-
TUGAS AZAS TEKNIK KIMIA
NERACA ENERGI UNTUK SISTEM REAKSI
Disusun oleh :
KELOMPOK XI (SEBELAS) GANJIL
Christina Dewi Sidauruk 120405111
Oby Vijay Sitorus 120405113
Faris Alanjani 120405115
Melva Ginting 120405117
Florentina Pandiangan 120405119
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SUMATERA UTARA
MEDAN
2014
-
BORANG DISKUSI 2
-
Neraca Energi Sistem Bereaksi
Untuk menghitung turunan dan habisnya zat kimia yang terjadi
selama reaksi,
dibutuhkan, dalam hal neraca bahan, untuk mengenal istilah laju
reaksi dalam persamaan
neraca. Pada dasarnya, hukum persamaan neraca pertama telah
digunakan pada bab 6 untuk
menghitung perubahan dalam energi inventarisasi dari sistem yang
terjadi selama reaksi.
Namun, ini mudah untuk menyusun kembali persamaan neraca energi
menjadi sebuah bentuk
istilah yang eksplisit yang mencerminkan perubahan entalpi
akibat reaksi. Dalam perubahan
ini, perhitungan tambahan diperlukan untuk mengevaluasi
perbedaan reaksi entalpi, dan
penggunaan berbagai bentuk energi yang dihasilkan menyeimbangkan
bentuk persamaan
yang merupakan subyek bab ini.
Kita mulai dengan defenisi dari konsep reaksi panas dan ulasan
cara menghitung
reaksi panas dari data tabulasi entalpi. Kita pelajari bagaimana
memeriksa reaksi panas untuk
menghitung perubahan temperatur, tekanan, dan fasa dengan
menggunakan perhitungan yang
telah didiskusikan pada bab 7. Selanjutnya, bentuk paling
sederhana dari neraca energi sistem
bereaksi akan dikembangkan, diikuti dengan perluasan untuk
aliran keluar dan masuk yang
lebih dari 1 dan reaksi yang lebih dari 1. Kita juga meninjau
bentuk khusus dari persamaan
neraca energi yang tidak eksplisit menggunakan reaksi panas.
Bentuk ini mudah untuk
aplikasi komputer dan terutama cocok digunakan jika reaksi
stoikiometri tidak diketahui atau
sangat kompleks. Terakhir, analisa derajat kebebasan dijabarkan
untuk menafsirkan kasus
bereaksi sebagaimana masalah neraca energi yang melibatkan unit
lebih dari 1. Tujuan pokok
dari bab ini adalah untuk mendiskusikan masalah utama neraca
energi dimana kita bisa
memecahkan masalah kompleks yang lebih dari 1 dengan reaksi
kimia.
KONSEP PANAS REAKSI
Dalam diskusi kita tentang entalpi campuran komponen murni, kita
catat bahwa
dalam campuran yang umum tidak berlaku secara ideal. Sebaliknya,
jika substansi murni
dicampur pada tekanan dan temperatur yang diketahui, maka
entalpi spesifik harus diperoleh
dengan penaksiran entalpi campuran ideal oleh istilah panas
campuran. Maka, *
( 6 ,2 ) =*
( 6,2 ) T
* ( 6 ,2 )
Tinjau reaksi yang melibatkan zat S dengan koefisien
stoikiometri s dimana hasilnya
dalam temperatur dan tekanan (T dan P). Diandaikan kita
membentuk campuran dengan
mengkombinasikan s jumlah mol dari tiap reaktan s, masing-masing
dalam fase s dan
-
semuanya pada T dan P tersebut. Asumsikan bahwa campuran
bereaksi sempurna menjadi
bentuk campuran produk, masing-masing dalam fase s dan semuanya
pada dan P yang
sama. Entalpi dari campuran reaktan diketahui sebagai berikut,
*(6,2,)
dimana jumlah total s dengan s < 0. Demikian pula dengan
entalpi dari campuran produk
diketahui, *(6,2,)
