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 35% компонента (NaOH)? Знайдіть ṁ₂.

ṁ₁ = 750 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 45 %x₃ = 35 %

ṁ₂ = kg/h

2.Матеріальний балансСкладна

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

F = 3500 kg/hx_F = 7 %x_P = 30 %

P = 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: 140 → 60 °Cṁ_c = 1 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 15% теплоти, відданої гарячим потоком. Знайдіть потрібну витрату води ṁ_c.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 140 °Ct: 15 → 55 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)втрати = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Рівняння стану ідеального газуСередня

Резервуар об’ємом 10 L містить 20 g газу (CO₂) при 85 °C. Вважайте газ ідеальним і знайдіть тиск P.

m = 20 gM = 44,01 g/molV = 10 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Рівняння стану ідеального газуСкладна

Знайдіть густину ρ газу (CO₂) при 900 kPa і 180 °C, вважаючи його ідеальним.

M = 44,01 g/molP = 900 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.СтехіометріяСередня

16 g Fe₂O₃ і 8 g CO реагують за рівнянням Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Яка маса m CO₂ може утворитися?

M(Fe₂O₃) = 159,69M(CO) = 28,01M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.СтехіометріяСкладна

У реакції 2Al + 3Cl₂ → 2AlCl₃ 10 g Al реагує повністю (інші реагенти в надлишку) і збирають 46,45 g AlCl₃. Знайдіть вихід у відсотках Y.

M(Al) = 26,98 g/molM(AlCl₃) = 133,33 g/molфактичний: 46,45 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 = 4. Знайдіть рівноважну концентрацію [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 1 mol/LK_c = 4

[H₂] = mol/L

10.Хімічна рівновагаСкладна

PCl₅ розкладається: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, K_c = 0,05 за температури реакції. Спочатку в посудині є лише PCl₅ з концентрацією 0,25 mol/L. Знайдіть рівноважну концентрацію [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,05

[Cl₂] = mol/L

11.Калориметрія й ентальпіяСередня

Брусок масою 50 g (матеріал: цинк, c = 0,388 J/(g·°C)) за температури 200 °C опускають у 200 g води (c = 4,18 J/(g·°C)) за 22 °C у теплоізольованій склянці. Знайдіть кінцеву температуру T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,388 J/(g·°C)T_metal = 200 °Cm_water = 200 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 250 g CH₄ (M = 16,04 g/mol): CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O(l). Подайте q додатним числом.

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

q = kJ

13.Хімічна кінетикаСередня

Реакція з кінетичним рівнянням −r_A = k·C_A² має k = 0,25 L/(mol·min) і починається з 1 mol/L. Знайдіть концентрацію C_A через 2 min.

k = 0,25 L/(mol·min)C_A0 = 1 mol/Lt = 2 min

C_A = mol/L

14.Хімічна кінетикаСкладна

Константа швидкості реакції — 0,002 min⁻¹ при 30 °C і 0,0244 min⁻¹ при 60 °C. Знайдіть енергію активації E_a.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 30 °Ck₂ = 0,0244 min⁻¹T₂ = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Середня

Рідиннофазну реакцію першого порядку A → B з k = 0,1 min⁻¹ проводять у реакторі ідеального витіснення (PFR) з витратою живлення 50 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть об’єм реактора V у літрах для 60% конверсії A.

Q = 50 L/mink = 0,1 min⁻¹X = 60%

V = L

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)Складна

Рідиннофазна реакція першого порядку (k = 0,4 min⁻¹) відбувається в CSTR об’ємом 500 L з витратою живлення 5 L/min. Густина стала, реактор працює в стаціонарному режимі. Знайдіть конверсію X у відсотках.

V = 500 LQ = 5 L/mink = 0,4 min⁻¹

X = %

17.Теплообмінники (LMTD)Середня

У конденсаторі пара конденсується за сталої температури 110 °C на зовнішній поверхні труб. Охолоджувальна вода (1 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) тече трубами й нагрівається від 30 до 60 °C. Коефіцієнт теплопередачі 1000 W/(m²·K). Знайдіть потрібну площу теплообміну A.

