NERACA ENERGI

Pendahuluan

Neraca energi adalah cabang keilmuan yang mempelajari kesetimbangan energi dalam sebuah sistem. Neraca energi dibuat berdasarkan pada hukum pertama termodinamika. Hukum ini menyatakan kekekalan energi, yang berbunyi “ energi tidak dapat dimusnahkan atau dibuat, tetapi hanya dapat diubah bentuknya “. Perumusan neraca energi mirip dengan sistem perumusan neraca massa. Neraca energi memiliki persamaan :

Energi masuk = Energi keluar + Energi akumulasi

Neraca energi digunakan secara luas dalam bidang fisika, biologi, dan kimia. Neraca energi tidak memiliki variabel produksi, sehingga energi tidak dapat diproduksi tetapi hanya dapat diubah bentuknya. Neraca dibuat dengan hanya memperhitungkan energi kalor, persamaan neraca energi menjadi :

Kalor masuk + Kalor produksi = Kalor keluar + Kalor akumulasi

Energi dapat terjadi oleh 2 reaksi kimia yaitu reaksi eksoterm ( melepas panas ) dan reaksi endoterm ( membutuhkan panas ). Berikut adalah diagram dari reaksi eksoterm dan endoterm :

Gambar 1 Diagram dari reaksi eksoterm dan endoterm

Neraca energi terdiri dari :

Neraca energi pada sistem alir ( flow siystem ) pada keadaan steady

Ditinjau NP di sistem sekitar titik 1 ke titik 2 :

Persamaan di atas sering dipakai untuk kasus transportasi fluida, yaitu persamaan Bernoulli.b. Neraca Energi untuk proses kimia ( non flow system ).Sistem non alir dianggap terjadi di dalam alat-alat proses, misal alat penukar panas (HE=heat exchanger), reaktor, dan alat-alat transfer massa lainnya.Pada sistem ini, biasanya EP dan EK <<< Q dan W, sehingga EP dan EK dapat diabaikan danNP menjadi :U PV Q WH U PV Q WH Q WH2 – H1 = Q – WUntuk beberapa proses, biasanya nilai W sangat kecil. Sehingga :H2 – H1 = Q = HDengan, H1 = entalpi arus masuk (titik satu),H2 = entalpi arus keluar (titik dua).Macam-macam perubahan entalpi (panas):

1. sensible ( panas yang bisa dirasakan perubahan suhunya).Kapasitas panas (cp ) = banyaknya panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu setiapsatuan massa setiap satuan suhu.Untuk padatan dan gas, Cp merupakan fungsi suhu.Beberapa sumber data-data Cp :a. Cp = f (T) ; appendix D, Coulson and Richardson, “ Chemical Engineering”.Table E.1. Himmelblau.b. Cp dalam bentuk grafik; Geankoplis; Perry.c. Cp untuk foods and biological material; appendix A.4, Geankoplis,”TransportProcesses and Unit Operation”.

2. laten ( panas perubahan fase dengan suhu tetap).a. Panas peleburan ( dari fase padat menjadi cair).b. Panas sublimasi ( dari fase padat menjadi gas ).c. Panas kondensasi ( dari fase gas menjadi cair ).d. Panas penguapan (dari fase cair menjadi gas).

3. reaksi (panas yang dihasilkan atau dibutuhkan pada proses yang melibatkan reaksikimia).Macam-macam entalpi reaksi :a. Heat of reaction.b. Heat of formation.c. Heat of combustion

Contoh Perhitungan :

II. 2. Penyelesaian Masalah Neraca Massa dan Energi

Masalah ini dapat diselesaikan dengan mulai menyelesaikan persamaan neraca massa dan energi

di unit reaktor steam reforming yang memiliki derajat kebebasan neraca massa dan energi nol.

Untuk menyederhanakan persoalan, Cp setiap komponen dianggap tetap (tidak berubah oleh suhu).

II. 2.1. Unit Steam Reforming Reactor

Hubungan pendukung:

r1 = 90% x F1= 900 mol/s

r1 + r3 = 40% x F5 = 1200 mol/s

r3 = 300 mol/s

Neraca massa komponen:

CH4 : F1 – r1 = yCH4,2 x F2

100 = yCH4,2 x F2

H2O : F5 – r1 – r3 = yH2O,2 x F2

1800 = yH2O,2 x F2

CO : r1 – r3 = yCO,2 x F2

600 = yCO,2 x F2

CO2 : r3 = yCO2,2 x F2

300 = yCO2,2 x F2

H2 : 3r1 + r3 = yH2,2 x F2

3000 = yH2,2 x F2

-----------------------------------+

F2 = 5800 mol/s

yCH4,2 = 1/58

yH20,2 = 18/58

yCO,2 = 6/58

yCO2,2 = 3/58

yH2,2 = 30/58

Mencari Q1:

H2 = (HCH4,1073 K + HH20(g),1073 K + HCO,1073 K + HCO2,1073 K + HH2,1073 K) x 5800 mol/s

= [1/58 x (-47348.5) + 18/58 x (-215801.25) + 6/58 x (-87895) + 3/58 x (-364756.5) + 30/58 x

