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 = 250 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 45 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Матеріальний балансСкладна

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

F = 3900 kg/hx_F = 9 %x_P = 35 %

W = kg/h

3.Енергетичний балансСередня

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

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 140 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Енергетичний балансСкладна

Гарячий теплоносій (гліколева суміш) нагріває воду в теплообміннику, що втрачає в довкілля 10% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁ_c.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Ct: 25 → 90 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Рівняння стану ідеального газуСередня

Який об’єм V займає 20 g газу (CH₄) при 100 kPa і 70 °C? Вважайте газ ідеальним.

m = 20 gM = 16,04 g/molP = 100 kPaT = 70 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Рівняння стану ідеального газуСкладна

Стала кількість газу (He) переходить від 400 kPa, 2 L, 15 °C до 650 kPa і 220 °C. Знайдіть новий об’єм V₂.

P₁ = 400 kPaV₁ = 2 LT₁ = 15 °CP₂ = 650 kPaT₂ = 220 °C

V₂ = L

7.СтехіометріяСередня

16 g H₂ і 32 g O₂ реагують за рівнянням 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Яка маса m H₂O може утворитися?

M(H₂) = 2,016M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.СтехіометріяСкладна

У реакції 2Na + Cl₂ → 2NaCl 10 g Na реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 13,98 g NaCl. Знайдіть вихід у відсотках Y.

M(Na) = 22,99 g/molM(NaCl) = 58,44 g/molфактичний: 13,98 g

Y = %

9.Хімічна рівновагаСередня

У посудину вносять 0,4 mol/L H₂ і 0,4 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 36. Знайдіть рівноважну концентрацію [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 36

[H₂] = 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 0,8 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LK_c = 0,1

[Cl₂] = mol/L

11.Калориметрія й ентальпіяСередня

Брусок масою 250 g (матеріал: свинець, c = 0,129 J/(g·°C)) за температури 200 °C опускають у 400 g води (c = 4,18 J/(g·°C)) за 20 °C у теплоізольованій склянці. Знайдіть кінцеву температуру T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 200 °Cm_water = 400 gT_water = 20 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Калориметрія й ентальпіяСкладна

За стандартними ентальпіями утворення знайдіть ΔH° реакції C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l).

ΔH°f(C₃H₈) = −103,8 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) має k = 0,4 L/(mol·min) і початкову концентрацію 1,5 mol/L. Знайдіть її перший період напівперетворення t_½.

k = 0,4 L/(mol·min)C_A0 = 1,5 mol/L

t_½ = min

14.Хімічна кінетикаСкладна

Реакція першого порядку має k = 0,002 min⁻¹ при 20 °C і енергію активації 80 kJ/mol. Тепер реактор періодичної дії працює при 30 °C протягом 45 min. Знайдіть досягнутий ступінь перетворення X.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 20 °CE_a = 80 kJ/molT₂ = 30 °Ct = 45 minR = 8,314 J/(mol·K)

X = %

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня

Рідиннофазну реакцію першого порядку A → B з k = 0,15 min⁻¹ проводять у реакторі ідеального витіснення (PFR) з витратою живлення 5 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть об’єм реактора V у літрах для 75% конверсії A.

Q = 5 L/mink = 0,15 min⁻¹X = 75%

V = L

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,25 min⁻¹) відбувається в CSTR об’ємом 1000 L з витратою живлення 5 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 1000 LQ = 5 L/mink = 0,25 min⁻¹

X = %

17.Теплообмінники (LMTD)Середня

Прямотечійний теплообмінник передає 310 kW. Його площа теплообміну 2,5 m². Гарячий теплоносій охолоджується від 85 до 70 °C, а холодний нагрівається від 15 до 35 °C. Знайдіть коефіцієнт теплопередачі U.

Q̇ = 310 kWA = 2,5 m²T_h: 85 → 70 °CT_c: 15 → 35 °C

U = W/(m²·K)

18.Теплообмінники (LMTD)Складна

Гаряча олива (2 kg/s, c_p = 2,3 kJ/(kg·K)) охолоджується з 100 до 80 °C у протитечійному теплообміннику. Вона нагріває 2 kg/s води (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)), що входить при 25 °C. При U = 300 W/(m²·K) знайдіть потрібну площу теплообміну A.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,3 kJ/(kg·K)T_h: 100 → 80 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 300 W/(m²·K)

A = m²

19.ТеплопровідністьСередня

Стіна складається з 250 mm шару (пінополістирол) і 150 mm шару (цегла), її площа 6 m². Зовнішні поверхні мають 17 °C і -5 °C. Знайдіть тепловий потік Q̇ через стіну.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 17 °CT₃ = -5 °C

Q̇ = W

20.ТеплопровідністьСкладна

Стіна з 200 mm (деревина) і 150 mm (цегла) відділяє приміщення при 20 °C від зовнішнього повітря при -7 °C. Коефіцієнти тепловіддачі — 10 W/(m²·K) всередині та 20 W/(m²·K) ззовні, площа стіни 10 m². Знайдіть тепловтрати Q̇ через стіну.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -7 °C

Q̇ = W

21.Тертя в трубах і втрати напоруСередня

Вода тече із середньою швидкістю 1,6 m/s трубою довжиною 200 m з внутрішнім діаметром 50 mm. Візьміть коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,03 і g = 9,81 m/s². Знайдіть втрати напору на тертя h_f.

