Cara Menggunakan Tabel Uap (Steam Table)

Transkripsi

1 Cara Menggunakan Tabel Uap (Steam Table) Contoh : 1. Air pada tekanan 1 bar dan temperatur 99,6 C berada pada keadaan jenuh (keadaan jenuh artinya uap dan cairan berada dalam keadaan kesetimbangan atau berada bersama-sama pada system yang sama), maka dari steam table didapatkan : H cairan (99,6 C; 1 bar) = 417,5 kj/kg H uap (99,6 C; 1 bar) = 2675,4 kj/kg 2. Air pada temperatur 200 C dan tekanan 10 bar berada dalam keadaan fasa uap superheated dengan H = 2828,3 kj/kg 3. Entalpi (H) untuk air pada tekanan 1 bar dan temperatur 127 C tidak tercantumkan di dalam tabel, maka dicari nilainya dengan cara interpolasi. H (100 C; 1 bar) = 2676 kj/kg H (150 C; 1 bar) = 2780 kj/kg H (127 C; 1 bar) =? kj/kg Tugas : Kondisi P, bar T, C (fasa),cair/cair-uap/uap H, kj/kg a ?? b ?? c 0,1 50?? d 0,1 300?? e 1 99,6?? f 1 99,6?? Penggunaan Neraca Massa-Energi : Sistem Terbuka Sistem dibagi menjadi 3 : a. Sistem terbuka jika system tersebut menerima masukan massa dan energi atau melepaskan massa dan energi keluar system. Energi masuk Massa masuk SISTEM Massa keluar Energi keluar b. Sistem tertutup jika system tersebut tidak mengalami pemasukan massa atau pengeluaran massa. Sebuah system mengalami pemasukan ataupun pengeluaran energi, yang dapat berupa panas, kerja atau listrik atau magnet

2 Energi masuk SISTEM Energi keluar c. Sistem terisolir jika system tersebut tidak megalami pemasukan dan pengeluaran massa dan energi dalam bentuk apapun SISTEM Secara umum persamaan neraca energi untuk system terbuka adalah : Q W = F k (H + gz + ½ v 2 ) k - F m (H + gz + ½ v 2 ) m (persamaan di atas dapat dilihat pada buku Reklaitis hal. 424) Q Panas yang masuk atau keluar system melalui dinidng system akibat perbedaan temperatur system dengan lingkungan ( + ) bila panas masuk system ( - ) bila panas keluar system Q = 0 (system adiabatic, artinya jika system tersebut tidak mengalami pemasukan atau pengeluaran energi dalam bentuk panas) W Kerja yang berpindah melalui dinding system sebagai akibat : 1. perbedaan tekanan system dan lingkungan, yang diwujudkan dengan perubahan volume system 2. perbedaan tekanan lingkunagn dengan system ditempat masukan, dan perbedaan tekanan system dengan lingkungan ditempat keluaran 3. kerja poros yaitu yang berhubungan dengan lingkungan, ( + ) bila kerja keluar system ( - ) bila kerja masuk system Gambar

3 Dari hasil pengamatan pada contoh kasus 7.14 hal 426 pada buku Reklaitis, besarnya nilai energi potensial dan energi kinetic relative jauh lebih kecil bila dibbandingkan dengan nilai entalpi (H), maka dalam hal ini (neraca massa-energi) kita dapat mengabaikannya. Jadi persamaan neraca energi dapat disederhanakan : Q W = F k H k - F m H m Contoh kasus : W 1, masukan F 1 = 1,5 Kg/s T 1 = 60 C P 1 = 5 bar = cairan 2, keluaran F 2 =? Kg/s T 1 = 60 C P 1 = 100 bar = cairan Hitunglah kerja (W) yang diberikan?? Penyelesaian : Tentukan entalpi spesifik (H) untuk kedua kondisi baik masukan ataupun keluaran P = 5 bar T = 50 C H = 209,80 kj/kg P = 5 bar = cairan T = 60 C H = 259,67 kj/kg P = 5 bar = cairan T = 100 C H = 419,51 kj/kg = cairan interpolasi Neraca massa total : F 1 = F 2 = 1,5 kg/s Q = 0, maka -W = F 2 H 2 F 1 H 1 = 1,5 (259,67 251,74) kj/s = 11,9 kwatt W = -11,9 kwatt Tugas : Berapakah kerja (W) yang diberikan dalam satuan Kwatt?? W kompresor F 1 =? kg/s T 1 = 350 C P 1 = 100 bar = uap F 1 = 1,5 kg/s T 1 = 200 C P 1 = 5 bar = uap

