичний баланс

Відповідь: ṁ_c = 3,379 kg/s

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

Віддана теплота

Q_h = 2,5·3,6·(180 − 60) = 1080 kW

Теплота, що доходить до води

Q_c = (1 − 0,15)·1080 = 918 kW

Витрата води

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 918/(4,18·65) = 3,379 kg/s

Відповідь

ṁ_c = 3,379 kg/s

5.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V = 117 L

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

Молі

n = 390/28,01 = 13,92 mol

T = 30 + 273,15 = 303,1 K

Об’єм

V = nRT/P = 13,92·8,314·303,1/300 = 117 L

Відповідь

V = 117 L

6.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V₂ = 1,228 L

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

Абсолютні температури

T₁ = 308,1 K, T₂ = 353,1 K

Об’єднаний газовий закон

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 5·(150/700)·(353,1/308,1) = 1,228 L

Відповідь

V₂ = 1,228 L

7.Стехіометрія

Відповідь: m = 23,95 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) = 8/44,1 = 0,1814 mol

n(O₂) = 64/32 = 2 mol

Лімітуючий реагент

0,1814/1 = 0,1814, 2/5 = 0,4 → C₃H₈

Маса продукту

n(CO₂) = 0,1814·3 = 0,5442 mol

m = 0,5442·44,01 = 23,95 g

Відповідь

m = 23,95 g

8.Стехіометрія

Відповідь: Y = 55,01 %

Теоретичний вихід

n(CH₄) = 10/16,04 = 0,6234 mol

m = 0,6234·2/1·18,02 = 22,47 g

Вихід у відсотках

Y = 12,36/22,47·100 = 55,01%

Відповідь

Y = 55,01%

9.Хімічна рівновага

Відповідь: [HI] = 1,6 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

64 = (2x)²/(1 − x)²

Добудьте квадратний корінь

8 = 2x/(1 − x) → x = 1·8/(2 + 8) = 0,8 mol/L

Рівноважна концентрація

[HI] = 2x = 1,6 mol/L

Відповідь

[HI] = 1,6 mol/L

10.Хімічна рівновага

Відповідь: [PCl₅] = 0,2438 mol/L

Вираз константи рівноваги

0,1 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,1·x − 0,04 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,04))/2 = 0,1562 mol/L

Рівноважна концентрація

[PCl₅] = 0,4 − 0,1562 = 0,2438 mol/L

Відповідь

[PCl₅] = 0,2438 mol/L

11.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: T_f = 20,08 °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

200·0,129·(170 − T_f) = 300·4,18·(T_f − 17)

Виразіть кінцеву температуру

T_f = (25,8·170 + 1254·17)/(25,8 + 1254) = 20,08 °C

Відповідь

T_f = 20,08 °C

12.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: ΔH° = −1367 kJ

Ентальпія реакції

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

Відповідь

ΔH° = −1367 kJ

Від’ємне: реакція виділяє теплоту (екзотермічна).

13.Хімічна кінетика

Відповідь: t = 0,5 min

Integrated rate laws: zero order: C = C₀ − kt (straight line, t½ = C₀/(2k)); first order: ln(C₀/C) = kt (t½ = ln 2/k); second order: 1/C − 1/C₀ = kt (t½ = 1/(kC₀)). Conversion X means C = C₀(1 − X).

Кінцева концентрація

C_A = 2·(1 − 0,5) = 1 mol/L

Інтегроване рівняння другого порядку

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (1 − 0,5)/1 = 0,5 min

Відповідь

t = 0,5 min

14.Хімічна кінетика

Відповідь: E_a = 60,08 kJ/mol

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).

Абсолютні температури

T₁ = 293,1 K, T₂ = 303,1 K

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·0,8131/(-1,125e-4) = 60080 J/mol

E_a = 60,08 kJ/mol

Відповідь

E_a = 60,08 kJ/mol

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: V_CSTR/V_PFR = 2,987

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.

k·τ для кожного реактора

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,85/0,15 = 5,667

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Відношення об’ємів

V_CSTR/V_PFR = 5,667/1,897 = 2,987

Відповідь

V_CSTR/V_PFR = 2,987

При високій конверсії різниця швидко зростає.

