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% garam? Cari ṁ₂.

ṁ₁ = 700 kg/hx₁ = 40 %x₂ = 20 %x₃ = 35 %

ṁ₂ = kg/h

2.Neraca massaSulit

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

F = 1800 kg/hx_F = 14 %x_P = 55 %

P = 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: 120 → 90 °Cṁ_c = 1,5 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 = 1,5 kg/sc_p,h = 3,6 kJ/(kg·K)T_h: 180 → 110 °Ct: 30 → 70 °Cc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)kehilangan = 10 %

ṁ_c = kg/s

5.Hukum gas idealSedang

Berapa volume V yang ditempati 10 g N₂ pada 450 kPa dan 60 °C? Anggap sebagai gas ideal.

m = 10 gM = 28,01 g/molP = 450 kPaT = 60 °CR = 8,314 J/(mol·K)

V = L

6.Hukum gas idealSulit

Sejumlah tetap Ar berubah dari 300 kPa, 2 L, 10 °C menjadi 150 kPa dan 90 °C. Cari volume baru V₂.

P₁ = 300 kPaV₁ = 2 LT₁ = 10 °CP₂ = 150 kPaT₂ = 90 °C

V₂ = L

7.StoikiometriSedang

30 g H₂ dan 24 g O₂ bereaksi menurut 2H₂ + O₂ → 2H₂O. Berapa massa m H₂O yang dapat terbentuk?

M(H₂) = 2,016M(O₂) = 32M(H₂O) = 18,02 g/mol

m = g

8.StoikiometriSulit

Dalam reaksi 2Mg + O₂ → 2MgO, 10 g Mg bereaksi sempurna (pereaksi lain berlebih) dan diperoleh 15,58 g MgO. Tentukan rendemen persen Y.

M(Mg) = 24,31 g/molM(MgO) = 40,3 g/molaktual: 15,58 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 = 64. Tentukan konsentrasi saat setimbang [H₂].

[H₂]₀ = [I₂]₀ = 0,25 mol/LK_c = 64

[H₂] = mol/L

10.Kesetimbangan kimiaSulit

PCl₅ terurai: PCl₅ ⇌ PCl₃ + Cl₂, dengan K_c = 0,05 pada suhu reaksi. Sebuah wadah mula-mula hanya berisi 1,5 mol/L PCl₅. Tentukan konsentrasi saat setimbang [PCl₅].

[PCl₅]₀ = 1,5 mol/LK_c = 0,05

[PCl₅] = mol/L

11.Kalorimetri & entalpiSedang

Sebuah balok timbal bermassa 250 g (c = 0,129 J/(g·°C)) bersuhu 200 °C dijatuhkan ke dalam 400 g air (c = 4,18 J/(g·°C)) bersuhu 17 °C di dalam gelas berinsulasi. Tentukan suhu akhirnya T_f.

m_metal = 250 gc_metal = 0,129 J/(g·°C)T_metal = 200 °Cm_water = 400 gT_water = 17 °Cc_water = 4,18 J/(g·°C)

T_f = °C

12.Kalorimetri & entalpiSulit

Gunakan entalpi pembentukan standar untuk menentukan ΔH° reaksi 2C₂H₆ + 7O₂ → 4CO₂ + 6H₂O(l).

ΔH°f(C₂H₆) = −84,7 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 = 0,4 L/(mol·min) dan konsentrasi awal 0,5 mol/L. Cari waktu paruh pertamanya t_½.

k = 0,4 L/(mol·min)C_A0 = 0,5 mol/L

t_½ = min

14.Kinetika reaksiSulit

Konstanta laju suatu reaksi adalah 0,01 min⁻¹ pada 20 °C dan 0,315 min⁻¹ pada 60 °C. Cari energi aktivasi E_a.

k₁ = 0,01 min⁻¹T₁ = 20 °Ck₂ = 0,315 min⁻¹T₂ = 60 °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 95%.

Q = 80 L/mink = 0,05 min⁻¹X = 95%

V = L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)Sulit

Sebuah reaksi orde satu fase cair (k = 0,05 min⁻¹) berlangsung dalam CSTR 2000 L yang diumpankan 50 L/menit. Densitasnya konstan dan reaktor dalam keadaan tunak. Cari konversi X dalam persen.

