Luyện thi FE Hóa học: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 24 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mới Quay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Cân bằng khối lượng

Trạng thái ổn định: vào = ra
Cân bằng tổng: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Cân bằng cấu tử: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Thiết bị cô đặc: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Cân bằng năng lượng

Nhiệt cảm: Q = ṁ·c_p·ΔT
Ẩn nhiệt: Q = ṁ·h_fg
Trộn: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Nước: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Phương trình khí lý tưởng

Phương trình khí lý tưởng: pV = nRT
Hằng số khí: R = 8,314 J/(mol·K)
Phương trình khí kết hợp: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Số mol: n = m/M
Nhiệt độ: T[K] = T[°C] + 273,15

Tỉ lượng hóa học

Số mol: n = m/M
Nồng độ: c = n/V
Tỉ lệ mol: dùng các hệ số của phương trình đã cân bằng
Chất hạn chế: chất hết trước
Hiệu suất phần trăm: thực tế / lý thuyết × 100%

Phương pháp

Viết và cân bằng phương trình hóa học.
Đổi khối lượng đã cho sang mol: n = m/M.
Dùng các hệ số làm tỉ lệ mol để tìm số mol của chất bạn muốn.
Đổi ngược lại sang khối lượng bằng m = n·M. Với hai chất phản ứng, hãy tìm chất hạn chế trước.

Cân bằng hóa học

Hằng số cân bằng: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Bảng ICE: Ban đầu, Thay đổi (×hệ số), Cân bằng
Phương trình bậc hai: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Phương pháp

Viết K_c với sản phẩm ở trên chất phản ứng, mỗi chất được nâng lên lũy thừa bằng hệ số của nó.
Lập bảng ICE: Ban đầu, Thay đổi (theo bước x nhân với các hệ số), Cân bằng.
Đưa các biểu thức lúc cân bằng vào K_c và giải tìm x.
Kiểm tra xem x có đủ nhỏ để xấp xỉ không; nếu không thì giải phương trình bậc hai.

Nhiệt lượng kế và entanpi

Nhiệt: q = m·c·ΔT
Nước: c = 4,18 J/(g·°C)
Nhiệt lượng kế: nhiệt tỏa ra = nhiệt thu vào
Entanpi của phản ứng: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Động học phản ứng

Bậc một: ln(C_A/C_A0) = −kt
Chu kỳ bán rã (bậc một): t_½ = ln 2/k
Bậc hai: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Hai nhiệt độ: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Tính kích thước lò phản ứng (CSTR và PFR)

Thời gian lưu: τ = V/Q
CSTR, bậc một: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, bậc một: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Độ chuyển hóa từ thể tích: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N CSTR giống nhau mắc nối tiếp: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Công suất nhiệt: Q = U·A·ΔT_lm
Hiệu nhiệt độ trung bình logarit: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Cân bằng dòng: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Dẫn nhiệt

Định luật Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Nhiệt trở dẫn nhiệt: R = L/(kA)
Nhiệt trở đối lưu: R = 1/(hA)
Các nhiệt trở nối tiếp: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Hệ số U: U = 1/(ΣR·A)

Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Số Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Chế độ chảy: chảy tầng dưới Re ≈ 2000, chảy rối trên Re ≈ 4000
Vận tốc trung bình: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Tổn thất cục bộ: h_m = ΣK·V²/(2g)
Giá trị K thường gặp: lối vào 0,5, lối ra 1,0, khúc cua 90° ≈ 0,3
Độ giảm áp suất: Δp = ρ·g·h_f
Hai bể chứa hở: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Cửa ra tự do: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Máy bơm và công suất bơm

Công suất thủy lực: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Công suất trên trục: P_shaft = P_h/η_pump
Công suất điện: P_el = P_shaft/η_motor
Cột áp của bơm: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Tổn thất của hệ thống: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Bài tập

1.Cân bằng khối lượngTrung bình

Mỗi giờ phải thêm bao nhiêu dòng 2 vào dòng 1 để sản phẩm sau khi trộn chứa 40% NaOH? Tìm ṁ₂.

ṁ₁ = 450 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 50 %x₃ = 40 %

ṁ₂ = kg/h

2.Cân bằng khối lượngKhó

Một thiết bị cô đặc làm đặc dung dịch NaOH bằng cách đun bay hơi nước tinh khiết. Tìm lượng nước bay hơi W theo kg/h.

