7.neraca massa sistem dengan reaksi.pdf

8
19/11/2012 Agus Mirwan, ST., MT. 1 NERACA MASSA SISTEM DENGAN SISTEM DENGAN REAKSI 1 Sistem Dengan Reaksi Tunggal Hukum kekekalan massa hanya berlaku untuk Hukum kekekalan massa hanya berlaku untuk massa total, tidak berlaku untuk komponen- komponen (senyawa) yang bereaksi. Jumlah reaktan dan jumlah produk reaksi dihubungkan dengan persamaan (stokiometri) 2 dihubungkan dengan persamaan (stokiometri) reaksi.

Upload: henis-xylograph

Post on 02-Jan-2016

230 views

Category:

Documents


28 download

TRANSCRIPT

Page 1: 7.Neraca Massa Sistem dengan Reaksi.pdf

19/11/2012

Agus Mirwan, ST., MT. 1

NERACA MASSA SISTEM DENGAN SISTEM DENGAN

REAKSI

1

Sistem Dengan Reaksi Tunggal

Hukum kekekalan massa hanya berlaku untukHukum kekekalan massa hanya berlaku untukmassa total, tidak berlaku untuk komponen-komponen (senyawa) yang bereaksi.

Jumlah reaktan dan jumlah produk reaksidihubungkan dengan persamaan (stokiometri)

2

dihubungkan dengan persamaan (stokiometri)reaksi.

Page 2: 7.Neraca Massa Sistem dengan Reaksi.pdf

19/11/2012

Agus Mirwan, ST., MT. 2

Variabel-Variabel Sistem Dengan ReaksiTunggal1. Neraca massa komponen pada keadaan tunak (steady

state) adalah:

Ni,keluar + Ri = Ni,masuk

2. Laju produksi komponen-i, Ri (mol/waktu)

Ri = Ni,keluar - Ni,masuk

Ri = [Fi,keluar - Fi,masuk]/Mi

Fi = laju massa ; Mi = berat molekulDengan nilai+ (produk) ;- (reaktan) ; dan0 (senyawa inert)

3

3. Laju reaksi

Hanya berlaku untuk persamaan reaksi tersebutdan sangat bergantung pada koefisien reaksi.Reaksi dengan persamaan stokiometri reaksiReaksi dengan persamaan stokiometri reaksi

a.A + b.B → c.C +d.DLaju reaksi, r (mol/waktu):

CA B DRR R Rra b c d

= = = =− −

Secara umum: i

i

Rrσ

=

dengan σi merupakan koefisien persamanreaksi

4

Page 3: 7.Neraca Massa Sistem dengan Reaksi.pdf

19/11/2012

Agus Mirwan, ST., MT. 3

Tidak muncul pada informasi aliran masukmaupun aliran keluar, namun merupakanbesaran antara yang penting dalam perhitunganneraca massa dengan reaksi.

4. Konversi adalah fraksi salah satu reaktan yangtelah bereaksi.

( ), ,

,

i masuk reaktor i keluar reaktori

i masuk reaktor

N NX

N−

=

Di i ktDimana i = reaktanJika tanpa pernyataan khusus, konversi dapatdiartikan sebagai konversi terhadap reaktanpembatas.

5

5. Reaktan Pembatas adalah reaktan yang lebihcepat habis, yaitu reaktan yang memiliki nilai(-Ni,masuk / σi) terkecil.

6 Nil i L j R k i b t d6.Nilai Laju Reaksi bergantung pada persamaanreaksi kimia, namun tidak mengubah hasil akhirdari neraca massa.

6

Page 4: 7.Neraca Massa Sistem dengan Reaksi.pdf

19/11/2012

Agus Mirwan, ST., MT. 4

Soal: Menunjukan variabel-variabel dalam sistem dengan reaksi tunggal

Pembakaran metana dengan oksigenPembakaran metana dengan oksigenmengikuti persamaan:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2OLaju metana 100 mol/menit dan oksigen 250 l/ it Jik k i 90% T t k250 mol/menit. Jika konversi 90%. Tentukan DOF dan laju alir total keluar

7

Penyelesaian

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Konversi 90%

CH4

O CO

100 mol/menit

250 l/ it

CH4O2

Konversi 90%O2 CO2H2O

250 mol/menit

Variabel aliran 7 2 pada aliran masuk, 4 pada aliran keluar, dan1 laju reaksi

Neraca massa TTSL -4 Ada 4 komponen terlibat yaitu: metan,oksigen, karbon dioksida, dan air

