BAB IV

NERACA ENERGI PADA SISTEM YANG MELIBATKAN

REAKSI

Untuk menghitung neraca energi pada sistem yang melibatkan reaksi kimia,

maka dalam pebentukan persamaan energi harus memasukkan zat kimia yang

ikut bereaksi. Dalam hal ini termasuk memasukkan harga perubahan entalpi

akibat adanya reaksi.

4.1. Konsep Panas Reaksi

Bila zat murni dicampur pada suhu dan tekanan tertentu, maka entalpi

campuran yang diperoleh harus dikoreksi dengan panas pencampuran.

Anggap reaksi melibatkan zat s dengan koefisien stokiometri σs pada suhu T

dan tekanan P. Dalam menghitung entalpi campuran harus melibatkan fasa

baik produk maupun reaktan.

Entalpi reaktan adalah:

tanda negative menunjukkan koefisien stokiometri reaktan.

Entalpi produk adalah:

Berdasarkan konsep entalpi campuran secara umum yang melibatkan reaksi

ternyata

≠

akan tetapi ada perbedaan diantara kedua besaran entalpi tersebut yaitu:

-

ini disebut sebagai panas reaksi dari reaksi dengan koefisien σs

pada suhu T dan P dan fase . Sehingga dirumuskan:

= -

atau : =

Untuk system tertutup pada tekanan konstan berlaku :

Q = H2- H1 =

Bila: < 0 reaksi eksoterm

> 0 reaksi endoterm

Ingat bahwa dalam perhitungan panas reaksi, fasa zat yang terlibat dalam

reaksi sangat penting diperhatikan.

Contoh:

C(s) + H2O(g) CO(g) + H2(g)

C(s) + H2O(l) CO(g) + H2(g)

≠

Harga tergantung pada bentuk persamaan reaksi stokiometri .

Contoh: A + B C = 10 kJ/mol

Untuk: 2A + 2B 2C = 20 kJ/mol

4.2. Perhitungan Panas Reaksi

Telah disebutkan bahwa adalah fungsi fase zat, suhu dan tekanan, semua

variabel ini penting dalam perhitungan.

8.2.1. Koresi untuk T,P dan Fase

Pada keadaan awal (To, Po dan o) panas reaksi didefinisikan :

= (a)

Sedangkan pada keadaan lain (T, P dan ) juga didefinisikan sebagai:

= (b)

Bila persamaan b dikurangi dengan persamaan a diperoleh:

- =

pada (To, Po dan o) diketahui, maka pada (T, P dan ) dapat

dihitung dengan menghitung korekasi entalpi setiap individu zat dari

persamaan di atas.

Sebagai contoh, bila P = P o dan = o untuk semua zat s, maka korekasi

akibat perubahan suhu diperoleh dengan menambah korelasi kapasitas panas

zat iaitu:

Bila P = Po dan fase zat o semunya cairan sementara semua uap, keadaan

ini diperlukan menambahkan entalpi perubahan fase. Untuk zat s berlaku

hubungan:

Akibatnya, diperoleh persamaan panas reaksi yang baru menjadi :

Terakhir koreksi akibat perubahan tekanan. Seperti telah diterangkan pada bab

terdahulu koreksi entalpi akibat perubahan tekanan dapat diabaikan.

Contoh 4.1.

Diketahui panas reaksi:

pada 1 atm dan 298K adalah -279.33 kcal/gmol. Hitung panas reaksi pada 920°C, 1 atm. dan

H2O dalam fase uap.

Penyelesaian:

Pada kasus ini, tekanan tidak berubah, suhu naik menjadi 920oC, dan fase H2O berubah, sehingga

dapat dibuat persamaan:

Panas penguapan adalah -3,368 kcal/gmol. Kapasitas panas cairan 8,100 kcal/gmol, dan panas

penguapan adalah 6(9,6966) kcal/gmol. Sehingga panas reaksi menjadi :

(920°C. 1 atm) = -279,33 – 3,368 + 8,100 + 58,180 = -216,42 kcal/gmol

Perubahan yang terbesar terjadi dalam panas reaksi dan sedikit di atas panas perubahan fase.

4.2.2. Panas Pembentukan dan Penggunaannya

Untuk perhitungan panas reaksi sering digunakan tabel panas pembentukan.

Penjumlahan data panas pembentukan berdasarkan susunan stokiometri sering

digunakan untuk menghitung panas reaksi.