F = 1200 kg/hx_F = 18 %x_P = 35 %

W = kg/h

3.Cân bằng năng lượngTrung bình

ethanol nóng làm nguội nước trong thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng, không có tổn thất nhiệt. Tìm nhiệt độ nước ra t_out.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 90 °Cṁ_c = 0,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 15 °C

t_out = °C

4.Cân bằng năng lượngKhó

ethanol nóng làm nóng nước trong một thiết bị trao đổi nhiệt bị thất thoát 10% nhiệt do dòng nóng tỏa ra ra môi trường xung quanh. Tìm lưu lượng nước ṁ_c cần thiết.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 120 °Ct: 30 → 75 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)tổn thất = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Phương trình khí lý tưởngTrung bình

Một bình 10 L chứa 160 g He ở 100 °C. Coi đó là khí lý tưởng và tìm áp suất P.

m = 160 gM = 4,003 g/molV = 10 LT = 100 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Phương trình khí lý tưởngKhó

Tìm khối lượng riêng ρ của Ar ở 700 kPa và 180 °C, coi đó là khí lý tưởng.

M = 39,95 g/molP = 700 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.Tỉ lượng hóa họcTrung bình

6 g N₂ và 80 g H₂ phản ứng theo N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Khối lượng m của NH₃ có thể tạo thành là bao nhiêu?

M(N₂) = 28,02M(H₂) = 2,016M(NH₃) = 17,03 g/mol

m = g

8.Tỉ lượng hóa họcKhó

Trong phản ứng N₂ + 3H₂ → 2NH₃, 4 g N₂ phản ứng hoàn toàn (các chất phản ứng khác dư) và thu được 3,4 g NH₃. Tìm hiệu suất phần trăm Y.

M(N₂) = 28,02 g/molM(NH₃) = 17,03 g/molthực tế: 3,4 g

Y = %

9.Cân bằng hóa họcTrung bình

0,2 mol/L H₂ và 0,2 mol/L I₂ được cho vào một bình và phản ứng: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, với K_c = 49. Tìm nồng độ lúc cân bằng [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,2 mol/LK_c = 49

[HI] = mol/L

10.Cân bằng hóa họcKhó

PCl₅ phân hủy: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, với K_c = 0,2 ở nhiệt độ phản ứng. Một bình ban đầu chỉ có 0,8 mol/L PCl₅. Tìm nồng độ lúc cân bằng [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,8 mol/LK_c = 0,2

[PCl₅] = mol/L

11.Nhiệt lượng kế và entanpiTrung bình

Một khối nhôm 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) ở 170 °C được thả vào 150 g nước (c = 4,18 J/(g·°C)) ở 17 °C trong một cốc cách nhiệt. Tìm nhiệt độ cuối T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 170 °Cm_water = 150 gT_water = 17 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Nhiệt lượng kế và entanpiKhó

Dùng entanpi tạo thành chuẩn để tìm nhiệt q tỏa ra khi 25 g C₂H₅OH (M = 46,07 g/mol) cháy hoàn toàn: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Cho q là số dương.

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

q = kJ

13.Động học phản ứngTrung bình

Trong một phản ứng bậc một, nồng độ A giảm từ 2 mol/L xuống 1,2 mol/L trong 60 phút. Tìm hằng số tốc độ k.

C_A0 = 2 mol/LC_A = 1,2 mol/Lt = 60 min

k = min⁻¹

14.Động học phản ứngKhó

Một phản ứng có hằng số tốc độ 0,002 min⁻¹ ở 35 °C và năng lượng hoạt hóa 90 kJ/mol. Tìm hằng số tốc độ k₂ ở 45 °C.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 35 °CT₂ = 45 °CE_a = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

k₂ = min⁻¹

15.Tính kích thước lò phản ứng (CSTR và PFR)Trung bình

Một phản ứng bậc một pha lỏng A → B với k = 0,5 min⁻¹ được thực hiện trong lò phản ứng dòng đẩy (PFR) cấp liệu 80 L/min. Khối lượng riêng không đổi và lò phản ứng ở trạng thái ổn định. Tìm thể tích lò phản ứng V theo lít để đạt độ chuyển hóa A 80%.