Analisis Derajat Kebebasan:

8

Komposisi diketahui 0 -

Laju alir diketahui -2 Dua laju alir pada umpanBasis 0 -Hubungan pendukung -1 konversiDerajat Kebebasan (DK) 0 Well-specified

Page 5: 7.Neraca Massa Sistem dengan Reaksi.pdf

19/11/2012

Agus Mirwan, ST., MT. 5

Koefisien Persamaan Reaksi:δ1 = -1 (CH4)δ2 = -2 (O2)δ3 = 1 (CO2)δ4 = 2 (H2O)

Reaktan Pembatas:CH N /δ 100/1 100 il i k ilCH4 : -N1/δ1 = 100/1 = 100 ⇒ nilai terkecilO2 : -N2/δ2 = 250/2 = 125Sehingga CH4 sebagai reaktan pembatas

Hubungan pendukung ⇒ konversi metana (reaktan pembatas)(N1.masuk – N1.keluar)/N1.masuk = 90%Sehingga:

N1.keluar = 100 – 90 = 10 mol/menit

Laju reaksir = (N1.masuk – N1.keluar)/(δ1) = (10 – 100)/-1= 90 mol/menit

O2 : N2.keluar = N2.masuk + δ2.r = 250 + (-2).90 = 70 mol/menitCO2 : N3.keluar = N3.masuk + δ3.r = 0 + (1).90 = 90 mol/menitH2O : N4.keluar = N4.masuk + δ4.r = 0 + (2).90 = 180 mol/menit

9

Laju alir massa:Masuk = 100.(16) + 250.(32) = 9600 g/menitKeluar = 10.(16) + 70.(32) + 90.(44) + 180.(18) = 9600 g/menitSehingga:

Fkeluar = Fmasuk

10

Page 6: 7.Neraca Massa Sistem dengan Reaksi.pdf

19/11/2012

Agus Mirwan, ST., MT. 6

SOAL: Dehidrogenasi Propan

Propan dihidrogenasi membentuk propilen dalam reaktor katalitik Reaksinya sebagai berikut:katalitik. Reaksinya sebagai berikut:

C3H8 → C3H6 + H2Prosesnya didesain untuk mendapatkan konversi keseluruhan propan sebesar 95%. Produk hasil reaksi dipisahkan dengan separator menjadi dua aliran, yaitu: aliran pertama sebagai produk mengandung H2, C3H6, dan 0,555% C3H8 dari hasil reaksi. Aliran kedua sebagai aliran recycle mengandung g y g gpropan yang tidak beraksi dan 5% propilen dari aliran pertama. (lihat Gambar). Hitunglah:1. Komposisi produk, 2. Rasio C3H8 (mol recycle)/(mol umpan segar),3. Konversi single-pass C3H8

11

REAKTOR SEPARATORUmpan segar

100 mol C3H8n1 (mol C3H8)n2 (mol C3H6)

MP n3 (mol C3H8)n4 (mol C3H6)n5 (mol H2)

Produk

n6 (mol (C3H8) (0,555% n3)n7 (mol C3H6)n8 (mol H2)

Recycle

n9 (mol C3H8)n10 (mol C3H6) (5% n7)

MP REAKTOR SEPARATOR OVERALL

Variabel aliran 5 5+1 = 6 8 4+1 = 5

Analsis derajat kebebasan (ADK)

12

Neraca massa TTSL -2 -3 -3 -3Komposisi diketahui - - - -Basis - - - -Laju alir -1 - - -1Hubungan pendukung -1 - -2 -1Derajat kebebasan (DK) 1 3 3 0

Page 7: 7.Neraca Massa Sistem dengan Reaksi.pdf

19/11/2012

Agus Mirwan, ST., MT. 7

Konversi keseluruhan propan = 95% ⇒ tidak terkonversi sebesar 5%n6 = 0,05 (100 mol) = 5 mol C3H8

