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 10% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 400 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 5 %x₃ = 10 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

Evaporator memekatkan larutan garam dengan menguapkan air murni. Cari laju alir produk P dalam kg/h.

F = 4600 kg/hx_F = 10 %x_P = 45 %

P = kg/h

3.Neraca energiSedang

oli ringan 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 = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 30 °C

t_out = °C

4.Neraca energiSulit

oli ringan panas memanaskan air dalam penukar panas yang kehilangan 10% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 60 °Ct: 10 → 45 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Berapa volume V yang ditempati 110 g CH₄ pada 350 kPa dan 35 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 110 gM = 16,04 g/molP = 350 kPaT = 35 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas idealSulit

Cari massa jenis ρ CO₂ pada 300 kPa dan 120 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 300 kPaT = 120 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSedang

4 g Fe₂O₃ dan 8 g CO bereaksi menurut Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂. Berapa massa m Fe yang dapat terbentuk?

M(Fe₂O₃) = 159,69M(CO) = 28,01M(Fe) = 55,85 g/mol

m = g

8.StoikiometriSulit

Dalam reaksi 2H₂ + O₂ → 2H₂O, 8 g H₂ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 60,78 g H₂O. Tentukan rendemen persen Y.

M(H₂) = 2,016 g/molM(H₂O) = 18,02 g/molaktual: 60,78 g

Y = %

9.Kesetimbangan kimiaSedang

Sebanyak 0,25 mol/L H₂ dan 0,25 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 50. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LK_c = 50

[H₂] = mol/L

10.Kesetimbangan kimiaSulit

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0,01 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 = 0,01

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok aluminium bermassa 75 g (c = 0,897 J/(g·°C)) bersuhu 130 °C dijatuhkan ke dalam 400 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 15 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 75 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 130 °Cm_water = 400 gT_water = 15 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSulit

Gunakan entalpi pembentukan standar untuk menentukan kalor q yang dilepaskan ketika 25 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 = 0,4 L/(mol·min) dan dimulai pada 2 mol/L. Cari konsentrasi C_A setelah 10 min.

k = 0,4 L/(mol·min)C_A0 = 2 mol/Lt = 10 min

C_A = mol/L

14.Kinetika reaksiSulit

Sebuah reaksi memiliki konstanta laju 0,1 min⁻¹ pada 25 °C dan energi aktivasi 90 kJ/mol. Cari konstanta laju k₂ pada 55 °C.

k₁ = 0,1 min⁻¹T₁ = 25 °CT₂ = 55 °CE_a = 90 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

k₂ = min⁻¹

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Sebuah reaksi orde satu fase cair A → B dengan k = 0,5 min⁻¹ dilakukan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang diumpankan 10 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari volume reaktor V dalam liter untuk konversi A sebesar 85%.

Q = 10 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 85%

V = L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,2 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 150 L yang diumpankan 5 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 150 LQ = 5 L/mink = 0,2 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Penukar panas shell-and-tube (satu laluan shell, dua laluan tabung) harus memindahkan 770 kW. Fluida panas mendingin dari 150 ke 85 °C dan fluida dingin memanas dari 15 ke 60 °C. Faktor koreksi LMTD untuk susunan ini F = 0,92, dan U = 1000 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

Q̇ = 770 kWF = 0,92U = 1000 W/(m²·K)T_h: 150 → 85 °CT_c: 15 → 60 °C

A = m²

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Uap mengembun pada suhu konstan 120 °C di sisi luar tabung kondensor dengan luas perpindahan panas 8 m² dan U = 1500 W/(m²·K). Air pendingin (1,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) masuk ke tabung pada 15 °C. Cari suhu keluar air T_c,out.

T_s = 120 °CA = 8 m²U = 1500 W/(m²·K)ṁ = 1,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 15 °C

T_c,out = °C

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 100 mm bata dan 25 mm papan gipsum, dengan luas 12 m². Permukaan luarnya bersuhu 25 °C dan -9 °C. Cari suhu T_i pada antarmuka kedua lapisan.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²T₁ = 25 °CT₃ = -9 °C

T_i = °C

20.Konduksi panasSulit

Dinding 150 mm beton dan 50 mm kayu memisahkan ruangan bersuhu 21 °C dari udara luar bersuhu -8 °C. Koefisien konveksinya 7,7 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 8 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 1,4 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -8 °C

T_s = °C

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir dengan kecepatan 1,1 m/s melalui pipa horizontal sepanjang 50 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,028 dan g = 9,81 m/s². Cari penurunan tekanan Δp sepanjang pipa dalam kPa.