Q = 80 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 80%

V = L

16.Tính kích thước lò phản ứng (CSTR và PFR)Khó

Một phản ứng bậc một pha lỏng (k = 0,2 min⁻¹) diễn ra trong CSTR 800 L cấp liệu 40 L/min. Khối lượng riêng không đổi và lò phản ứng ở trạng thái ổn định. Tìm độ chuyển hóa X theo phần trăm.

V = 800 LQ = 40 L/mink = 0,2 min⁻¹

X = %

17.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)Trung bình

Một thiết bị trao đổi nhiệt ngược dòng truyền 200 kW. Chất lỏng nóng nguội đi từ 170 xuống 40 °C và chất lỏng lạnh nóng lên từ 20 đến 55 °C. Hệ số truyền nhiệt tổng thể là 500 W/(m²·K). Tìm diện tích truyền nhiệt A cần thiết.

Q̇ = 200 kWU = 500 W/(m²·K)T_h: 170 → 40 °CT_c: 20 → 55 °C

A = m²

18.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)Khó

Hơi nước ngưng tụ ở nhiệt độ không đổi 105 °C bên ngoài các ống của một thiết bị ngưng tụ có diện tích truyền nhiệt 6 m² và U = 3000 W/(m²·K). Nước làm mát (1,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) vào các ống ở 20 °C. Tìm nhiệt độ nước ra T_c,out.

T_s = 105 °CA = 6 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 20 °C

T_c,out = °C

19.Dẫn nhiệtTrung bình

Một bức tường gồm 250 mm bê tông và 50 mm gạch, có diện tích 15 m². Hai mặt ngoài ở 22 °C và -11 °C. Tìm dòng nhiệt Q̇ qua tường.

L₁ = 250 mm, k₁ = 1,4 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,72 W/(m·K)A = 15 m²T₁ = 22 °CT₃ = -11 °C

Q̇ = W

20.Dẫn nhiệtKhó

Một bức tường gồm 50 mm tấm thạch cao và 75 mm gỗ ngăn cách một căn phòng ở 21 °C với không khí bên ngoài ở -9 °C. Hệ số đối lưu là 6 W/(m²·K) bên trong và 25 W/(m²·K) bên ngoài, và diện tích tường là 8 m². Tìm hệ số truyền nhiệt tổng thể U của tường.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -9 °C

U = W/(m²·K)

21.Ma sát đường ống và tổn thất cột ápTrung bình

Nước chảy với 25 L/s qua một ống dài 200 m, đường kính trong 250 mm. Dùng hệ số ma sát Darcy f = 0,025 và g = 9,81 m/s². Tìm tổn thất cột áp do ma sát h_f.

Q = 25 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Ma sát đường ống và tổn thất cột ápKhó

Một ống dài 200 m, đường kính trong 250 mm (hệ số ma sát Darcy f = 0,018) chạy từ một bể hở và xả thành tia tự do vào không khí. Các tổn thất cục bộ là lối vào cạnh vuông (K = 0,5), 3 khúc cua (K = 0,3 mỗi khúc) và một van (K = 2). Dùng g = 9,81 m/s². Mặt bể phải cao hơn cửa ra của ống bao nhiêu H để có lưu lượng 60 L/s?

Q = 60 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,018K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 2

H = m

23.Máy bơm và công suất bơmTrung bình

Một máy bơm cấp 20 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) ngược với cột áp 54 m. Hiệu suất bơm là 80% và động cơ điện dẫn động nó có hiệu suất 90%. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm công suất điện P_el mà động cơ tiêu thụ, theo kW.

Q = 20 L/sH = 54 mη_pump = 80%η_motor = 90%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Máy bơm và công suất bơmKhó

Một máy bơm chuyển 40 L/s nước (ρ = 1000 kg/m³) từ một bể hở phía dưới lên một bồn phía trên có mặt nước cao hơn 18 m. Ống dài 100 m, đường kính trong 150 mm và hệ số ma sát Darcy f = 0,015; các hệ số tổn thất cục bộ cộng lại là ΣK = 5 (đã gồm lối vào và lối ra). Dùng g = 9,81 m/s². Hiệu suất bơm là 65%. Tìm công suất trên trục P_shaft theo kW.

