Brown Chemical Engineering Essentials

Cheatsheet Content

1. Konversi Satuan & Dimensi Dimensi Dasar: Massa (M), Panjang (L), Waktu (t), Suhu (T), Jumlah Zat (n) Satuan SI: kg, m, s, K, mol Satuan Inggris: lbm, ft, s, °R/°F, lbmol Faktor Konversi Umum: 1 lbm = 0.453592 kg 1 ft = 0.3048 m 1 atm = 101.325 kPa = 14.696 psi $1 \text{ Btu} = 1.055 \text{ kJ}$ $1 \text{ hp} = 745.7 \text{ W}$ Gaya (Force): $F = ma$ SI: $1 \text{ N} = 1 \text{ kg} \cdot \text{m/s}^2$ Inggris: $1 \text{ lbf} = 32.174 \text{ lbm} \cdot \text{ft/s}^2$ ($g_c = 32.174 \text{ lbm} \cdot \text{ft} / (\text{lbf} \cdot \text{s}^2)$) 2. Neraca Massa 2.1. Neraca Massa Umum Prinsip Konservasi Massa: Massa masuk - Massa keluar + Massa hasil generasi - Massa konsumsi = Akumulasi massa Sistem Tunak (Steady State): Akumulasi = 0 Tanpa Reaksi Kimia: Massa masuk = Massa keluar Dengan Reaksi Kimia: Neraca per komponen: $M_{in,i} - M_{out,i} + G_i - C_i = A_i$ $G_i$: laju generasi komponen $i$ $C_i$: laju konsumsi komponen $i$ 2.2. Fraksi & Konsentrasi Fraksi Massa: $w_i = m_i / m_{total}$ Fraksi Mol: $x_i = n_i / n_{total}$ Konsentrasi Molar: $C_i = n_i / V$ (mol/volume) Konsentrasi Massa: $\rho_i = m_i / V$ (massa/volume) Hubungan: $w_i = x_i \cdot M_i / M_{avg}$ 3. Neraca Energi 3.1. Neraca Energi Umum Prinsip Konservasi Energi (Hukum Termodinamika I): $\dot{Q} - \dot{W}_s = \Delta \dot{H} + \Delta \dot{E}_K + \Delta \dot{E}_P$ $\dot{Q}$: Laju perpindahan panas ke sistem $\dot{W}_s$: Laju kerja poros oleh sistem $\Delta \dot{H}$: Perubahan laju entalpi $\Delta \dot{E}_K$: Perubahan laju energi kinetik $\Delta \dot{E}_P$: Perubahan laju energi potensial Entalpi: $H = U + PV$ Energi Kinetik: $E_K = \frac{1}{2} m v^2$ Energi Potensial: $E_P = mgh$ 3.2. Perubahan Entalpi ($ \Delta H $) Perubahan Suhu: $\Delta H = m \int_{T_1}^{T_2} C_p dT \approx m C_p \Delta T$ (untuk $C_p$ konstan) Perubahan Fasa: $\Delta H_{fasa} = m \cdot \lambda$ ($\lambda$: panas laten) Reaksi Kimia: $\Delta H_{rxn}$ (panas reaksi) Panas Sensibel: Perubahan suhu tanpa perubahan fasa Panas Laten: Perubahan fasa pada suhu konstan 4. Gas Ideal & Nyata 4.1. Gas Ideal Persamaan Gas Ideal: $PV = nRT$ $P$: Tekanan absolut $V$: Volume $n$: Jumlah mol $R$: Konstanta gas ideal (e.g., $8.314 \text{ J/(mol}\cdot\text{K)}$, $0.08206 \text{ L}\cdot\text{atm/(mol}\cdot\text{K)}$) $T$: Suhu absolut (K atau °R) Hukum Dalton (Campuran Gas Ideal): $P_{total} = \sum P_i = \sum y_i P_{total}$ Hukum Amagat (Campuran Gas Ideal): $V_{total} = \sum V_i = \sum y_i V_{total}$ 4.2. Gas Nyata Faktor Kompresibilitas (Z): $PV = Z nRT$ $Z = P\hat{V} / (RT)$ $Z \approx 1$ untuk gas ideal Tekanan Kritis ($P_c$), Suhu Kritis ($T_c$) Tekanan Tereduksi ($P_r = P/P_c$), Suhu Tereduksi ($T_r = T/T_c$) Persamaan Keadaan (Contoh): Van der Waals: $(P + a/\hat{V}^2)(\hat{V}-b) = RT$ $a = (27 R^2 T_c^2) / (64 P_c)$ $b = R T_c / (8 P_c)$ 5. Termodinamika Larutan Hukum Raoult (Larutan Ideal): $P_i = x_i P_i^{sat}$ $P_i$: Tekanan parsial komponen $i$ dalam fasa uap $x_i$: Fraksi mol komponen $i$ dalam fasa cair $P_i^{sat}$: Tekanan uap jenuh murni komponen $i$ pada $T$ yang sama