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 25% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 350 kg/hx₁ = 30 %x₂ = 20 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

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

F = 1700 kg/hx_F = 14 %x_P = 40 %

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 = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 90 °Cṁ_c = 1,5 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 15% panas dari aliran panas ke lingkungan. Cari laju alir air ṁ_c yang diperlukan.

ṁ_h = 2,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 120 °Ct: 25 → 60 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 15 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Berapa volume V yang ditempati 480 g Ar pada 400 kPa dan 75 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 480 gM = 39,95 g/molP = 400 kPaT = 75 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas idealSulit

Cari massa jenis ρ CO₂ pada 350 kPa dan 10 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 350 kPaT = 10 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSedang

20 g H₂ dan 64 g O₂ bereaksi menurut 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Berapa massa m H₂O yang dapat terbentuk?

M(H₂) = 2,016M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.StoikiometriSulit

Dalam reaksi N₂ + 3H₂ → 2NH₃, 12 g N₂ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 12,84 g NH₃. Tentukan rendemen persen Y.

M(N₂) = 28,02 g/molM(NH₃) = 17,03 g/molaktual: 12,84 g

Y = %

9.Kesetimbangan kimiaSedang

Sebanyak 1 mol/L H₂ dan 1 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 = 1 mol/LK_c = 4

[HI] = 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 besi bermassa 250 g (c = 0,449 J/(g·°C)) bersuhu 150 °C dijatuhkan ke dalam 150 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 22 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,449 J/(g·°C)T_metal = 150 °Cm_water = 150 gT_water = 22 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSulit

Gunakan entalpi pembentukan standar untuk menentukan ΔH° reaksi 2C₄H₁₀ + 13O₂ → 8CO₂ + 10H₂O(l).

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

ΔH° = kJ

13.Kinetika reaksiSedang

Reaksi orde nol memiliki k = 0,05 mol/(L·min) dan dimulai pada 2 mol/L. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 40%? Cari t.

k = 0,05 mol/(L·min)C_A0 = 2 mol/LX = 40 %

t = min

14.Kinetika reaksiSulit

Reaksi orde satu memiliki konstanta laju 0,02 s⁻¹ pada 40 °C dan energi aktivasi 50 kJ/mol. Cari faktor pra-eksponensial A dalam persamaan Arrhenius.

k = 0,02 s⁻¹T = 40 °CE_a = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

A = s⁻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 25 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari volume reaktor V dalam liter untuk konversi A sebesar 95%.

Q = 25 L/mink = 0,5 min⁻¹X = 95%

V = L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,08 min⁻¹) berlangsung dalam dua CSTR identik yang disusun seri, masing-masing 1500 L. Laju umpan 80 L/menit, densitasnya konstan, dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi keseluruhan X dalam persen.

V = 1500 L (×2)Q = 80 L/mink = 0,08 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Dalam kondensor, uap mengembun pada suhu konstan 120 °C di sisi luar tabung. Air pendingin (4 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) mengalir melalui tabung dan memanas dari 15 ke 75 °C. Koefisien perpindahan panas menyeluruhnya 2500 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

T_s = 120 °Cṁ = 4 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c: 15 → 75 °CU = 2500 W/(m²·K)

A = m²

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Dalam penukar panas aliran berlawanan, kedua aliran memiliki laju kapasitas panas yang sama, ṁ·c_p = 1 kW/K. Aliran panas masuk pada 105 °C dan aliran dingin pada 20 °C. Penukar memiliki A = 1 m² dan U = 500 W/(m²·K). Cari suhu keluar aliran panas T_h,out.

C_h = C_c = 1 kW/KT_h,in = 105 °CT_c,in = 20 °CA = 1 m²U = 500 W/(m²·K)

T_h,out = °C

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 150 mm bata dan 75 mm papan gipsum, dengan luas 8 m². Permukaan luarnya bersuhu 23 °C dan 9 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 23 °CT₃ = 9 °C

Q̇ = W

20.Konduksi panasSulit

Dinding 50 mm kaca dan 50 mm beton memisahkan ruangan bersuhu 21 °C dari udara luar bersuhu 5 °C. Koefisien konveksinya 8 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 = 50 mm, k₁ = 0,96 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 1,4 W/(m·K)A = 12 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = 5 °C

T_s = °C

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air mengalir dengan debit 20 L/s melalui pipa sepanjang 200 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,022 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan h_f.

