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 = 1000 kg/hx₁ = 10 %x₂ = 35 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

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

F = 4800 kg/hx_F = 12 %x_P = 45 %

W = kg/h

3.Neraca energiSedang

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

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 60 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Neraca energiSulit

etanol panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 15% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,44 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Ct: 10 → 75 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Tangki 10 L berisi 280 g CO₂ pada 85 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 280 gM = 44,01 g/molV = 10 LT = 85 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas idealSulit

Sejumlah tetap CO₂ berubah dari 100 kPa, 10 L, 40 °C menjadi 550 kPa dan 70 °C. Cari volume baru V₂.

P₁ = 100 kPaV₁ = 10 LT₁ = 40 °CP₂ = 550 kPaT₂ = 70 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSedang

30 g Mg dan 64 g O₂ bereaksi menurut 2Mg + O₂ → 2MgO. Berapa massa m MgO yang dapat terbentuk?

M(Mg) = 24,31M(O₂) = 32M(MgO) = 40,3 g/mol

m = g

8.StoikiometriSulit

Dalam reaksi C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O, 8 g C₃H₈ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 21,8 g CO₂. Tentukan rendemen persen Y.

M(C₃H₈) = 44,1 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molaktual: 21,8 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 = 54. Tentukan konsentrasi saat setimbang [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,4 mol/LK_c = 54

[HI] = mol/L

10.Kesetimbangan kimiaSulit

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0,05 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,25 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,25 mol/LK_c = 0,05

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok seng bermassa 75 g (c = 0,388 J/(g·°C)) bersuhu 180 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 22 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0,388 J/(g·°C)T_metal = 180 °Cm_water = 300 gT_water = 22 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSulit

Gunakan entalpi pembentukan standar untuk menentukan kalor q yang dilepaskan ketika 250 g C₂H₅OH (M = 46,07 g/mol) terbakar sempurna: C₂H₅OH + 3O₂ → 2CO₂ + 3H₂O(l). Nyatakan q sebagai bilangan positif.

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.Kinetika reaksiSedang

Reaksi dengan hukum laju −r_A = k·C_A² memiliki k = 0,2 L/(mol·min) dan dimulai pada 1 mol/L. Cari konsentrasi C_A setelah 15 min.

k = 0,2 L/(mol·min)C_A0 = 1 mol/Lt = 15 min

C_A = mol/L

14.Kinetika reaksiSulit

Dua eksperimen mengukur laju awal A → produk. Dengan C_A0 = 0,1 mol/L lajunya 0,02 mol/(L·s); dengan C_A0 = 0,4 mol/L lajunya 1,28 mol/(L·s). Cari orde reaksi n terhadap A.

C_A0,1 = 0,1 mol/Lr₁ = 0,02 mol/(L·s)C_A0,2 = 0,4 mol/Lr₂ = 1,28 mol/(L·s)

n =

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Sebuah reaksi orde satu fase cair harus mencapai konversi 85%. Berapa kali lebih besar CSTR dibandingkan PFR untuk laju umpan, konstanta laju, dan konversi yang sama? Cari rasionya V_CSTR/V_PFR.

X = 85%orde satu, k dan Q sama

V_CSTR/V_PFR =

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,4 min⁻¹) berlangsung dalam dua CSTR identik yang disusun seri, masing-masing 800 L. Laju umpan 50 L/menit, densitasnya konstan, dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi keseluruhan X dalam persen.

V = 800 L (×2)Q = 50 L/mink = 0,4 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Penukar panas aliran searah memindahkan 270 kW. Fluida panas mendingin dari 105 ke 70 °C dan fluida dingin memanas dari 20 ke 35 °C. Koefisien perpindahan panas menyeluruhnya 500 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

Q̇ = 270 kWU = 500 W/(m²·K)T_h: 105 → 70 °CT_c: 20 → 35 °C

A = m²

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Oli panas (2 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) mendingin dari 115 ke 60 °C dalam penukar aliran berlawanan. Oli memanaskan 1 kg/s air (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 25 °C. Dengan U = 500 W/(m²·K), cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 115 → 60 °Cṁ_c = 1 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 500 W/(m²·K)

A = m²

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 250 mm bata dan 100 mm kayu, dengan luas 10 m². Permukaan luarnya bersuhu 24 °C dan -10 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²T₁ = 24 °CT₃ = -10 °C

Q̇ = W

20.Konduksi panasSulit

Dinding 200 mm polistirena ekspansi dan 50 mm kayu memisahkan ruangan bersuhu 21 °C dari udara luar bersuhu -8 °C. Koefisien konveksinya 8 W/(m²·K) di dalam dan 20 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 6 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 6 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -8 °C

T_s = °C

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air mengalir dengan debit 20 L/s melalui pipa sepanjang 800 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,018 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan h_f.