V = 2000 LQ = 50 L/mink = 0,05 min⁻¹

X = %

17.Penukar panas (LMTD)Sedang

Penukar panas aliran searah memindahkan 390 kW. Luas perpindahan panasnya 3 m². Fluida panas mendingin dari 160 ke 135 °C dan fluida dingin memanas dari 30 ke 70 °C. Cari koefisien perpindahan panas menyeluruh U.

Q̇ = 390 kWA = 3 m²T_h: 160 → 135 °CT_c: 30 → 70 °C

U = W/(m²·K)

18.Penukar panas (LMTD)Sulit

Oli panas (1,5 kg/s, c_p = 2,3 kJ/(kg·K)) mendingin dari 120 ke 60 °C dalam penukar aliran berlawanan. Oli memanaskan 1,5 kg/s air (c_p = 4,18 kJ/(kg·K)) yang masuk pada 30 °C. Dengan U = 500 W/(m²·K), cari luas perpindahan panas A yang diperlukan.

ṁ_h = 1,5 kg/sc_p,h = 2,3 kJ/(kg·K)T_h: 120 → 60 °Cṁ_c = 1,5 kg/sc_p,c = 4,18 kJ/(kg·K)T_c,in = 30 °CU = 500 W/(m²·K)

A = m²

19.Konduksi panasSedang

Dinding terdiri dari 250 mm bata dan 100 mm kaca, dengan luas 4 m². Permukaan luarnya bersuhu 18 °C dan -15 °C. Cari aliran panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,72 W/(m·K)L₂ = 100 mm, k₂ = 0,96 W/(m·K)A = 4 m²T₁ = 18 °CT₃ = -15 °C

Q̇ = W

20.Konduksi panasSulit

Dinding 250 mm kaca dan 25 mm kayu memisahkan ruangan bersuhu 20 °C dari udara luar bersuhu -11 °C. Koefisien konveksinya 7,7 W/(m²·K) di dalam dan 30 W/(m²·K) di luar, dan luas dinding 10 m². Cari kehilangan panas Q̇ melalui dinding.

L₁ = 250 mm, k₁ = 0,96 W/(m·K)L₂ = 25 mm, k₂ = 0,17 W/(m·K)A = 10 m²h_i = 7,7 W/(m²·K)h_o = 30 W/(m²·K)T_room = 20 °CT_out = -11 °C

Q̇ = W

21.Gesekan pipa & kehilangan headSedang

Air (ρ = 1000 kg/m³) mengalir dengan kecepatan 2,3 m/s melalui pipa horizontal sepanjang 100 m dengan diameter dalam 250 mm. Gunakan faktor gesekan Darcy f = 0,018 dan g = 9,81 m/s². Cari penurunan tekanan Δp sepanjang pipa dalam kPa.

V = 2,3 m/sL = 100 mD = 250 mmf = 0,018ρ = 1000 kg/m³

Δp = kPa

22.Gesekan pipa & kehilangan headSulit

Dua reservoir terbuka dihubungkan oleh pipa sepanjang 400 m dengan diameter dalam 300 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,015. 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. Berapa selisih muka air Δz antara kedua reservoir yang menghasilkan debit 120 L/s?

Q = 120 L/sL = 400 mD = 300 mmf = 0,015K_entrance = 0,5K_bend = 0,3 (×2)K_valve = 10K_exit = 1,0

Δz = m

23.Pompa & daya pompaSedang

Sebuah pompa mengalirkan 15 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) melawan head 36 m. Efisiensi pompa 65% dan motor listrik penggeraknya memiliki efisiensi 95%. Gunakan g = 9,81 m/s². Cari daya listrik P_el yang ditarik motor, dalam kW.

Q = 15 L/sH = 36 mη_pump = 65%η_motor = 95%g = 9,81 m/s²

P_el = kW

24.Pompa & daya pompaSulit

Sebuah pompa memindahkan 120 L/s air (ρ = 1000 kg/m³) dari reservoir bawah yang terbuka ke tangki atas yang permukaan airnya 7 m lebih tinggi. Pipa sepanjang 600 m dengan diameter dalam 250 mm dan faktor gesekan Darcy f = 0,018; koefisien kerugian minornya berjumlah ΣK = 5 (termasuk lubang masuk dan keluar). Gunakan g = 9,81 m/s². Tangki atas tertutup dan udara di atas airnya bertekanan gauge 350 kPa. Cari head H yang harus ditambahkan pompa.

