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% NaOH? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 600 kg/hx₁ = 40 %x₂ = 5 %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 = 3600 kg/hx_F = 15 %x_P = 65 %

W = 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 = 1 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 160 → 110 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °C

t_out = °C

4.Neraca energiSulit

oli ringan 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 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 80 °Ct: 30 → 90 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Tangki 20 L berisi 260 g Ar pada 60 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 260 gM = 39,95 g/molV = 20 LT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas idealSulit

Sejumlah tetap O₂ berubah dari 250 kPa, 2 L, 30 °C menjadi 550 kPa dan 90 °C. Cari volume baru V₂.

P₁ = 250 kPaV₁ = 2 LT₁ = 30 °CP₂ = 550 kPaT₂ = 90 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSedang

30 g CH₄ dan 80 g O₂ bereaksi menurut CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O. Berapa massa m CO₂ yang dapat terbentuk?

M(CH₄) = 16,04M(O₂) = 32M(CO₂) = 44,01 g/mol

m = g

8.StoikiometriSulit

Dalam reaksi C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂, 20 g C₆H₁₂O₆ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 5,63 g C₂H₅OH. Tentukan rendemen persen Y.

M(C₆H₁₂O₆) = 180,16 g/molM(C₂H₅OH) = 46,07 g/molaktual: 5,63 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 = 16. Tentukan konsentrasi saat setimbang [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LK_c = 16

[HI] = mol/L

10.Kesetimbangan kimiaSulit

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0,1 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,2 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,2 mol/LK_c = 0,1

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok aluminium bermassa 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) bersuhu 110 °C dijatuhkan ke dalam 400 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 24 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 110 °Cm_water = 400 gT_water = 24 °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 C₃H₈ (M = 44,1 g/mol) terbakar sempurna: C₃H₈ + 5O₂ → 3CO₂ + 4H₂O(l). Nyatakan q sebagai bilangan positif.

ΔH°f(C₃H₈) = −103,8 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 0,5 mol/L. Cari konsentrasi C_A setelah 2 min.

k = 0,4 L/(mol·min)C_A0 = 0,5 mol/Lt = 2 min

C_A = mol/L

14.Kinetika reaksiSulit

Konstanta laju suatu reaksi adalah 0,002 min⁻¹ pada 30 °C dan 0,00741 min⁻¹ pada 45 °C. Cari energi aktivasi E_a.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 30 °Ck₂ = 0,00741 min⁻¹T₂ = 45 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Reaksi orde satu fase cair A → B (k = 0,1 min⁻¹) berlangsung dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 50 L. Umpan masuk dengan laju 25 L/menit dengan C_A0 = 0,5 mol/L. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konsentrasi keluaran C_A.

V = 50 LQ = 25 L/mink = 0,1 min⁻¹C_A0 = 0,5 mol/L

C_A = mol/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 100 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 150 LQ = 100 L/mink = 0,2 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Dalam kondensor, uap mengembun pada suhu konstan 130 °C di sisi luar tabung. Air pendingin (5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) mengalir melalui tabung dan memanas dari 30 ke 95 °C. Koefisien perpindahan panas menyeluruhnya 3000 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

T_s = 130 °Cṁ = 5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c: 30 → 95 °CU = 3000 W/(m²·K)

A = m²

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Dalam penukar panas pipa ganda aliran berlawanan, oli panas (0,3 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) mengalir di tabung dalam dan mendingin dari 130 ke 70 °C. Air (1 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) di anulus masuk pada 10 °C. Tabung dalam berdiameter 20 mm, dan U = 300 W/(m²·K) didasarkan pada diameter ini. Cari panjang tabung L yang diperlukan.

