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 = 1000 kg/hx₁ = 15 %x₂ = 35 %x₃ = 25 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

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

F = 2600 kg/hx_F = 19 %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 = 0,5 kg/sc_p,h = 2,1 kJ/(kg·K)T_h: 130 → 80 °Cṁ_c = 3 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)t_in = 20 °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 = 2,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 70 °Ct: 30 → 90 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Tangki 20 L berisi 200 g CH₄ pada 5 °C. Anggap sebagai gas ideal dan cari tekanan P.

m = 200 gM = 16,04 g/molV = 20 LT = 5 °CR = 8,314 J/(mol·K)

P = kPa

6.Hukum gas idealSulit

Cari massa jenis ρ He pada 550 kPa dan 40 °C, dengan menganggapnya gas ideal.

M = 4,003 g/molP = 550 kPaT = 40 °CR = 8,314 J/(mol·K)

ρ = kg/m³

7.StoikiometriSedang

6 g Mg dan 10 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 C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂, 16 g C₆H₁₂O₆ bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 6,88 g CO₂. Tentukan rendemen persen Y.

M(C₆H₁₂O₆) = 180,16 g/molM(CO₂) = 44,01 g/molaktual: 6,88 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 = 54. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LK_c = 54

[H₂] = mol/L

10.Kesetimbangan kimiaSulit

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0,02 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 0,4 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 0,4 mol/LK_c = 0,02

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok aluminium bermassa 50 g (c = 0,897 J/(g·°C)) bersuhu 120 °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 = 50 gc_metal = 0,897 J/(g·°C)T_metal = 120 °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 kalor q yang dilepaskan ketika 10 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

Reaksi orde dua (−r_A = k·C_A²) dalam reaktor batch memiliki k = 0,1 L/(mol·min) dan dimulai pada 1 mol/L. Berapa lama waktu untuk mencapai konversi 75%? Cari t.

k = 0,1 L/(mol·min)C_A0 = 1 mol/LX = 75 %

t = min

14.Kinetika reaksiSulit

Sebuah reaksi memiliki konstanta laju 0,05 min⁻¹ pada 20 °C dan energi aktivasi 50 kJ/mol. Cari konstanta laju k₂ pada 50 °C.

k₁ = 0,05 min⁻¹T₁ = 20 °CT₂ = 50 °CE_a = 50 kJ/molR = 8,314 J/(mol·K)

k₂ = min⁻¹

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sedang

Sebuah reaksi orde satu fase cair A → B dengan k = 0,12 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 80%.

Q = 25 L/mink = 0,12 min⁻¹X = 80%

V = L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,25 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 1000 L yang diumpankan 25 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 1000 LQ = 25 L/mink = 0,25 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Dalam kondensor, uap mengembun pada suhu konstan 130 °C di sisi luar tabung. Air pendingin (1 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) mengalir melalui tabung dan memanas dari 10 ke 100 °C. Koefisien perpindahan panas menyeluruhnya 2500 W/(m²·K). Cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

T_s = 130 °Cṁ = 1 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c: 10 → 100 °CU = 2500 W/(m²·K)

A = m²

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Uap mengembun pada suhu konstan 105 °C di sisi luar tabung kondensor dengan luas perpindahan panas 1 m² dan U = 2000 W/(m²·K). Air pendingin (0,5 kg/s, c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) masuk ke tabung pada 25 °C. Cari suhu keluar air T_c,out.

T_s = 105 °CA = 1 m²U = 2000 W/(m²·K)ṁ = 0,5 kg/sc_p = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 25 °C

T_c,out = °C

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 50 mm beton dan 25 mm kayu, dengan luas 4 m². Permukaan luarnya bersuhu 22 °C dan -13 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 50 mm, k₁ = 1,4 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 22 °CT₃ = -13 °C

Q̇ = W

20.Konduksi panasSulit

Dinding 50 mm wol mineral dan 100 mm polistirena ekspansi memisahkan ruangan bersuhu 22 °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 15 m². Cari suhu T_s permukaan dalam dinding.