Q = 40 L/sΔz = 18 mL = 100 mD = 150 mmf = 0,015ΣK = 5η = 65%

P_shaft = kW

3Dung dịch

1.Cân bằng khối lượng

Đáp số: ṁ₂ = 1125 kg/h

Cân bằng khối lượng ở trạng thái ổn định: vào = ra cho tổng và cho từng cấu tử. Bài toán pha trộn kết hợp cả hai.

Các phương trình cân bằng

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Giải tìm ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 450·(15 − 40)/(40 − 50) = 1125 kg/h

Đáp số

ṁ₂ = 1125 kg/h

2.Cân bằng khối lượng

Đáp số: W = 582,9 kg/h

Cấu tử liên kết: một cấu tử đi qua không đổi trong một dòng (ở đây là chất tan) liên hệ trực tiếp các lưu lượng. Sau đó cân bằng tổng cho phần còn lại.

Cân bằng chất tan

F·x_F = P·x_P → P = 1200·18/35 = 617,1 kg/h

Cân bằng tổng

W = F − P = 1200 − 617,1 = 582,9 kg/h

Đáp số

W = 582,9 kg/h

3.Cân bằng năng lượng

Đáp số: t_out = 61,7 °C

Cân bằng năng lượng của thiết bị trao đổi nhiệt: khi không có tổn thất, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Nhiệt do dòng nóng tỏa ra

Q = 0,5·2,44·(170 − 90) = 97,6 kW

Nhiệt nước thu vào

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 15 + 97,6/(0,5·4,18) = 61,7 °C

Đáp số

t_out = 61,7 °C

4.Cân bằng năng lượng

Đáp số: ṁ_c = 0,2919 kg/s

Cân bằng năng lượng có tổn thất: nhiệt tỏa ra = nhiệt hấp thụ + nhiệt tổn thất.

Nhiệt tỏa ra

Q_h = 0,5·2,44·(170 − 120) = 61 kW

Nhiệt đến được nước

Q_c = (1 − 0,1)·61 = 54,9 kW

Lưu lượng nước

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 54,9/(4,18·45) = 0,2919 kg/s

Đáp số

ṁ_c = 0,2919 kg/s

5.Phương trình khí lý tưởng

Đáp số: P = 12400 kPa

Phương trình khí lý tưởng: PV = nRT, với n = m/M.

Số mol

n = m/M = 160/4,003 = 39,97 mol

T = 100 + 273,15 = 373,1 K

Áp suất

P = nRT/V = 39,97·8,314·373,1/0,01 = 12400 kPa

Đáp số

P = 12400 kPa

6.Phương trình khí lý tưởng

Đáp số: ρ = 7,423 kg/m³

Khối lượng riêng của khí lý tưởng: ρ = PM/(RT).

Biến đổi phương trình khí

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

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

Khối lượng riêng

ρ = 700·39,95/(8,314·453,1) = 7,423 kg/m³

Đáp số

ρ = 7,423 kg/m³

7.Tỉ lượng hóa học

Đáp số: m = 7,293 g

Tỉ lượng hóa học: một phương trình đã cân bằng đếm số hạt, không phải số gam. Đổi khối lượng sang mol bằng n = m/M, dùng các hệ số của phương trình làm tỉ lệ mol, rồi đổi ngược lại bằng m = n·M. Với hai chất phản ứng, chất hạn chế là chất hết trước và quyết định lượng sản phẩm tạo thành.

Số mol của từng chất phản ứng

n(N₂) = 6/28,02 = 0,2141 mol

n(H₂) = 80/2,016 = 39,68 mol

Chất hạn chế

0,2141/1 = 0,2141, 39,68/3 = 13,23 → N₂

Khối lượng sản phẩm

n(NH₃) = 0,2141·2 = 0,4283 mol

m = 0,4283·17,03 = 7,293 g

Đáp số

m = 7,293 g

8.Tỉ lượng hóa học

Đáp số: Y = 69,93 %

Lượng sản phẩm lý thuyết

n(N₂) = 4/28,02 = 0,1428 mol

m = 0,1428·2/1·17,03 = 4,862 g

Hiệu suất phần trăm

Y = 3,4/4,862·100 = 69,93%

Đáp số

Y = 69,93%

9.Cân bằng hóa học

Đáp số: [HI] = 0,3111 mol/L

Cân bằng hóa học: với aA + bB ⇌ cC + dD, hằng số cân bằng là K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), dùng các nồng độ lúc cân bằng. Bảng ICE (Ban đầu, Thay đổi, Cân bằng) liên hệ lượng ban đầu với lượng lúc cân bằng qua một ẩn x, nhân với các hệ số.