Berikut ini beberapa definisi:

a. Keadaan standard, yaitu keadaan zat pada suhu 25C dan 1 atm dan fase

normal.

b. Panas reaksi standard yaitu panas reaksi dimana semua reaktan dan

produk pada keadaan standard.

c. Reaksi pembentukan zat yaitu reaksi kimia dimana terbentuk 1 mol zat

s dari unsur-unsurnya. Contoh, reaksi pembentukan CH 3OH adalah:

C + ½ O2 CH3OH

d. Panas pembentukan zat s yaitu panas standard reaksi dari reaksi

pembentukan zat s.

Dari data panas pembentukn zat s dapat digunakan untuk menghitung panas

reaksi seperti:

C0(g) + ½ O2(g) C02(g)

Diketahui panas pembentukan CO(g) dan CO2(g), iaitu:

C(s) + O2(g) CO2(g) = -94.051,8 cal/gmol

C(s) + ½ O2(g) CO(g) = -26.4 15,7 cal/gmol

Bila reaksi kedua dikurangkan ke reaksi pertama maka diperoleh:

C(s) + 02(g) - C(s) – ½ O2 (g) C02(g) - C0(g)

Sehinga diperoleh :

C0(g) + ½ O2(g) C02(g)

Panas reaksi dapat dihitung dari

= - = -94.051,8- (-26.4 15,7)= -67.636,1 cal/gmol

Rumus Panas Reaksi

Panas reaksi dengan koefisiien stokiometri σs adalah:

=

Bila αes disebut koefisien atom untuk zat s, maka dari definisi panas reaksi,

panas pembentukan zat s adalah:

=

dimana entalpi keadaan standard dari unsur e. Dengan definisi panas reaksi

dari suatu reaksi dengan koefisien stokiometri σs adalah:

=

Sekarang susbsitusi menggunakan persamaan di atas untuk , maka:

=

=

Persamaan disusun kembali menjadi

=

Asumsikan persamaan stokiometri dengan koefisien σs setimbang, maka:

= 0 untuk e = 1, ……, E

Dengan demikian diperoleh persamaan umum:

=

Contoh 4.2.

Hitung panas standard reaksi berikut:

Penyelesaian:

Dari rumus umum diperoleh:

dari data diperoleh:

sehingga :

4.2.3. Panas Pembakaran dan Penggunaannya

Reaksi pembakaran standard adalah reaksi antara zat organik dengan oksigen

secara stokiometri membentuk oksida stabil CO 2, H2O, SO2 dan lain-lain.

Panas pembakaran zat s ( ) adalah panas reaksi standard dari pembakaran

zat s. Hasil pembakaran diasumsikan pada fase standard seperti CO 2(g),

SO2(g), H2O(l) dan lain-lain. Kadang-kadang produk H 2O dapat juga dalam

bentuk gas (H2O(g)). Untuk membedakan keduanya, maka dikena gross

combustion untuk H2O(l) dan net combustion untuk H2O(g).

Reaksi pembakaran standard zat A :

Panas reaksi adalah:

Jadi berbeda panas pembentukan zat A dengan panas pembentukan zat A.

Contoh:

Diketahui panas net combustion CH4(g) adalah - 191.76 kcal/ gmol. Hitung panas pembentukannya. Penyelesaian:Reaksi pembakaran standard untuk CH4 adalah:

CH4(g) + 202(g) C02(g) + 2H20(g)Panas net combustion telah diketahui, produk H2O(g) ada dalam reaksi. Panas pembakaran didefinisikan sebagai:

di mana:

dan = 0, sehingga:

Sebagai kelanjutan hubungan antara panas pembantukan dengan pembakaran,

mudah untuk menunjukka bahwa panas reaksi dari reaksi dengan koefisien

stokiometri σs dapat dihitung langsung dari panas pembakaran zat reaktan dan

produk. Sehingga:

=

Contoh 4.4.

Hitung panas reaksi standard dari reaksi berikut:

Panas gross combustion C6H5CHO(l) adalah -841,3 kcal/gol pada 18 oC. Panas

penguapan benzaldehid adalah 86,48 cal/g pada titik didih normal 179 oC.

Untuk benzal dehid,kapasitas panas cairan 0,428 cal/g oC dan kapasitas panas

uap 31 BTU/lbmoloF. Anggap kapasistas molar rata-rata 7, 8,87, dan 18 untuk

masing-masing O2(g), CO2(g) dan H2O(l).

Penyelesaian:

Dari defenisi panas reaksi:

Diperlukan data ∆Hof ,C6H5CHO(g), yang tersedia adalah data ∆Ho

c ,C6H5CHO(l ) pada

suhu 18oC.

