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% gula? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 950 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 35 %x₃ = 20 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

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

F = 4900 kg/hx_F = 13 %x_P = 40 %

P = 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 = 1,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 130 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °C

t_out = °C

4.Neraca energiSulit

campuran glikol 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 = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 150 → 90 °Ct: 30 → 50 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Tangki 50 L berisi 250 g He pada 5 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 250 gM = 4,003 g/molV = 50 LT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas idealSulit

Cari massa jenis ρ He pada 250 kPa dan 20 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 4,003 g/molP = 250 kPaT = 20 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSedang

8 g N₂ dan 10 g H₂ bereaksi menurut N₂ + 3H₂ → 2NH₃. Berapa massa m NH₃ yang dapat terbentuk?

M(N₂) = 28,02M(H₂) = 2,016M(NH₃) = 17,03 g/mol

m = g

8.StoikiometriSulit

Dalam reaksi CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, 24 g CH₄ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 55,97 g CO₂. Tentukan rendemen persen Y.

M(CH₄) = 16,04 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molaktual: 55,97 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 = 9. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LK_c = 9

[H₂] = mol/L

10.Kesetimbangan kimiaSulit

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0,2 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 = 0,2

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok tembaga bermassa 50 g (c = 0,385 J/(g·°C)) bersuhu 140 °C dijatuhkan ke dalam 250 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 23 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 50 gc_metal = 0,385 J/(g·°C)T_metal = 140 °Cm_water = 250 gT_water = 23 °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 CH₃OH (M = 32,04 g/mol) terbakar sempurna: 2CH₃OH + 3O₂ → 2CO₂ + 4H₂O(l). Nyatakan q sebagai bilangan positif.

ΔH°f(CH₃OH) = −238,7 kJ/molΔH°f(CO₂) = −393,5 kJ/molΔH°f(H₂O, l) = −285,8 kJ/molΔH°f(O₂) = 0

q = kJ

13.Kinetika reaksiSedang

Dalam reaksi orde satu, konsentrasi A turun dari 0,8 mol/L menjadi 0,32 mol/L dalam 40 min. Cari konstanta laju k.

C_A0 = 0,8 mol/LC_A = 0,32 mol/Lt = 40 min

k = min⁻¹

14.Kinetika reaksiSulit

Reaksi orde satu memiliki k = 0,002 min⁻¹ pada 25 °C dan energi aktivasi 50 kJ/mol. Reaktor batch kini dijalankan pada 45 °C selama 15 min. Cari konversi X yang dicapai.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 25 °CE_a = 50 kJ/molT₂ = 45 °Ct = 15 minR = 8,314 J/(mol·K)

X = %

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Reaksi orde satu fase cair A → B (k = 0,25 min⁻¹) berlangsung dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 400 L. Umpan masuk dengan laju 50 L/menit dengan C_A0 = 1 mol/L. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konsentrasi keluaran C_A.

V = 400 LQ = 50 L/mink = 0,25 min⁻¹C_A0 = 1 mol/L

C_A = mol/L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,3 min⁻¹) berlangsung dalam reaktor aliran sumbat (PFR) 400 L yang diumpankan 80 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 400 LQ = 80 L/mink = 0,3 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Penukar panas shell-and-tube (satu laluan shell, dua laluan tabung) harus memindahkan 400 kW. Fluida panas mendingin dari 160 ke 80 °C dan fluida dingin memanas dari 10 ke 120 °C. Faktor koreksi LMTD untuk susunan ini F = 0,88, dan U = 500 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

Q̇ = 400 kWF = 0,88U = 500 W/(m²·K)T_h: 160 → 80 °CT_c: 10 → 120 °C

A = m²

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Oli panas (2 kg/s, c_p = 2,3 kJ/(kg·K)) mendingin dari 85 ke 60 °C dalam penukar aliran berlawanan. Oli memanaskan 3 kg/s air (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 25 °C. Dengan U = 300 W/(m²·K), cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

ṁ_h = 2 kg/sc_p,h = 2,3 kJ/(kg·K)T_h: 85 → 60 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °CU = 300 W/(m²·K)

A = m²

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 200 mm polistirena ekspansi dan 150 mm papan gipsum, dengan luas 20 m². Permukaan luarnya bersuhu 16 °C dan -3 °C. Cari suhu T_i pada antarmuka kedua lapisan.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 150 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 20 m²T₁ = 16 °CT₃ = -3 °C

T_i = °C

20.Konduksi panasSulit

Dinding 200 mm kayu dan 50 mm wol mineral memisahkan ruangan bersuhu 20 °C dari udara luar bersuhu -4 °C. Koefisien konveksinya 7,7 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 10 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 200 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 50 mm, k₂ = 0,04 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -4 °C

T_s = °C

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air mengalir dengan debit 12 L/s melalui pipa sepanjang 300 m dengan diameter dalam 150 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,028 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan h_f.