4 Contoh kasus 7.15 pada Reklaitis, hal 429 : Uap air digunakan untuk memanaskan 300 kg/jam air proses dari temperatur 50 C menjadi 150 C pada tekanan 5 bar, alat penukar panas yang digunakan adalah double pipe. Uap air yang digunakan adalah uap jenuh tekanan 10 bar. Uap jenuh (U) 10 bar Air proses (AP) 5 bar, 50 C 5 bar, 150 C kondensat 10 bar Penyelasaian : Q = 0 AP masuk AP keluar Q U masuk U keluar Q = 0 = F k H k - F m H m 0 = F AP,k x H(150 C, 5 bar) + F U,k x H w (10 bar) - F AP,m x H(50 C, 5 bar) - F U,m x H v (10 bar) F AP,k = F AP,m = 300 kg/jam ; F U,k = F U,m = F H(150 C, 5 bar) = 632,2 kj/kg H(50 C, 5 bar) = 209,7 kj/kg H w (10 bar) = 762,6 kj/kg H v (10 bar) = 2776,2 kj/kg

5 0 = 300 x 632,2 + F x 762,2 300 x 209,7 F x 2776,2 F = 629,5 kg/jam Tugas : G.V. Reklaitis hal 473 no Neraca Energi Tanpa Tabel Data Termodinamika ynag Lengkap Tabulasi entalpi dan energi dalam, seperti halnya steam table tidak tersedia untuk kebanyakan senyawa, yang tersedia datanya adalah data kapasitas panas. Untuk apa data kapasitas panas? Cara menggunakan data kapasitas panas Data kapasitas panas dapat digunakan untuk menghitung perubahan entalpi dari suatu senyawa yang terlibat dalam suatu proses tertentu dan tidak mengalami perubahan fasa (panas sensibel) H 2 (T 2,P) H 1 (T 1,P) = Cp (T) dt G.V. Reklaitis, hal 440 Perubahan entalpi dengan tekanan tetap suatu proses kebanyakan dipertahankan pada tekanan tetap Cp(T) artinya kapasitas panas sangat dipengaruhi oleh variable temperatur, tetapi bukan berarti kapsitas panas tidak dipengaruhi oleh tekanan, akan tetapi pengaruh temperatur jauh lebih besar daripada tekanan. Oleh karena itu, seringkali pengaruh tekanan terhadap kapasitas panas diabaikan. (Reklaitis hal 437) Data kapasitas panas dapat dilihat di G.V. Reklaitis hal 643 (Gas ideal, J/mol.K), hal 657 (kapasitas panas cairan, J/mol.K) Contoh kasus : 1. Dua aliran air dicampurkan yaitu aliran-1 memiliki temperatur 30 C dan aliran-2 memiliki temperatur 80 C. Laju alir aliran kg/jam dan laju aliran kg/jam. Hitunglah temperatur campuran. Cp, air = 4,2 kj/(kg. C) Penyelesaian : F 1 = 300 kg/jam T 1 = 30 C Pencampuran F 2 = 100 kg/jam T 2 = 80 C F 3 =? kg/jam T 3 =? C

