NME D3 Sperisa Distantina BAB V NERACA PANAS

Transkripsi

1 NME D Sperisa Distantina 1 Q<0 reaktor lingkungan energi BAB V NERACA PANAS Hukum konservasi energi (hk I termodinamika): [Energi masuk] [energi keluar] [energi yang terbangkitkan sistem] [energi yang terkonsumsi sistem] [energi terakumulasi dalam sistem] Reaksi kimia yang bersifat eksotermis ( menghasilkan panas), maka energi yang dihasilkan disebut sebagai energi yang terbangkitkan sistem. Reaksi kimia yang bersifat endotermis (membutuhkan panas), maka energi yang dihasilkan disebut sebagai energi yang terkonsumsi oleh sistem. Q>0 reaktor lingkungan energi Eksotermis Endotermis Untuk sistem dengan proses steady state, maka energi yang terakumulasi 0. Langkah-langkah penyusunan neraca panas mirip dengan neraca massa. Bentuk-bentuk energi : (lihat kembali materi kuliah ermodinamika ) 1. Energi potensial (EP) : akibat posisi objek relatif terhadap bidang datum (bidang referensi).. Energi Kinetik (EK) : akibat gerakan objek.. Internal Energi (U) : akibat gerakan molekuler di dalam bahan. 4. Work / Kerja (W) : a. Shaft work : kerja turbin. Contoh : turbin air, pompa, kompresor. b. Kerja yang hilang karena gesekan / friksi. Contoh : friksi di permukaan pipa. 5. Heat/ panas (Q). 6. Energi listrik. Neraca panas / energi / tenaga : : a. NP total pada sistem alir ( flow system) pada keadaan steady state W Q 1 Bidang datum

2 Ditinjau NP di sistem sekitar titik 1 ke titik : Input output EP 1 EK 1 U 1 P 1 V 1 Q EP EK U P V W EP EK U PV Q W V g Ζ U PV Q W g 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 dan NP menjadi : U PV Q W H U PV Q W H Q W H H1 Q W Untuk beberapa proses, biasanya nilai W sangat kecil. Sehingga : H H1 Q H Dengan, H1 entalpi arus masuk (titik satu), H 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 setiap satuan massa setiap satuan suhu. Untuk padatan dan gas, Cp merupakan fungsi suhu. Beberapa sumber data-data Cp : a. Cp f () ; appendix D, Coulson and Richardson, Chemical Engineering. able E.1. Himmelblau. b. Cp dalam bentuk grafik; Geankoplis; Perry. c. Cp untuk foods and biological material; appendix A.4, Geankoplis, ransport Processes and Unit Operation.. 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).. reaksi (panas yang dihasilkan atau dibutuhkan pada proses yang melibatkan reaksi kimia). Macam-macam entalpi reaksi : a. Heat of reaction. b. Heat of formation. c. Heat of combustion.

3 Pada kuliah Neraca Massa dan Energi akan banyak mempelajari neraca panas proses kimia, sedangkan neraca panas proses fisis banyak dipelajari di mata kuliah Perpindahan Panas. skema HE shell and tube: HE 1- ( 1 pass in shell, passes in tube) HE 1-1 ( 1 pass in shell, 1 pass in tube) Skema double pipe HE: Co current Counter current

4 PANAS REAKSI Panas reaksi pada kondisi standar. H o R panas yang dihasilkan atau dibutuhkan jika reaksi dijalankan pada kondisi standar. satuan panas setiap satuan mol reaktan yang bereaksi. H o R 4 H o R bernilai negatif menunjukkan reaksi menghasilkan panas. H o R berilai positif menunjukkan reaksi membutuhkan panas. Kondisi standar : komponen murni; P 1 atm; suhu 5 o C. Sumber data H o R : 1. Data H o R yang tersedia di tabel. Contoh : Reaksi : NO ½ O NO Dari tabel diperoleh H o R -56,68 KJ Panas reaksi di atas dibaca sebagai berikut : Reaksi di atas menghasilkan panas sebesar 56,68 KJ mol NO yang bereaksi 56,68 KJ 1/mol O yang bereaksi 56,68 KJ mol NO yang dihasilkan dari reaksi Soal : Berapakah panas yang dihasilkan untuk membakar 10 gram NO? Berapakah panas yang dihasilkan untuk membakar 150 gram NO?. Nilai H o R dievaluasi dari nilai H o f (panas pembentukan) atau panas pembakaran ( H o C ). Nilai H o f elemen bebas adalah nol. Sumber data H o f : able 9; Hougen Watson, Appendix F; Himmelblau. Appendix A..; Geankoplis. Appendix B; Felder & Rousseau. able). Hubungan H o R dengan H o f : H o R Σ ( ni. H o f ) produk - Σ ( nj. H o f ) reaktan Dengan: i komponen produk persamaan reaksi, j komponen reaktan dari persamaan reaksi Hubungan H o R dengan H o C : H o R - [ Σ ( ni. H o C ) produk - Σ ( nj. H o C ) reaktan ] Dengan: i komponen produk persamaan reaksi, j komponen reaktan dari persamaan reaksi Contoh : NO ½ O NO

