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 = 900 kg/hx₁ = 45 %x₂ = 10 %x₃ = 30 %

ṁ₂ = kg/h

2.Матеріальний балансСкладна

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

F = 2600 kg/hx_F = 6 %x_P = 65 %

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 = 1,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 80 °Cṁ_c = 1 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 15% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁ_c.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 140 °Ct: 10 → 25 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Рівняння стану ідеального газуСередня

Резервуар об’ємом 30 L містить 250 g газу (N₂) при 20 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.

m = 250 gM = 28,01 g/molV = 30 LT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Рівняння стану ідеального газуСкладна

Знайдіть густину ρ газу (He) при 750 kPa і 110 °C, вважаючи його ідеальним.

M = 4,003 g/molP = 750 kPaT = 110 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.СтехіометріяСередня

24 g C₃H₈ і 32 g O₂ реагують за рівнянням C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Яка маса m H₂O може утворитися?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.СтехіометріяСкладна

У реакції N₂ + 3H₂ → 2NH₃ 4 g N₂ реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 4,28 g NH₃. Знайдіть вихід у відсотках Y.

M(N₂) = 28,02 g/molM(NH₃) = 17,03 g/molфактичний: 4,28 g

Y = %

9.Хімічна рівновагаСередня

У посудину вносять 0,2 mol/L H₂ і 0,2 mol/L I₂, і вони реагують: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, K_c = 64. Знайдіть рівноважну концентрацію [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LK_c = 64

[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 0,2 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LK_c = 0,04

[Cl₂] = mol/L

11.Калориметрія й ентальпіяСередня

Брусок масою 100 g (матеріал: цинк, c = 0,388 J/(g·°C)) за температури 160 °C опускають у 400 g води (c = 4,18 J/(g·°C)) за 22 °C у теплоізольованій склянці. Знайдіть кінцеву температуру T_f.

m_metal = 100 gc_metal = 0,388 J/(g·°C)T_metal = 160 °Cm_water = 400 gT_water = 22 °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 100 g C₆H₁₂O₆ (M = 180,16 g/mol): C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O(l). Подайте q додатним числом.

ΔH°f(C₆H₁₂O₆) = −1274 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Хімічна кінетикаСередня

Реакція другого порядку (−r_A = k·C_A²) має k = 1 L/(mol·min) і початкову концентрацію 2 mol/L. Знайдіть її перший період напівперетворення t_½.

k = 1 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/L

t_½ = min

14.Хімічна кінетикаСкладна

Реакція першого порядку має константу швидкості 0,01 s⁻¹ при 50 °C і енергію активації 100 kJ/mol. Знайдіть передекспоненційний множник A у рівнянні Арреніуса.

k = 0,01 s⁻¹T = 50 °CE_a = 100 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

A = s⁻¹

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня

Рідиннофазна реакція першого порядку A → B (k = 0,4 min⁻¹) відбувається в реакторі ідеального витіснення (PFR) об’ємом 150 L. Живлення надходить з витратою 80 L/min при C_A0 = 2,5 mol/L. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть вихідну концентрацію C_A.

V = 150 LQ = 80 L/mink = 0,4 min⁻¹C_A0 = 2,5 mol/L

C_A = mol/L

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,15 min⁻¹) відбувається у двох однакових послідовних CSTR об’ємом 500 L кожен. Витрата живлення 40 L/min, густина стала, реактори працюють у стаціонарному режимі. Знайдіть загальну конверсію X у відсотках.

V = 500 L (×2)Q = 40 L/mink = 0,15 min⁻¹

X = %

17.Теплообмінники (LMTD)Середня

Кожухотрубний теплообмінник (один хід у міжтрубному просторі, два ходи в трубах) має передавати 200 kW. Гарячий теплоносій охолоджується від 80 до 35 °C, а холодний нагрівається від 10 до 30 °C. Поправковий коефіцієнт до LMTD для цієї схеми F = 0,8, а U = 800 W/(m²·K). Знайдіть потрібну площу теплообміну A.

Q̇ = 200 kWF = 0,8U = 800 W/(m²·K)T_h: 80 → 35 °CT_c: 10 → 30 °C

A = m²

18.Теплообмінники (LMTD)Складна

У протитечійному теплообміннику «труба в трубі» гаряча олива (0,5 kg/s, c_p = 2,1 kJ/(kg·K)) тече внутрішньою трубою й охолоджується від 135 до 105 °C. Вода (0,8 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) у кільцевому каналі входить при 20 °C. Внутрішня труба має діаметр 50 mm, і U = 150 W/(m²·K) віднесено до цього діаметра. Знайдіть потрібну довжину труби L.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 135 → 105 °Cṁ_c = 0,8 kg/sT_c,in = 20 °CD = 50 mmU = 150 W/(m²·K)

L = m

19.ТеплопровідністьСередня

Стіна складається з 200 mm шару (гіпсокартон) і 75 mm шару (цегла), її площа 4 m². Зовнішні поверхні мають 23 °C і 5 °C. Знайдіть температуру T_i на межі між двома шарами.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 23 °CT₃ = 5 °C