Biểu thức cân bằng

49 = (2x)²/(0,2 − x)²

Lấy căn bậc hai

7 = 2x/(0,2 − x) → x = 0,2·7/(2 + 7) = 0,1556 mol/L

Nồng độ lúc cân bằng

[HI] = 2x = 0,3111 mol/L

Đáp số

[HI] = 0,3111 mol/L

10.Cân bằng hóa học

Đáp số: [PCl₅] = 0,4877 mol/L

Biểu thức cân bằng

0,2 = x²/(0,8 − x) → x² + 0,2·x − 0,16 = 0

Giải phương trình bậc hai

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,16))/2 = 0,3123 mol/L

Nồng độ lúc cân bằng

[PCl₅] = 0,8 − 0,3123 = 0,4877 mol/L

Đáp số

[PCl₅] = 0,4877 mol/L

11.Nhiệt lượng kế và entanpi

Đáp số: T_f = 27,21 °C

Nhiệt và entanpi: làm nóng một chất cần q = m·c·ΔT. Trong nhiệt lượng kế, nhiệt do vật nóng tỏa ra bằng nhiệt vật lạnh thu vào. Biến thiên entanpi của phản ứng suy ra từ entanpi tạo thành: ΔH° = ΣΔH°f(sản phẩm) − ΣΔH°f(chất phản ứng), mỗi giá trị nhân với hệ số của nó.

Cân bằng nhiệt

50·0,897·(170 − T_f) = 150·4,18·(T_f − 17)

Giải tìm nhiệt độ cuối

T_f = (44,85·170 + 627·17)/(44,85 + 627) = 27,21 °C

Đáp số

T_f = 27,21 °C

12.Nhiệt lượng kế và entanpi

Đáp số: q = 741,6 kJ

Entanpi của phản ứng

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

Nhiệt cho khối lượng đã cho

n = 25/46,07 = 0,5427 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,5427·1367 = 741,6 kJ

Đáp số

q = 741,6 kJ

13.Động học phản ứng

Đáp số: k = 0,008514 min⁻¹

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).

Định luật tích phân bậc một

k = ln(C_A0/C_A)/t = ln(2/1,2)/60 = 0,5108/60 = 0,008514 min⁻¹

Đáp số

k = 0,008514 min⁻¹

14.Động học phản ứng

Đáp số: k₂ = 0,006033 min⁻¹

Tốc độ phản ứng: với phản ứng bậc một −dC/dt = kC, nên C = C₀·e^−kt và chu kỳ bán rã ln 2/k không phụ thuộc nồng độ. Với phản ứng bậc hai 1/C = 1/C₀ + kt. Hằng số tốc độ tăng theo nhiệt độ theo Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Nhiệt độ tuyệt đối

T₁ = 308,1 K, T₂ = 318,1 K

Tỉ số Arrhenius

ln(k₂/k₁) = −(90000/8,314)·(1/318,1 − 1/308,1) = 1,104

k₂ = 0,002·e^1,104 = 0,006033 min⁻¹

Đáp số

k₂ = 0,006033 min⁻¹

15.Tính kích thước lò phản ứng (CSTR và PFR)

Đáp số: V = 257,5 L

Lò phản ứng lý tưởng, phản ứng bậc một (−r_A = k·C_A) ở trạng thái ổn định, với thời gian lưu τ = V/Q. CSTR được trộn hoàn hảo, nên toàn bộ thể tích phản ứng ở nồng độ ra thấp: τ = X/(k·(1 − X)) và C_A = C_A0/(1 + k·τ). Trong PFR mỗi lát chất lỏng phản ứng như một lò phản ứng gián đoạn nhỏ: τ = ln(1/(1 − X))/k và C_A = C_A0·e^−k·τ. Với cùng độ chuyển hóa, CSTR luôn cần thể tích lớn hơn PFR.