Neraca massa overall untuk karbon(100 mol C3H8) (3 mol C/mol C3H8) = [n6 (mol C3H8)].(3 mol C/mol C3H8) + [n7 (mol C3H6)].(3 mol C/mol C3H6)

n7 = 95 mol C3H6

Neraca massa overall untuk hidrogen(100 mol C3H8) (8 mol H/mol C3H8) = [n6 (mol C3H8)].(8 mol H/mol C3H8) + [n7 (mol C3H6)].(6 mol H/mol C3H6) + [n8 (mol H2)].(2 mol H/mol H2)

n8 = 95 mol H2

Sehingga produk mengandung:5 mol C3H8 2,6 % mol C3H895 mol C3H6 48,7 % mol C3H695 mol H 48 7 % mol H

13

95 mol H2 48,7 % mol H2

Variabel hubungan pendukung:n6 = 0,00555 n3 n3 = 900 mol C3H8n10 = 0,05 n7 n10 = 4,75 mol C3H6

Neraca massa propan pada separator:n3 = n6 + n9 n9 = 895 mol C3H8

MIXING POINTNeraca massa propan100 mol + n9 = n1 n1 = 995 mol C3H8Sehingga rasio recycle adalah:(n9 + n10) mol recycle / 100 mol umpan segar(895 + 4,75) mol recycle / 100 mol umpan segar = 9 mol recycle/mol umpan segarKonversi [(n1 n3)/n1] x 100Konversi = [(n1 – n3)/n1] x 100

= [(955-900)/955] x 100= 9,6 %

14

Page 8: 7.Neraca Massa Sistem dengan Reaksi.pdf

19/11/2012

Agus Mirwan, ST., MT. 8

SOAL: Pada sistem berikut: (Jika basis perhitungan ditetapkan sebesar 100 kmol/jam)

REAKTOR KONDENSOR ABSORBERMPn1 (kmol CH4/jam)n2 (kmol Cl2/jam)

80 kmol CH4/jam20kmol Cl2/jam

n3 (kmol CH4/jam)n4 (kmol HCl/jam)

n3 (kmol CH4/jam)n4 (kmol HCl/jam)

n4 (kmol HCl/jam)

solvent100 kmol/jam

n3 (kmol CH4/jam)

DISTILASI

n2 (kmol Cl2/jam) 20 kmol Cl2/jam 4 ( j )5n5 (kmol CH3Cl/jamn5 (kmolCH2Cl2/jam)

5n5 (kmol CH3Cl/jamn5 (kmolCH2Cl2/jam)

5n5 (kmol CH3Cl/jam

n5 (kmolCH2Cl2/jam)

Keterangan:Konversi Cl2 sebesar 100%Rasio mol CH3Cl dan CH2Cl2 sebesar 5:1Jumlah kloroform dan karbon tetraklorida diabaikan

15

Lakukan analisis derajat kebebasan pada masing-masing unit proses (MP, reaktor, kondensor, absorber, distilasi) dan overall.Hitung aliran molar pada umpan segar (n1dan n2), aliran molar HCl yang harus dihilangkan pada absorber (n4), aliran produk CH3Cl pada distilasi (5n5), dan aliran recycle (n3).

MP REAKTOR KONDENSOR ABSORBER

DISTILASI OVERALL

Variabel aliran 5 6+1 = 7 8 4 4 5+1 = 6Neraca massa TTSL -2 -4 -4 -2 -2 5Komposisi diketahui -1 -1 - - - -

Analsis derajat kebebasan (ADK)

Basis - - - - - -Laju alir -1 -1 - - - -Hubungan pendukung - -1 - - - -Derajat kebebasan (DK) 1 0 4 2 2 1Neraca atomik disekitar reaktor:Neraca atom C : 80 = n3 + 5n5 + n5Neraca atom H : 320 = 4n3 + n4 + 15n5 + 2n5Neraca atom Cl : 40 n + 5n + 2n

n3, n4, dan n5dapat diselesaikan!

16

Neraca atom Cl : 40 = n4 + 5n5 + 2n5Neraca CH4 disekitar Mixing Point (MP): n1 = (80 – n3) ⇒ n1 dapat diselesaikan!Neraca Cl2 : n2 = 20

Dengan basis sebesar 100 kmol/jam yang masuk ke Reaktor, maka:n1 = 17,1 kmol CH4/jamn2 = 20 kmol Cl2/jamn3 = 62,9 kmol CH4/jam

n4 = 20 kmol HCl/jam5n5 = 14,5 kmol CH3Cl/jam