Q = 20 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,022g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Dua reservoir terbuka dihubungkan oleh pipa sepanjang 300 m dengan diameter dalam 300 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,015. Permukaan air reservoir atas berada 30 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 = 2), dan lubang keluar ke reservoir bawah (K = 1,0). Gunakan g = 9,81 m/s². Cari debit Q dalam L/s.

Δz = 30 mL = 300 mD = 300 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 2K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompa & daya pompaSedang

Sebuah pompa mengalirkan 60 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 56 m. Efisiensi pompa 82% dan motor listrik penggeraknya memiliki efisiensi 92%. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari daya listrik P_el yang ditarik motor, dalam kW.

Q = 60 L/sH = 56 mη_pump = 82%η_motor = 92%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 75 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari reservoir bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 8 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 100 m dengan diameter dalam 200 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,022; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 8 (termasuk lubang masuk dan keluar). Gunakan g = 9,81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya bertekanan gauge 400 kPa. Cari head H yang harus ditambahkan pompa.

Q = 75 L/sΔz = 8 mL = 100 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8p_tank = 400 kPa

H = m

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 350 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) = 350·(30 − 25)/(25 − 20) = 350 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 350 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: P = 595 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 = 1700·14/40 = 595 kg/h

Jawaban

P = 595 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 56,79 °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 = 2·2,1·(130 − 90) = 168 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 30 + 168/(1,5·4,18) = 56,79 °C

Jawaban

t_out = 56,79 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 0,9151 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 2,5·2,1·(150 − 120) = 157,5 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,15)·157,5 = 133,9 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 133,9/(4,18·35) = 0,9151 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 0,9151 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 86,94 L

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

Mol

n = 480/39,95 = 12,02 mol

T = 75 + 273,15 = 348,1 K

Volume

V = nRT/P = 12,02·8,314·348,1/400 = 86,94 L

Jawaban

V = 86,94 L

6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 6,543 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 10 + 273,15 = 283,1 K

Massa jenis

ρ = 350·44,01/(8,314·283,1) = 6,543 kg/m³

Jawaban

ρ = 6,543 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 72,08 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(H₂) = 20/2,016 = 9,921 mol

n(O₂) = 64/32 = 2 mol

Pereaksi pembatas

9,921/2 = 4,96, 2/1 = 2 → O₂

Massa produk

n(H₂O) = 2·2 = 4 mol

m = 4·18,02 = 72,08 g

Jawaban

m = 72,08 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 88,03 %

Hasil teoretis

n(N₂) = 12/28,02 = 0,4283 mol

m = 0,4283·2/1·17,03 = 14,59 g

Rendemen persen

Y = 12,84/14,59·100 = 88,03%

Jawaban

Y = 88,03%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [HI] = 1 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/(1 − x)²

Tarik akar kuadrat

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

Konsentrasi saat setimbang

[HI] = 2x = 1 mol/L

Jawaban

[HI] = 1 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 = 41,44 °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

250·0,449·(150 − T_f) = 150·4,18·(T_f − 22)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (112,3·150 + 627·22)/(112,3 + 627) = 41,44 °C

Jawaban

T_f = 41,44 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: ΔH° = −5755 kJ

Entalpi reaksi

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

Jawaban

ΔH° = −5755 kJ

Negatif: reaksi melepaskan kalor (eksoterm).

13.Kinetika reaksi

Jawaban: t = 16 min

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).

Jumlah yang terkonversi

C_A0·X = 2·0,4 = 0,8 mol/L

Waktu

t = C_A0·X/k = 0,8/0,05 = 16 min

Jawaban

t = 16 min

14.Kinetika reaksi

Jawaban: A = 4,381 × 10⁶ s⁻¹

Reaction rates: for a first-order reaction −dC/dt = kC, so C = C₀·e^−kt and the half-life ln 2/k does not depend on concentration. For a second-order reaction 1/C = 1/C₀ + kt. The rate constant rises with temperature following Arrhenius: k = A·e^−Ea/(RT).