L₁ = 50 mm, k₁ = 0,04 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,035 W/(m·K)A = 15 m²h_i = 8 W/(m²·K)h_o = 25 W/(m²·K)T_room = 22 °CT_out = 5 °C

T_s = °C

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir dengan kecepatan 2,1 m/s melalui pipa horizontal sepanjang 800 m dengan diameter dalam 200 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,025 dan g = 9,81 m/s². Cari penurunan tekanan Δp sepanjang pipa dalam kPa.

V = 2,1 m/sL = 800 mD = 200 mmf = 0,025ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Dua reservoir terbuka dihubungkan oleh pipa sepanjang 200 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,015. Permukaan air reservoir atas berada 16 m di atas permukaan reservoir bawah. Kerugian minornya adalah lubang masuk bersudut tajam (K = 0,5), 4 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 = 16 mL = 200 mD = 150 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×4)K_valve = 10K_exit = 1,0

Q = L/s

23.Pompa & daya pompaSedang

Sebuah pompa mengalirkan 60 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 52 m. Efisiensi pompa 78% dan motor listrik penggeraknya memiliki efisiensi 88%. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari daya listrik P_el yang ditarik motor, dalam kW.

Q = 60 L/sH = 52 mη_pump = 78%η_motor = 88%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 25 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari reservoir bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 6 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 300 m dengan diameter dalam 150 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,025; 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 300 kPa. Cari head H yang harus ditambahkan pompa.

Q = 25 L/sΔz = 6 mL = 300 mD = 150 mmf = 0,025ΣK = 8p_tank = 300 kPa

H = m

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 1000 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) = 1000·(15 − 25)/(25 − 35) = 1000 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 1000 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: W = 1702 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 = 2600·19/55 = 898,2 kg/h

Neraca total

W = F − P = 2600 − 898,2 = 1702 kg/h

Jawaban

W = 1702 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 24,19 °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 = 0,5·2,1·(130 − 80) = 52,5 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 52,5/(3·4,18) = 24,19 °C

Jawaban

t_out = 24,19 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 1,615 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 2,5·3,6·(120 − 70) = 450 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,1)·450 = 405 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 405/(4,18·60) = 1,615 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 1,615 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: P = 1442 kPa

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

Mol

n = m/M = 200/16,04 = 12,47 mol

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

Tekanan

P = nRT/V = 12,47·8,314·278,1/0,02 = 1442 kPa

Jawaban

P = 1442 kPa

6.Hukum gas ideal

Jawaban: ρ = 0,8456 kg/m³

Massa jenis gas ideal: ρ = PM/(RT).

Susun ulang hukum gas

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)

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

Massa jenis

ρ = 550·4,003/(8,314·313,1) = 0,8456 kg/m³

Jawaban

ρ = 0,8456 kg/m³

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 9,947 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) = 6/24,31 = 0,2468 mol

n(O₂) = 10/32 = 0,3125 mol

Pereaksi pembatas

0,2468/2 = 0,1234, 0,3125/1 = 0,3125 → Mg

Massa produk

n(MgO) = 0,1234·2 = 0,2468 mol

m = 0,2468·40,3 = 9,947 g

Jawaban

m = 9,947 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 88,01 %

Hasil teoretis

n(C₆H₁₂O₆) = 16/180,16 = 0,08881 mol

m = 0,08881·2/1·44,01 = 7,817 g

Rendemen persen

Y = 6,88/7,817·100 = 88,01%

Jawaban

Y = 88,01%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H₂] = 0,05348 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

54 = (2x)²/(0,25 − x)²

Tarik akar kuadrat

7,348 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·7,348/(2 + 7,348) = 0,1965 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,25 − x = 0,05348 mol/L

Jawaban

[H₂] = 0,05348 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [PCl₅] = 0,32 mol/L

Rumus kesetimbangan

0,02 = x²/(0,4 − x) → x² + 0,02·x − 0,008 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,02 + √(0,02² + 4·0,008))/2 = 0,08 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[PCl₅] = 0,4 − 0,08 = 0,32 mol/L

Jawaban

[PCl₅] = 0,32 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 34,21 °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·(120 − T_f) = 100·4,18·(T_f − 25)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (44,85·120 + 418·25)/(44,85 + 418) = 34,21 °C