22320] J/mol x 5800 mol/s

= -84203.63 J/mol x 5800 mol/s

= -488481050 J/s

Q1 = H2 – H1 - H5

= -488481050 J/s – 1000 mol/s x (-57866.5 J/mol) – 3000 mol/s x (-234264.75 J/mol)

= 2569619715 J/s

II. 2.2. Unit Heat Exchanger & Compressor

F2A = F2 = 5800 mol/s

yCH4,2A = 1/58 = 1.72%

yH20,2A = 18/58 = 31.03%

yCO,2A = 6/58 = 10.34%

yCO2,2A = 3/58 = 5.17%

yH2,2A = 30/58 = 51.72%

Mencari H2

H2 = (HCH4,1073 K + HH20(g),1073 K + HCO,1073 K + HCO2,1073 K + HH2,1073 K) x 5800 mol/s

= [1/58 x (-47348.5) + 18/58 x (-215801.25) + 6/58 x (-87895) + 3/58 x (-364756.5) + 30/58 x

22320] J/mol x 5800 mol/s

= -84203.63 J/mol x 5800 mol/s

= -488381050 J/s

Mencari H2A

H2A = (HCH4,523 K + HH20(g),523 K + HCO,523 K + HCO2,523 K + HH2,523 K) x 5800 mol/s

= [1/58 x (-66631.5) + 18/58 x (-234264.75) + 6/58 x (-103955) + 3/58 x (-385161.5) + 30/58 x

6480] J/mol x 5800 mol/s

= -101176.06 J/mol x 5800 mol/s

= -586821150 J/s

Q3 = H2A – H2

= -586821150 J/s – (-488481050 J/s)

= -98340100 J/s

II. 2.3. Unit Boiler

F4 = F5 = 3000 mol/s

yH20,4 = 100%

yH2O,5 = 100%

Data

Q2 = m x Cp(l) x T + m. U + m x Cp(g) x T

= 3000 mol/s x 75.6 J/(mol.oC) x (242-25)oC + 3000 mol/s x 40320 J/mol + 3000 mol/s x 33.57

J/(mol.oC) x (250-242)oC

= 170981280 J/s

II. 2.4. Unit Burner

Karena Q1 sudah diketahui dari penyelesaian unit reaktor steam reforming, neraca massa dan

energi unit burner dapat diselesaikan.

Neraca massa komponen:

CH4: F6 – r6 = yCH4,8 x F8

F6 = r6 ... 1)

H2O: r6 = yH2O,8 x F8 ... 2)

CO2: r6 = yCO2,8 x F8 ... 3)

O2: 0.21 x F7 – r6 = 0

0.21 x F7 = r6 … 4)

N2: 0.79 x F7 = yN2,8 x F8 … 5)

Dari persamaan 1) dan 4) diperoleh:

F7 = 1/0.21 x F6

F7 = 4.7619 x F6 ...6)

Dengan menyelesaikan persamaan neraca energi di unit burner, akan diperoleh salah satu laju alir.

Mencari H6

H6 = HCH4,298 K x F6

= -74520 x F6

Mencari H8

H8 = (HCH4,1123 K x yCH4,8 + HH2O,1123 K x yH2O,8 + HCO2,1123 K x yCO2,8 + HN2,1123 K x yN2,8) x F8

= (0 + -214122.75 x yH2O,8 + -362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8

= (– 214122.75 x yH2O,8 – 362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8

Hubungan antara F6 dan F8

Q1 = H8 – H6

-2569619715 = (– 214122.75 x yH2O,8 – 362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8 – (-74520 x F6)

-74520 x F6 = – (214122.75 x yH2O,8 x F8) – (362901.5 x yCO2,8 x F8) + (24007.5 x yN2,8 x F8) +

2569619715

Dari persamaan 2), 3), 5), dan 6)

-74520 x F6 = – 214122.75 x F6 – 362901.5 x F6 + 4.7619 x 24007.5 x F6 + 2569619715

502504.25 x F6 = 24007.5 x 4.7619 x F6 + 2569619715

388182.936 x F6 = 2569619715

F6 = 6619.61 mol/s

F7 = 4.7619 x F6

= 31521.92 mol/s

Dari penjumlahan persamaan 2), 3), dan 5) didapatkan:

2 x F6 + 0.79 x F7 = F8

F8 = 38141.54 mol/s

yH2O,8 = F6/F8 = 17.355%

yCO2,8 = 17.355%

yN2,8 = 0.79 x F7 / F8 = 65.29%

II. 2.5. Unit Overall

Karena Q3 sudah diketahui dari penyelesaian unit heat exchanger & compressor, dan F6, F7, serta

F8 sudah diketahui dari penyelesaian unit burner, neraca massa dan energi overall unit dapat

diselesaikan.