Q = 12 L/sL = 300 mD = 150 mmf = 0,028g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Dua reservoir terbuka dihubungkan oleh pipa sepanjang 200 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,022. Kerugian minornya adalah lubang masuk bersudut tajam (K = 0,5), 3 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. Berapa selisih muka air Δz antara kedua reservoir yang menghasilkan debit 150 L/s?

Q = 150 L/sL = 200 mD = 250 mmf = 0,022K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×3)K_valve = 0,2K_exit = 1,0

Δz = m

23.Pompa & daya pompaSedang

Dalam sebuah pengujian, pompa mengalirkan 15 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 20 m sementara porosnya menyerap 3,7 kW. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari efisiensi pompa η dalam persen.

Q = 15 L/sH = 20 mP_shaft = 3,7 kWg = 9,81 m/s²

η = %

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 13 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 300 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,022; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 6 (termasuk lubang masuk dan keluar). Gunakan g = 9,81 m/s². Efisiensi pompa 80%. Cari daya poros P_shaft dalam kW.

Q = 100 L/sΔz = 13 mL = 300 mD = 250 mmf = 0,022ΣK = 6η = 80%

P_shaft = kW

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 316,7 kg/h

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

Neraca

Total: ṁ₃ = ṁ₁ + ṁ₂

gula: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 950·(15 − 20)/(20 − 35) = 316,7 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 316,7 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: P = 1593 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 = 4900·13/40 = 1593 kg/h

Jawaban

P = 1593 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 44,45 °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 = 1,5·3,6·(170 − 130) = 216 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 216/(1,5·4,18) = 44,45 °C

Jawaban

t_out = 44,45 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 1,163 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 0,5·3,6·(150 − 90) = 108 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,1)·108 = 97,2 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 97,2/(4,18·20) = 1,163 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 1,163 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 2889 kPa

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

Mol

n = m/M = 250/4,003 = 62,45 mol

T = 5 + 273,15 = 278,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 62,45·8,314·278,1/0,05 = 2889 kPa

Jawaban

P = 2889 kPa

6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 0,4106 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 20 + 273,15 = 293,1 K

Massa jenis

ρ = 250·4,003/(8,314·293,1) = 0,4106 kg/m³

Jawaban

ρ = 0,4106 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 9,724 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(N₂) = 8/28,02 = 0,2855 mol

n(H₂) = 10/2,016 = 4,96 mol

Pereaksi pembatas

0,2855/1 = 0,2855, 4,96/3 = 1,653 → N₂

Massa produk

n(NH₃) = 0,2855·2 = 0,571 mol

m = 0,571·17,03 = 9,724 g

Jawaban

m = 9,724 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 85 %

Hasil teoretis

n(CH₄) = 24/16,04 = 1,496 mol

m = 1,496·1/1·44,01 = 65,85 g

Rendemen persen

Y = 55,97/65,85·100 = 85%

Jawaban

Y = 85%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H₂] = 0,1 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

9 = (2x)²/(0,25 − x)²

Tarik akar kuadrat

3 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·3/(2 + 3) = 0,15 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,25 − x = 0,1 mol/L

Jawaban

[H₂] = 0,1 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl₂] = 0,1449 mol/L

Rumus kesetimbangan

0,2 = x²/(0,25 − x) → x² + 0,2·x − 0,05 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,2 + √(0,2² + 4·0,05))/2 = 0,1449 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,1449 mol/L

Jawaban

[Cl₂] = 0,1449 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 25,12 °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

50·0,385·(140 − T_f) = 250·4,18·(T_f − 23)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (19,25·140 + 1045·23)/(19,25 + 1045) = 25,12 °C

Jawaban

T_f = 25,12 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: q = 5668 kJ

Entalpi reaksi

ΔH° = [2·(−393,5) + 4·(−285,8)] − [2·(−238,7) + 3·0] = −1453 kJ

Kalor untuk massa yang diberikan

n = 250/32,04 = 7,803 mol

q = n·|ΔH°/2| = 7,803·726,4 = 5668 kJ

Jawaban

q = 5668 kJ

13.Kinetika reaksi

Jawaban: k = 0,02291 min⁻¹

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).