Q = 120 L/sΔz = 7 mL = 600 mD = 250 mmf = 0,018ΣK = 5p_tank = 350 kPa

H = m

3Larutan

1.Neraca massa

Jawaban: ṁ₂ = 233,3 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) = 700·(40 − 35)/(35 − 20) = 233,3 kg/h

Jawaban

ṁ₂ = 233,3 kg/h

2.Neraca massa

Jawaban: P = 458,2 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 = 1800·14/55 = 458,2 kg/h

Jawaban

P = 458,2 kg/h

3.Neraca energi

Jawaban: t_out = 25,02 °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·(120 − 90) = 31,5 kW

Panas yang diterima air

t_out = t_in + Q/(ṁ_cc_p,c) = 20 + 31,5/(1,5·4,18) = 25,02 °C

Jawaban

t_out = 25,02 °C

4.Neraca energi

Jawaban: ṁ_c = 2,035 kg/s

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

Panas dilepas

Q_h = 1,5·3,6·(180 − 110) = 378 kW

Panas yang sampai ke air

Q_c = (1 − 0,1)·378 = 340,2 kW

Laju alir air

ṁ_c = Q_c/(c_p,c·Δt) = 340,2/(4,18·40) = 2,035 kg/s

Jawaban

ṁ_c = 2,035 kg/s

5.Hukum gas ideal

Jawaban: V = 2,197 L

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

Mol

n = 10/28,01 = 0,357 mol

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

Volume

V = nRT/P = 0,357·8,314·333,1/450 = 2,197 L

Jawaban

V = 2,197 L

6.Hukum gas ideal

Jawaban: V₂ = 5,13 L

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

Suhu mutlak

T₁ = 283,1 K, T₂ = 363,1 K

Hukum gas gabungan

V₂ = V₁·(P₁/P₂)·(T₂/T₁) = 2·(300/150)·(363,1/283,1) = 5,13 L

Jawaban

V₂ = 5,13 L

7.Stoikiometri

Jawaban: m = 27,03 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(H₂) = 30/2,016 = 14,88 mol

n(O₂) = 24/32 = 0,75 mol

Pereaksi pembatas

14,88/2 = 7,44, 0,75/1 = 0,75 → O₂

Massa produk

n(H₂O) = 0,75·2 = 1,5 mol

m = 1,5·18,02 = 27,03 g

Jawaban

m = 27,03 g

8.Stoikiometri

Jawaban: Y = 93,98 %

Hasil teoretis

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

m = 0,4114·2/2·40,3 = 16,58 g

Rendemen persen

Y = 15,58/16,58·100 = 93,98%

Jawaban

Y = 93,98%

9.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [H₂] = 0,05 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

64 = (2x)²/(0,25 − x)²

Tarik akar kuadrat

8 = 2x/(0,25 − x) → x = 0,25·8/(2 + 8) = 0,2 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[H₂] = 0,25 − x = 0,05 mol/L

Jawaban

[H₂] = 0,05 mol/L

10.Kesetimbangan kimia

Jawaban: [PCl₅] = 1,25 mol/L

Rumus kesetimbangan

0,05 = x²/(1,5 − x) → x² + 0,05·x − 0,075 = 0

Selesaikan persamaan kuadrat

x = (−0,05 + √(0,05² + 4·0,075))/2 = 0,25 mol/L

Konsentrasi saat setimbang

[PCl₅] = 1,5 − 0,25 = 1,25 mol/L

Jawaban

[PCl₅] = 1,25 mol/L

11.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: T_f = 20,46 °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

250·0,129·(200 − T_f) = 400·4,18·(T_f − 17)

Selesaikan untuk suhu akhir

T_f = (32,25·200 + 1672·17)/(32,25 + 1672) = 20,46 °C

Jawaban

T_f = 20,46 °C

12.Kalorimetri & entalpi

Jawaban: ΔH° = −3119 kJ

Entalpi reaksi

ΔH° = [4·(−393,5) + 6·(−285,8)] − [2·(−84,7) + 7·0] = −3119 kJ

Jawaban

ΔH° = −3119 kJ

Negatif: reaksi melepaskan kalor (eksoterm).