6 - Selesaikan dahulu persamaan neraca massa : Neraca massa total : F 1 + F 2 = F 3 = 400 kg/jam - susunlah persamaan neraca energi : Q = F 3 [H 3 (T 3 ) H 3 (T ref )] F 1 [H 1 (T 1 ) H 1 (T ref )] F 2 [H 2 (T 2 ) H 2 (T ref )] Q = 0 T ref = 25 C Maka, 0 = F 3 [H 3 (T 3 ) H 3 (25 C)] F 1 [H 1 (30 C) H 1 (25 C)] F 2 [H 2 (80 C) H 2 (25 C)] H 3 (T 3 ) H 3 (25 C) = Cp air (T) dt = 4,2 (T 3 25) H 1 (30 C) H 1 (25 C) = Cp air (T) dt = 4,2 (30 25) H 2 (80 C) H 2 (25 C) = Cp air (T) dt = 4,2 (80 25) 0 = 400(4,2)(T 3 25) 300 (4,2)(30-25) 100 (4,2)(80-25) T 3 = 42,5 C 2. Aliran gas alam setelah mengalami kompresi didinginkan dalam heat exchanger dari keadaan masuk dengan temperatur T 1 = 38 C menjadi T 2 = 20 C. Laju alir gas alam adalah 100 mol/detik. Komposisi (disederhanakan) dan data kapasitas panas gas alam (disederhanakan) disajikan dalam tabel di bawah ini: Tentukan panas yang harus dibuang dari system aliran gas alam ini. Pengaruh perubahan tekanan terhadap entalpi diabaikan : Komponen Komposisi,fraksi mol Cp, J/mol.K CH 4 90 % 38,387 CO 2 10% 19,022 Penyelesaian : N 1 = 100 mol/s CH 4 = 90% CO 2 = 10% T 1 = 311 K Q Heat exchanger N 1 =? mol/s CH 4 =.%? CO 2 =.%? T 1 = 293 K - Soal ini memberikan gambaran tentang penggunaan data kapasitas panas dalam perhitungan neraca energi - Proses ini tidak melibatkan kerja, - Selesaikan terlebih dahulu neraca massa jika memungkinkan; di dalam system tidak terjadi reaksi, maka neraca massa total N 1 = N 2 = 100 mol/s

7 neraca massa komponen CH 4 : 0,9(100) = Y CH4,2. N 2 CO 2 : 0,1(100) = Y CO2,2. N 2 Didapatkan Y CH4,2 = 90% Y CO2,2 = 10% - Susunlah persamaan neraca energi : Q = N 2 [H 2 (T 2 ) H 2 (T ref )] N 1 [H 1 (T 1 ) H 1 (T ref )] Q = N 2 [H 2 (293K) H 2 (T ref )] N 1 [H 1 (311K) H 1 (T ref )] - Tentukan harga T ref, misalkan kita ambil T ref = 298 K H 2 (293K) H 2 (298K) H 1 (311K) H 1 (298K) = Y CH4,2 Cp, CH4 dt + Y CO2,2 Cp, CO2 dt = 0,9(38,387)( ) + 0,1(19,022)( ) = -182,2525 J/mol = Y CH4,1 Cp, CH4 dt + Y CO2,1 Cp, CO2 dt = 0,9(38,387)( ) + 0,1(19,022)( ) = 473,8565 J/mol Q = 100 (-182,2525) 100(473,8565) = ,9 J/s Tugas : Suatu aliran didinginkan dalam heat exchanger dari keadaan masuk dengan temperatur T 1 = 38 C. Laju alir gas alam adalah 100 mol/s. Karena suatu masalah teknis, kemampuan perpindahan panas dalam heat exchanger ini turun menjadi J/s (dari soal di atas ,9 J/s). Tentukan temperatur gas keluar heat exchanger, T 2. Contoh kasus: Aliran gas proses pada temperatur 400 C akan didinginkan secara cepat menuju 200 C dengan pendinginan secara langsung (direct quenching) dengan benzene cair dingin pada temperatur 20 C. Jika aliran gas proses terdiri atas 40% C 6 H 6, 30% C 6 H 5 CH 3, 10% CH 4 dan 20% H 2., hitunglah laju alir benzene yang diperlukan untuk mendinginkan gas dengan laju alir 1000 kmol/jam, asumsi bahwa proses berlangsung secara adiabatic. 1, Quench C 6 H 6 = 100% T 2 = 20 C = uap 2, Gas Panas N 2 = 1000 kmol/jam C 6 H 6 = 40% C 6 H 5 CH 3 = 30% CH 4 = 10% H 2 = 20% T 2 = 400 C = uap Q=0 3, Produk N 3 =? kmol/jam C 6 H 6 =? C 6 H 5 CH 3 =? CH 4 =? H 2 =? T 2 = 200 C = uap

