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 35% gula? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 400 kg/hx₁ = 5 %x₂ = 50 %x₃ = 35 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

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

F = 1600 kg/hx_F = 15 %x_P = 60 %

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: 120 → 80 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 25 °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 = 2,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 140 → 60 °Ct: 30 → 80 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 5 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Berapa volume V yang ditempati 410 g CO₂ pada 650 kPa dan 65 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 410 gM = 44,01 g/molP = 650 kPaT = 65 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas idealSulit

Cari massa jenis ρ CO₂ pada 150 kPa dan 180 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 44,01 g/molP = 150 kPaT = 180 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSedang

10 g Mg dan 48 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 2Mg + O₂ → 2MgO, 10 g Mg bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 9,12 g MgO. Tentukan rendemen persen Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molaktual: 9,12 g

Y = %

9.Kesetimbangan kimiaSedang

Sebanyak 0,1 mol/L H₂ dan 0,1 mol/L I₂ dimasukkan ke dalam wadah dan bereaksi: H₂ + I₂ ⇌ 2HI, dengan K_c = 25. Tentukan konsentrasi saat setimbang [HI].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,1 mol/LK_c = 25

[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 0,1 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 0,1 mol/LK_c = 0,1

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok tembaga bermassa 200 g (c = 0,385 J/(g·°C)) bersuhu 200 °C dijatuhkan ke dalam 100 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 25 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 200 gc_metal = 0,385 J/(g·°C)T_metal = 200 °Cm_water = 100 gT_water = 25 °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 dua (−r_A = k·C_A²) memiliki k = 0,25 L/(mol·min) dan konsentrasi awal 1,5 mol/L. Cari waktu paruh pertamanya t_½.

k = 0,25 L/(mol·min)C_A0 = 1,5 mol/L

t_½ = min

14.Kinetika reaksiSulit

Konstanta laju suatu reaksi adalah 0,002 min⁻¹ pada 25 °C dan 0,00526 min⁻¹ pada 40 °C. Cari energi aktivasi E_a.

k₁ = 0,002 min⁻¹T₁ = 25 °Ck₂ = 0,00526 min⁻¹T₂ = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

E_a = kJ/mol

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Sebuah reaksi orde satu fase cair A → B dengan k = 0,05 min⁻¹ dilakukan dalam reaktor aliran sumbat (PFR) yang diumpankan 80 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari volume reaktor V dalam liter untuk konversi A sebesar 80%.

Q = 80 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 80%

V = L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,05 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 1500 L yang diumpankan 20 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 1500 LQ = 20 L/mink = 0,05 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Penukar panas aliran searah memindahkan 260 kW. Luas perpindahan panasnya 5 m². Fluida panas mendingin dari 125 ke 70 °C dan fluida dingin memanas dari 30 ke 65 °C. Cari koefisien perpindahan panas menyeluruh U.

Q̇ = 260 kWA = 5 m²T_h: 125 → 70 °CT_c: 30 → 65 °C

U = W/(m²·K)

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 = 3000 W/(m²·K). Air pendingin (2 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) masuk ke tabung pada 20 °C. Cari suhu keluar air T_c,out.

T_s = 120 °CA = 8 m²U = 3000 W/(m²·K)ṁ = 2 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 20 °C

T_c,out = °C

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 50 mm kayu dan 75 mm papan gipsum, dengan luas 4 m². Permukaan luarnya bersuhu 18 °C dan -3 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 18 °CT₃ = -3 °C

Q̇ = W

20.Konduksi panasSulit

Dinding 250 mm kayu dan 25 mm papan gipsum memisahkan ruangan bersuhu 20 °C dari udara luar bersuhu -3 °C. Koefisien konveksinya 6 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 8 m². Cari kehilangan panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,17 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -3 °C

Q̇ = W

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air mengalir dengan debit 8 L/s melalui pipa sepanjang 50 m dengan diameter dalam 75 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,03 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan h_f.

Q = 8 L/sL = 50 mD = 75 mmf = 0,03g = 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 = 0,015. Permukaan air reservoir atas berada 37 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 = 10), dan lubang keluar ke reservoir bawah (K = 1,0). Gunakan g = 9,81 m/s². Cari debit Q dalam L/s.

Δz = 37 mL = 200 mD = 250 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompa & daya pompaSedang

Dalam sebuah pengujian, pompa mengalirkan 100 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 24 m sementara porosnya menyerap 29,4 kW. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari efisiensi pompa η dalam persen.

Q = 100 L/sH = 24 mP_shaft = 29,4 kWg = 9,81 m/s²

η = %

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 14 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 600 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 100 kPa. Cari head H yang harus ditambahkan pompa.

Q = 60 L/sΔz = 14 mL = 600 mD = 200 mmf = 0,022ΣK = 8p_tank = 100 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

gula: ṁ₁x₁ + ṁ₂x₂ = (ṁ₁ + ṁ₂)x₃

Selesaikan untuk ṁ₂

ṁ₂ = ṁ₁(x₁ − x₃)/(x₃ − x₂) = 400·(5 − 35)/(35 − 50) = 800 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 800 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: W = 1200 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 = 1600·15/60 = 400 kg/h

Neraca total

W = F − P = 1600 − 400 = 1200 kg/h

Jawaban

W = 1200 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 35,05 °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·(120 − 80) = 84 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 25 + 84/(2·4,18) = 35,05 °C

Jawaban

t_out = 35,05 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 1,909 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 2,5·2,1·(140 − 60) = 420 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,05)·420 = 399 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 399/(4,18·50) = 1,909 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 1,909 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 40,29 L