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 90,93 %

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 800/100 = 8 min, kτ = 0,3·8 = 2,4

Конверсія

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−2,4 = 90,93%

Відповідь

X = 90,93%

17.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: U = 350,3 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 протитечії гарячий вхід навпроти холодного виходу, а гарячий вихід — навпроти холодного входу.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 150 − 115 = 35 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 85 − 25 = 60 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (35 − 60)/ln(35/60) = 46,38 K

Коефіцієнт теплопередачі

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 130000/(8·46,38) = 350,3 W/(m²·K)

Відповідь

U = 350,3 W/(m²·K)

18.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: A = 4,373 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) = 1·2,1·150 = 315 kW

T_c,out = 10 + 315/(1·4,18) = 85,36 °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 = 180 − 85,36 = 94,64 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 30 − 10 = 20 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (94,64 − 20)/ln(94,64/20) = 48,02 K

Площа

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 315000/(1500·48,02) = 4,373 m²

Відповідь

A = 4,373 m²

19.Теплопровідність

Відповідь: Q̇ = 1405 W

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)/(1,4·4) = 0,008929 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0,96·4) = 0,01953 K/W

Тепловий потік

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 40/0,02846 = 1405 W

Відповідь

Q̇ = 1405 W

20.Теплопровідність

Відповідь: U = 0,3816 W/(m²·K)

Послідовні опори

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·15) = 0,01111 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,72·15) = 0,01852 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0,035·15) = 0,1429 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·15) = 0,002222 K/W

ΣR = 0,1747 K/W

Коефіцієнт теплопередачі

U = 1/(A·ΣR) = 1/(15·0,1747) = 0,3816 W/(m²·K)

Відповідь

U = 0,3816 W/(m²·K)

21.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: h_f = 2,786 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·0,075²/4 = 0,004418 m²

V = Q/A = 0,004/0,004418 = 0,9054 m/s

Швидкісний напір

V²/(2g) = 0,9054²/(2·9,81) = 0,04178 m

Дарсі–Вейсбах

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(200/0,075)·0,9054²/(2·9,81) = 2,786 m

Відповідь

h_f = 2,786 m

22.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: Δz = 4,844 m

Швидкість

V = Q/A = 0,1/0,04909 = 2,037 m/s

V²/(2g) = 0,2115 m

Коефіцієнти втрат

f·L/D = 0,018·150/0,25 = 10,8

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Сумарні втрати напору

h_f = 10,8·0,2115 = 2,284 m

h_m = 12,1·0,2115 = 2,559 m

Δz = h_f + h_m = 4,844 m

Відповідь

Δz = 4,844 m

23.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_shaft = 70,85 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 = 1000·9,81·0,1·52 = 51,01 kW

Потужність на валу

P_shaft = P_h/η = 51,01/0,72 = 70,85 kW

Відповідь

P_shaft = 70,85 kW

24.Насоси й потужність насосів

Відповідь: H = 53,1 m

Швидкість

V = Q/A = 0,02/0,007854 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

Втрати напору

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (25 + 8)·0,3305 = 10,91 m

П’єзометричний напір

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 m

Напір насоса

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 32 + 10,19 + 10,91 = 53,1 m

Відповідь

H = 53,1 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

Відповідь

Кінцева концентрація

Інтегроване рівняння другого порядку

Відповідь

Абсолютні температури

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

Відповідь

k·τ для кожного реактора

Відношення об’ємів

Відповідь

Час перебування (space time)

Конверсія

Відповідь

Різниці температур на кінцях

Середньологарифмічна різниця температур

Коефіцієнт теплопередачі

Відповідь

Теплове навантаження і температура води на виході

Різниці температур на кінцях

Середньологарифмічна різниця температур

Площа

Відповідь

Опори шарів

Тепловий потік

Відповідь

Виразіть ṁ₂