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 15% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 350 kg/hx₁ = 35 %x₂ = 5 %x₃ = 15 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

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

F = 2500 kg/hx_F = 9 %x_P = 55 %

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 = 2 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 170 → 110 °Cṁ_c = 2 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 10 °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: 140 → 110 °Ct: 15 → 75 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Tangki 50 L berisi 250 g CO₂ pada 55 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 250 gM = 44,01 g/molV = 50 LT = 55 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas idealSulit

Cari massa jenis ρ Ar pada 150 kPa dan 140 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 39,95 g/molP = 150 kPaT = 140 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSedang

8 g CH₄ dan 16 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 CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O, 10 g CH₄ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 17,53 g H₂O. Tentukan rendemen persen Y.

M(CH₄) = 16,04 g/molM(H₂O) = 18,02 g/molaktual: 17,53 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 = 0,02 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 1 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [Cl₂].

[PCl₅]₀ = 1 mol/LK_c = 0,02

[Cl₂] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok tembaga bermassa 250 g (c = 0,385 J/(g·°C)) bersuhu 140 °C dijatuhkan ke dalam 300 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 18 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,385 J/(g·°C)T_metal = 140 °Cm_water = 300 gT_water = 18 °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) dalam reaktor batch memiliki k = 0,2 L/(mol·min) dan dimulai pada 1,5 mol/L. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 90%? Cari t.

k = 0,2 L/(mol·min)C_A0 = 1,5 mol/LX = 90 %

t = min

14.Kinetika reaksiSulit

Reaksi orde satu memiliki k = 0,01 min⁻¹ pada 20 °C dan energi aktivasi 60 kJ/mol. Reaktor batch kini dijalankan pada 30 °C selama 45 min. Cari konversi X yang dicapai.

k₁ = 0,01 min⁻¹T₁ = 20 °CE_a = 60 kJ/molT₂ = 30 °Ct = 45 minR = 8,314 J/(mol·K)

X = %

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Sebuah reaksi orde satu fase cair A → B dengan k = 0,15 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 = 0,15 min⁻¹X = 85%

V = L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,1 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 400 L yang diumpankan 5 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 400 LQ = 5 L/mink = 0,1 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Penukar panas aliran searah memindahkan 500 kW. Luas perpindahan panasnya 5 m². Fluida panas mendingin dari 90 ke 65 °C dan fluida dingin memanas dari 20 ke 55 °C. Cari koefisien perpindahan panas menyeluruh U.

Q̇ = 500 kWA = 5 m²T_h: 90 → 65 °CT_c: 20 → 55 °C

U = W/(m²·K)

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Oli panas (1,5 kg/s, c_p = 2,5 kJ/(kg·K)) mendingin dari 165 ke 85 °C dalam penukar aliran berlawanan. Oli memanaskan 1,5 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 = 1,5 kg/sc_p,h = 2,5 kJ/(kg·K)T_h: 165 → 85 °Cṁ_c = 1,5 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 100 mm polistirena ekspansi dan 75 mm kayu, dengan luas 8 m². Permukaan luarnya bersuhu 15 °C dan 2 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 100 mm, k₁ = 0,035 W/(m·K)L₂ = 75 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 8 m²T₁ = 15 °CT₃ = 2 °C

Q̇ = W

20.Konduksi panasSulit

Dinding 50 mm kaca dan 150 mm kayu memisahkan ruangan bersuhu 21 °C dari udara luar bersuhu -11 °C. Koefisien konveksinya 6 W/(m²·K) di dalam dan 20 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 = 150 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 12 m²h_i = 6 W/(m²·K)h_o = 20 W/(m²·K)T_room = 21 °CT_out = -11 °C

T_s = °C

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air mengalir dengan debit 12 L/s melalui pipa sepanjang 400 m dengan diameter dalam 100 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,018 dan g = 9,81 m/s². Cari kehilangan head akibat gesekan h_f.

Q = 12 L/sL = 400 mD = 100 mmf = 0,018g = 9,81 m/s²

h_f = m

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Sebuah pipa sepanjang 300 m dengan diameter dalam 300 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), 4 belokan (masing-masing K = 0,3), dan sebuah katup (K = 5). Gunakan g = 9,81 m/s². Berapa tinggi H permukaan reservoir harus berada di atas lubang keluar pipa untuk debit 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 300 mD = 300 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 5

H = m

23.Pompa & daya pompaSedang

Sebuah pompa dengan efisiensi 75% mengalirkan 50 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 34 m. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari daya poros P_shaft yang diperlukan, dalam kW.

Q = 50 L/sH = 34 mη = 75%g = 9,81 m/s²

P_shaft = kW

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 40 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 = 0,02; 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 200 kPa. Cari head H yang harus ditambahkan pompa.

