Latihan ujian FE Chemical: paket kilat

Lembar rumus, langkah-langkah metode utama untuk setiap topik, dan 24 soal latihan, dengan pembahasan lengkap di bagian belakang.

Soal baru Kembali ke mata kuliah

Di jendela cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan di perangkat Anda.

1Rumus dan metode

Neraca massa

Keadaan tunak: masuk = keluar
Neraca total: ṁ₁ + ṁ₂ = ṁ₃
Neraca komponen: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = ṁ₃x₃
Evaporator: F·x_F = P·x_P, W = F − P

Neraca energi

Kalor sensibel: Q = ṁ·c_p·ΔT
Kalor laten: Q = ṁ·h_fg
Pencampuran: Σṁc_pT_in = Σṁc_pT_out
Air: c_p ≈ 4,18 kJ/(kg·K)

Hukum gas ideal

Hukum gas ideal: pV = nRT
Konstanta gas: R = 8,314 J/(mol·K)
Hukum gas gabungan: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂
Mol: n = m/M
Suhu: T[K] = T[°C] + 273,15

Stoikiometri

Mol: n = m/M
Konsentrasi: c = n/V
Perbandingan mol: gunakan koefisien persamaan reaksi yang setara
Pereaksi pembatas: zat yang habis lebih dulu
Rendemen persen: aktual / teoretis × 100%

Metode

Tulis dan setarakan persamaan reaksi kimianya.
Ubah massa yang diberikan ke mol: n = m/M.
Gunakan koefisien sebagai perbandingan mol untuk mencari mol zat yang Anda inginkan.
Ubah kembali ke massa dengan m = n·M. Dengan dua pereaksi, cari pereaksi pembatas dulu.

Kesetimbangan kimia

Tetapan kesetimbangan: K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b)
Tabel ICE: Awal, Perubahan (×koefisien), Kesetimbangan
Persamaan kuadrat: x = (−b + √(b² − 4ac))/(2a)

Metode

Tulis K_c sebagai produk per pereaksi, masing-masing dipangkatkan dengan koefisiennya.
Susun tabel ICE: Initial (awal), Change (perubahan, dalam kelipatan x kali koefisien), Equilibrium (kesetimbangan).
Masukkan pernyataan kesetimbangan ke dalam K_c dan selesaikan untuk x.
Periksa apakah x cukup kecil untuk pendekatan; jika tidak, selesaikan persamaan kuadratnya.

Kalorimetri & entalpi

Kalor: q = m·c·ΔT
Air: c = 4,18 J/(g·°C)
Kalorimeter: kalor yang dilepas = kalor yang diterima
Entalpi reaksi: ΔH° = ΣΔH°_f(products) − ΣΔH°_f(reactants)

Kinetika reaksi

Orde satu: ln(C_A/C_A0) = −kt
Waktu paruh (orde satu): t_½ = ln 2/k
Orde dua: 1/C_A = 1/C_A0 + kt
Arrhenius: k = A·e^−E_a/(RT)
Dua suhu: ln(k₂/k₁) = (E_a/R)(1/T₁ − 1/T₂)

Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Waktu ruang: τ = V/Q
CSTR, orde satu: τ = X/(k·(1 − X)), C_A = C_A0/(1 + kτ)
PFR, orde satu: τ = ln(1/(1 − X))/k, C_A = C_A0·e^−kτ
Konversi dari volume: CSTR: X = kτ/(1 + kτ), PFR: X = 1 − e^−kτ
N CSTR identik yang disusun seri: X = 1 − 1/(1 + kτ_i)^N

Penukar panas (LMTD)

Beban kalor: Q = U·A·ΔT_lm
Beda suhu rata-rata logaritmik: ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)
Neraca aliran: Q = ṁc_p(T_in − T_out)

Konduksi panas

Hukum Fourier: Q̇ = kAΔT/L
Resistansi konduksi: R = L/(kA)
Resistansi konveksi: R = 1/(hA)
Tahanan seri: Q̇ = ΔT_total/ΣR
Nilai U: U = 1/(ΣR·A)