dimana jumlah total s dengan s > 0. Analogikan ke pengalaman
kita dengan entalpi dari
campuran umum, sehingga, *(6,2,)
*(6,2,)
Perbedaan antara 2 entalpi campuran ini, *(6,2,)
e *(6,2,)i
didefenisikan sebagai panas reaksi HR(T, P) dari reaksi dengan
koefisien stoikiometri s
pada T dan P dan fasa s. Maka, *
=*(6,2,)
@1
Lagi, istilah panas kembali digunakan karena, jika reaksi dibawa
keluar pada T dan P
konstan, maka
*
akan menunjukkan panas yang harus dihapus dari sistem untuk
mempertahankannya pada T konstan. Itu berarti, untuk sistem
tertutup pada tekanan konstan,
Q = H H = 2 1
*
Jika panas reaksi negatif, maka Q akan menjadi negatif dan panas
harus dihapus dari
sistem untuk mempertahankan T konstan. Sebuah reaksi dengan
*
negatif disebut
eksotermik. Sebaliknya, jika panas reaksi positif, Q akan
menjadi positif dan karena itu panas
harus ditransfer ke sistem untuk mempertahankannya pada T
konstan. Sebuah reaksi dengan *
positif disebut endotermik.
Ingat bahwa dalam panas reaksi umum akan bergantung tidak hanya
pada stoikiometri
reaksi dan pada temperatur dan tekanan tetapi juga pada fasa
tiap produk dan zat reaktan. Ini
menjadi lazim ketika menulis persamaan reaksi stoikiometri untuk
sebuah reaksi yang
diketahui untuk menjabarkan tidak hanya zat-zatnya tetapi juga
fasanya.
-
Sebagai contoh,
C(s) + H O(g) 2 CO(g) + H (g) 2
menunjukkan bahwa karbon padat bereaksi dengan gas H2O menjadi
produk CO dan H , 2
dua-duanya dalam bentuk gas. Panas reaksi untuk reaksi di atas
secara numerik berbeda
dengan panas reaksi dari reaksi berikut,
C(s) + H O(l) 2 CO(g) + H (g) 2
Simbol yang lazim digunakan yaitu g, l, s, dan aq. Untuk gas,
cairan, padatan, dan
larutan encer, berturut-turut. Jika sebuah padatan bisa terdapat
dalam berbagai bentuk kristal,
maka ini cocok untuk mengenal bentuk khusus yang
direaksikan.
Jika panas reaksi adalah perbedaan entalpi, unitnya adalah dari
istilah entalpi, kJ, kcal,
atau Btu, tergantung pada sistem unit yang dipekerjakan. Ini
mudah untuk melaporkan panas
reaksi per mol reaksi seperti yang diungkapkan oleh persamaan
stoikiometri. Jadi, jika
*
=
10 kJ/mol untuk reaksi
A + B C
maka panas reaksi
*
untuk reaksi
2A + 2B 2C
akan menjadi *
=2*
=20 G,
IKH
Nilai dari panas reaksi, jadi, berkaitan dengan bentuk persamaan
reaksi stoikiometri.
PERHITUNGAN PANAS REAKSI
Entalpi Reaksi Kimia
Keluaran utama di sini adalah untuk menerapkan hukum pertama
termodinamika reaksi kimia
yang dilakukan dalam kondisi tertentu. Kondisi ini dalam keadaan
volume konstan dan
tekanan konstan. Hal ini karena ketika kita melakukan percobaan
di laboratorium, kita
biasanya bekerja dengan volume tertentu (volume konstan) dari
reaksi. Selain itu, tekanan di
dalam laboratorium adalah hampir sama dengan tekanan atmosfer,
yang konstan (tekanan
konstan). Dengan demikian kita memiliki dua jenis yang berbeda
dari kuantitas, E dan H,
untuk mengukur perubahan energi satu pada volume konstan (E) dan
satu lagi pada tekanan
konstan (H). Keduanya sama-sama berfungsi sebagai termodinamika,
E dikenal sebagai
perubahan energi internal dan H diberi label sebagai perubahan
entalpi (dari bahasa Yunani,
enthalpein, untuk menghangatkan).