Reaksi pembakaran dengan H 2O(l) = gross adalah:

Pertama rubah ∆Hc(18oC) ke ∆Hc(25oC) menggunakan kapasitas panas:

Sehingga diperoleh:

Atau:

Yang diperlukan ∆H f fase gas. Sehingga:

Data yang ada adalah ∆HVL pada 179oC, jadi harus dirubah menjadi 25 oC

dengan cara:

Bila pengaruh tekanan diabaikan, maka dilakukan koreksi suhu dengan

menggunakan kapasitas panas.

Bila dianggap Cpv dan Cpl dianggap konstan, maka:

Akhirnya dapat dihitung ∆HR yaitu:

4.3. Neraca Energi dengan Reaksi Kimia Tungal

Perhatikan gambar berikut:

Bila pada sistem ini diabaikan energi potensial dan kinetika, maka persamaan

energi menjadi :

Bila dipilih keadaan referensi suhu T r, tekanan P r dan fase r untuk setiap zat,

maka persamaan diatas dapat ditulis menjadi:

Bila tidak ada reaksi, = dari neraca bahan maka suku terakhir habis.

Pada kasus ada reaksi : = + σsr

atau - = σsr

Bila persamaan ini digantikan ke suku akhir persamaan di atas untuk

menggantikan - , maka suku akhir menjadi:

=

Suku adalah definisi panas reaksi. Persamaan neraca energi

menjadi:

pada kondisi ini disederhakan tanpa memperlihatkan P r dan πs .

= entalpi reaksi

= entalpi sensibel keluaran dan masukan

relative terhadap keadaan refrence .

Contoh:

Metanol pada 675oC dan 1 bar diumpan ke reactor adiabatic di mana 25%

methanol terdehidrogenasi menjadi formaldehid menurut reaksi berikut:

Hitung suhu gas meninggalkan reactor, anggap bahwa kapasitas panas rata-

rata 17, 12 dan 7 cal/gmol. oC untuk CH3OH, HCHO dan H2.

Penyelesaian:

Perhatikan gambar berikut:

Gunakan basis 1000 mol/jam CH 3OH.

Neraca massa: , maka

Pada kasus ini pilih refrence 675 oC, 1 bar, maka neraca menjadi:

Panas standard reaksi untuk reaksi ini adalah:

Panas reaksi pada 675oC dapat dihitung dari persamaan:

= 20,38 + 650(12+7-17)

= 21,68 kcal/gmol

Reaktor adiabatik, maka neraca menjadi :

sehingga:

4.3.2. Bentuk Lain Persamaan Neraca

Bentuk neraca energi terdahulu tidak memperlihatkan secara eksplisit

keterlibatan panas reaksi. Untuk kasus aliran ganda dapat diperoleh dengan

mengulangi persamaan sebelumnya iaitu:

Dapat dirubah menjadi bentuk :

Seperti yang telah disebutkan terdahulu bila dipilih satu refrensi salah satu

aliran, maka aliran tersebut tidak akan muncul pada persamaan.

Contoh:

Gas NO dapat dibuat dengan oksidasi parsial NH 3 dengan udara. NH 3 masuk

suhu 25oC dan udara masuk 750oC bereaksi pada 1 bar dengan konversi NH 3

90%. Bila suhu keluar reaktor tak lebih 920 oC, hitung laju panas yang harus

dikeluarkan per 1 mol NH 3 umpan, anggap umpan 2,4 mol O 2 per 1 mol NH3.

Penyelesaian:

Perhatikan gambar berikut:

Basis 1 mol NH3/jam, maka:

Dari laju reaksi ini dapat dihitung laju alir zat di alur keluar. Namun tidak

diteruskan perhitungannya, karena suhu referensi dipilih T r = 920oC. Neraca

energi yang dapat dibentuk adalah:

Dari contoh 4.1. diperoleh ∆HR = -216,42 kcal/gmol. Selanjutnya dari

perbandingan umpan O2/NH3 dan diketahui komposisi udara, maka diperoleh:

Subsitusi harga ini ke persamaan di atas diperoleh:

Sehingga diperoleh: dQ/dt = -22,53 kcal/jam atau -22,53 kcal/mol NH 3

Bentuk lain dari persamaan neraca energi yang tidak secara eksplisit

melibatkan panas reaksi dapat juga diperoleh melalui modifikasi sederhana

persamaan dasar input tunggal – output tunggal. Bentuk persamaan neraca ini

lebih cocok digunakan apabila perhitungan menggunakan komputer, sebab

tidak diperlukan perhitungan panas reaksi yang terpisah.