Gesekan pipa & kehilangan head

Bilangan Reynolds: Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ
Rezim aliran: laminar di bawah Re ≈ 2000, turbulen di atas Re ≈ 4000
Kecepatan rata-rata: V = Q/A, A = π·D²/4
Darcy–Weisbach: h_f = f·(L/D)·V²/(2g)
Kerugian minor: h_m = ΣK·V²/(2g)
Nilai K tipikal: masuk 0,5, keluar 1,0, belokan 90° ≈ 0,3
Penurunan tekanan: Δp = ρ·g·h_f
Dua reservoir terbuka: Δz = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)
Keluaran bebas: H = (1 + f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

Pompa & daya pompa

Daya hidrolik: P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp
Daya poros: P_shaft = P_h/η_pump
Daya listrik: P_el = P_shaft/η_motor
Head pompa: H = Δz + Δp/(ρ·g) + h_L
Kerugian sistem: h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g)

2Soal latihan

1.Neraca massaSedang

Berapa banyak aliran 2 yang harus ditambahkan tiap jam ke aliran 1 agar produk campuran mengandung 20% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 750 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 30 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

Evaporator memekatkan larutan gula dengan menguapkan air murni. Cari air yang diuapkan W dalam kg/h.

F = 4000 kg/hx_F = 16 %x_P = 50 %

W = kg/h

3.Neraca energiSedang

etanol panas mendinginkan air dalam penukar panas aliran berlawanan tanpa kehilangan panas. Cari suhu keluar air t_out.

ṁ_h = 1 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 80 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Neraca energiSulit

campuran glikol panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 5% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 130 °Ct: 15 → 70 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Tangki 30 L berisi 170 g CO₂ pada 0 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 170 gM = 44,01 g/molV = 30 LT = 0 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas idealSulit

Sejumlah tetap Ar berubah dari 400 kPa, 10 L, 40 °C menjadi 450 kPa dan 230 °C. Cari volume baru V₂.

P₁ = 400 kPaV₁ = 10 LT₁ = 40 °CP₂ = 450 kPaT₂ = 230 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSedang

24 g C₃H₈ dan 10 g O₂ bereaksi menurut C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O. Berapa massa m CO₂ yang dapat terbentuk?

M(C₃H₈) = 44,1M(O₂) = 32M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSulit

Dalam reaksi CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, 16 g CH₄ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 30,56 g H₂O. Tentukan rendemen persen Y.

M(CH₄) = 16,04 g/molM(H₂O) = 18,02 g/molaktual: 30,56 g

Y = %

9.Kesetimbangan kimiaSedang

Sebanyak 0,4 mol/L H₂ dan 0,4 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 4. Tentukan konsentrasi saat setimbang [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 4

[HI] = mol/L

10.Kesetimbangan kimiaSulit

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0,08 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,5 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,5 mol/LK_c = 0,08

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok seng bermassa 150 g (c = 0,388 J/(g·°C)) bersuhu 110 °C dijatuhkan ke dalam 150 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 16 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 150 gc_metal = 0,388 J/(g·°C)T_metal = 110 °Cm_water = 150 gT_water = 16 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSulit

Gunakan entalpi pembentukan standar untuk menentukan kalor q yang dilepaskan ketika 20 g C₄H₁₀ (M = 58,12 g/mol) terbakar sempurna: 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l). Nyatakan q sebagai bilangan positif.

ΔH°f(C₄H₁₀) = −125,6 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Kinetika reaksiSedang

Reaksi dengan hukum laju −r_A = k·C_A² memiliki k = 0,25 L/(mol·min) dan dimulai pada 1,5 mol/L. Cari konsentrasi C_A setelah 30 min.

k = 0,25 L/(mol·min)C_A0 = 1,5 mol/Lt = 30 min

C_A = mol/L

14.Kinetika reaksiSulit

Dua eksperimen mengukur laju awal A → produk. Dengan C_A0 = 0,1 mol/L lajunya 0,012 mol/(L·s); dengan C_A0 = 0,4 mol/L lajunya 0,096 mol/(L·s). Cari orde reaksi n terhadap A.

C_A0,1 = 0,1 mol/Lr₁ = 0,012 mol/(L·s)C_A0,2 = 0,4 mol/Lr₂ = 0,096 mol/(L·s)

n =

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Reaksi orde satu fase cair A → B (k = 0,4 min⁻¹) berlangsung dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 50 L. Umpan masuk dengan laju 10 L/menit dengan C_A0 = 2,5 mol/L. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konsentrasi keluaran C_A.

