7.neraca massa sistem dengan reaksi.pdf
TRANSCRIPT
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.
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
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
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
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
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
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
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