5 SOAL: Hitung panas reaksi pada kondisi standar dari reaksi sbb.: 1. CH 4 (g) O (g) CO (g) H O (l). CH 4 (g) O (9) CO (g) H O (g). CO (g) H (g) CO (g) H (g) 4. 4 HCl (g) O (g) H O (l) Cl (g) 5. 4FeS (s) 11 O (g) Fe O (s) 8 SO (g) 6. C H 8 (l) O (g) C H (g) CO (g) H O(l) 5 Skema reaktor (tempat terjadinya reaksi): NERACA PANAS DI SEKIAR REAKOR feed feed effluent effluent Bacth reactor Continuous flow Stirred Plug Flow reactor (PFR) Reaktor angki ank Reactor (CSR) Reaktor Alir Pipa (RAP) Berpengaduk (RB) Reaktor Alir angki Berpengaduk (RAB) Jika reaksi tidak dijalankan pada kondisi standar. Jika di reaktor reaksi tidak dijalankan pada kondisi standar, maka dipikirkan: 1. suhu umpan ( F ) diturunkan atau dinaikkan sampai suhu standar, kemudian. direaksikan pada kondisi standar ( R ), lalu. suhu produk dinaikkan suhunya sampai suhu keluar reaktor ( P ). 4. Selanjutnya panas reaksi dihitung. Perhitungan panas reaksi digambarkan sbb.: F REAKOR P H R P Panas reaksi kondisi di atas H R Q1 Q Q (1) F Q1 Q R Q R

6 Dengan, Q1 entalpi umpan N R ni cpi. d () i 1 F i komponen-komponen dalam reaktan. N jumlah komponen reaktan ni mol atau berat reaktan i ( tergantung satuan cp-nya). 6 Q panas reaksi pada kondisi standar. H o R x ( jumlah mol reaktan yang bereaksi) () Q entalpi produk N i 1 P R cpi.d mi (4) ampak bahwa untuk menyelesaikan neraca panas pada proses kimia perlu diselesaikan terlebih dahulu neraca massanya. Contoh : Suatu konverter digunakan untuk mengoksidasi SO menjadi SO. Oksigen disuplai dari udara. Dianggap berisi 1% mol O dan 79% mol N. Jika digunakan udara berlebihan 5% dan diinginkan SO yang terbentuk adalah 180 mol/jam. entukan kebutuhan SO dan udara umpan jika konversi hanya 80%. Jika suhu SO umpan adalah 40 o C, suhu udara umpan 0 o C dan suhu gas keluar konverter adalah 60 o C, berapa panas yang dihasilkan konverter itu. Penyelesaian: a. Skema: Prediksikan komponen dalam gas hasil berdasarkan data komponen umpan, konversi dan excess. Kondisi steady state. F1: SO 140 o C Reaktor (konverter) Fu udara: SO ½ O SO 1% O X 80% 79% N % excess5% u0 o C Dicari : Panas yang dihasilkan konverter? ProdukP: SO 180 mol/j SO O N p60 o C b. Neraca massa di sekitar reaktor: untuk menentukan mol/j setiap komponen di setiap arus. Basis perhitungan : SO dalam P 180 mol/j. 1. NM SO : Input reaksi output 0 reaksi 180 Jadi SO yang dihasilkan dari reaksi 180 mol/j Berdasarkan persamaan reaksi, maka: SO yang bereaksi 180 mol/j. O yang bereaksi 90 mol/j.

7 . NM SO : Input reaksi output F1-180 output Dari data konversi, maka: SO yang bereaksi 180 x 80% SO umpan F1 maka, F1 5 mol/j Berdasarkan NM SO, maka SO dalam P mol/j. 7. NM O : Input reaksi output 0,1. Fu 90 output Dari data % excess 5%, maka: O umpan 5% O yg dibutuhkan O yg Darivperhitungan sebelumnya, SO umpan 0,1Fu (0,5. 5) 5% (0,5. 5) jika SO habis bereaksi dibutuhkan jika SO habis bereaksi 5 mol/j Fu 669,64 mol/j Berdasarkan NM O, maka O dalam P 0,1. 669, ,65 mol/j. 4. NM N: Input output 0,79 Fu output maka N dalam P 59,018 mol/j. Rekapitulasi NM di sekitar reaktor: Komponen Umpan, mol/j Reaksi, mol/j Output, mol/j SO SO O 140, ,65 N 59, ,018 c. Neraca Panas, menentukan panas yang dihasilkan reaktor (Q). Skema NP: p60c SO HRQ SO O N 140C SO Q1 u0c Q O N R5C Q Q4 NP: Q Q1 Q Q Q4 Data pendukung yang dibutuhkan: a. kapasitas panas: Cpabc d ; Joule/(mol.K). b. Panas reaksi pada kondisi standar: H o R; KJ/mol.