V = 1,1 m/sL = 50 mD = 200 mmf = 0,028ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Sebuah pipa sepanjang 100 m dengan diameter dalam 200 mm (faktor gesekan Darcy f = 0,015) berawal dari reservoir terbuka dan mengeluarkan air sebagai pancaran bebas ke udara. Kerugian minornya adalah lubang masuk bersudut tajam (K = 0,5), 3 belokan (masing-masing K = 0,3), dan sebuah katup (K = 2). Gunakan g = 9,81 m/s². Berapa tinggi H permukaan reservoir harus berada di atas lubang keluar pipa untuk debit 80 L/s?

Q = 80 L/sL = 100 mD = 200 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 2

H = m

23.Pompa & daya pompaSedang

Sebuah pompa dengan efisiensi 72% mengalirkan 100 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 58 m. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari daya poros P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 100 L/sH = 58 mη = 72%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 80 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari reservoir bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 8 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 150 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,025; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 2,5 (termasuk lubang masuk dan keluar). Gunakan g = 9,81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya bertekanan gauge 250 kPa. Cari head H yang harus ditambahkan pompa.

Q = 80 L/sΔz = 8 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,025ΣK = 2,5p_tank = 250 kPa

H = m

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 1600 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) = 400·(30 − 10)/(10 − 5) = 1600 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 1600 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: P = 1022 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 = 4600·10/45 = 1022 kg/h

Jawaban

P = 1022 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 35,86 °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 = 0,5·2,1·(130 − 60) = 73,5 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 73,5/(3·4,18) = 35,86 °C

Jawaban

t_out = 35,86 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 0,4522 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 0,5·2,1·(130 − 60) = 73,5 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,1)·73,5 = 66,15 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 66,15/(4,18·35) = 0,4522 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 0,4522 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 50,2 L

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

Mol

n = 110/16,04 = 6,858 mol

T = 35 + 273,15 = 308,1 K

Volume

V = nRT/P = 6,858·8,314·308,1/350 = 50,2 L

Jawaban

V = 50,2 L

6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 4,039 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 120 + 273,15 = 393,1 K

Massa jenis

ρ = 300·44,01/(8,314·393,1) = 4,039 kg/m³

Jawaban

ρ = 4,039 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 2,798 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(Fe₂O₃) = 4/159,69 = 0,02505 mol

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

Pereaksi pembatas

0,02505/1 = 0,02505, 0,2856/3 = 0,0952 → Fe₂O₃

Massa produk

n(Fe) = 0,02505·2 = 0,0501 mol

m = 0,0501·55,85 = 2,798 g

Jawaban

m = 2,798 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 85 %

Hasil teoretis

n(H₂) = 8/2,016 = 3,968 mol

m = 3,968·2/2·18,02 = 71,51 g

Rendemen persen

Y = 60,78/71,51·100 = 85%

Jawaban

Y = 85%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H₂] = 0,05512 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

50 = (2x)²/(0,25 − x)²

Tarik akar kuadrat

7,071 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,071/(2 + 7,071) = 0,1949 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,25 − x = 0,05512 mol/L

Jawaban

[H₂] = 0,05512 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl₂] = 0,04525 mol/L

Rumus kesetimbangan

0,01 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,01·x − 0,0025 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,01 + √(0,01² + 4·0,0025))/2 = 0,04525 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,04525 mol/L

Jawaban

[Cl₂] = 0,04525 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 19,45 °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

75·0,897·(130 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 15)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (67,28·130 + 1672·15)/(67,28 + 1672) = 19,45 °C

Jawaban

T_f = 19,45 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: q = 741,6 kJ

Entalpi reaksi

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

Kalor untuk massa yang diberikan

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

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

Jawaban

q = 741,6 kJ

13.Kinetika reaksi

Jawaban: C_A = 0,2222 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 = 0,5 + 0,4·10 = 4,5 L/mol