V = 50 LQ = 10 L/mink = 0,4 min⁻¹C_A0 = 2,5 mol/L

C_A = mol/L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,5 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 1000 L yang diumpankan 20 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 1000 LQ = 20 L/mink = 0,5 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Penukar panas aliran searah memindahkan 350 kW. Luas perpindahan panasnya 20 m². Fluida panas mendingin dari 150 ke 75 °C dan fluida dingin memanas dari 15 ke 30 °C. Cari koefisien perpindahan panas menyeluruh U.

Q̇ = 350 kWA = 20 m²T_h: 150 → 75 °CT_c: 15 → 30 °C

U = W/(m²·K)

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Uap mengembun pada suhu konstan 110 °C di sisi luar tabung kondensor dengan luas perpindahan panas 1,5 m² dan U = 3000 W/(m²·K). Air pendingin (1,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) masuk ke tabung pada 30 °C. Cari suhu keluar air T_c,out.

T_s = 110 °CA = 1,5 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 30 °C

T_c,out = °C

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 50 mm kayu dan 50 mm kaca, dengan luas 6 m². Permukaan luarnya bersuhu 25 °C dan -3 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 25 °CT₃ = -3 °C

Q̇ = W

20.Konduksi panasSulit

Dinding 100 mm wol mineral dan 100 mm beton memisahkan ruangan bersuhu 21 °C dari udara luar bersuhu -9 °C. Koefisien konveksinya 10 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 12 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,04 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²h_i = 10 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -9 °C

T_s = °C

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air mengalir dengan debit 120 L/s melalui pipa sepanjang 1000 m dengan diameter dalam 250 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,025 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan h_f.

Q = 120 L/sL = 1000 mD = 250 mmf = 0,025g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Dua reservoir terbuka dihubungkan oleh pipa sepanjang 100 m dengan diameter dalam 300 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,022. Permukaan air reservoir atas berada 6 m di atas permukaan reservoir bawah. Kerugian minornya adalah lubang masuk bersudut tajam (K = 0,5), 4 belokan (masing-masing K = 0,3), sebuah katup (K = 0,2), dan lubang keluar ke reservoir bawah (K = 1,0). Gunakan g = 9,81 m/s². Cari debit Q dalam L/s.

Δz = 6 mL = 100 mD = 300 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 0,2K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompa & daya pompaSedang

Sebuah pompa mengalirkan 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 34 m. Efisiensi pompa 82% dan motor listrik penggeraknya memiliki efisiensi 94%. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari daya listrik P_el yang ditarik motor, dalam kW.

Q = 25 L/sH = 34 mη_pump = 82%η_motor = 94%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 100 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari reservoir bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 16 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 150 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,022; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 5 (termasuk lubang masuk dan keluar). Gunakan g = 9,81 m/s². Efisiensi pompa 70%. Cari daya poros P_shaft dalam kW.

Q = 100 L/sΔz = 16 mL = 150 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 5η = 70%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 1125 kg/h

Neraca massa keadaan tunak: masuk = keluar untuk total dan setiap komponen. Soal pencampuran menggabungkan keduanya.

Neraca

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

garam: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 750·(5 − 20)/(20 − 30) = 1125 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 1125 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: W = 2720 kg/h

Komponen pengikat: komponen yang lewat tanpa berubah di satu aliran saja (di sini zat terlarut) menghubungkan laju alir secara langsung. Lalu neraca total memberi sisanya.

Neraca zat terlarut

F·x_F = P·x_P → P = 4000·16/50 = 1280 kg/h

Neraca total

W = F − P = 4000 − 1280 = 2720 kg/h

Jawaban

W = 2720 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 35,57 °C

Neraca energi penukar panas: tanpa kehilangan, ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = ṁ_cc_p,c(t_out − t_in).

Panas yang dilepas aliran panas

Q = 1·2,44·(160 − 80) = 195,2 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 195,2/(3·4,18) = 35,57 °C

Jawaban

t_out = 35,57 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 1,116 kg/s

Neraca energi dengan kehilangan: panas dilepas = panas diserap + panas hilang.

Panas dilepas

Q_h = 1,5·3,6·(180 − 130) = 270 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,05)·270 = 256,5 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 256,5/(4,18·55) = 1,116 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 1,116 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 292,4 kPa

Hukum gas ideal: PV = nRT, dengan n = m/M.