8 Komponen a b c d H o f; KJ/mol O 8,106 -,68E-06 1,75E-05-1,07E-08 0,00 N 1,15-1,5E-0,68E-05-1,17E-08 0,00 SO,85 6,70E-0-4,96E-05 1,E-08-97,05 SO 16,7 1,46E-01-1,1E-04,4E-08-95,5 Sumber: appendix Coulson& Richardson Vol.6. Maka, H o R (-95,5 (-97,050)) -98,48 Kjoule.mol Hal ini menunjukkan reaksinya eksotermis Q1 n. cp. d SO umpan SO , , ,85(98-1) (98 1 )...Joule/j (dilanjutkan sendiri) (98 1 ) 1, ( ) 98 Q [n. cp. d ] O umpan O ,65 ( 8,106 -, , ,018 ( 1,15-1,5.10 -, ,17-7, , Joule/j [ n N umpan 98. cp N , , , d ] ) d ) d ) d Q H o (mol SO yang bereaksi) - 98,48. R 60 7 Q4 [n. cp. d ] O Produk O 98 [ n. cp. d ] N Produk N 98 [n. cps. d ] SO produk O 98 [ n. cp. d ] SOproduk SO 98 [A B C D ]. d 98 Q ,40 KJoule/j maka, Q... Jika suhu produk dipertahankan 60 o C, maka harus ada panas yang dihilangkan sebesar Q KJ/j melalui pendinginan reaktor. Wajib diselesaikan sendiri. Perhatikan satuannya.

9 SOAL LAIHAN DENGAN REAKSI KIMIA 9 1. Gas metan dibakar dengan oksigen. Seratus lima puluh kgmol/jam umpan terdiri atas 0% metan, 60% O dan 0% CO diumpankan ke reaktor. Konversi limiting reactant 90%. Jika suhu gas umpan 50 o C dan suhu gas keluar dari ruang pembakaran 190 o C, tentukan panas yang dibutuhkan/dihasilkan dari ruang pembakaran itu.. Gas metan dibakar dengan oksigen. Seratus lima puluh kgmol/jam umpan terdiri atas 0% metan, 60% O dan 0% CO diumpankan ke furnace. Hasil analisis gas hasil furnace menunjukkan gas hasil berisi gas metan 1,5 kgmol/jam. Jika suhu gas umpan 7 o C dan suhu gas keluar dari ruang pembakaran 7 o C, tentukan panas yang dibutuhkan/dihasilkan dari ruang pembakaran itu.. Reaktor digunakan untuk mengoksidasi SO menjadi SO. Umpan terdiri atas 1% SO, 8% O, dan 80% N dengan suhu umpan 47 o C. Jika konversi SO adalah 50%, dan gas hasil keluar reaktor pada suhu 57 o C serta 100 mol/jam gas diumpankan. entukan : a. komposisi gas hasi reaktor. b. Panas reaksi yang dihasilkan/dibutuhkan reaktor itu. 4. Reaksi amonia dijalankan pada reaktor fase gas, reaksi : 4NH 5O 4NO 6H O Oksigen disuplai dari udara yang diumpankan ke reaktor dengan 5% berlebihan. Jika diumpankan 100 gmol/jam NH dengan suhu 0 o C dan udara pada suhu 40 o C. Gas hasil keluar reaktor pada suhu 50 o C. a. Berapa udara umpan? b. Jika konversi hanya 80%, tentukan komposisi gas hasil! c.entukan panas reaksi reaktor itu! d. Eksotermis atau endotermiskah reaktor itu? 5. Suatu ketel digunakan untuk membuat uap air. Panas yang digunakan adalah panas pembakaran gas metan. Gas metan bertekanan 1 atm, suhu 47 o C dan berkecepatan L/j diumpankan ke furnace, sedangkan suhu udara yang diumpankan 7 o C. Agar terjadi pembakaran sempurna, udara yang diumpankan 50% berlebihan. Gas hasil pembakaran keluar furnace pada suhu 147 o K. entukan : a. Kecepatan arus udara umpan. b. Kecepatan dan komposisi gas hasil furnace. c. Panas yang dihasilkan. REAKSI ADIABAIS Reaksi adiabatis adalah reaksi yang dijalankan dalam suatu tempat dimana tidak ada panas yang tambahkan atau dihilangkan. Reaksi adiabatis dijalankan dalam reaktor tanpa pemanas maupun pendingin, sehingga: a. Jika reaksi bersifat endotermis (membutuhkan panas) maka reaksi akan menurunkan suhu produk reaktor. b. Jika reaksi bersifat eksotermis (menghasilkan panas) maka reaksi akan menaikkan suhu produk reaktor. Neraca Panas reaksi adiabatis: H R 0 H R Q1 Q Q Soal: Gas metan dibakar dengan oksigen dalam suatu reaktor tanpa pendingin. Seratus lima puluh kgmol/jam umpan terdiri atas 0% metan, 60% O dan 0% CO diumpankan ke reaktor. Konversi limiting reactant 90%. Jika suhu gas umpan 50 o C, tentukan suhu keluar reaktor.