Ingat, entalpi kata hanyalah sebuah kata mewah untuk panas pada
tekanan konstan.
-
Entalpi Reaksi Perubahan
Karena sebagian besar reaksi kimia di laboratorium tidak lain
adalah konstanta-tekanan
proses, kita dapat menulis perubahan entalpi (juga dikenal
sebagai entalpi reaksi) untuk
reaksi. Mempertimbangkan jenis umum berikut reaksi
reaktan produk
H tersebut didefinisikan sebagai selisih antara entalpi produk
dan reaktan. Demikian
H = Hproducts - Hreactants
Entalpi reaksi dapat positif atau negatif atau nol tergantung
pada apakah panas diperoleh atau
hilang atau tidak ada panas yang hilang atau diperoleh:
H> 0, jika Hproducts> Hreactants endotermik reaksi (H
positif (+))
H
-
Berikut H negatif (H
-
Contoh-2
Mengingat persamaan termokimia berikut
CH (g) + 2O (g) 4 2 CO (g) + 2H O (l) H = -890,4 kJ / mol 2
2
menghitung panas yang berkembang ketika 20 g CH dikonversi
menjadi CO (g) dan H O 4 2 2
(l).
Jawaban-2
Persamaan kimia selalu ditulis dalam bentuk tahi lalat, tapi
masalahnya dinyatakan dalam hal
massa. Anda perlu untuk berhubungan mol ke massa melalui massa
molar (mol = massa /
massa molar). Ada dua cara untuk melakukan masalah ini, keduanya
harus menghasilkan
hasil yang sama.
1. mol CH gram 4 CH 4 kilojoule panas
2. gram mol CH 4 CH 4 kilojoule panas
Metode Pertama:
Pertama menghitung massa satu mol CH , yaitu 16 g / mol.
Kemudian mengatur rasio untuk 4
menghitung panas yang dihasilkan oleh 20 g CH . 4
20 g CH x 1 mol CH 4 4 x -890,4kJ = -1113,0 kJ
16 gr/mol CH 4 1 mol CH 4
Metode kedua:
Pertama mengkonversi 20 g CH ke mol CH , yaitu 4 4
mol CH = 4 20 g CH 4 = 1.25 mol CH 4
16 gr/mol CH 4
Kemudian, mengatur rasio untuk menghitung panas yang dihasilkan
oleh 1,25 mol CH . 4
1.25 mol CH x -890,4kJ = -1113,0 kJ 4
1 mol CH 4
Perhatikan kesamaan antara kedua setup. Faktor, 20 g CH x 1 mol
CH , dalam metode pertama 4 4
16 gr/mol CH 4
hanyalah 1,25 mol CH . 4
-
NERACA ENERGI DENGAN SATU REAKSI KIMIA
Pada bagian ini, akan dibahas mengenai bagaimana entalpi dalam
sebuah persamaan
neraca energi sistem terbuka dengan adanya reaksi kimia.
Pertama-tama kita menentukan
single input dan single output nya, lalu kita mengetahui
persamaan neraca dari input dan
output-nya yang lebih dari satu, dan terakhir mengenai bentuk
persamaan dimana panas
reaksi ikut dihitung secara implisit.
1. Single input/Single output
Persamaan neraca energi untuk sistem dengan single output/single
input sebagai
berikut:
Q=r.H R
( T p ) + H 6 ( T p ) + H
1 ( T p )
Keterangan :
Q = panas yang dikeluarkan atau dimasukkan ke dalam sistem
reaksi
sehubungan dengan terjadinya reaksi, misalnya dalam J/detik
r = laju reaksi, atau derajat kelangsungan reaksi
(mol/detik)
HR = panas reaksi pada Tr K (kJ/mol)
H1 = panas aliran masuk (dapat berupa panas sensibel dan/atau
panas laten
relatif terhadap Tr)
H2 = panas aliran keluar (dapat berupa panas sensibel dan/atau
panas laten
relatif terhadap Tr)
a. Panas reaksi standar HR,298, dihitung dari panas pembentukan
standar
masing-masing senyawa yang terlibat reaksi atau dari panas
pembakaran
standar.