8 Penyelesaian : Jumlah variable aliran NM NME Aliran 9 9 T,P 0 3 Q,W 0 2 Jumlah persamaan TTSL Massa 4 4 Energi 0 1 Jumlah data yang diketahui Komposisi 3 3 T,P 0 3 Q=0;W=0 0 2 Basis 1 1 Derajat Kebebasan 1 0 Persmasalahan ini well specified, namun harus diselesaikan secara coupled antara persamaan neraca massa dan neraca energi. Persamaan neraca energi : Q = N 3 [H 3 (473K) H 3 (T ref )] N 1 [H 1 (293K) H 1 (T ref )] N 2 [H 2 (673K) H 2 (T ref )] T ref = T 3 = 473 K Maka, 0 = N 3 [H 3 (473K) H 3 (473)] N 1 [H 1 (293K) H 1 (473)] N 2 [H 2 (673K) H 2 (473)] nol N 1 [H 1 (293K) H 1 (473)] = N 2 [H 2 (673K) H 2 (473)] N 1 [H 1 (473K) H 1 (293)] = N 2 [H 2 (673K) H 2 (473)] Komponen Fasa Cp, J/mol.K (disederhanakan) C 6 H 6 Gas (g) 18,587 C 6 H 5 CH 3 Gas (g) 31,820 CH 4 Gas (g) 38,387 H 2 Gas (g) 17,639 C 6 H 6 Cairan (l) -7,270 C6H6 (353,26 K) = 30763,4 J/mol H 1 (473K) H 1 (293) = Cp, C6H6(l) dt + C6H6, (353,26 K) Cp, C6H6(g) dt = (-7,270)(353,26-293) ,4 + (18,587)( ,26) = 32550,92 J/mol

9 H 2 (673K) H 2 (473) = Y C6H64,1 Cp, C6H6(g) dt + Y C7H8,1 = 673 Y CH4, Cp, CH4 dt + Y H2, Cp, H2 dt Cp, C7H8 dt + Neraca Massa-Energi dengan Reaksi Ketika suatu zat bereaksi dengan zat yang lain dalam suatu sistem (reaktor), seringkali energi dari suatu sistem tersebut mengalami perubahan. Keadaan seperti (reaksi) yang banyak dikenal adalah reaksi pembakaran (yaitu reaksi antara unsur karbon, dan hidrogen dioksidasi membentuk CO 2 dan H 2 O. Perubahan energi dari hasil pembakaran tersebut bias kita manfaatkan untuk memasak makanan, memanaskan ruangan dan menggerakkan mobil/motor.dlsb. Perubahan entalpi dari suatu reaksi kimia disebut entalpi reaksi atau panas reaksi. Entalpi reaksi standar (maksud standar : reaksi pada T = 25 C dan P = 1 atm) dinotasikan H R. Ada 2 cara untuk menghitung H R, yaitu : 1. menggunakan data entalpi pembentukan standar ( H f ) H R = i H f,i H R = panas reaksi standar H f,i = panas pembentukan standar komponen i (panas pembentukan standar suatu komponen dapat dilihat di buku Reklaitis, hal. 661, kcal/mol atau disumber yang lain) i = koefisien reaksi suatu komponen; ( + ) untuk koef. Produk ( - ) untuk koef. Reaktan Contoh kasus: Cairan methanol (CH 3 OH) diproduksi dengan cara oksidasi parsial (partial oxidation) dari methane : CH 4 (g) + ½ O 2 (g) CH 3 OH (l) Data sifat termodinamika : H f,ch4 = -74,52 kj/mol H f,ch3oh(l) = -238,66 kj/mol H R = (-1) H f,ch4 + (-0,5) H f,o2 + (1) H f,ch3oh(l) = (-1)(-74,52) + (-0,5)(0) + (1)(-238,66) = -164,14 kj/mol