Thời gian lưu

τ = ln(1/(1 − 0,8))/0,5 = 1,609/0,5 = 3,219 min

Thể tích

V = Q·τ = 80·3,219 = 257,5 L

Đáp số

V = 257,5 L

16.Tính kích thước lò phản ứng (CSTR và PFR)

Đáp số: X = 80 %

Thời gian lưu

τ = V/Q = 800/40 = 20 min, kτ = 0,2·20 = 4

Độ chuyển hóa

X = kτ/(1 + kτ) = 4/(1 + 4) = 80%

Đáp số

X = 80%

17.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Đáp số: A = 7,365 m²

Phương pháp LMTD: hiệu nhiệt độ giữa các dòng thay đổi dọc theo thiết bị, nên phương trình tốc độ dùng giá trị trung bình logarit của nó: Q̇ = U·A·ΔT_lm, với ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), trong đó ΔT₁ và ΔT₂ là các hiệu nhiệt độ ở hai đầu. Dòng ngược chiều cho ΔT_lm lớn hơn dòng xuôi chiều với cùng nhiệt độ vào và ra.

Hiệu nhiệt độ ở hai đầu

Ở dòng ngược chiều, đầu vào nóng đối diện đầu ra lạnh, và đầu ra nóng đối diện đầu vào lạnh.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 170 − 55 = 115 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 40 − 20 = 20 K

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (115 − 20)/ln(115/20) = 54,31 K

Diện tích

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 200000/(500·54,31) = 7,365 m²

Đáp số

A = 7,365 m²

18.Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Đáp số: T_c,out = 100,2 °C

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.

Kết hợp cân bằng năng lượng và phương trình truyền nhiệt

Với ΔT₁ = T_s − T_c,in và ΔT₂ = T_s − T_c,out, hiệu ΔT₁ − ΔT₂ bằng độ tăng nhiệt độ của nước, nên độ tăng này triệt tiêu.

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

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 3000·6/(1,5·4180) = 2,871

Nhiệt độ ra

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

T_c,out = 105 − 4,815 = 100,2 °C

Đáp số

T_c,out = 100,2 °C

Nhiệt lượng truyền: Q̇ = 502,8 kW.

19.Dẫn nhiệt

Đáp số: Q̇ = 1996 W

Nhiệt trở: dòng nhiệt ổn định qua các lớp nối tiếp hoạt động giống như dòng điện qua các điện trở nối tiếp: Q̇ = ΔT/ΣR, với R = L/(kA) cho lớp dẫn nhiệt và R = 1/(hA) cho bề mặt đối lưu. Độ giảm nhiệt độ qua mỗi lớp tỉ lệ với nhiệt trở của nó.

Nhiệt trở của các lớp

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(1,4·15) = 0,0119 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,72·15) = 0,00463 K/W

Dòng nhiệt

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 33/0,01653 = 1996 W

Đáp số

Q̇ = 1996 W

20.Dẫn nhiệt

Đáp số: U = 1,062 W/(m²·K)

Các nhiệt trở nối tiếp

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·8) = 0,02083 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0,17·8) = 0,05515 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W

ΣR = 0,1177 K/W

Hệ số tổng thể

U = 1/(A·ΣR) = 1/(8·0,1177) = 1,062 W/(m²·K)

Đáp số

U = 1,062 W/(m²·K)

21.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: h_f = 0,2644 m

Dòng chảy trong ống: số Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ phân biệt chảy tầng (Re dưới khoảng 2000) với chảy rối (trên khoảng 4000). Ma sát dọc ống gây tổn thất cột áp Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Các phụ kiện, van, lối vào và lối ra gây thêm tổn thất cục bộ h_m = ΣK·V²/(2g). Giữa hai mặt thoáng của bể hở, phương trình năng lượng cho Δz = h_f + h_m, đã tính cả tổn thất lối ra K = 1.

Vận tốc trung bình

A = π·0,25²/4 = 0,04909 m²

V = Q/A = 0,025/0,04909 = 0,5093 m/s

Cột áp vận tốc

V²/(2g) = 0,5093²/(2·9,81) = 0,01322 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(200/0,25)·0,5093²/(2·9,81) = 0,2644 m

Đáp số

h_f = 0,2644 m

22.Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Đáp số: H = 1,432 m

Vận tốc

V = Q/A = 0,06/0,04909 = 1,222 m/s

V²/(2g) = 0,07615 m

Các hệ số tổn thất

f·L/D = 0,018·200/0,25 = 14,4

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

Phương trình năng lượng

Tia ra vẫn mang cột áp vận tốc của nó; đó không phải là tổn thất nhưng phải được cung cấp.