Bila keadaan standar T r dinyatakan sebagai To, maka dasar persamaan neraca

dapat ditulis:

Gantikan , dan umpamakan digunakan definisi panas pembentukan:

=

untuk mengganti dari suku terakhir neraca di atas.

-

di mana:

suku

neraca unsur dengan unsur e, e = 1,…..,E , sehingga neraca berkurang

menjadi :

Hubungan ini menggambarkan entalpi setiap zat di alur keluar yaitu:

dan di setiap alur input adalah

.

Jadi entalpi alur terdiri dari panas pembentukan ditambah perbedaan entalpi

pada suhu dan referensi zat. Bila zat tanpa reaksi, maka dan =0.

Namun bila ada reaksi, dan 0, perhitungan entalpi pada alur ini

secara implisit adalah untuk panas reaksi. Bentuk persamaan ini sering disebut

neraca entalpi total.

Jadi total total alur H j untuk alur j adalah:

Kemudian neraca entalpi total alur untuk umpan dan keluaran ganda dapat

disederhanakan iaitu:

Contoh 4.7. Ulangi penyelesaian contoh 4.6 menggunakan rumus neraca

entalpi total.

Penyelesaian:

Dalam proses ini tidak ada perubahan fase, sehingga dapat dihitung total

entalpi pada setiap alur iaitu:

Untuk alur udara:

Untuk umpan NH3:

Untuk menghitung total entalpi alur keluar harus dihitung terlebih dahulu

neraca zat keluar.

r = 0,225, maka neraca menjadi:

Maka entalpi keluar adalah:

Neraca energi menjadi:

4.4. Neraca Energi dengan Reaksi Kimia Ganda

Rumus dasar persamaan neraca energi adalah :

Dalam reaksi kimia ganda persamaan neraca zat menjadi:

Akibatnya, suku pertama neraca energi menjadi:

, suku ini disusun agar mengikuti definisi ∆HRi

menjadi:

Sehinga persamaan umum neraca reaksi kimia ganda adalah:

Contoh 4.8

Asam asetat di crack dalam tungku untuk menghasilkan senyawa antara keten

menurut reaksi: CH3COOH(g) CH2CO(g) + H2O(g)

Kemudian reaksi samping yang terjadi:

CH3COOH(g) CH4(g) + CO2(g)

Reaksi berlangsung pada suhu 700 oC dengan konversi 80% dan fraksi hasil

keten 0,0722. Hitung laju pemanasan tungku yang diperlukan untuk umpan

100 kgmol/jam asam asetat. Suhu umpan 300 oC.

Penyelesaian:

Perhatikan gambar berikut:

Ditetapkan suhu referensi 700 oC, maka dapat dituliskan persamaan:

Panas reaksi standard untuk reaksi keten (reaksi pertama):

Panas reaksi standar untuk reaksi kedua:

Gunakan kedua panas reaksi standar itu untuk dikoreksi pada suhu 700 oC:

Gunakan data Cp untuk CH3OH, CH4, CO2 dan H2O dari Lampiran 3

(Reklaitis) dan untuk keten adalah:

Panas reaksi dperoleh:

Perbedaan entalpiasam asetat adalah:

Gunakan neraca massa asam asetat dan kete:

Konversi asam asetat 80%, fraksi yield keten 0,0722.

Dari konversi diperoleh: r1 + r2 = 80 kgmol/jam

Dari defenisi fraksi yield: 0,0722 = r1/80 atau r1 = 5,776 kgmol/jam

Jadi: r2 = 74,224 kgmol/jam.

Semua suku telah diketahui, maka dapat dihitung dQ/dT:

4.5. Analisa Derajat Kebebasan

4.5.1. Sistem Unit Tunggal

Untuk sistem unit tunggal variabel terdisi dari jumlah zat yang terlibat, laju

reaksi dan suhu untuk semua alur.

Contoh 4.9:

Buat analisa derajat kebebasan untuk contoh 4.8.

Penyelesaian:

6

2

3

5

1

1

1

2

1

0

6

2

5

1

1

1

0

Neraca Zat Neraca Zat+Energi

Jumlah variabel

4.5.2. Sistem Multi Unit

Buat tabel dasar seperti dalam analisa drajat kebebasan untuk neraca zat

dengan reaksi, kemudian lengkapi dengan variabel yang berkaitan dengan

informasi neraca energi seperti jumlah neraca energi dan suhu.