Jawaban

T_f = 34,21 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: q = 226,7 kJ

Entalpi reaksi

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

Kalor untuk massa yang diberikan

n = 10/32,04 = 0,3121 mol

q = n·|ΔH°/2| = 0,3121·726,4 = 226,7 kJ

Jawaban

q = 226,7 kJ

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·(1 − 0,75) = 0,25 mol/L

Hukum orde dua terintegrasi

t = (1/C_A − 1/C_A0)/k = (4 − 1)/0,1 = 30 min

Jawaban

t = 30 min

14.Kinetika reaksi

Jawaban: k₂ = 0,3358 min⁻¹

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 = 293,1 K, T₂ = 323,1 K

Rasio Arrhenius

ln(k₂/k₁) = −(50000/8,314)·(1/323,1 − 1/293,1) = 1,905

k₂ = 0,05·e^1,905 = 0,3358 min⁻¹

Jawaban

k₂ = 0,3358 min⁻¹

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 335,3 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))/0,12 = 1,609/0,12 = 13,41 min

Volume

V = Q·τ = 25·13,41 = 335,3 L

Jawaban

V = 335,3 L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 90,91 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 1000/25 = 40 min, kτ = 0,25·40 = 10

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 10/(1 + 10) = 90,91%

Jawaban

X = 90,91%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 2,318 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 = 1·4,18·(100 − 10) = 376,2 kW

Selisih suhu di ujung

ΔT₁ = 130 − 10 = 120 K

ΔT₂ = 130 − 100 = 30 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (120 − 30)/ln(120/30) = 64,92 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 376200/(2500·64,92) = 2,318 m²

Jawaban

A = 2,318 m²

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: T_c,out = 74,27 °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) = 2000·1/(0,5·4180) = 0,9569

Suhu keluar

ΔT₂ = ΔT₁·e^−0,9569 = 80·0,3841 = 30,73 K

T_c,out = 105 − 30,73 = 74,27 °C

Jawaban

T_c,out = 74,27 °C

Panas yang dipindahkan: Q̇ = 103 kW.

19.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 766 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)/(1,4·4) = 0,008929 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·4) = 0,03676 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 35/0,04569 = 766 W

Jawaban

Q̇ = 766 W

20.Konduksi panas

Jawaban: T_s = 21,5 °C

Tahanan seri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (50/1000)/(0,04·15) = 0,08333 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,035·15) = 0,1905 K/W

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

ΣR = 0,2848 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (22 − (5))/0,2848 = 59,69 W

T_s = T_room − Q̇·R_i = 22 − 59,69·0,008333 = 21,5 °C

Jawaban

T_s = 21,5 °C

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Δp = 220,5 kPa

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.

Kehilangan head

h_f = f·(L/D)·V²/(2g) = 0,025·(800/0,2)·2,1²/(2·9,81) = 22,48 m

Penurunan tekanan

Pipa horizontal dan kecepatannya tidak berubah, sehingga persamaan energi menjadi Δp = ρ·g·h_f.

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·22,48 = 220500 Pa = 220,5 kPa

Jawaban

Δp = 220,5 kPa

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Q = 54,75 L/s

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,015·200/0,15 = 20

ΣK = 0,5 + 4·0,3 + 10 + 1,0 = 12,7

Persamaan energi

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

16 = (20 + 12,7)·V²/(2·9,81)

V = √(2·9,81·16/32,7) = 3,098 m/s

Debit

Q = V·π·D²/4 = 3,098·0,01767 = 0,05475 m³/s = 54,75 L/s

Jawaban

Q = 54,75 L/s

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_el = 44,59 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 = 1000·9,81·0,06·52 = 30,61 kW

Daya poros

P_shaft = 30,61/0,78 = 39,24 kW

Daya listrik

P_el = 39,24/0,88 = 44,59 kW

Jawaban

P_el = 44,59 kW

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 42,5 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,025/0,01767 = 1,415 m/s

V²/(2g) = 0,102 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (50 + 8)·0,102 = 5,916 m

Head tekanan

p/(ρ·g) = 300000/(1000·9,81) = 30,58 m

Head pompa

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 6 + 30,58 + 5,916 = 42,5 m

Jawaban

H = 42,5 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

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

Konsentrasi di akhir

Hukum orde dua terintegrasi

Jawaban

Suhu mutlak

Rasio Arrhenius

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

Gabungkan neraca energi dan persamaan laju

Suhu keluar

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Selesaikan untuk ṁ₂