T_i = °C

20.ТеплопровідністьСкладна

Стіна з 100 mm (цегла) і 50 mm (бетон) відділяє приміщення при 21 °C від зовнішнього повітря при -8 °C. Коефіцієнти тепловіддачі — 7,7 W/(m²·K) всередині та 30 W/(m²·K) ззовні, площа стіни 12 m². Знайдіть тепловтрати Q̇ через стіну.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -8 °C

Q̇ = W

21.Тертя в трубах і втрати напоруСередня

Вода тече з витратою 2 L/s трубою довжиною 400 m з внутрішнім діаметром 50 mm. Візьміть коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,018 і g = 9,81 m/s². Знайдіть втрати напору на тертя h_f.

Q = 2 L/sL = 400 mD = 50 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Тертя в трубах і втрати напоруСкладна

Два відкриті резервуари з’єднані трубою довжиною 100 m з внутрішнім діаметром 200 mm і коефіцієнтом тертя Дарсі f = 0,02. Поверхня води у верхньому резервуарі на 18 m вища, ніж у нижньому. Місцеві втрати: вхід з гострою кромкою (K = 0,5), 2 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 = 18 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,02K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 5K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Насоси й потужність насосівСередня

Насос з ККД 60% подає 100 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) проти напору 44 m. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть потрібну потужність на валу P_shaft у kW.

Q = 100 L/sH = 44 mη = 60%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Насоси й потужність насосівСкладна

Насос перекачує 75 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) з відкритого нижнього резервуара у верхній бак, поверхня води в якому на 6 m вища. Труба довжиною 200 m має внутрішній діаметр 200 mm і коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,025; сума коефіцієнтів місцевих втрат ΣK = 5 (з урахуванням входу й виходу). Візьміть g = 9,81 m/s². ККД насоса 75%. Знайдіть потужність на валу P_shaft у kW.

Q = 75 L/sΔz = 6 mL = 200 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 5η = 75%

P_shaft = kW

3Розчини

1.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ₂ = 675 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) = 900·(45 − 30)/(30 − 10) = 675 kg/h

Відповідь

ṁ₂ = 675 kg/h

2.Матеріальний баланс

Відповідь: W = 2360 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 = 2600·6/65 = 240 kg/h

Загальний баланс

W = F − P = 2600 − 240 = 2360 kg/h

Відповідь

W = 2360 kg/h

3.Енергетичний баланс

Відповідь: t_out = 128,3 °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 = 1,5·3,6·(160 − 80) = 432 kW

Теплота, отримана водою

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 432/(1·4,18) = 128,3 °C

Відповідь

t_out = 128,3 °C

4.Енергетичний баланс

Відповідь: ṁ_c = 1,139 kg/s

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

Віддана теплота

Q_h = 1·2,1·(180 − 140) = 84 kW

Теплота, що доходить до води

Q_c = (1 − 0,15)·84 = 71,4 kW

Витрата води

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 71,4/(4,18·15) = 1,139 kg/s

Відповідь

ṁ_c = 1,139 kg/s

5.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: P = 725,1 kPa

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

Молі

n = m/M = 250/28,01 = 8,925 mol

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

Тиск

P = nRT/V = 8,925·8,314·293,1/0,03 = 725,1 kPa

Відповідь

P = 725,1 kPa

6.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: ρ = 0,9425 kg/m³

Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).

Перетворіть газовий закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 110 + 273,15 = 383,1 K

Густина

ρ = 750·4,003/(8,314·383,1) = 0,9425 kg/m³

Відповідь

ρ = 0,9425 kg/m³

7.Стехіометрія

Відповідь: m = 14,42 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) = 24/44,1 = 0,5442 mol

n(O₂) = 32/32 = 1 mol

Лімітуючий реагент

0,5442/1 = 0,5442, 1/5 = 0,2 → O₂

Маса продукту

n(H₂O) = 0,2·4 = 0,8 mol

m = 0,8·18,02 = 14,42 g

Відповідь

m = 14,42 g

8.Стехіометрія

Відповідь: Y = 88,03 %

Теоретичний вихід

n(N₂) = 4/28,02 = 0,1428 mol

m = 0,1428·2/1·17,03 = 4,862 g

Вихід у відсотках

Y = 4,28/4,862·100 = 88,03%

Відповідь

Y = 88,03%

9.Хімічна рівновага

Відповідь: [HI] = 0,32 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/(0,2 − x)²

Добудьте квадратний корінь

8 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·8/(2 + 8) = 0,16 mol/L

Рівноважна концентрація

[HI] = 2x = 0,32 mol/L

Відповідь

[HI] = 0,32 mol/L

10.Хімічна рівновага

Відповідь: [Cl₂] = 0,07165 mol/L

Вираз константи рівноваги

0,04 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,04·x − 0,008 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,04 + √(0,04² + 4·0,008))/2 = 0,07165 mol/L

Рівноважна концентрація

[Cl₂] = x = 0,07165 mol/L

Відповідь

[Cl₂] = 0,07165 mol/L

11.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: T_f = 25,13 °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

100·0,388·(160 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 22)

Виразіть кінцеву температуру

T_f = (38,8·160 + 1672·22)/(38,8 + 1672) = 25,13 °C

Відповідь

T_f = 25,13 °C

12.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: q = 1555 kJ

Ентальпія реакції

ΔH° = [6·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [1·(−1274) + 6·0] = −2802 kJ

Теплота для заданої маси

n = 100/180,16 = 0,5551 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,5551·2802 = 1555 kJ

Відповідь

q = 1555 kJ

13.Хімічна кінетика

Відповідь: t_½ = 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).