b. Reaksi melepaskan panas jika HR bernilai negatif, reaksi ini
disebut reaksi
eksotermik, sedangkan yang membutuhkan panas, HR-nya positif
dan
disebut reaksi endotermik.
c. HR bergantung pada banyaknya reaktan yang terkonversi, dan
dinyatakan
sebagai laju reaksi (r, koordinat reaksi, extent of
reaction)
Reaktor
N1
T1
P1
1
N2
T2
P2
2
-
d. Entalpi aliran masuk (H1) dan entalpi aliran keluar (H2),
dapat melibatkan
panas sensibel dan panas laten, secara lengkap dapat ditulis
sebagai berikut: H=N Cp { ( T298 ) + }
Dengan : N = laju aliran (mol/detik)
Cp = kapasitas panas aliran (J/mol.K)
= panas laten (J/mol)
2. Pembentukan persamaan neraca
Pada kasus yang meliliki aliran lebih dari satu, persamaan
neraca dapat diperoleh
denagn menurunkan bentuk umum dari persamaan neraca energi, dan
hasilnya
adalah sebagai berikut : dQ
dt =rH
R
( T ) +
(N(H s j
s
( T ) s
ourler srpeams j
(T)) (N s k (H
s
( T ) s
( T ) )
inler srpeams k
s
s @ 1
NERACA ENERGI DENGAN LEBIH DARI SATU REAKSI KIMIA
Dalam diskusi kita tentang neraca bahan melibatkan reaksi kimia
lebih dari 1, kita amati
bahwa reaksi yang lebih dari 1 bisa ditampung dengan mengganti
laju produksi zat Rs,
dimana sama dengan sr untuk reaksi tunggal, dengan
menjumlahkan
N
@1
. Jadi tidak
mengejutkan bahwa bentuk panas reaksi persamaan neraca energi
untuk reaksi lebih dari 1
biasanya akan mengandung istilah yang melibatkan laju semua
reaksi. Penyusunan kembali
persamaan neraca energi untuk mencapai bentuk ini berjalan tentu
saja seperti dalam hal
reaksi tunggal. Perhatikan dasar persamaan neraca energi yang
tertulis dalam istilah tentang
keadaan referensi dinotasikan secara sederhana dengan temperatur
T : @3
@P =*
( 6 ) n 0
0
r
@1
+
0 (*
k6o*
( 6 ) )
0 (*
( 6 ) *
( 6 ) )
@1
Dalam kasus reaksi kimia lebih dari 1, persamaan neraca
bahannya, 0
= 0
+
N
@1
-
Akibatnya, persamaan neraca energi pada istilah yang pertama
menjadi,
*(6)
@1
N
@1
Perubahan dalam penjumlahan dan penggunaan defenisi dari
*
, ini menjadi, N
@1
* ( 6 ) =
@1
N
@1
*
Jadi, neraca untuk reaksi lebih dari 1 yaitu, @3
@P =N
@1
*
+
0 (*
k6o*
( 6 ) )
0 (*
( 6 ) *
( 6 ) )
@1
Tiap reaksi tambahan hanya membutuhkan adanya produk dari panas
dari waktu laju
reaksi dari reaksi tersebut dalam persamaan neraca.
Contoh 8.8 : Asam asetat dipecahkan dalam tanur untuk
menghasilkan produk
menengah ketena melalui reaksi,
CH3COOH(g) CH2CO(g) + H2O(g)
Reaksinya,
CH3COOH(g) CH4(g) + CO2(g)
Juga terjadi ke sebuah tingkat yang cukup. Yang diinginkan
adalah untuk mencapai
pemecahan pada 700 C dengan konversi 80 % dan fraksi yield dari
ketena 0,0722. Hitung o
laju panas tanur yang dibutuhkan untuk masukan tanur dari 100
kgmol/h asam asetat pada
300 oC.