Neraca massa

Data dan hubungan pendukung:

r1 = 900 mol/s

r3 = 300 mol/s

r4 = mol CO yang bereaksi = 0.5 x yCO,2A x F2A

= 0.5 x 6/58 x 5800 mol/s

= 300 mol/s

r5 = mol CO2 yang bereaksi = 0.1 x yCO2,2A x F2A

= 0.1 x 3/58 x 5800 mol/s

= 30 mol/s

F1 = 1000 mol/s

F4 = 3000 mol/s

F6 = 6619.61 mol/s

r6 = 6619.61 mol/s

F7 = 31521.92 mol/s

F8 = 38141.54 mol/s

Q3 = -98340100 J/s

Neraca massa komponen:

CH4: F1 + F6 – r1 – r6 = yCH4,3 x F3

1000 mol/s + 6619.61 mol/s – 900 mol/s - 6619.61 mol/s = yCH4,3 x F3

100 mol/s = yCH4,3 x F3 …1)

H2O: F4 – r1 – r3 + r5 + r6 = yH2O,3 x F3 + yH2O,8 x F8

3000 mol/s – 900 mol/s – 300 mol/s + 30 mol/s + 6619.61 mol/s = yH2O,3 x F3 + 0.17355 x

38141.54 mol/s

1830.15 mol/s = yH2O,3 x F3 …2)

CO: r1 - r3 - r4 = yCO,3 x F3

900 mol/s – 300 mol/s – 300 mol/s = yCO,3 x F3

300 mol/s = yCO,3 x F3 …3)

CO2: r3 – r5 + r6 = yCO2,3 x F3 + yCO2,8 x F8

300 mol/s – 30 mol/s + 6619.61 mol/s = yCO2,3 x F3 + 0.17355 x 38141.54 mol/s

270.15 mol/s = yCO2,3 x F3 …4)

H2: 3 r1 + r3 – 2 r4 – 3 r5 = yH2,3 x F3

(2700 + 300 – 600 – 90) mol/s = yH2,3 x F3

2310 mol/s = yH2,3 x F3 …5)

CH3OH: r4 + r5 = yCH3OH,3 x F3

(300 + 30) mol/s = yCH3OH,3 x F3

330 mol/s = yCH3OH,3 x F3 …6)

O2: 0.21 x F7 – r6 = 0 (telah terselesaikan di unit sebelumnya)

N2: 0.79 x F7 = yN2,8 x F8 (telah terselesaikan di unit sebelumnya)

Dari penjumlahan persamaan 1), 2), 3), 4), 5), 6) didapatkan:

F3 = 100 mol/s + 1830.15 mol/s + 300 mol/s + 270.15 mol/s + 2310 mol/s + 330 mol/s

= 5140.3 mol/s

yCH4,3 = 1.95%

yH2O,3 = 35.6%

yCO,3 = 5.84%

yCO2,3 = 5.26%

yH2,3 = 44.94%

yCH3OH,3 = 6.41%

II. 2.6. Unit Reaktor Methanol Synthesis

Mencari T3 dan SN dengan data sebagai berikut:

F2A = 5800 mol/s

yCH4,2A = 1/58 = 1.72%

yH20,2A = 18/58 = 31.03%

yCO,2A = 6/58 = 10.34%

yCO2,2A = 3/58 = 5.17%

yH2,2A = 30/58 = 51.72%

F3 = 5140.3 mol/s

yCH4,3 = 1.95%

yH2O,3 = 35.6%

yCO,3 = 5.84%

yCO2,3 = 5.26%

yH2,3 = 44.94%

yCH3OH,3 = 6.41%

r4 = 300 mol/s

r5 = 30 mol/s

Q2 = -170981280 J/s (keluar dari reaktor)

Q2 = H3 – H2A

-170981280 J/s = [5140.3 mol/s x (-1453.14 – 86087.21 – 6454.66 – 20698.57 – 13182.81)J/mol]

+ [5140.3 mol/s x (0.68 + 11.95 + 1.71 + 1.95 + 12.94 + 3.9) J/(mol.K) x (T3 –

298)K] - (-586821150 J/s)

-170981280 J/s = (-657323007.52 + 170298.14 T3 – 50748845.42 + 586821150) J/s

-49730577.06 J/s = 170298.14 T3

T3 = -1677.95 K

= -1404.95 oC

SN=[ yH 2,3− yCO 2,3 ][ yCO ,3+ yCO2,3 ]

=( 0. 0449−0 .0526 )

(0 .0255+0. 0 )

= 3.01992754

Sehingga

  F1 F2 F2A F3 F4 F5 F6 F7 F8P, bar 35 35 80 80 35 35 1 1 1

T, oC 500 800 250 -565.2 25 250 25 25 850Flow, mol/s 1000 5800 5800 5140.3 3000 3000 6619.61

31521.92 38141.54

yCH4 100% 1.72% 1.72% 1.95% 0 0 100% 0 0

yH2O 0 31.03% 31.03% 35.60% 100% 100% 0 0 17.355%

yCO 0 10.34% 10.34% 5.84% 0 0 0 0 0

yCO2 0 5.17% 5.17% 5.26% 0 0 0 0 17.355%

yH2 0 51.72% 51.72% 44.94% 0 0 0 0 0

yCH3OH 0 0 0 6.41% 0 0 0 0 0

yO2 0 0 0 0 0 0 0 21% 0

yN2 0 0 0 0 0 0 0 79% 65.29%