ṁ_h = 0,3 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 70 °Cṁ_c = 1 kg/sT_c,in = 10 °CD = 20 mmU = 300 W/(m²·K)

L = m

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 100 mm bata dan 150 mm polistirena ekspansi, dengan luas 6 m². Permukaan luarnya bersuhu 16 °C dan -2 °C. Cari suhu T_i pada antarmuka kedua lapisan.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 6 m²T₁ = 16 °CT₃ = -2 °C

T_i = °C

20.Konduksi panasSulit

Dinding 150 mm beton dan 150 mm kaca memisahkan ruangan bersuhu 20 °C dari udara luar bersuhu -10 °C. Koefisien konveksinya 8 W/(m²·K) di dalam dan 25 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 15 m². Cari kehilangan panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 150 mm, k₁ = 1,4 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -10 °C

Q̇ = W

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air mengalir dengan debit 3 L/s melalui pipa sepanjang 800 m dengan diameter dalam 50 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,02 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan h_f.

Q = 3 L/sL = 800 mD = 50 mmf = 0,02g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Sebuah pipa sepanjang 200 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 = 10). Gunakan g = 9,81 m/s². Berapa tinggi H permukaan reservoir harus berada di atas lubang keluar pipa untuk debit 75 L/s?

Q = 75 L/sL = 200 mD = 200 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 10

H = m

23.Pompa & daya pompaSedang

Sebuah pompa mengalirkan 10 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 80 m. Efisiensi pompa 60% dan motor listrik penggeraknya memiliki efisiensi 95%. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari daya listrik P_el yang ditarik motor, dalam kW.

Q = 10 L/sH = 80 mη_pump = 60%η_motor = 95%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 15 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 100 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,015; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 4 (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 = 15 L/sΔz = 8 mL = 150 mD = 100 mmf = 0,015ΣK = 4p_tank = 250 kPa

H = m

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 800 kg/h

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

Neraca

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

NaOH: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 600·(40 − 20)/(20 − 5) = 800 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 800 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: W = 2769 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 = 3600·15/65 = 830,8 kg/h

Neraca total

W = F − P = 3600 − 830,8 = 2769 kg/h

Jawaban

W = 2769 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 28,37 °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 = 1·2,1·(160 − 110) = 105 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 105/(3·4,18) = 28,37 °C

Jawaban

t_out = 28,37 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 0,7159 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 1·2,1·(170 − 80) = 189 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,05)·189 = 179,5 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 179,5/(4,18·60) = 0,7159 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 0,7159 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 901,3 kPa

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

Mol

n = m/M = 260/39,95 = 6,508 mol

T = 60 + 273,15 = 333,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 6,508·8,314·333,1/0,02 = 901,3 kPa

Jawaban

P = 901,3 kPa

6.Hukum gas ideal

Jawaban: V₂ = 1,089 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 303,1 K, T₂ = 363,1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(250/550)·(363,1/303,1) = 1,089 L

Jawaban

V₂ = 1,089 L

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 55,01 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(CH₄) = 30/16,04 = 1,87 mol

n(O₂) = 80/32 = 2,5 mol

Pereaksi pembatas

1,87/1 = 1,87, 2,5/2 = 1,25 → O₂

Massa produk

n(CO₂) = 1,25·1 = 1,25 mol

m = 1,25·44,01 = 55,01 g

Jawaban

m = 55,01 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 55,04 %

Hasil teoretis

n(C₆H₁₂O₆) = 20/180,16 = 0,111 mol

m = 0,111·2/1·46,07 = 10,23 g

Rendemen persen

Y = 5,63/10,23·100 = 55,04%

Jawaban

Y = 55,04%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [HI] = 0,3333 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

16 = (2x)²/(0,25 − x)²

Tarik akar kuadrat

4 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·4/(2 + 4) = 0,1667 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[HI] = 2x = 0,3333 mol/L

Jawaban

[HI] = 0,3333 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl₂] = 0,1 mol/L

Rumus kesetimbangan

0,1 = x²/(0,2 − x) → x² + 0,1·x − 0,02 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,02))/2 = 0,1 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,1 mol/L

Jawaban

[Cl₂] = 0,1 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 26,25 °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

50·0,897·(110 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 24)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (44,85·110 + 1672·24)/(44,85 + 1672) = 26,25 °C

Jawaban

T_f = 26,25 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: q = 1258 kJ

Entalpi reaksi

ΔH° = [3·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [1·(−103,8) + 5·0] = −2220 kJ