V = 1,6 m/sL = 200 mD = 50 mmf = 0,03g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Тертя в трубах і втрати напоруСкладна

Труба довжиною 400 m з внутрішнім діаметром 300 mm (коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,015) виходить з відкритого резервуара й витікає вільним струменем в атмосферу. Місцеві втрати: вхід з гострою кромкою (K = 0,5), 2 колін (K = 0,3 кожне) і засувка (K = 2). Візьміть g = 9,81 m/s². На скільки H поверхня резервуара має бути вищою за вихід труби для витрати 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 2

H = m

23.Насоси й потужність насосівСередня

Насос подає 25 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) проти напору 50 m. ККД насоса 82%, а ККД електродвигуна, що його приводить, — 88%. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть електричну потужність P_el, яку споживає двигун, у kW.

Q = 25 L/sH = 50 mη_pump = 82%η_motor = 88%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Насоси й потужність насосівСкладна

Насос перекачує 80 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) з відкритого нижнього резервуара у верхній бак, поверхня води в якому на 13 m вища. Труба довжиною 200 m має внутрішній діаметр 200 mm і коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,02; сума коефіцієнтів місцевих втрат ΣK = 8 (з урахуванням входу й виходу). Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть напір H, який має створити насос.

Q = 80 L/sΔz = 13 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 8

H = m

3Розчини

1.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ₂ = 250 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) = 250·(5 − 25)/(25 − 45) = 250 kg/h

Відповідь

ṁ₂ = 250 kg/h

2.Матеріальний баланс

Відповідь: W = 2897 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 = 3900·9/35 = 1003 kg/h

Загальний баланс

W = F − P = 3900 − 1003 = 2897 kg/h

Відповідь

W = 2897 kg/h

3.Енергетичний баланс

Відповідь: t_out = 40,84 °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 = 2·3,6·(170 − 140) = 216 kW

Теплота, отримана водою

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 216/(2·4,18) = 40,84 °C

Відповідь

t_out = 40,84 °C

4.Енергетичний баланс

Відповідь: ṁ_c = 0,1789 kg/s

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

Віддана теплота

Q_h = 0,5·3,6·(150 − 120) = 54 kW

Теплота, що доходить до води

Q_c = (1 − 0,1)·54 = 48,6 kW

Витрата води

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 48,6/(4,18·65) = 0,1789 kg/s

Відповідь

ṁ_c = 0,1789 kg/s

5.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V = 35,57 L

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

Молі

n = 20/16,04 = 1,247 mol

T = 70 + 273,15 = 343,1 K

Об’єм

V = nRT/P = 1,247·8,314·343,1/100 = 35,57 L

Відповідь

V = 35,57 L

6.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: V₂ = 2,106 L

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

Абсолютні температури

T₁ = 288,1 K, T₂ = 493,1 K

Об’єднаний газовий закон

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(400/650)·(493,1/288,1) = 2,106 L

Відповідь

V₂ = 2,106 L

7.Стехіометрія

Відповідь: m = 36,04 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(H₂) = 16/2,016 = 7,937 mol

n(O₂) = 32/32 = 1 mol

Лімітуючий реагент

7,937/2 = 3,968, 1/1 = 1 → O₂

Маса продукту

n(H₂O) = 1·2 = 2 mol

m = 2·18,02 = 36,04 g

Відповідь

m = 36,04 g

8.Стехіометрія

Відповідь: Y = 55 %

Теоретичний вихід

n(Na) = 10/22,99 = 0,435 mol

m = 0,435·2/2·58,44 = 25,42 g

Вихід у відсотках

Y = 13,98/25,42·100 = 55%

Відповідь

Y = 55%

9.Хімічна рівновага

Відповідь: [H₂] = 0,1 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

36 = (2x)²/(0,4 − x)²

Добудьте квадратний корінь

6 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·6/(2 + 6) = 0,3 mol/L

Рівноважна концентрація

[H₂] = 0,4 − x = 0,1 mol/L

Відповідь

[H₂] = 0,1 mol/L

10.Хімічна рівновага

Відповідь: [Cl₂] = 0,2372 mol/L

Вираз константи рівноваги

0,1 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,1·x − 0,08 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,08))/2 = 0,2372 mol/L

Рівноважна концентрація

[Cl₂] = x = 0,2372 mol/L

Відповідь

[Cl₂] = 0,2372 mol/L

11.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: T_f = 23,41 °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

250·0,129·(200 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 20)

Виразіть кінцеву температуру

T_f = (32,25·200 + 1672·20)/(32,25 + 1672) = 23,41 °C

Відповідь

T_f = 23,41 °C

12.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: ΔH° = −2220 kJ

Ентальпія реакції

ΔH° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Відповідь

ΔH° = −2220 kJ

Від’ємне: реакція виділяє теплоту (екзотермічна).