Suhu mutlak

T = 40 + 273,15 = 313,1 K

Selesaikan Arrhenius untuk A

E_a/(RT) = 50000/(8,314·313,1) = 19,2

A = k·e^19,2 = 0,02·2,190 × 10⁸ = 4,381 × 10⁶ s⁻¹

Jawaban

A = 4,381 × 10⁶ s⁻¹

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 149,8 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 − 0,95))/0,5 = 2,996/0,5 = 5,991 min

Volume

V = Q·τ = 25·5,991 = 149,8 L

Jawaban

V = 149,8 L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 84 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 1500/80 = 18,75 min, kτ = 0,08·18,75 = 1,5

Konversi

C₁/C_A0 = 1/(1 + kτ) = 1/(1 + 1,5) = 0,4

C₂/C_A0 = 1/(1 + kτ)² = 0,16

X = 1 − 0,16 = 84%

Jawaban

X = 84%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 5,667 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.

Beban panas dari sisi air

Q̇ = 4·4,18·(75 − 15) = 1003 kW

Selisih suhu di ujung

ΔT₁ = 120 − 15 = 105 K

ΔT₂ = 120 − 75 = 45 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (105 − 45)/ln(105/45) = 70,81 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 1,003 × 10⁶/(2500·70,81) = 5,667 m²

Jawaban

A = 5,667 m²

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: T_h,out = 76,67 °C

Selisih suhu konstan

Keluaran dingin berhadapan dengan masukan panas: T_c,out = T_c,in + (T_h,in − T_h,out), jadi ΔT₁ = T_h,in − T_c,out = T_h,out − T_c,in = ΔT₂.

ΔT_lm = T_h,out − T_c,in

Neraca energi sama dengan persamaan laju

1·(105 − T_h,out) = 0,5·(T_h,out − 20)

T_h,out = (1·105 + 0,5·20)/(1 + 0,5) = 76,67 °C

Jawaban

T_h,out = 76,67 °C

Panas yang dipindahkan: Q̇ = 28,33 kW; aliran dingin keluar pada 48,33 °C.

19.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 172,4 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) = (150/1000)/(0,72·8) = 0,02604 K/W

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

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 14/0,08119 = 172,4 W

Jawaban

Q̇ = 172,4 W

20.Konduksi panas

Jawaban: T_s = 13,09 °C

Tahanan seri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·12) = 0,01042 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,96·12) = 0,00434 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(1,4·12) = 0,002976 K/W

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

ΣR = 0,02107 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (21 − (5))/0,02107 = 759,5 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 759,5·0,01042 = 13,09 °C

Jawaban

T_s = 13,09 °C

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: h_f = 0,4544 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) = 0,022·(200/0,2)·0,6366²/(2·9,81) = 0,4544 m

Jawaban

h_f = 0,4544 m

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Q = 392,4 L/s

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,015·300/0,3 = 15

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 2 + 1,0 = 4,1

Persamaan energi

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

30 = (15 + 4,1)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·30/19,1) = 5,551 m/s

Debit

Q = V·π·D²/4 = 5,551·0,07069 = 0,3924 m³/s = 392,4 L/s

Jawaban

Q = 392,4 L/s

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_el = 43,69 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 = 1000·9,81·0,06·56 = 32,96 kW

Daya poros

P_shaft = 32,96/0,82 = 40,2 kW

Daya listrik

P_el = 40,2/0,92 = 43,69 kW

Jawaban

P_el = 43,69 kW

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 54,29 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,075/0,03142 = 2,387 m/s

V²/(2g) = 0,2905 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (11 + 8)·0,2905 = 5,519 m

Head tekanan

p/(ρ·g) = 400000/(1000·9,81) = 40,77 m

Head pompa

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 8 + 40,77 + 5,519 = 54,29 m

Jawaban

H = 54,29 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

Jawaban

Jumlah yang terkonversi

Waktu

Jawaban

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk A

Jawaban

Waktu ruang

Volume

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Beban panas dari sisi air

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Luas

Jawaban

Selisih suhu konstan

Neraca energi sama dengan persamaan laju

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Jawaban

Tahanan seri

Selesaikan untuk ṁ₂