Penyelesaian : Seperti yang terlihat pada gambar 8.4, ini adalah
masukan-keluaran
sistem tunggal yang melibatkan 2 reaksi kimia. Dengan masalah
keadaan referensi dari 700
oC, neraca energi menjadi, @3
@P =N*
1 -
( 700 ) + N* 6
.
( 700 ) N LAG in C
PGL 3?OOD
dT 744
;44
Panas reaksi standar dari reaksi ketena adalah, *
-
4 =* .
.
4 + * .
.
4 + * .
3
4
= -14,6 57,8 + 103,93 = 31,53 kcal/gmol
Panas reaksi standar dari reaksi kedua adalah,
*
.
4 =* .
.
4 + * .
.
4 + * .
3
4
-
= - 17,89 94,05 + 103,93 = - 8,01 kcal/gmol
Kedua panas standar tersebut harus dikoreksi pada
700
melalui persamaan
berikut: *
-
( 700 ) =*
-
( 25 ) (C PGL
. GS
+ C PL
. S C
PGL 3?OOD
) dT =;7 K
6=< K
*
.
( 700 ) =*
.
( 25 ) (C PGL
4
+ C PGS
.
C PGL
3?OOD
) dT =;7 K
6=< K
Dengan menggunakan hubungan Cp untuk CH3COOH, CH4, CO2 dan H2O
dari
Appendix 3 dan hubungan untuk ketana berikut: C PGL
. GS
=v,ss+2,966s0 ?6 Ts,79u s0 ?9 T 6 + v,22 s0 ?= T 7
Asam Furnace
asetat 700 oC CH3COOH
300 oC CH2CO
H2O
Konversi 80 % CH4
Fraksi yield CH2CO 0,0722 CO2
Gambar 8.4 Diagram Untuk Contoh 8.8. Tungku Pemecahan Asam
Asetat
Panas reaksi dapat dihitung sebagai berikut: *
-
( 700 ) =us,26 c
g
*
.
( 700 ) =8,96 G?=H
CIKH
Selanjutnya, integral perbedaan entalpi asam asetat
dievaluasikan ke yield : C
PGL 3
GSSL dT=ss,55 c/g
744
;44
Terakhir, gunakan neraca bahan asam asetat dan ketena :
-
0 GL
3 GSSL
=s00N 1
N 6
GCIKH
0 GL
. GS
=0+N 1
dan konversi dari asam asetat, 80 %, sama dengan fraksi yield
ketena, 0,0722, untuk
mengevaluasi 2 laju. Dari konversi : N 1
+ N 6
=80 GCIKH/
Dari defenisi fraksi yield, 0,0722= N
1 80
atau N 1
=5,776 GCIKH/
Jadi, N 6
=7v,22v GCIKH
Sekarang, semua variabel dalam neraca energi telah diketahui,
dan dQ/dt bisa
dievaluasi: @3
@P =5,776 us,26 ( ) + 7v,22v 8,96 ( ) + s00 ss,55 ( )
= 670,5
103 kcal/h
NERACA ENERGI DENGAN PERSAMAAN STOIKIOMETRI YANG
TIDAK DIKETAHUI
Pada kasus neraca bahan, dalam aplikasinya misalnya fosil kita
menemukanstruktur
spesifik reaktan yang tidak diketahui.kita akan memilih untuk
menddikte dalam bagian
informasi mengenai reaksi panas.
Ingat kembali panas pembentukan standar didefiniskan sebagai
panas reaksi yang
mana spesies yang ditanyadibentuk dari unsur. pada kasus lain,
beberapa reaksi tidak dapat
dibawa keluar dibawah kondisi normal laboratorium., sehingga
panas pembentukan tidak
dapat diukur dengan benar. Pada senyawa organik reaksi
pembakaran membuktikan lebih
tepat untuk tujuan ini ketika pembentukan panas dketahui..
Masalah yang paling banyak terjadi adalah pembakaran batubara.