Q = 40 L/sΔz = 8 mL = 150 mD = 200 mmf = 0,02ΣK = 8p_tank = 200 kPa

H = m

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 700 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·(35 − 15)/(15 − 5) = 700 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 700 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: W = 2091 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 = 2500·9/55 = 409,1 kg/h

Neraca total

W = F − P = 2500 − 409,1 = 2091 kg/h

Jawaban

W = 2091 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 40,14 °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·(170 − 110) = 252 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 10 + 252/(2·4,18) = 40,14 °C

Jawaban

t_out = 40,14 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 0,113 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 0,5·2,1·(140 − 110) = 31,5 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,1)·31,5 = 28,35 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 28,35/(4,18·60) = 0,113 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 0,113 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 310 kPa

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

Mol

n = m/M = 250/44,01 = 5,681 mol

T = 55 + 273,15 = 328,1 K

Tekanan

P = nRT/V = 5,681·8,314·328,1/0,05 = 310 kPa

Jawaban

P = 310 kPa

6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 1,745 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

T = 140 + 273,15 = 413,1 K

Massa jenis

ρ = 150·39,95/(8,314·413,1) = 1,745 kg/m³

Jawaban

ρ = 1,745 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 11 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) = 8/16,04 = 0,4988 mol

n(O₂) = 16/32 = 0,5 mol

Pereaksi pembatas

0,4988/1 = 0,4988, 0,5/2 = 0,25 → O₂

Massa produk

n(CO₂) = 0,25·1 = 0,25 mol

m = 0,25·44,01 = 11 g

Jawaban

m = 11 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 78,02 %

Hasil teoretis

n(CH₄) = 10/16,04 = 0,6234 mol

m = 0,6234·2/1·18,02 = 22,47 g

Rendemen persen

Y = 17,53/22,47·100 = 78,02%

Jawaban

Y = 78,02%

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] = 0,1318 mol/L

Rumus kesetimbangan

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

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,02))/2 = 0,1318 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[Cl₂] = x = 0,1318 mol/L

Jawaban

[Cl₂] = 0,1318 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 26,7 °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

250·0,385·(140 − T_f) = 300·4,18·(T_f − 18)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (96,25·140 + 1254·18)/(96,25 + 1254) = 26,7 °C

Jawaban

T_f = 26,7 °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 = 30 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).

Konsentrasi di akhir

C_A = 1,5·(1 − 0,9) = 0,15 mol/L

Hukum orde dua terintegrasi

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (6,667 − 0,6667)/0,2 = 30 min

Jawaban

t = 30 min

14.Kinetika reaksi

Jawaban: X = 63,71 %

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 = 293,1 K, T₂ = 303,1 K

k₂ = 0,01·e^{−(60000/8,314)·(1/303,1 − 1/293,1)} = 0,02253 min⁻¹

Konversi

X = 1 − e^{−0,02253·45} = 1 − 0,3629 = 63,71 %

Jawaban

X = 63,71 %

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 126,5 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))/0,15 = 1,897/0,15 = 12,65 min

Volume

V = Q·τ = 10·12,65 = 126,5 L

Jawaban

V = 126,5 L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 88,89 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 400/5 = 80 min, kτ = 0,1·80 = 8

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 8/(1 + 8) = 88,89%

Jawaban

X = 88,89%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: U = 3243 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 = 90 − 20 = 70 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 65 − 55 = 10 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (70 − 10)/ln(70/10) = 30,83 K

Koefisien menyeluruh

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 500000/(5·30,83) = 3243 W/(m²·K)

Jawaban

U = 3243 W/(m²·K)

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 13,35 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) = 1,5·2,5·80 = 300 kW

T_c,out = 25 + 300/(1,5·4,18) = 72,85 °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 = 165 − 72,85 = 92,15 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 85 − 25 = 60 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (92,15 − 60)/ln(92,15/60) = 74,93 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 300000/(300·74,93) = 13,35 m²

Jawaban

A = 13,35 m²

19.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 31,53 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) = (100/1000)/(0,035·8) = 0,3571 K/W

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

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 13/0,4123 = 31,53 W

Jawaban

Q̇ = 31,53 W

20.Konduksi panas

Jawaban: T_s = 16,37 °C

Tahanan seri

R_i = 1/(h_iA) = 1/(6·12) = 0,01389 K/W

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

R₂ = L₂/(k₂A) = (150/1000)/(0,17·12) = 0,07353 K/W

R_o = 1/(h_oA) = 1/(20·12) = 0,004167 K/W

ΣR = 0,09593 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (21 − (-11))/0,09593 = 333,6 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 21 − 333,6·0,01389 = 16,37 °C

Jawaban

T_s = 16,37 °C

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: h_f = 8,567 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·0,1²/4 = 0,007854 m²

V = Q/A = 0,012/0,007854 = 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) = 0,018·(400/0,1)·1,528²/(2·9,81) = 8,567 m

Jawaban

h_f = 8,567 m

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: H = 3,334 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,12/0,07069 = 1,698 m/s

V²/(2g) = 0,1469 m

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,015·300/0,3 = 15

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 5 = 6,7

Persamaan energi

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

H = (1 + 15 + 6,7)·0,1469 = 3,334 m

Jawaban

H = 3,334 m

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_shaft = 22,24 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 = 1000·9,81·0,05·34 = 16,68 kW

Daya poros

P_shaft = P_h/η = 16,68/0,75 = 22,24 kW

Jawaban

P_shaft = 22,24 kW

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 30,29 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,04/0,03142 = 1,273 m/s

V²/(2g) = 0,08263 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (15 + 8)·0,08263 = 1,9 m

Head tekanan

p/(ρ·g) = 200000/(1000·9,81) = 20,39 m

Head pompa

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 8 + 20,39 + 1,9 = 30,29 m

Jawaban

H = 30,29 m

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

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

Konsentrasi di akhir

Hukum orde dua terintegrasi

Jawaban

Konstanta laju pada suhu baru

Konversi

Jawaban

Waktu ruang

Volume

Jawaban

Waktu ruang

Konversi

Jawaban

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Koefisien menyeluruh

Jawaban

Beban panas dan suhu keluar air

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Luas

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Selesaikan untuk ṁ₂