13.Хімічна кінетика

Відповідь: t_½ = 1,667 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).

Період напівперетворення для другого порядку

t_½ = 1/(k·C_A0) = 1/(0,4·1,5) = 1,667 min

Відповідь

t_½ = 1,667 min

Кожен наступний період напівперетворення вдвічі довший, бо C₀ зменшилася вдвічі.

14.Хімічна кінетика

Відповідь: X = 23,34 %

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).

Константа швидкості за нової температури

T₁ = 293,1 K, T₂ = 303,1 K

k₂ = 0,002·e^{−(80000/8,314)·(1/303,1 − 1/293,1)} = 0,005906 min⁻¹

Конверсія

X = 1 − e^{−0,005906·45} = 1 − 0,7666 = 23,34 %

Відповідь

X = 23,34 %

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: V = 46,21 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 = ln(1/(1 − 0,75))/0,15 = 1,386/0,15 = 9,242 min

Об’єм

V = Q·τ = 5·9,242 = 46,21 L

Відповідь

V = 46,21 L

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 98,04 %

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 1000/5 = 200 min, kτ = 0,25·200 = 50

Конверсія

X = kτ/(1 + kτ) = 50/(1 + 50) = 98,04%

Відповідь

X = 98,04%

17.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: U = 2456 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 = 85 − 15 = 70 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 70 − 35 = 35 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 35)/ln(70/35) = 50,49 K

Коефіцієнт теплопередачі

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 310000/(2,5·50,49) = 2456 W/(m²·K)

Відповідь

U = 2456 W/(m²·K)

18.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: A = 5,164 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) = 2·2,3·20 = 92 kW

T_c,out = 25 + 92/(2·4,18) = 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 = 100 − 36 = 64 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 25 = 55 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (64 − 55)/ln(64/55) = 59,38 K

Площа

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 92000/(300·59,38) = 5,164 m²

Відповідь

A = 5,164 m²

19.Теплопровідність

Відповідь: Q̇ = 17,96 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) = (250/1000)/(0,035·6) = 1,19 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,72·6) = 0,03472 K/W

Тепловий потік

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 22/1,225 = 17,96 W

Відповідь

Q̇ = 17,96 W

20.Теплопровідність

Відповідь: Q̇ = 175,9 W

Послідовні опори

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·10) = 0,01 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,17·10) = 0,1176 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,72·10) = 0,02083 K/W

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

ΣR = 0,1535 K/W

Тепловтрати

Q̇ = (20 − (-7))/0,1535 = 175,9 W

Відповідь

Q̇ = 175,9 W

21.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: h_f = 15,66 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.

Швидкісний напір

V²/(2g) = 1,6²/(2·9,81) = 0,1305 m

Дарсі–Вейсбах

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(200/0,05)·1,6²/(2·9,81) = 15,66 m

Відповідь

h_f = 15,66 m

22.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: H = 3,54 m

Швидкість

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

V²/(2g) = 0,1469 m

Коефіцієнти втрат

f·L/D = 0,015·400/0,3 = 20

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 = 3,1

Рівняння енергії

Струмінь на виході ще має швидкісний напір; це не втрата, але його треба забезпечити.

H = (1 + 20 + 3,1)·0,1469 = 3,54 m

Відповідь

H = 3,54 m

23.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_el = 16,99 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 = 1000·9,81·0,025·50 = 12,26 kW

Потужність на валу

P_shaft = 12,26/0,82 = 14,95 kW

Електрична потужність

P_el = 14,95/0,88 = 16,99 kW

Відповідь

P_el = 16,99 kW

24.Насоси й потужність насосів

Відповідь: H = 22,25 m

Швидкість

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

Втрати напору

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (20 + 8)·0,3305 = 9,254 m

Напір насоса

Обидві поверхні відкриті й практично нерухомі, тож члени з тиском і швидкістю зникають.

H = Δz + h_L = 13 + 9,254 = 22,25 m

Відповідь

H = 22,25 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

Загальний баланс

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

Період напівперетворення для другого порядку

Відповідь

Константа швидкості за нової температури

Конверсія

Відповідь

Час перебування (space time)

Об’єм

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