10 2. menggunakan data entalpi pembakaran standar ( H C ) H R = - i H C,i H R = panas reaksi standar H C,i = panas pembakaran standar komponen i (panas pembakaran standar suatu komponen dapat dilihat di Perry Handbook) i = koefisien reaksi suatu komponen; ( + ) untuk koef. Produk ( - ) untuk koef. Reaktan Contoh kasus: Cairan methanol (CH 3 OH) diproduksi dengan cara oksidasi parsial (partial oxidation) dari methane : CH 4 (g) + ½ O 2 (g) CH 3 OH (l) Data sifat termodinamika : H C,CH4 = -802,6 kj/mol H C,CH3OH(l) = -638,46 kj/mol H R = (1) H C,CH4 + (0,5) H C,O2 + (-1) H C,CH3OH(l) = (1)(-802,6) + (0,5)(0) + (-1)(-638,46) = -164,14 kj/mol Neraca Massa-Energi dengan Persamaan Reaksi Q = r i H R,i (T ref ) + { N s k [ H s,k (T k ) - H s,k (T ref )]- N s m [ H s,m (T m )- H s,m (T ref )] Keterangan : r i = koordinat reaksi ke i (1,2,3 ) H R,i (T ref ) = Panas reaksi ke i pada temperatur referensi (T ref ) N s k [ H s,k (T k ) - H s,k (T ref )] = jumlah energi yang dibawa oleh aliran massa keluaran N s m [ H s,m (T m )- H s,m (T ref )] = jumlah energi yang dibawa oleh aliran massa masukan Contoh kasus : Pembakaran C 2 H 6 dilakukan dengan udara stoikiometrik(o 2 tepat habis bereaksi). Pembakaran berlangsung sempurna (C 2 H 6 habis). C 2 H 6 dan udara masuk burner pada temperatur 25 C. Udara dianggap terdiri dari 21%-mol O 2 dan sisanya N 2. Proses berlangsung secara adiabatic. Data termodinamika komponen Fasa Cp,J/(mol.K)(disederhanakan H C, kj/mol C 2 H 6 gas 33, ,9 N 2 gas 29,412 O 2 gas 29,883 CO 2 gas 19,022

11 H 2 O gas 34,047 Pertanyaan : Berapakah temperatur pembakaran adiabatic? Penyelesaian : N 1 = 100 mol/s C 2 H 6 = 100% T 1 = 25 C C 2 H 6 + 3,5O 2 2CO 2 + 3H 2 O r Q=0 N 2 =?? mol/s O 2 = 21% N 2 = 79% T 2 = 25 C N 3 =?? mol/s N 2 =?? % CO 2 =?? % H 2 O =?? % T 3 =?? C=??K Persamaan neraca massa komponen : C 2 H r = 0 (1) O 2 0,21(N 2 ) 3,5r = 0 (2) N 2 0,79(N 2 ) = Y N2,3. N 3 (3) CO 2 2r = Y CO2,3. N 3 (4) H 2 O 3r = Y H2O,3. N 3 (5) dari persamaan (1) : r = 100 mol/s dari persamaan (2) : N 2 = 1666,67 mol/s dari persamaan (3) : Y N2,3. N 3 = 0,79 (1667,67) = 1316,67 mol/s dari persamaan (4) : Y CO2,3. N 3 = 2(100) = 200 mol/s dari persamaan (5) : Y H2O,3. N 3 = 3(100) = 300 mol/s N 3 = Y N2,3. N 3 + Y CO2,3. N 3 + Y H2O,3. N 3 = 1816,67 mol/s Y N2,3 = 72,48% ; Y CO2,3 = 11% ; Y H2O,3 = 16,52% Tentukan Temperatur Referensi (T ref ), kita ambil T ref = 25 o C = 298 K H R (298K) = (1) H C,C2H6 + (3,5) H C,O2 + (-2) H C,CO2 + (-3) H C,H2O = (1)(-1559,9) + (3,5)(0) + (-2)(0) + (-3)(0) = -1559,9 kj/mol Persamaan neraca massa-energi : Q = r. H R (298K) + N 3 [H 3 (T 3 ) H 3 (T ref )] N 1 [H 1 (T 1 ) H 1 (T ref )] N 2 [H 2 (T 2 ) H 2 (T ref )]