Період напівперетворення для другого порядку

t_½ = 1/(k·C_A0) = 1/(1·2) = 0,5 min

Відповідь

t_½ = 0,5 min

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

14.Хімічна кінетика

Відповідь: A = 1,461 × 10¹⁴ s⁻¹

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).

Абсолютна температура

T = 50 + 273,15 = 323,1 K

Виразіть A з рівняння Арреніуса

E_a/(RT) = 100000/(8,314·323,1) = 37,22

A = k·e^37,22 = 0,01·1,461 × 10¹⁶ = 1,461 × 10¹⁴ s⁻¹

Відповідь

A = 1,461 × 10¹⁴ s⁻¹

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: C_A = 1,181 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 = 150/80 = 1,875 min

Вихідна концентрація

C_A = 2,5·e^{−0,4·1,875} = 1,181 mol/L

Відповідь

C_A = 1,181 mol/L

Конверсія: X = 52,76%.

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 87,9 %

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 500/40 = 12,5 min, kτ = 0,15·12,5 = 1,875

Конверсія

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,875) = 0,3478

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,121

X = 1 − 0,121 = 87,9%

Відповідь

X = 87,9%

17.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: A = 8,664 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 = 80 − 30 = 50 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 35 − 10 = 25 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50 − 25)/ln(50/25) = 36,07 K

Площа

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 200000/(800·0,8·36,07) = 8,664 m²

Відповідь

A = 8,664 m²

18.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: L = 14,08 m

Теплове навантаження і температура води на виході

Q̇ = 0,5·2,1·(135 − 105) = 31,5 kW

T_c,out = 20 + 31,5/(0,8·4,18) = 29,42 °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 = 135 − 29,42 = 105,6 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 105 − 20 = 85 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105,6 − 85)/ln(105,6/85) = 94,92 K

Площа й довжина

A = 31500/(150·94,92) = 2,212 m²

L = A/(πD) = 2,212/(π·0,05) = 14,08 m

Відповідь

L = 14,08 m

19.Теплопровідність

Відповідь: T_i = 6,464 °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) = (200/1000)/(0,17·4) = 0,2941 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0,72·4) = 0,02604 K/W

Тепловий потік

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 18/0,3202 = 56,22 W

Температура на межі

На першому шарі температура падає на Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 23 − 56,22·0,2941 = 6,464 °C

Відповідь

T_i = 6,464 °C

20.Теплопровідність

Відповідь: Q̇ = 1030 W

Послідовні опори

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·12) = 0,01082 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0,72·12) = 0,01157 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(1,4·12) = 0,002976 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·12) = 0,002778 K/W

ΣR = 0,02815 K/W

Тепловтрати

Q̇ = (21 − (-8))/0,02815 = 1030 W

Відповідь

Q̇ = 1030 W

21.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: h_f = 7,615 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 = 0,002/0,001963 = 1,019 m/s

Швидкісний напір

V²/(2g) = 1,019²/(2·9,81) = 0,05288 m

Дарсі–Вейсбах

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(400/0,05)·1,019²/(2·9,81) = 7,615 m

Відповідь

h_f = 7,615 m

22.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: Q = 142,8 L/s

Коефіцієнти втрат

f·L/D = 0,02·100/0,2 = 10

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Рівняння енергії

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

18 = (10 + 7,1)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·18/17,1) = 4,545 m/s

Витрата

Q = V·π·D²/4 = 4,545·0,03142 = 0,1428 m³/s = 142,8 L/s

Відповідь

Q = 142,8 L/s

23.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_shaft = 71,94 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 = 1000·9,81·0,1·44 = 43,16 kW

Потужність на валу

P_shaft = P_h/η = 43,16/0,6 = 71,94 kW

Відповідь

P_shaft = 71,94 kW

24.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_shaft = 14,43 kW

Швидкість

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

V²/(2g) = 0,2905 m

Втрати напору

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (25 + 5)·0,2905 = 8,715 m

Напір насоса

H = Δz + h_L = 6 + 8,715 = 14,71 m

Потужність на валу

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,075·14,71/0,75 = 14,43 kW

Відповідь

P_shaft = 14,43 kW

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

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

Період напівперетворення для другого порядку

Відповідь

Абсолютна температура

Виразіть A 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 й довжина

Відповідь

Опори шарів

Тепловий потік

Виразіть ṁ₂