Q = 20 L/sL = 800 mD = 200 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Dua reservoir terbuka dihubungkan oleh pipa sepanjang 150 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,022. Permukaan air reservoir atas berada 9 m di atas permukaan reservoir bawah. Kerugian minornya adalah lubang masuk bersudut tajam (K = 0,5), 2 belokan (masing-masing K = 0,3), sebuah katup (K = 5), dan lubang keluar ke reservoir bawah (K = 1,0). Gunakan g = 9,81 m/s². Cari debit Q dalam L/s.

Δz = 9 mL = 150 mD = 150 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 5K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompa & daya pompaSedang

Sebuah pompa mengalirkan 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 30 m. Efisiensi pompa 78% dan motor listrik penggeraknya memiliki efisiensi 88%. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari daya listrik P_el yang ditarik motor, dalam kW.

Q = 25 L/sH = 30 mη_pump = 78%η_motor = 88%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 60 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari reservoir bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 7 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 400 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,02; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 8 (termasuk lubang masuk dan keluar). Gunakan g = 9,81 m/s². Cari head H yang harus ditambahkan pompa.

Q = 60 L/sΔz = 7 mL = 400 mD = 250 mmf = 0,02ΣK = 8

H = m

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 666,7 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) = 1000·(10 − 20)/(20 − 35) = 666,7 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 666,7 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: W = 3520 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 = 4800·12/45 = 1280 kg/h

Neraca total

W = F − P = 4800 − 1280 = 3520 kg/h

Jawaban

W = 3520 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 31,48 °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 = 0,5·3,6·(140 − 60) = 144 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 144/(3·4,18) = 31,48 °C

Jawaban

t_out = 31,48 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 0,5725 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 2,5·2,44·(150 − 120) = 183 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,15)·183 = 155,5 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 155,5/(4,18·65) = 0,5725 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 0,5725 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 1894 kPa

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

Mol

n = m/M = 280/44,01 = 6,362 mol

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

Tekanan

P = nRT/V = 6,362·8,314·358,1/0,01 = 1894 kPa

Jawaban

P = 1894 kPa

6.Hukum gas ideal

Jawaban: V₂ = 1,992 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 313,1 K, T₂ = 343,1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 10·(100/550)·(343,1/313,1) = 1,992 L

Jawaban

V₂ = 1,992 L

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 49,73 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(Mg) = 30/24,31 = 1,234 mol

n(O₂) = 64/32 = 2 mol

Pereaksi pembatas

1,234/2 = 0,617, 2/1 = 2 → Mg

Massa produk

n(MgO) = 0,617·2 = 1,234 mol

m = 1,234·40,3 = 49,73 g

Jawaban

m = 49,73 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 91,02 %

Hasil teoretis

n(C₃H₈) = 8/44,1 = 0,1814 mol

m = 0,1814·3/1·44,01 = 23,95 g

Rendemen persen

Y = 21,8/23,95·100 = 91,02%

Jawaban

Y = 91,02%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [HI] = 0,6288 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

54 = (2x)²/(0,4 − x)²

Tarik akar kuadrat

7,348 = 2x/(0,4 − x) → x = 0,4·7,348/(2 + 7,348) = 0,3144 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[HI] = 2x = 0,6288 mol/L

Jawaban

[HI] = 0,6288 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl₂] = 0,08956 mol/L

Rumus kesetimbangan

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

Selesaikan persamaan kuadrat

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

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,08956 mol/L

Jawaban

[Cl₂] = 0,08956 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 25,58 °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

75·0,388·(180 − T_f) = 300·4,18·(T_f − 22)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (29,1·180 + 1254·22)/(29,1 + 1254) = 25,58 °C

Jawaban

T_f = 25,58 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: q = 7416 kJ

Entalpi reaksi

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

Kalor untuk massa yang diberikan

n = 250/46,07 = 5,427 mol

q = n·|ΔH°/1| = 5,427·1367 = 7416 kJ

Jawaban

q = 7416 kJ

13.Kinetika reaksi

Jawaban: C_A = 0,25 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 = 1 + 0,2·15 = 4 L/mol