Hukum orde satu terintegrasi

k = ln(C_A0/C_A)/t = ln(0,8/0,32)/40 = 0,9163/40 = 0,02291 min⁻¹

Jawaban

k = 0,02291 min⁻¹

14.Kinetika reaksi

Jawaban: X = 10,11 %

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).

Konstanta laju pada suhu baru

T₁ = 298,1 K, T₂ = 318,1 K

k₂ = 0,002·e^{−(50000/8,314)·(1/318,1 − 1/298,1)} = 0,007108 min⁻¹

Konversi

X = 1 − e^{−0,007108·15} = 1 − 0,8989 = 10,11 %

Jawaban

X = 10,11 %

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: C_A = 0,1353 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 = 400/50 = 8 min

Konsentrasi keluaran

C_A = 1·e^−0,25·8 = 0,1353 mol/L

Jawaban

C_A = 0,1353 mol/L

Konversi: X = 86,47%.

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 77,69 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 400/80 = 5 min, kτ = 0,3·5 = 1,5

Konversi

X = 1 − e^−kτ = 1 − e^−1,5 = 77,69%

Jawaban

X = 77,69%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 16,96 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 = 160 − 120 = 40 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 80 − 10 = 70 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (40 − 70)/ln(40/70) = 53,61 K

Luas

A = Q̇/(U·F·ΔT_lm,cf) = 400000/(500·0,88·53,61) = 16,96 m²

Jawaban

A = 16,96 m²

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 9,036 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.

Beban panas dan suhu keluar air

Q̇ = ṁ_hc_p,h(T_h,in − T_h,out) = 2·2,3·25 = 115 kW

T_c,out = 25 + 115/(3·4,18) = 34,17 °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 = 85 − 34,17 = 50,83 K

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

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (50,83 − 35)/ln(50,83/35) = 42,42 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 115000/(300·42,42) = 9,036 m²

Jawaban

A = 9,036 m²

19.Konduksi panas

Jawaban: T_i = −0,4586 °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) = (200/1000)/(0,035·20) = 0,2857 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,17·20) = 0,04412 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 19/0,3298 = 57,61 W

Suhu antarmuka

Suhu turun sebesar Q̇·R₁ pada lapisan pertama.

T_i = T₁ − Q̇·R₁ = 16 − 57,61·0,2857 = −0,4586 °C

Jawaban

T_i = −0,4586 °C

20.Konduksi panas

Jawaban: T_s = 18,8 °C

Tahanan seri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(7,7·10) = 0,01299 K/W

R₁ = L₁/(k₁A) = (200/1000)/(0,17·10) = 0,1176 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (50/1000)/(0,04·10) = 0,125 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·10) = 0,003333 K/W

ΣR = 0,259 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (20 − (-4))/0,259 = 92,68 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 20 − 92,68·0,01299 = 18,8 °C

Jawaban

T_s = 18,8 °C

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: h_f = 1,316 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·0,15²/4 = 0,01767 m²

V = Q/A = 0,012/0,01767 = 0,6791 m/s

Head kecepatan

V²/(2g) = 0,6791²/(2·9,81) = 0,0235 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,028·(300/0,15)·0,6791²/(2·9,81) = 1,316 m

Jawaban

h_f = 1,316 m

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Δz = 9,614 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,15/0,04909 = 3,056 m/s

V²/(2g) = 0,4759 m

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,022·200/0,25 = 17,6

ΣK = 0,5 + 3·0,3 + 0,2 + 1,0 = 2,6

Kehilangan head total

h_f = 17,6·0,4759 = 8,376 m

h_m = 2,6·0,4759 = 1,237 m

Δz = h_f + h_m = 9,614 m

Jawaban

Δz = 9,614 m

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: η = 79,54 %

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 = 1000·9,81·0,015·20 = 2,943 kW

Efisiensi

η = P_h/P_shaft = 2,943/3,7 = 79,54%

Jawaban

η = 79,54%

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_shaft = 24,35 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) = (26,4 + 6)·0,2115 = 6,853 m

Head pompa

H = Δz + h_L = 13 + 6,853 = 19,85 m

Daya poros

P_shaft = ρ·g·Q·H/η = 1000·9,81·0,1·19,85/0,8 = 24,35 kW

Jawaban

P_shaft = 24,35 kW

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

Tekanan

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 satu terintegrasi

Jawaban

Konstanta laju pada suhu baru

Konversi

Jawaban

Waktu ruang

Konsentrasi keluaran

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Selisih suhu ujung (aliran berlawanan)

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

Suhu antarmuka

Selesaikan untuk ṁ₂