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

Mol

n = 410/44,01 = 9,316 mol

T = 65 + 273,15 = 338,1 K

Volume

V = nRT/P = 9,316·8,314·338,1/650 = 40,29 L

Jawaban

V = 40,29 L

6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 1,752 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 180 + 273,15 = 453,1 K

Massa jenis

ρ = 150·44,01/(8,314·453,1) = 1,752 kg/m³

Jawaban

ρ = 1,752 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 16,58 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) = 10/24,31 = 0,4114 mol

n(O₂) = 48/32 = 1,5 mol

Pereaksi pembatas

0,4114/2 = 0,2057, 1,5/1 = 1,5 → Mg

Massa produk

n(MgO) = 0,2057·2 = 0,4114 mol

m = 0,4114·40,3 = 16,58 g

Jawaban

m = 16,58 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 55,01 %

Hasil teoretis

n(Mg) = 10/24,31 = 0,4114 mol

m = 0,4114·2/2·40,3 = 16,58 g

Rendemen persen

Y = 9,12/16,58·100 = 55,01%

Jawaban

Y = 55,01%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [HI] = 0,1429 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

25 = (2x)²/(0,1 − x)²

Tarik akar kuadrat

5 = 2x/(0,1 − x) → x = 0,1·5/(2 + 5) = 0,07143 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[HI] = 2x = 0,1429 mol/L

Jawaban

[HI] = 0,1429 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [Cl₂] = 0,0618 mol/L

Rumus kesetimbangan

0,1 = x²/(0,1 − x) → x² + 0,1·x − 0,01 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,1 + √(0,1² + 4·0,01))/2 = 0,0618 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,0618 mol/L

Jawaban

[Cl₂] = 0,0618 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 52,22 °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

200·0,385·(200 − T_f) = 100·4,18·(T_f − 25)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (77·200 + 418·25)/(77 + 418) = 52,22 °C

Jawaban

T_f = 52,22 °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_½ = 2,667 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).

Waktu paruh orde dua

t_½ = 1/(k·C_A0) = 1/(0,25·1,5) = 2,667 min

Jawaban

t_½ = 2,667 min

Setiap waktu paruh berikutnya dua kali lebih lama, karena C₀ telah menjadi setengahnya.

14.Kinetika reaksi

Jawaban: E_a = 50,04 kJ/mol

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).

Suhu mutlak

T₁ = 298,1 K, T₂ = 313,1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·0,967/(-1,607e-4) = 50041 J/mol

E_a = 50,04 kJ/mol

Jawaban

E_a = 50,04 kJ/mol

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 2575 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 − 0,8))/0,05 = 1,609/0,05 = 32,19 min

Volume

V = Q·τ = 80·32,19 = 2575 L

Jawaban

V = 2575 L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 78,95 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 1500/20 = 75 min, kτ = 0,05·75 = 3,75

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 3,75/(1 + 3,75) = 78,95%

Jawaban

X = 78,95%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: U = 1701 W/(m²·K)

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 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 = 125 − 30 = 95 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 70 − 65 = 5 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (95 − 5)/ln(95/5) = 30,57 K

Koefisien menyeluruh

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 260000/(5·30,57) = 1701 W/(m²·K)

Jawaban

U = 1701 W/(m²·K)

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: T_c,out = 114,3 °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) = 3000·8/(2·4180) = 2,871

Suhu keluar

ΔT₂ = ΔT₁·e^−2,871 = 100·0,05665 = 5,665 K

T_c,out = 120 − 5,665 = 114,3 °C

Jawaban

T_c,out = 114,3 °C

Panas yang dipindahkan: Q̇ = 788,6 kW.

19.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 114,2 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) = (50/1000)/(0,17·4) = 0,07353 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (75/1000)/(0,17·4) = 0,1103 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 21/0,1838 = 114,2 W

Jawaban

Q̇ = 114,2 W

20.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 101,2 W

Tahanan seri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0,17·8) = 0,1838 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·8) = 0,01838 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(30·8) = 0,004167 K/W

ΣR = 0,2272 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (20 − (-3))/0,2272 = 101,2 W

Jawaban

Q̇ = 101,2 W

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: h_f = 3,343 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·0,075²/4 = 0,004418 m²

V = Q/A = 0,008/0,004418 = 1,811 m/s

Head kecepatan

V²/(2g) = 1,811²/(2·9,81) = 0,1671 m

Darcy–Weisbach

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,03·(50/0,075)·1,811²/(2·9,81) = 3,343 m

Jawaban

h_f = 3,343 m

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Q = 269,4 L/s

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,015·200/0,25 = 12

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Persamaan energi

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

37 = (12 + 12,1)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·37/24,1) = 5,488 m/s

Debit

Q = V·π·D²/4 = 5,488·0,04909 = 0,2694 m³/s = 269,4 L/s

Jawaban

Q = 269,4 L/s

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: η = 80,08 %

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 = 1000·9,81·0,1·24 = 23,54 kW

Efisiensi

η = P_h/P_shaft = 23,54/29,4 = 80,08%

Jawaban

η = 80,08%

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 37,95 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,06/0,03142 = 1,91 m/s

V²/(2g) = 0,1859 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (66 + 8)·0,1859 = 13,76 m

Head tekanan

p/(ρ·g) = 100000/(1000·9,81) = 10,19 m

Head pompa

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 14 + 10,19 + 13,76 = 37,95 m

Jawaban

H = 37,95 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

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

Waktu paruh orde dua

Jawaban

Suhu mutlak

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

Jawaban

Waktu ruang

Volume

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Koefisien menyeluruh

Jawaban

Gabungkan neraca energi dan persamaan laju

Suhu keluar

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Jawaban

Tahanan seri

Kehilangan panas

Selesaikan untuk ṁ₂