H = (1 + 14,4 + 3,4)·0,07615 = 1,432 m

Đáp số

H = 1,432 m

23.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: P_el = 14,71 kW

Công suất bơm: công suất truyền cho nước là công suất thủy lực P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Trục phải cung cấp nhiều hơn vì bơm có tổn hao: P_shaft = P_h/η_pump, và động cơ tiêu thụ P_el = P_shaft/η_motor. Cột áp bơm H suy ra từ phương trình năng lượng: chiều cao nâng tĩnh + cột áp áp suất + mọi tổn thất ma sát và cục bộ.

Công suất thủy lực

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,02·54 = 10,59 kW

Công suất trên trục

P_shaft = 10,59/0,8 = 13,24 kW

Công suất điện

P_el = 13,24/0,9 = 14,71 kW

Đáp số

P_el = 14,71 kW

24.Máy bơm và công suất bơm

Đáp số: P_shaft = 13,23 kW

Vận tốc

V = Q/A = 0,04/0,01767 = 2,264 m/s

V²/(2g) = 0,2611 m

Các tổn thất cột áp

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (10 + 5)·0,2611 = 3,917 m

Cột áp của bơm

H = Δz + h_L = 18 + 3,917 = 21,92 m

Công suất trên trục

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,04·21,92/0,65 = 13,23 kW

Đáp số

P_shaft = 13,23 kW

Đây là tài liệu luyện tập độc lập. ExamProblems không liên kết với hay được xác nhận bởi tổ chức tổ chức kỳ thi này, và tên kỳ thi chỉ được dùng để mô tả nội dung. Kỳ thi FE exam do NCEES tổ chức; tổ chức này không liên kết với ExamProblems và không bảo trợ nó.

ExamProblems · examproblems.com/courses/fe-exam-chemical

Luyện thi FE Hóa học: gói ôn nước rút

1Công thức và phương pháp

Cân bằng khối lượng

Cân bằng năng lượng

Phương trình khí lý tưởng

Tỉ lượng hóa học

Phương pháp

Cân bằng hóa học

Phương pháp

Nhiệt lượng kế và entanpi

Động học phản ứng

Tính kích thước lò phản ứng (CSTR và PFR)

Thiết bị trao đổi nhiệt (LMTD)

Dẫn nhiệt

Ma sát đường ống và tổn thất cột áp

Máy bơm và công suất bơm

2Bài tập

3Dung dịch

Các phương trình cân bằng

Giải tìm ṁ2

Đáp số

Cân bằng chất tan

Cân bằng tổng

Đáp số

Nhiệt do dòng nóng tỏa ra

Nhiệt nước thu vào

Đáp số

Nhiệt tỏa ra

Nhiệt đến được nước

Lưu lượng nước

Đáp số

Số mol

Áp suất

Đáp số

Biến đổi phương trình khí

Khối lượng riêng

Đáp số

Số mol của từng chất phản ứng

Chất hạn chế

Khối lượng sản phẩm

Đáp số

Lượng sản phẩm lý thuyết

Hiệu suất phần trăm

Đáp số

Biểu thức cân bằng

Lấy căn bậc hai

Nồng độ lúc cân bằng

Đáp số

Biểu thức cân bằng

Giải phương trình bậc hai

Nồng độ lúc cân bằng

Đáp số

Cân bằng nhiệt

Giải tìm nhiệt độ cuối

Đáp số

Entanpi của phản ứng

Nhiệt cho khối lượng đã cho

Đáp số

Định luật tích phân bậc một

Đáp số

Nhiệt độ tuyệt đối

Tỉ số Arrhenius

Đáp số

Thời gian lưu

Thể tích

Đáp số

Thời gian lưu

Độ chuyển hóa

Đáp số

Hiệu nhiệt độ ở hai đầu

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit

Diện tích

Đáp số

Kết hợp cân bằng năng lượng và phương trình truyền nhiệt

Nhiệt độ ra

Đáp số

Nhiệt trở của các lớp

Dòng nhiệt

Đáp số

Các nhiệt trở nối tiếp

Giải tìm ṁ₂