13.Kinetika reaksi

Jawaban: t_½ = 5 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/(0,4·0,5) = 5 min

Jawaban

t_½ = 5 min

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

14.Kinetika reaksi

Jawaban: E_a = 70,03 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 = 293,1 K, T₂ = 333,1 K

Selesaikan Arrhenius untuk Ea

E_a = −R·ln(k₂/k₁)/(1/T₂ − 1/T₁) = −8,314·3,45/(-4,096e-4) = 70032 J/mol

E_a = 70,03 kJ/mol

Jawaban

E_a = 70,03 kJ/mol

15.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: V = 4793 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 − 0,95))/0,05 = 2,996/0,05 = 59,91 min

Volume

V = Q·τ = 80·59,91 = 4793 L

Jawaban

V = 4793 L

16.Perancangan ukuran reaktor (CSTR & PFR)

Jawaban: X = 66,67 %

Waktu ruang

τ = V/Q = 2000/50 = 40 min, kτ = 0,05·40 = 2

Konversi

X = kτ/(1 + kτ) = 2/(1 + 2) = 66,67%

Jawaban

X = 66,67%

17.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: U = 1386 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 = 160 − 30 = 130 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,out = 135 − 70 = 65 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (130 − 65)/ln(130/65) = 93,78 K

Koefisien menyeluruh

U = Q̇/(A·ΔT_lm) = 390000/(3·93,78) = 1386 W/(m²·K)

Jawaban

U = 1386 W/(m²·K)

18.Penukar panas (LMTD)

Jawaban: A = 9,843 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) = 1,5·2,3·60 = 207 kW

T_c,out = 30 + 207/(1,5·4,18) = 63,01 °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 = 120 − 63,01 = 56,99 K

ΔT₂ = T_h,out − T_c,in = 60 − 30 = 30 K

Selisih suhu rata-rata logaritmik

ΔT_lm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂) = (56,99 − 30)/ln(56,99/30) = 42,06 K

Luas

A = Q̇/(U·ΔT_lm) = 207000/(500·42,06) = 9,843 m²

Jawaban

A = 9,843 m²

19.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 292,4 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) = (250/1000)/(0,72·4) = 0,08681 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (100/1000)/(0,96·4) = 0,02604 K/W

Aliran panas

Q̇ = (T₁ − T₃)/(R₁ + R₂) = 33/0,1128 = 292,4 W

Jawaban

Q̇ = 292,4 W

20.Konduksi panas

Jawaban: Q̇ = 543,2 W

Tahanan seri

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

R₁ = L₁/(k₁A) = (250/1000)/(0,96·10) = 0,02604 K/W

R₂ = L₂/(k₂A) = (25/1000)/(0,17·10) = 0,01471 K/W

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

ΣR = 0,05707 K/W

Kehilangan panas

Q̇ = (20 − (-11))/0,05707 = 543,2 W

Jawaban

Q̇ = 543,2 W

21.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Δp = 19,04 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) = 0,018·(100/0,25)·2,3²/(2·9,81) = 1,941 m

Penurunan tekanan

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

Δp = ρ·g·h_f = 1000·9,81·1,941 = 19044 Pa = 19,04 kPa

Jawaban

Δp = 19,04 kPa

22.Gesekan pipa & kehilangan head

Jawaban: Δz = 4,715 m

Kecepatan

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

V²/(2g) = 0,1469 m

Koefisien kerugian

f·L/D = 0,015·400/0,3 = 20

ΣK = 0,5 + 2·0,3 + 10 + 1,0 = 12,1

Kehilangan head total

h_f = 20·0,1469 = 2,938 m

h_m = 12,1·0,1469 = 1,777 m

Δz = h_f + h_m = 4,715 m

Jawaban

Δz = 4,715 m

23.Pompa & daya pompa

Jawaban: P_el = 8,579 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 = 1000·9,81·0,015·36 = 5,297 kW

Daya poros

P_shaft = 5,297/0,65 = 8,15 kW

Daya listrik

P_el = 8,15/0,95 = 8,579 kW

Jawaban

P_el = 8,579 kW

24.Pompa & daya pompa

Jawaban: H = 57,36 m

Kecepatan

V = Q/A = 0,12/0,04909 = 2,445 m/s

V²/(2g) = 0,3046 m

Kehilangan head

h_L = (f·L/D + ΣK)·V²/(2g) = (43,2 + 5)·0,3046 = 14,68 m

Head tekanan

p/(ρ·g) = 350000/(1000·9,81) = 35,68 m

Head pompa

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

H = Δz + p/(ρ·g) + h_L = 7 + 35,68 + 14,68 = 57,36 m

Jawaban

H = 57,36 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

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

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

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

Beban panas dan suhu keluar air

Selisih suhu di ujung

Selisih suhu rata-rata logaritmik

Luas

Jawaban

Tahanan lapisan

Aliran panas

Jawaban

Tahanan seri

Selesaikan untuk ṁ₂