Contoh 4.10.

Ammoniadihasilkan dari reaksi:

N2 + 3H2 2 NH3

Proses sesuai dengan diagram alir berikut. Reaksi berlangsung dalam dua

tahap reaktor adiabatis. Konversi pada tahap pertama 10%, danproduknya

didinginkan dengan mencampur dengan umpan dingin segar sehingga suhu

mencapai 425oC. Produk dari tahap kedua mempunyai suhu 535 oC, kemudian

aliran didinginkan oleh aliran yang dikeluarkan dari pendingin separator,

sehingga diperoleh produk amonia cair dan sedikit N 2 dan H2.

Hitung beban pendingin separator per mol NH 3 produk.

Gunakan data berikut:

Cp mola gas : NH3 = 9,5; N2 = 7 dan H2 = 7; NH3 cair = 30

Panas penguapan NH3 5,581 kcal/gmol pada suhu -33,4 oC.

Penyelesaian:

Perhatikan gambar berikut:

Zat yang terlibat dalam proses ini hanya 3 jenis, yaitu NH 3, H2 dan N2 dan ada

satu jenis reaksi pada kedua reaktor. Analisa derajat kebebasan dapat dilihat

pada tabel berikut:

  Pencampur Reaktor 1

  Z Z+EZ+EVARIABEL

Aliran 8 8 6T,dQ/dT 4

Energi111111ZatJML.Neraca 3 3Var. yang Diketahui

umpan11

1111Konversi11Suhuumpan reaktor1111kel. R2Kel.

Pemisah 1dQ/dT = 011umpan11kel. Sep.121Derjat kebebasan44114344522 Keterangan:

Z = neraca zat

ZE = neraca zat dan energi

Dari tabel analisa derajat kebebasan perhitungan dimulai dari reaktor 1karena

dengan menambahkan satu basis maka derajat kebebasan menjadi 0.

Selanjutnya ada dua kemungkinan arah perhitungan yaitu ke HE atau

pencampur. Hasil perhitungan reaktor 1 akan mengurangi 2 variabel laju alir

zat dan 1 aliran total di alur 7, sehingga DK pada HE = 4-3 = 1 (belum dapat

diselesaikan NZ dan NE pada HE). Perhitungan yang sama juga akan

mengurangi 2 laju alir, 1 laju alir dan 1 suhu di alur 8, sehingga DK pada

pencampur menjadi : 4 -2 -1 -1 = 0. Dengan cara yang sama, maka dapat

dilakukan perhitungan menurut alur seperti berikut:

Reaktor 1 pencampur reaktor 2 HE Pemisah

Reaktor 1

Basis perhitungan: laju umpan ke reaktor 1 = 400 mol/jam, maka dapat

dihitung laju reaksi yaitu:

Neraca zat mnenjadi:

NH3: 0 + 2r = 20

H2: 300 - 3r = 270

N2: 100 – r = 90

Bila suhu referensi diambil 425 oC, maka neraca energi adalah:

Dari hasil perhitungan berdasarkan data diperoleh panas reaksi pada suhu

425oCadalah:

Ganti semua yang diketahui ke persamaan enraca energi, maka diperoleh:

Pencampur

Bila laju alur 1 disebut N mol/jam, neraca zat menjadi:

Pada unit pencampur tidak ada reaksi, maka neraca energi menjadi:

Masukkan harga N ke neraca, maka akan diperoleh komposisi keluar

pencampur atau masuk ke reaktor 2.

Zat masuk ke reaktor tahap 2 adalah:

Neraca zat pada reaktor 2 sebagai berikut:

Bila suhu referensi diambil 425 oC, maka neracaenergi menjadi:

Subsitusi harga r ke neraca zat reaktor 2, maka akan diperoleh aliran ke HE.

HE

Semua aliran di HE sudah diketahui, maka dapat dilakukan perhitungan neraca

energi:

Separator

Sekarang neraca pada separator yang masih tersisa.

Dengan perhitungan yang sederhana, dapat dihitung laju pada alur produk

yaitu:

Bila digunakan suhu referensi adalah suhu produk (-50 oC), maka neraca energi

dapat ditulis:

- jumlah zat

- laju reaksi

- suhu, dQ/dT

- Jumlah neraca

- zat

- energi

- Jumlah yang diketahui

- konversi

- fraksi yield

- suhu

- aliran

- Derajat kebebasan