Mol

n = m/M = 170/44,01 = 3,863 mol

T = 0 + 273,15 = 273,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 3,863·8,314·273,1/0,03 = 292,4 kPa

Jawaban

P = 292,4 kPa

6.Hukum gas ideal

Jawaban: V₂ = 14,28 L

Hukum gas gabungan: untuk jumlah gas ideal yang tetap, P₁V₁/T₁ = P₂V₂/T₂.

Suhu mutlak

T₁ = 313,1 K, T₂ = 503,1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(400/450)·(503,1/313,1) = 14,28 L

Jawaban

V₂ = 14,28 L

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 8,252 g

Stoikiometri: persamaan setara menghitung partikel, bukan gram. Ubah massa ke mol dengan n = m/M, gunakan koefisien persamaan sebagai perbandingan mol, lalu ubah kembali dengan m = n·M. Dengan dua pereaksi, pereaksi pembatas adalah yang habis lebih dulu dan menentukan banyaknya produk.

Mol setiap pereaksi

n(C₃H₈) = 24/44,1 = 0,5442 mol

n(O₂) = 10/32 = 0,3125 mol

Pereaksi pembatas

0,5442/1 = 0,5442, 0,3125/5 = 0,0625 → O₂

Massa produk

n(CO₂) = 0,0625·3 = 0,1875 mol

m = 0,1875·44,01 = 8,252 g

Jawaban

m = 8,252 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 85,01 %

Hasil teoretis

n(CH₄) = 16/16,04 = 0,9975 mol

m = 0,9975·2/1·18,02 = 35,95 g

Rendemen persen

Y = 30,56/35,95·100 = 85,01%

Jawaban

Y = 85,01%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [HI] = 0,4 mol/L

Kesetimbangan kimia: untuk aA + bB ⇌ cC + dD, tetapan kesetimbangannya adalah K_c = [C]^c[D]^d/([A]^a[B]^b), menggunakan konsentrasi pada saat setimbang. Tabel ICE (Awal, Perubahan, Kesetimbangan) menghubungkan jumlah awal dengan jumlah saat setimbang melalui satu variabel x, yang dikalikan dengan koefisiennya.

Rumus kesetimbangan

4 = (2x)²/(0,4 − x)²

Tarik akar kuadrat

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

Konsentrasi saat setimbang

[HI] = 2x = 0,4 mol/L

Jawaban

[HI] = 0,4 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [PCl₅] = 0,336 mol/L

Rumus kesetimbangan

0,08 = x²/(0,5 − x) → x² + 0,08·x − 0,04 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,08 + √(0,08² + 4·0,04))/2 = 0,164 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[PCl₅] = 0,5 − 0,164 = 0,336 mol/L

Jawaban

[PCl₅] = 0,336 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 23,98 °C

Kalor dan entalpi: memanaskan suatu zat memerlukan q = m·c·ΔT. Dalam kalorimeter, kalor yang dilepas benda panas sama dengan kalor yang diterima benda dingin. Perubahan entalpi suatu reaksi diperoleh dari entalpi pembentukan: ΔH° = ΣΔH°f(produk) − ΣΔH°f(reaktan), masing-masing dikalikan koefisiennya.

Neraca kalor

150·0,388·(110 − T_f) = 150·4,18·(T_f − 16)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (58,2·110 + 627·16)/(58,2 + 627) = 23,98 °C

Jawaban

T_f = 23,98 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: q = 990,2 kJ

Entalpi reaksi

ΔH° = [8·(−393,5) + 10·(−285,8)] − [2·(−125,6) + 13·0] = −5755 kJ

Kalor untuk massa yang diberikan

n = 20/58,12 = 0,3441 mol

q = n·|ΔH°/2| = 0,3441·2877 = 990,2 kJ

Jawaban

q = 990,2 kJ

13.Kinetika reaksi

Jawaban: C_A = 0,1224 mol/L

Laju reaksi: untuk reaksi orde satu −dC/dt = kC, jadi C = C₀·e^−kt dan waktu paruh ln 2/k tidak bergantung pada konsentrasi. Untuk reaksi orde dua 1/C = 1/C₀ + kt. Konstanta laju naik terhadap suhu menurut Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Hukum orde dua terintegrasi

1/C_A = 1/C_A0 + kt = 0,6667 + 0,25·30 = 8,167 L/mol

C_A = 1/8,167 = 0,1224 mol/L

Jawaban

C_A = 0,1224 mol/L

14.Kinetika reaksi

Jawaban: n = 1,5

Metode laju awal: untuk r = k·Cⁿ, membandingkan dua percobaan yang hanya berbeda pada konsentrasi awal menghilangkan k: r₂/r₁ = (C₂/C₁)ⁿ. Menggandakan C menggandakan laju untuk orde satu dan menjadikannya empat kali lipat untuk orde dua.