C_A = 1/4,5 = 0,2222 mol/L

Jawaban

C_A = 0,2222 mol/L

14.Kinetika reaksi

Jawaban: k₂ = 2,764 min⁻¹

Suhu mutlak

T₁ = 298,1 K, T₂ = 328,1 K

Rasio Arrhenius

ln(k₂/k₁) = −(90000/8,314)·(1/328,1 − 1/298,1) = 3,319

k₂ = 0,1·e^3,319 = 2,764 min⁻¹

Jawaban

k₂ = 2,764 min⁻¹

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 37,94 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 = ln(1/(1 − 0,85))/0,5 = 1,897/0,5 = 3,794 min

Volume

V = Q·τ = 10·3,794 = 37,94 L

Jawaban

V = 37,94 L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 85,71 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 150/5 = 30 min, kτ = 0,2·30 = 6

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 6/(1 + 6) = 85,71%

Jawaban

X = 85,71%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 10,52 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.

Selisih suhu ujung (aliran berlawanan)

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

ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = 150 − 60 = 90 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 85 − 15 = 70 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (90 − 70)/ln(90/70) = 79,58 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 770000/(1000·0,92·79,58) = 10,52 m²

Jawaban

A = 10,52 m²

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: T_c,out = 104,5 °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) = 1500·8/(1,5·4180) = 1,914

Suhu keluar

ΔT₂ = ΔT₁·e^−1,914 = 105·0,1475 = 15,49 K

T_c,out = 120 − 15,49 = 104,5 °C

Jawaban

T_c,out = 104,5 °C

Panas yang dipindahkan: Q̇ = 561,2 kW.

19.Konduksi panas

Jawaban: T_i = 8,486 °C

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

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·12) = 0,01225 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 34/0,02383 = 1427 W

Suhu antarmuka

Suhu turun sebesar Q̇·R₁ pada lapisan pertama.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 25 − 1427·0,01157 = 8,486 °C

Jawaban

T_i = 8,486 °C

20.Konduksi panas

Jawaban: T_s = 14,41 °C

Tahanan seri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·8) = 0,01623 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(1,4·8) = 0,01339 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,17·8) = 0,03676 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·8) = 0,005 K/W

ΣR = 0,07139 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (21 − (-8))/0,07139 = 406,2 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 406,2·0,01623 = 14,41 °C

Jawaban

T_s = 14,41 °C

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Δp = 4,235 kPa

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.

Kehilangan head

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(50/0,2)·1,1²/(2·9,81) = 0,4317 m

Penurunan tekanan

Pipa horizontal dan kecepatannya tidak berubah, sehingga persamaan energi menjadi Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·0,4317 = 4235 Pa = 4,235 kPa

Jawaban

Δp = 4,235 kPa

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: H = 3,933 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,015·100/0,2 = 7,5

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 2 = 3,4

Persamaan energi

Pancaran keluar masih membawa head kecepatannya; itu bukan kerugian, tetapi harus disediakan.

H = (1 + 7,5 + 3,4)·0,3305 = 3,933 m

Jawaban

H = 3,933 m

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_shaft = 79,03 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 = 1000·9,81·0,1·58 = 56,9 kW

Daya poros

P_shaft = P_h/η = 56,9/0,72 = 79,03 kW

Jawaban

P_shaft = 79,03 kW

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 40,51 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,08/0,03142 = 2,546 m/s

V²/(2g) = 0,3305 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (18,75 + 2,5)·0,3305 = 7,023 m

Head tekanan

p/(ρ·g) = 250000/(1000·9,81) = 25,48 m

Head pompa

Kedua permukaan praktis diam, sehingga tidak ada suku head kecepatan.

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 8 + 25,48 + 7,023 = 40,51 m

Jawaban

H = 40,51 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

Jawaban

Panas yang dilepas aliran panas

Panas yang diterima air

Jawaban

Panas dilepas

Panas yang sampai ke air

Laju alir air

Jawaban

Mol

Volume

Jawaban

Susun ulang hukum gas

Massa jenis

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

Suhu mutlak

Rasio Arrhenius

Jawaban

Waktu ruang

Volume

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Selisih suhu ujung (aliran berlawanan)

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Luas

Jawaban

Gabungkan neraca energi dan persamaan laju

Suhu keluar

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Suhu antarmuka

Jawaban

Tahanan seri

Selesaikan untuk ṁ₂