C_A = 1/4 = 0,25 mol/L

Jawaban

C_A = 0,25 mol/L

14.Kinetika reaksi

Jawaban: n = 3

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 = 1,28/0,02 = 64

C₂/C₁ = 0,4/0,1 = 4

Orde

n = ln(64)/ln(4) = 3

Jawaban

n = 3

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V_CSTR/V_PFR = 2,987

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.

k·τ untuk setiap reaktor

CSTR: k·τ = X/(1 − X) = 0,85/0,15 = 5,667

PFR: k·τ = ln(1/(1 − X)) = ln(6,667) = 1,897

Rasio volume

V_CSTR/V_PFR = 5,667/1,897 = 2,987

Jawaban

V_CSTR/V_PFR = 2,987

Selisihnya bertambah cepat pada konversi tinggi.

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 98,17 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 800/50 = 16 min, kτ = 0,4·16 = 6,4

Konversi

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 6,4) = 0,1351

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,01826

X = 1 − 0,01826 = 98,17%

Jawaban

X = 98,17%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 9,583 m²

Metode LMTD: selisih suhu antar aliran berubah di sepanjang penukar panas, jadi persamaan laju memakai rata-rata logaritmiknya: Q̇ = U·A·ΔT_lm, dengan ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂), di mana ΔT₁ dan ΔT₂ selisih di kedua ujung. Untuk suhu masuk dan keluar yang sama, aliran berlawanan memberi ΔT_lm lebih besar daripada aliran searah.

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 = 105 − 20 = 85 K

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

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (85 − 35)/ln(85/35) = 56,35 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 270000/(500·56,35) = 9,583 m²

Jawaban

A = 9,583 m²

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 18,79 m²

Beban panas dan suhu keluar air

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 2·2,5·55 = 275 kW

T_c,out = 25 + 275/(1·4,18) = 90,79 °C

Selisih suhu di ujung

Pada aliran berlawanan, masukan panas berhadapan dengan keluaran dingin, dan keluaran panas berhadapan dengan masukan dingin.

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 115 − 90,79 = 24,21 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 60 − 25 = 35 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (24,21 − 35)/ln(24,21/35) = 29,27 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 275000/(500·29,27) = 18,79 m²

Jawaban

A = 18,79 m²

19.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 363,5 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) = (250/1000)/(0,72·10) = 0,03472 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,17·10) = 0,05882 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 34/0,09355 = 363,5 W

Jawaban

Q̇ = 363,5 W

20.Konduksi panas

Jawaban: T_s = 20,41 °C

Tahanan seri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,035·6) = 0,9524 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,17·6) = 0,04902 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·6) = 0,008333 K/W

ΣR = 1,031 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (21 − (-8))/1,031 = 28,14 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 28,14·0,02083 = 20,41 °C

Jawaban

T_s = 20,41 °C

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: h_f = 1,487 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·0,2²/4 = 0,03142 m²

V = Q/A = 0,02/0,03142 = 0,6366 m/s

Head kecepatan

V²/(2g) = 0,6366²/(2·9,81) = 0,02066 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,018·(800/0,2)·0,6366²/(2·9,81) = 1,487 m

Jawaban

h_f = 1,487 m

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Q = 43,53 L/s

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,022·150/0,15 = 22

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 5 + 1,0 = 7,1

Persamaan energi

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

9 = (22 + 7,1)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·9/29,1) = 2,463 m/s

Debit

Q = V·π·D²/4 = 2,463·0,01767 = 0,04353 m³/s = 43,53 L/s

Jawaban

Q = 43,53 L/s

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_el = 10,72 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 = 1000·9,81·0,025·30 = 7,357 kW

Daya poros

P_shaft = 7,357/0,78 = 9,433 kW

Daya listrik

P_el = 9,433/0,88 = 10,72 kW

Jawaban

P_el = 10,72 kW

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 10,05 m

Kecepatan

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

V²/(2g) = 0,07615 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (32 + 8)·0,07615 = 3,046 m

Head pompa

Kedua permukaan terbuka dan praktis diam, sehingga suku tekanan dan kecepatan hilang.

H = Δz + h_L = 7 + 3,046 = 10,05 m

Jawaban

H = 10,05 m

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

k·τ untuk setiap reaktor

Rasio volume

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Luas

Jawaban

Beban panas dan suhu keluar air

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Luas

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Selesaikan untuk ṁ₂