T_s = 110 °Cṁ = 1 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c: 30 → 60 °CU = 1000 W/(m²·K)

A = m²

18.Теплообмінники (LMTD)Складна

У протитечійному теплообміннику обидва потоки мають однакову повну теплоємність ṁ·c_p = 0,5 kW/K. Гарячий потік входить при 155 °C, а холодний при 10 °C. Теплообмінник має A = 0,5 m² і U = 800 W/(m²·K). Знайдіть температуру гарячого потоку на виході T_h,out.

C_h = C_c = 0,5 kW/KT_h,in = 155 °CT_c,in = 10 °CA = 0,5 m²U = 800 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.ТеплопровідністьСередня

Стіна складається з 250 mm шару (гіпсокартон) і 50 mm шару (скло), її площа 20 m². Зовнішні поверхні мають 24 °C і 3 °C. Знайдіть температуру T_i на межі між двома шарами.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 24 °CT₃ = 3 °C

T_i = °C

20.ТеплопровідністьСкладна

Стіна з 50 mm (мінеральна вата) і 25 mm (бетон) відділяє приміщення при 21 °C від зовнішнього повітря при -13 °C. Коефіцієнти тепловіддачі — 7,7 W/(m²·K) всередині та 25 W/(m²·K) ззовні, площа стіни 15 m². Знайдіть тепловтрати Q̇ через стіну.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,04 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 1,4 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -13 °C

Q̇ = W

21.Тертя в трубах і втрати напоруСередня

Вода (ρ = 1000 kg/m³) тече зі швидкістю 2,1 m/s горизонтальною трубою довжиною 150 m з внутрішнім діаметром 75 mm. Візьміть коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,018 і g = 9,81 m/s². Знайдіть перепад тиску Δp у трубі в kPa.

V = 2,1 m/sL = 150 mD = 75 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Тертя в трубах і втрати напоруСкладна

Труба довжиною 300 m з внутрішнім діаметром 300 mm (коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,022) 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 = 10). Візьміть g = 9,81 m/s². На скільки H поверхня резервуара має бути вищою за вихід труби для витрати 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 10

H = m

23.Насоси й потужність насосівСередня

Насос з ККД 75% подає 60 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) проти напору 14 m. Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть потрібну потужність на валу P_shaft у kW.

Q = 60 L/sH = 14 mη = 75%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Насоси й потужність насосівСкладна

Насос перекачує 120 L/s води (ρ = 1000 kg/m³) з відкритого нижнього резервуара у верхній бак, поверхня води в якому на 12 m вища. Труба довжиною 100 m має внутрішній діаметр 250 mm і коефіцієнт тертя Дарсі f = 0,015; сума коефіцієнтів місцевих втрат ΣK = 3 (з урахуванням входу й виходу). Візьміть g = 9,81 m/s². Знайдіть напір H, який має створити насос.

Q = 120 L/sΔz = 12 mL = 100 mD = 250 mmf = 0,015ΣK = 3

H = m

3Розчини

1.Матеріальний баланс

Відповідь: ṁ₂ = 2250 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) = 750·(5 − 35)/(35 − 45) = 2250 kg/h

Відповідь

ṁ₂ = 2250 kg/h

2.Матеріальний баланс

Відповідь: P = 816,7 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 = 3500·7/30 = 816,7 kg/h

Відповідь

P = 816,7 kg/h

3.Енергетичний баланс

Відповідь: t_out = 118,3 °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·(140 − 60) = 432 kW

Теплота, отримана водою

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 432/(1·4,18) = 118,3 °C

Відповідь

t_out = 118,3 °C

4.Енергетичний баланс

Відповідь: ṁ_c = 1,098 kg/s

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

Віддана теплота

Q_h = 1,5·3,6·(180 − 140) = 216 kW

Теплота, що доходить до води

Q_c = (1 − 0,15)·216 = 183,6 kW

Витрата води

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 183,6/(4,18·40) = 1,098 kg/s

Відповідь

ṁ_c = 1,098 kg/s

5.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: P = 135,3 kPa

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

Молі

n = m/M = 20/44,01 = 0,4544 mol

T = 85 + 273,15 = 358,1 K

Тиск

P = nRT/V = 0,4544·8,314·358,1/0,01 = 135,3 kPa

Відповідь

P = 135,3 kPa

6.Рівняння стану ідеального газу

Відповідь: ρ = 10,51 kg/m³

Густина ідеального газу: ρ = PM/(RT).