Pada percobaan
perhitungan panas pembakaran batubara yang berdasar ASTM, high
heating value adalah
panas yang dihasiklan per unit massa bahan bakar ketika
direaksikan dengan oksigen
menghasilkan abu, air cair, dan gas berupa CO , SO , dan N ,
yang dilangsungkan pada 2 2 2
-
temperatur 250 C dan tekanan 1 atm. Percobaan ini dilakukan pada
temperatur dan volum
yang konstan.
Pada sistem tertutup seperti ini berdasar hukum pertama
termodinamika dihaslkan :
U = Q = -Qv
* 4
= -QV M + (PV)
Dimana M adalah berat molekul rata rata bahan bakar.
* 4
= - Qv M + RT s
[(
16.41
)%
+ (
1,44<
)H + (
1:.4
) + C + (
76,4:
)S ] () + [(
16.41
)%
+ (
1,44<
)H + (
76,4:
) (
1:.4
)]O 2
(g) (
16.41
)%
O (g) + ( 2
1,44<
) H 2 O (l) + 1/2 (
18,44;
) N 2 (g) + (
76,4:
) SO (g) 2
Entalpi pembakaran untuk suatu unit massa material fosil akan
menjadi
* 4
= -Qv +
6
(
1:.4
+
18,44;
- (
1,44<
))
= -Qv + 33,3 Wo + 38,05W 264,3 W N H
Besarnya panas pembentukan reaktan dapat dihitung melalui
perhitungan panas reaksi biasa.
H = H + f c
( 16.41
) *
,6()
4
+ (
1,44<
)
* ,6() 4
+ (
76,4:
)
*
,6()
4
Dengn nilai panas pembentukan senyawa yang telah diketahui
adalah sbb : * ,6() 4
= -169,29 x 103 Btu/lbmol * ,6() 4
= -122,97 x 103 Btu/lbmol * ,6() 4
= -127,71 x 103 Btu/lbmol
Data high heating value didapat dari korelasi yang ditemukan
Institute of Gas Technology
(IGT) yang digunakan untuk batubara. Korelasi yang digunakan
adalah sebagai berikut
(dengan Qv dalam Btu/lbm dan w adalah fraksi berat basis kering)
:
Q = 14.658 w + 56.878 w + 2.940 w 658 w v C H S ash 5.153 (w +w
) o N
Contoh soal
Sebuah gasifier dimasukkan umpan berupa devolatilized char
sebesar 106 lb/h pada
temperatur 1700 0F dengan analisis ultimat sebagai berikut :
78 %C, 0,9 % H, 1,3% N, 0,7 %S, 19,1 % abu, dan sedikit sekali
O
Arang tersebut direaksikan dengan kukus yang masuk pada
temperatur 1000 0F dan Oksigen
yang masuk pada temperatur 400 0F. Analisis produk menghasilkan
data sebagai berikut :
5% CH , 26,5% CO, 14,5% CO2, 26,5%H , dan 27,5% H O 4 2 2
Fraksi gas merupakan fraksi basis bebas H S dan NH . Distribusi
N dan S pada produk tidak 2 3
diketahui secara pasti namun besarnya N dan S yang bereaksi
sebandig dengan besarnya C
yang bereaksi. Arang yang keluar dari reaktor tidak mengandung H
dan kering. Kukus
-
dimasukkan dengan perbandingan 1,2 mol H O per mol C pada umpan
(Gambar 8.7). jika 2
diasumsikan reaksi berlangsung adiabatik pada tekanan 70 bar dan
temperatur keluaran
reaktor sama untuk semua aliran, hitunglah banyakya oksigen yang
bereaksi dan temperatur
keuaran reaktor. (Soal ini well specified).