Rasio

r₂/r₁ = 0,096/0,012 = 8

C₂/C₁ = 0,4/0,1 = 4

Orde

n = ln(8)/ln(4) = 1,5

Jawaban

n = 1,5

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: C_A = 0,3383 mol/L

Reaktor ideal, reaksi orde satu (−r_A = k·C_A) pada keadaan tunak, dengan waktu ruang τ = V/Q. CSTR tercampur sempurna, sehingga seluruh volume bereaksi pada konsentrasi keluaran yang rendah: τ = X/(k·(1 − X)) dan C_A = C_A0/(1 + k·τ). Pada PFR setiap irisan fluida bereaksi seperti reaktor batch kecil: τ = ln(1/(1 − X))/k dan C_A = C_A0·e^−k·τ. Untuk konversi yang sama, CSTR selalu memerlukan volume lebih besar daripada PFR.

Waktu ruang

τ = V/Q = 50/10 = 5 min

Konsentrasi keluaran

C_A = 2,5·e^−0,4·5 = 0,3383 mol/L

Jawaban

C_A = 0,3383 mol/L

Konversi: X = 86,47%.

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 96,15 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 1000/20 = 50 min, kτ = 0,5·50 = 25

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 25/(1 + 25) = 96,15%

Jawaban

X = 96,15%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: U = 213,6 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.

Selisih suhu di ujung

Pada aliran searah, kedua masukan berada di ujung yang sama, dan kedua keluaran di ujung lainnya.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,in = 150 − 15 = 135 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 75 − 30 = 45 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (135 − 45)/ln(135/45) = 81,92 K

Koefisien menyeluruh

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 350000/(20·81,92) = 213,6 W/(m²·K)

Jawaban

U = 213,6 W/(m²·K)

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: T_c,out = 70,97 °C

Gabungkan neraca energi dan persamaan laju

Dengan ΔT₁ = T_s − T_c,in dan ΔT₂ = T_s − T_c,out, selisih ΔT₁ − ΔT₂ sama dengan kenaikan suhu air, jadi kenaikan itu saling menghapus.

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

ln(ΔT₁/ΔT₂) = U·A/(ṁc_p) = 3000·1,5/(1,5·4180) = 0,7177

Suhu keluar

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0,7177 = 80·0,4879 = 39,03 K

T_c,out = 110 − 39,03 = 70,97 °C

Jawaban

T_c,out = 70,97 °C

Panas yang dipindahkan: Q̇ = 256,9 kW.

19.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 485,3 W

Tahanan termal: aliran panas tunak melalui lapisan seri berperilaku seperti arus melalui resistor seri: Q̇ = ΔT/ΣR, dengan R = L/(kA) untuk lapisan konduksi dan R = 1/(hA) untuk permukaan konveksi. Penurunan suhu pada setiap lapisan sebanding dengan tahanannya.

Tahanan lapisan

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,96·6) = 0,008681 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 28/0,0577 = 485,3 W

Jawaban

Q̇ = 485,3 W

20.Konduksi panas

Jawaban: T_s = 19,89 °C

Tahanan seri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(10·12) = 0,008333 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (100/1000)/(0,04·12) = 0,2083 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(1,4·12) = 0,005952 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·12) = 0,003333 K/W

ΣR = 0,226 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (21 − (-9))/0,226 = 132,8 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 132,8·0,008333 = 19,89 °C

Jawaban

T_s = 19,89 °C

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: h_f = 30,46 m

Aliran pipa: bilangan Reynolds Re = V·D/ν = ρ·V·D/μ membedakan aliran laminar (Re di bawah sekitar 2000) dari aliran turbulen (di atas sekitar 4000). Gesekan sepanjang pipa menyebabkan kehilangan head Darcy–Weisbach h_f = f·(L/D)·V²/(2g). Sambungan, katup, lubang masuk, dan lubang keluar menambah kerugian minor h_m = ΣK·V²/(2g). Di antara dua permukaan reservoir terbuka, persamaan energi memberikan Δz = h_f + h_m, termasuk kerugian keluar K = 1.