Kalor untuk massa yang diberikan

n = 25/44,1 = 0,5669 mol

q = n·|ΔH°/1| = 0,5669·2220 = 1258 kJ

Jawaban

q = 1258 kJ

13.Kinetika reaksi

Jawaban: C_A = 0,3571 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 = 2 + 0,4·2 = 2,8 L/mol

C_A = 1/2,8 = 0,3571 mol/L

Jawaban

C_A = 0,3571 mol/L

14.Kinetika reaksi

Jawaban: E_a = 70,01 kJ/mol

Suhu mutlak

T₁ = 303,1 K, T₂ = 318,1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·1,31/(-1,555e-4) = 70012 J/mol

E_a = 70,01 kJ/mol

Jawaban

E_a = 70,01 kJ/mol

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: C_A = 0,4094 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 = 50/25 = 2 min

Konsentrasi keluaran

C_A = 0,5·e^−0,1·2 = 0,4094 mol/L

Jawaban

C_A = 0,4094 mol/L

Konversi: X = 18,13%.

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 23,08 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 150/100 = 1,5 min, kτ = 0,2·1,5 = 0,3

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 0,3/(1 + 0,3) = 23,08%

Jawaban

X = 23,08%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 7,314 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 = 5·4,18·(95 − 30) = 1359 kW

Selisih suhu di ujung

ΔT₁ = 130 − 30 = 100 K

ΔT₂ = 130 − 95 = 35 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (100 − 35)/ln(100/35) = 61,92 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 1,359 × 10⁶/(3000·61,92) = 7,314 m²

Jawaban

A = 7,314 m²

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: L = 29,05 m

Beban panas dan suhu keluar air

Q̇ = 0,3·2,5·(130 − 70) = 45 kW

T_c,out = 10 + 45/(1·4,18) = 20,77 °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 = 130 − 20,77 = 109,2 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 70 − 10 = 60 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (109,2 − 60)/ln(109,2/60) = 82,17 K

Luas dan panjang

A = 45000/(300·82,17) = 1,825 m²

L = A/(πD) = 1,825/(π·0,02) = 29,05 m

Jawaban

L = 29,05 m

19.Konduksi panas

Jawaban: T_i = 15,43 °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)/(0,72·6) = 0,02315 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,035·6) = 0,7143 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 18/0,7374 = 24,41 W

Suhu antarmuka

Suhu turun sebesar Q̇·R₁ pada lapisan pertama.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 16 − 24,41·0,02315 = 15,43 °C

Jawaban

T_i = 15,43 °C

20.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 1050 W

Tahanan seri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(8·15) = 0,008333 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (150/1000)/(1,4·15) = 0,007143 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,96·15) = 0,01042 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(25·15) = 0,002667 K/W

ΣR = 0,02856 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (20 − (-10))/0,02856 = 1050 W

Jawaban

Q̇ = 1050 W

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: h_f = 38,07 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·0,05²/4 = 0,001963 m²

V = Q/A = 0,003/0,001963 = 1,528 m/s

Head kecepatan

V²/(2g) = 1,528²/(2·9,81) = 0,119 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,02·(800/0,05)·1,528²/(2·9,81) = 38,07 m

Jawaban

h_f = 38,07 m

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: H = 7,959 m

Kecepatan

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

V²/(2g) = 0,2905 m

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,015·200/0,2 = 15

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 10 = 11,4

Persamaan energi

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

H = (1 + 15 + 11,4)·0,2905 = 7,959 m

Jawaban

H = 7,959 m

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_el = 13,77 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 = 1000·9,81·0,01·80 = 7,848 kW

Daya poros

P_shaft = 7,848/0,6 = 13,08 kW

Daya listrik

P_el = 13,08/0,95 = 13,77 kW

Jawaban

P_el = 13,77 kW

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 38,41 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,015/0,007854 = 1,91 m/s

V²/(2g) = 0,1859 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (22,5 + 4)·0,1859 = 4,927 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 + 4,927 = 38,41 m

Jawaban

H = 38,41 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

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

Jawaban

Waktu ruang

Konsentrasi keluaran

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Beban panas dari sisi air

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 dan panjang

Jawaban

Tahanan lapisan

Selesaikan untuk ṁ₂