Перетворіть газовий закон

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

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

Густина

ρ = 900·44,01/(8,314·453,1) = 10,51 kg/m³

Відповідь

ρ = 10,51 kg/m³

7.Стехіометрія

Відповідь: m = 12,57 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(Fe₂O₃) = 16/159,69 = 0,1002 mol

n(CO) = 8/28,01 = 0,2856 mol

Лімітуючий реагент

0,1002/1 = 0,1002, 0,2856/3 = 0,0952 → CO

Маса продукту

n(CO₂) = 0,0952·3 = 0,2856 mol

m = 0,2856·44,01 = 12,57 g

Відповідь

m = 12,57 g

8.Стехіометрія

Відповідь: Y = 93,99 %

Теоретичний вихід

n(Al) = 10/26,98 = 0,3706 mol

m = 0,3706·2/2·133,33 = 49,42 g

Вихід у відсотках

Y = 46,45/49,42·100 = 93,99%

Відповідь

Y = 93,99%

9.Хімічна рівновага

Відповідь: [H₂] = 0,5 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

4 = (2x)²/(1 − x)²

Добудьте квадратний корінь

2 = 2x/(1 − x) → x = 1·2/(2 + 2) = 0,5 mol/L

Рівноважна концентрація

[H₂] = 1 − x = 0,5 mol/L

Відповідь

[H₂] = 0,5 mol/L

10.Хімічна рівновага

Відповідь: [Cl₂] = 0,08956 mol/L

Вираз константи рівноваги

0,05 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,05·x − 0,0125 = 0

Розв’яжіть квадратне рівняння

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,0125))/2 = 0,08956 mol/L

Рівноважна концентрація

[Cl₂] = x = 0,08956 mol/L

Відповідь

[Cl₂] = 0,08956 mol/L

11.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: T_f = 26,04 °C

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

Тепловий баланс

50·0,388·(200 − T_f) = 200·4,18·(T_f − 22)

Виразіть кінцеву температуру

T_f = (19,4·200 + 836·22)/(19,4 + 836) = 26,04 °C

Відповідь

T_f = 26,04 °C

12.Калориметрія й ентальпія

Відповідь: q = 13876 kJ

Ентальпія реакції

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

Теплота для заданої маси

n = 250/16,04 = 15,59 mol

q = n·|ΔH°/1| = 15,59·890,3 = 13876 kJ

Відповідь

q = 13876 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 = 1 + 0,25·2 = 1,5 L/mol

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

Відповідь

C_A = 0,6667 mol/L

14.Хімічна кінетика

Відповідь: E_a = 70,01 kJ/mol

Абсолютні температури

T₁ = 303,1 K, T₂ = 333,1 K

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·2,501/(-2,970e-4) = 70012 J/mol

E_a = 70,01 kJ/mol

Відповідь

E_a = 70,01 kJ/mol

15.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: V = 458,1 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 − 0,6))/0,1 = 0,9163/0,1 = 9,163 min

Об’єм

V = Q·τ = 50·9,163 = 458,1 L

Відповідь

V = 458,1 L

16.Розрахунок реакторів (CSTR і PFR)

Відповідь: X = 97,56 %

Час перебування (space time)

τ = V/Q = 500/5 = 100 min, kτ = 0,4·100 = 40

Конверсія

X = kτ/(1 + kτ) = 40/(1 + 40) = 97,56%

Відповідь

X = 97,56%

17.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: A = 1,965 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.

Теплове навантаження з боку води

Q̇ = 1·4,18·(60 − 30) = 125,4 kW

Різниці температур на кінцях

ΔT₁ = 110 − 30 = 80 K

ΔT₂ = 110 − 60 = 50 K

Середньологарифмічна різниця температур

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (80 − 50)/ln(80/50) = 63,83 K

Площа

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 125400/(1000·63,83) = 1,965 m²

Відповідь

A = 1,965 m²

18.Теплообмінники (LMTD)

Відповідь: T_h,out = 90,56 °C

Стала різниця температур

Вихід холодного потоку розташований навпроти входу гарячого: T_c,out = T_c,in + (T_h,in − T_h,out), тож ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = T_h,out − T_c,in = ΔT₂.