Kecepatan rata-rata

A = π·0,25²/4 = 0,04909 m²

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

Head kecepatan

V²/(2g) = 2,445²/(2·9,81) = 0,3046 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(1000/0,25)·2,445²/(2·9,81) = 30,46 m

Jawaban

h_f = 30,46 m

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Q = 239,7 L/s

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,022·100/0,3 = 7,333

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,9

Persamaan energi

Kedua permukaan terbuka ke udara dan praktis diam, sehingga seluruh Δz hilang di dalam pipa.

6 = (7,333 + 2,9)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·6/10,23) = 3,392 m/s

Debit

Q = V·π·D²/4 = 3,392·0,07069 = 0,2397 m³/s = 239,7 L/s

Jawaban

Q = 239,7 L/s

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_el = 10,82 kW

Daya pompa: daya yang diberikan kepada air adalah daya hidrolik P_h = ρ·g·Q·H = Q·Δp. Poros harus menyalurkan lebih banyak karena pompa mengalami rugi: P_shaft = P_h/η_pump, dan motor menarik P_el = P_shaft/η_motor. Head pompa H diperoleh dari persamaan energi: tinggi angkat statis + head tekanan + semua kerugian gesekan dan minor.

Daya hidrolik

P_h = ρ·g·Q·H = 1000·9,81·0,025·34 = 8,338 kW

Daya poros

P_shaft = 8,338/0,82 = 10,17 kW

Daya listrik

P_el = 10,17/0,94 = 10,82 kW

Jawaban

P_el = 10,82 kW

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_shaft = 27,82 kW

Kecepatan

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

V²/(2g) = 0,2115 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (13,2 + 5)·0,2115 = 3,85 m

Head pompa

H = Δz + h_L = 16 + 3,85 = 19,85 m

Daya poros

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,1·19,85/0,7 = 27,82 kW

Jawaban

P_shaft = 27,82 kW

Ini adalah materi latihan independen. ExamProblems tidak berafiliasi dengan atau didukung oleh organisasi penyelenggara ujian ini, dan nama ujian hanya digunakan untuk menggambarkan isinya. FE exam diselenggarakan oleh NCEES, yang tidak berafiliasi dengan ExamProblems dan tidak mendukungnya.

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

Latihan ujian FE Chemical: paket kilat

1Rumus dan metode

Neraca massa

Neraca energi

Hukum gas ideal

Stoikiometri

Metode

Kesetimbangan kimia

Metode

Kalorimetri & entalpi

Kinetika reaksi

Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Penukar panas (LMTD)

Konduksi panas

Gesekan pipa & kehilangan head

Pompa & daya pompa

2Soal latihan

3Larutan

Neraca

Selesaikan untuk ṁ2

Jawaban

Neraca zat terlarut

Neraca total

Jawaban

Panas yang dilepas aliran panas

Panas yang diterima air

Jawaban

Panas dilepas

Panas yang sampai ke air

Laju alir air

Jawaban

Mol

Tekanan

Jawaban

Suhu mutlak

Hukum gas gabungan

Jawaban

Mol setiap pereaksi

Pereaksi pembatas

Massa produk

Jawaban

Hasil teoretis

Rendemen persen

Jawaban

Rumus kesetimbangan

Tarik akar kuadrat

Konsentrasi saat setimbang

Jawaban

Rumus kesetimbangan

Selesaikan persamaan kuadrat

Konsentrasi saat setimbang

Jawaban

Neraca kalor

Selesaikan untuk suhu akhir

Jawaban

Entalpi reaksi

Kalor untuk massa yang diberikan

Jawaban

Hukum orde dua terintegrasi

Jawaban

Rasio

Orde

Jawaban

Waktu ruang

Konsentrasi keluaran

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Koefisien menyeluruh

Jawaban

Gabungkan neraca energi dan persamaan laju

Suhu keluar

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Jawaban

Tahanan seri

Selesaikan untuk ṁ₂