Hukum Henry (Solut Encer): $P_i = H_i x_i$ $H_i$: Konstanta Henry Aktivitas ($a_i$) & Koefisien Aktivitas ($\gamma_i$): $a_i = \gamma_i x_i$ Untuk larutan non-ideal: $P_i = \gamma_i x_i P_i^{sat}$ Tekanan Uap Jenuh (Antoine Equation): $\log_{10} P^{sat} = A - B/(C+T)$ 6. Reaksi Kimia & Stoikiometri Persamaan Stoikiometri: $aA + bB \rightarrow cC + dD$ Reaktan Pembatas: Reaktan yang habis terlebih dahulu Reaktan Berlebih: Reaktan yang tersisa setelah reaksi selesai Konversi: Fraksi reaktan pembatas yang bereaksi Yield (Hasil): Jumlah produk yang terbentuk / Jumlah produk maksimum yang mungkin Selektivitas: Mol produk yang diinginkan / Mol produk yang tidak diinginkan Derajat Kebebasan (Degree of Freedom): Jumlah variabel independen yang harus ditentukan untuk mendefinisikan sistem sepenuhnya. 7. Proses Industri Kimia Unit Operasi Dasar: Perpindahan Massa: Distilasi, Absorpsi, Ekstraksi, Pengeringan Perpindahan Panas: Penukar panas, Evaporator Perpindahan Momentum: Pompa, Kompresor, Pipa Reaksi Kimia: Reaktor (Batch, CSTR, PFR) Diagram Alir Proses (PFD): Menunjukkan aliran utama, peralatan, dan kondisi operasi. Diagram Pipa dan Instrumentasi (P&ID): Detail perpipaan, instrumen, katup, dan kontrol. 8. Perpindahan Panas Konduksi (Fourier's Law): $\dot{Q} = -kA \frac{dT}{dx}$ $k$: Konduktivitas termal $A$: Luas penampang Konveksi (Newton's Law of Cooling): $\dot{Q} = hA(T_s - T_\infty)$ $h$: Koefisien perpindahan panas konveksi Radiasi (Stefan-Boltzmann Law): $\dot{Q} = \epsilon \sigma A (T_s^4 - T_{sur}^4)$ $\epsilon$: Emisivitas $\sigma$: Konstanta Stefan-Boltzmann ($5.67 \times 10^{-8} \text{ W/(m}^2\text{K}^4)$) Overall Heat Transfer Coefficient (U): $\dot{Q} = UA \Delta T_{lm}$ $\Delta T_{lm}$: Log Mean Temperature Difference 9. Perpindahan Massa Hukum Fick tentang Difusi: $J_A = -D_{AB} \frac{dC_A}{dz}$ $J_A$: Fluks mol komponen A $D_{AB}$: Koefisien difusi A dalam B $C_A$: Konsentrasi A Koefisien Perpindahan Massa: $N_A = k_c (C_{A,i} - C_{A,\infty})$ $k_c$: Koefisien perpindahan massa konvektif 10. Mekanika Fluida Densitas: $\rho = m/V$ Viskositas: $\mu$ (Dinamik), $\nu = \mu/\rho$ (Kinematik) Persamaan Kontinuitas (Inkompresibel): $A_1 v_1 = A_2 v_2$ Persamaan Bernoulli (Inkompresibel, Inviscid, Tunak): $P_1/\rho + v_1^2/2 + gz_1 = P_2/\rho + v_2^2/2 + gz_2$ Persamaan Energi Mekanis (dengan gesekan & kerja poros): $\frac{\Delta P}{\rho} + \frac{\Delta v^2}{2} + g\Delta z + \hat{F} = -\frac{\dot{W}_s}{\dot{m}}$ $\hat{F}$: Energi yang hilang akibat gesekan per satuan massa Bilangan Reynolds: $Re = \rho v D / \mu$ $Re $Re > 4000$: Aliran Turbulen Faktor Friksi (f): Untuk kehilangan tekanan pada pipa (Darcy-Weisbach): $\Delta P_f = 4f \frac{L}{D} \frac{\rho v^2}{2}$ 11. Ekonomi Teknik Nilai Waktu Uang: Nilai Masa Depan (FV): $FV = PV(1+i)^n$ Nilai Sekarang (PV): $PV = FV / (1+i)^n$ Analisis Investasi: Net Present Value (NPV): $\sum_{t=0}^N \frac{CF_t}{(1+i)^t}$ Internal Rate of Return (IRR): Tingkat diskonto yang membuat NPV = 0 Payback Period: Waktu yang dibutuhkan untuk mengembalikan investasi awal Depresiasi: Garis Lurus: $(Harga Beli - Nilai Sisa) / Umur Manfaat$