Penyelesaian :
CH , CO,CO ,H , 4 2 2
H O,H S,NH 2 2 3
Arang, 1
1700 F 0
H O,2 O ,3 Abu,4 2 2
1000 0 F 400 F C, N,S, Abu
0
Neraca massa elemen :
S : 0,007 X 10 = 32, 06 6
0 :,6
+ F 4,S .....................................1
N : 0,013 x 10 = 14,007 N ,NH + F 6
6 3 4,N
C : O,78 X 10 = 12,01(0,05+0,265+0,145) N + F 6
5 4,C ..............................2
H : (0,009 X 10 ) / 1,008 + 2N = 2N 6
2 6,H2S + 3 N 6,NH3 + [2(0,265) + 2(0,275) +
4(0,05) N 5 ..............................3
O : N + 2N = [0,265+2(0,145)+ 0,275]N
.................................4 2 3 5
Abu : 0,191 x 10 .........................................5
6
Hubungan Pendukung
N 2 = 1,2 N 1,C = 1,2 [(0,78X 10 ) / 12,01 ]= 77,935 lbmol/h
6
(F 4,N / F 4,C ) = (F 1,N / F 1,C ) = (1,3/78).............6
(F 4,S / F 4,C ) = (F 1,N / F 1,C ) =
(0,7/78)..................... 7
Substitusi pers 6 dan 7 ke persamaan 1 dan 2 didapat pers 8 dan
9 lalu substitusi lagi ke pers
4 diperoleh pers 10. Selesaikan pers 10 ke pers 3 didapat :
Gasifier
-
N = 1,2649 x 105 lbmol / h 5
F 4,C = 8,1169 lb/h
Dengan mensubstitusi niai nilai ini maka dihasikan nilai nilai F
4,N ; F 4,S ; F 4,abu ; F 6,NH3 ;
N ,H S, N . 6 2 2
Neraca Energi
Dari persamaan kkorelasi IGT maka dapat dihitung high heating
value dari arang dan abu :
Q 1,v = 11.773,1 Btu/lb
Q 4,v = 3.862,5 Btu/lb
Dari nilai ini dapat peroleh dihitung besarnya panas pembakaran
dari arang dan abu :
H 4,c = - 3862 Btu/lb
Dari data ini dapat di peroleh abu dan arang H 1,f = 203,4
btu/lb ; H 1,f = -320,6 Btu/lb
Persamaan neraca energi dalam bentuk entalpi aliran total :
Q =0= H + H + H + -H H H 4 5 6 1 2 3
H = N (H , 2 2 0
f,H2O +
% 1;44 ;;
PH2O dT )
H = N (0 + 3 3
% 844 ;4
PO2 dT
H = N 6 6,H2S (H , 0
,f H2s +
% ;;
PH2S dT ) + N 6,NH3 (H , 0
f,NH3 +
% ;;
PNH3 dT )
H = N ((H 5 5 0
,f,S +
% ;;
PS dT )
Dengan memasukkan nilai nilai pada persamaan neraca energi, maka
didapat sebuah
persamaan orde 5 sebagai berikut :
-6,5182 x 10 -9
(T 772 ) + 2,1488 x 10 5 -5
(T -77 ) 3,9079( T 77 ) + 150,63 (T 77 ) + 4 4 3 3 2 2
9,9490 X 10 (T-77) =1,9281 X 10 5 9
Penyelesaian persamaan ini di dapat T keluaran sebesar 1688,2 F
0
-
ANALISIS DERAJAT KEBEBASAN
Analisis derajat kebebasan pada persoalan neraca energi dengan
reaksi merupakan
permasalahan yang terkait erat dengan analisis derajat kebebasan
persoalan yang tidak
melibatkan reaksi.
Unit Tunggal
Untuk sistem dengan unit tunggal variabel aliran terdiri atas
variabel inti, komponen
dan laju reaksi, dan variabel tambahan berupa temperatur aliran,
tekanan,
, dan
.
Penghitungan neraca massa dan energi sistem dapat dilakukan
sendiri-sendiri
(decoupled) atau harus dilakukan secara serempak (coupled)
antara neraca massa dan
energi. Hal ini bergantung pada derajat kebebasan neraca massa
dan neraca energinya.