ΔT_lm = T_h,out − T_c,in

Енергетичний баланс дорівнює рівнянню теплопередачі

0,5·(155 − T_h,out) = 0,4·(T_h,out − 10)

T_h,out = (0,5·155 + 0,4·10)/(0,5 + 0,4) = 90,56 °C

Відповідь

T_h,out = 90,56 °C

Передана теплота: Q̇ = 32,22 kW; холодний потік виходить при 74,44 °C.

19.Теплопровідність

Відповідь: T_i = 3,718 °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) = (250/1000)/(0,17·20) = 0,07353 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,96·20) = 0,002604 K/W

Тепловий потік

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 21/0,07613 = 275,8 W

Температура на межі

На першому шарі температура падає на Q̇·R₁.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 24 − 275,8·0,07353 = 3,718 °C

Відповідь

T_i = 3,718 °C

20.Теплопровідність

Відповідь: Q̇ = 354,7 W

Послідовні опори

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·15) = 0,008658 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,04·15) = 0,08333 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(1,4·15) = 0,00119 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W

ΣR = 0,09585 K/W

Тепловтрати

Q̇ = (21 − (-13))/0,09585 = 354,7 W

Відповідь

Q̇ = 354,7 W

21.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: Δp = 79,38 kPa

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.

Втрати напору

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(150/0,075)·2,1²/(2·9,81) = 8,092 m

Перепад тиску

Труба горизонтальна, а швидкість не змінюється, тож рівняння енергії зводиться до Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·8,092 = 79380 Pa = 79,38 kPa

Відповідь

Δp = 79,38 kPa

22.Тертя в трубах і втрати напору

Відповідь: H = 2,226 m

Швидкість

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

V²/(2g) = 0,06529 m

Коефіцієнти втрат

f·L/D = 0,022·300/0,3 = 22

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 = 11,1

Рівняння енергії

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

H = (1 + 22 + 11,1)·0,06529 = 2,226 m

Відповідь

H = 2,226 m

23.Насоси й потужність насосів

Відповідь: P_shaft = 10,99 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 = 1000·9,81·0,06·14 = 8,24 kW

Потужність на валу

P_shaft = P_h/η = 8,24/0,75 = 10,99 kW

Відповідь

P_shaft = 10,99 kW

24.Насоси й потужність насосів

Відповідь: H = 14,74 m

Швидкість

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s

V²/(2g) = 0,3046 m

Втрати напору

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (6 + 3)·0,3046 = 2,741 m

Напір насоса

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

H = Δz + h_L = 12 + 2,741 = 14,74 m

Відповідь

H = 14,74 m

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

Тиск

Відповідь

Перетворіть газовий закон

Густина

Відповідь

Кількість речовини кожного реагенту

Лімітуючий реагент

Маса продукту

Відповідь

Теоретичний вихід

Вихід у відсотках

Відповідь

Вираз константи рівноваги

Добудьте квадратний корінь

Рівноважна концентрація

Відповідь

Вираз константи рівноваги

Розв’яжіть квадратне рівняння

Рівноважна концентрація

Відповідь

Тепловий баланс

Виразіть кінцеву температуру

Відповідь

Ентальпія реакції

Теплота для заданої маси

Відповідь

Інтегроване рівняння другого порядку

Відповідь

Абсолютні температури

Виразіть Ea з рівняння Арреніуса

Відповідь

Час перебування (space time)

Об’єм

Відповідь

Час перебування (space time)

Конверсія

Відповідь

Теплове навантаження з боку води

Різниці температур на кінцях

Середньологарифмічна різниця температур

Площа

Відповідь

Стала різниця температур

Енергетичний баланс дорівнює рівнянню теплопередачі

Відповідь

Опори шарів

Тепловий потік

Температура на межі

Відповідь

Виразіть ṁ₂