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.