Contoh:
Asam asetat direngkah pada tungku untuk menghasilkan keten
melalui reaksi:
CH3COOH(g) CH2CO(g) + H2O(g)
Reaksi yang juga terjadi adalah reaksi sebagai berikut:
CH COOH(g) CH (g) + CO (g) 3 4 2
Kondisi reaksi yang diinginkan adalah temperatur 700_C dengan
konversi 80% dan
perolehan ketene sebesar 0,0722. Hitunglah laju pemanasan tungku
yang diperlukan
untuk umpam sebesar 100 kmol/jam asam asetat pada 300_C.
Jawaban:
Asam Asetat CH COOH 3
100 kmol/jam CH CO 2
300 _C H O 2
CH 4
CO 2
-
Analisis Derajat Kebebasan
Neraca Massa Neraca Massa dan Energi
Jumlah Variabel
Variabel aliran 6 5
Laju reaksi 2 2
Temperatur, dQ/dt - 3
Jumlah Persamaan
Massa 5 5
Energi - 1
Jumlah Data Diketahui
Komposisi - -
Konversi 1 1
Perolehan 1 1
Temperatur - 2
Laju alir 1 1
Derajat Kebebasan 0 0
Unit Banyak
Analisis derajat kebebasan dari proses unit banyak untuk neraca
massa dan energi
sistem dengan reaksi memiliki format yang sama dengan pada
analisis neraca massa
sistem multi-unit. Pada analisis derajat kebebasan dilakukan
analisis untuk neraca
massa dan energi untuk setiap satuan unit pada sistem.
Analisis derajat kebebasan dilakukan untuk masing-masing unit,
proses, dan overall.
Selanjutnya penyelesaian dilakukan dengan melihat hasil dari
analisis derajat
kebebasan, seperti pada kasus neraca massa, dimulai dari unit
yang memiliki derajat
kebebasan nol terlenih dahulu, jika ada, atau dikerjakan melalui
sistem overall, ataupun
dikerjakan secara serempak dengan menggunakan neraca massa dan
energi
proses.Penyelesaian neraca energi sedapat mungkin dilakukan
terpisah dari
penyelesaian neraca massa.
Contoh:
Amonia diproduksi melalui reaksi sebagai berikut:
N + 3H 2NH 2 2 3
-
Reaksi diselenggarakan pada reaktor adiabatik sebanyak dua
tahap.Konversi reaksi
pada tahap pertama adalah sebesar 10%, produk dari tahap ini
didinginkan hingga
temperatur 425_C melalui pencampuran dengan umpan segar. Produk
pada tahap
kedua memiliki temperatur sebesar 535_C, produk ini pertama-tama
didinginkan oleh
aliran umpan segar yang akan memasuki reaktor satu melalui unit
penukar panas.
Selanjutnya produk didinginkan pada separator untuk mengembunkan
NH3 yang
terbentuk.
Jawaban:
Analisis Derajat Kebebasan
Mixer Reaktor 1 Reaktor 2
NM NME NM NME NM NME
Jumlah Variabel
Aliran 8 8 6 6 7 7
T, dQ/dt 4 3 3
Jumlah Persamaan
Massa 3 3 3 3 3 3
Energi 1 1 1
Jumlah Data Diketahui
-
Komposisi 1 1 1 1
dQ/dt 1 1 1
Konversi 1 1
Temperatur 2 1 2
Basis 1 1
Derajat Kebebasan 4 4 0 0 4 3
HE Separator Overall
Proses NM NME NM NME
Jumlah Variabel
Aliran 5 8 8 6 6 18
T, dQ/dt 5 4 3 13
Jumlah Persamaan
Massa 3 3 3 3 12
Energi 1 1 1 5
Jumlah Data Diketahui
Komposisi 1 1 1 1 1 2
dQ/dt 1 4
Konversi 1
Temperatur 3 2 2 6
Basis 1
Derajat Kebebasan 4 4 5 2 2 0
Penyelesaian neraca massa dan energi dari kasus ini dapat
dimulai dari unit reaktor
satu. Pada unit ini penyelesaian neraca massa dan energi dapat
dilakukan secara
decoupled.