12 Q= 0, maka H 3 (T 3 ) H 3 (298K) = Y N2,3 Cp, N2 dt + Y CO2,3 Cp, CO2 dt + Y H2O,3 Cp, H2O dt H 1 (298) H 1 (298) = 0 H 2 (298) H 2 (298) = 0 = 0,7248 (29,412) dt + 0,11 (19,022)dT + 0,1652 (34,047) dt = (0,7248)(29,412)(T 3 298) + (0,11)(19,022)(T 3-298) + (0,1652)(34,047)(T 3 298) = (29,035 T ,48) J/mol.K 0 = (100 mol/s)( J/mol) + N 3 [H 3 (T 3 ) H 3 (298K)] = 1816,67(29,035 T ,48) T 3 = 3200 K = 2927 o C Neraca massa-energi tanpa persamaan Reaksi Contoh kasus : Pembakaran C 2 H 6 dilakukan dengan udara stoikiometrik(o 2 tepat habis bereaksi). Pembakaran berlangsung sempurna (C 2 H 6 habis). C 2 H 6 dan udara masuk burner pada temperatur 25 C. Udara dianggap terdiri dari 21%-mol O 2 dan sisanya N 2. Proses berlangsung secara adiabatic. Data termodinamika komponen Fasa Cp,J/(mol.K)(disederhanakan H f, kj/mol C 2 H 6 gas 33,834-83,82 N 2 gas 29,412 0 O 2 gas 29,883 0 CO 2 gas 19, ,5 H 2 O gas 34, ,83 Penyelesaian : N 1 = 100 mol/s C 2 H 6 = 100% T 1 = 25 C Q=0 REAKTOR N 2 =?? mol/s O 2 = 21% N 2 = 79% T 2 = 25 C N 3 =?? mol/s N 2 =?? % CO 2 =?? % H 2 O =?? % T 3 =?? C=??K

13 Persamaan neraca massa atom : C (2)(Y C2H6,1 )(100) = (1)(Y CO2,3 )(N 3 ) (1) H (6)(Y C2H6,1 )(100) = (2)(Y H2O,3 )(N 3 ) (2) O (2)(Y O2,2 )(N 2 ) = (2)(Y CO2,3 )(N 3 ) + (1)(Y H2O,3 )(N 3 ) (3) N (2)(Y N2,2 )(N 2 ) = (2)(Y N2,3 )(N 3 ) (4) dari pers.(1) : Y CO2,3. N 3 = 200 dari pers (2) : Y H2O,3. N 3 = 300 dari pers. (3) : N 2 = 1666,67 mol/s dari pers.(4) : Y N2,3. N 3 = 1316,67 mol/s N 3 = Y N2,3. N 3 + Y CO2,3. N 3 + Y H2O,3. N 3 = 1816,67 mol/s Y N2,3 = 72,48% ; Y CO2,3 = 11% ; Y H2O,3 = 16,52% Tentukan Temperatur Referensi (T ref ), kita ambil T ref = 25 o C = 298 K Persamaan neraca massa-energi : N 1 * H 1 + N 2 * H 2 = Q + N 3 * H 3 H 1 = [H 1 (298)- H 1 (298)] = Y C2H6,1 [ H f,c2h6,298 + Cp, C2H6 dt] H 2 = [H 2 (298)- H 2 (298)] = Y N2,2 [ H f,n2,298 + Cp, N2 dt] + Y O2,2 [ H f,o2,298 + Cp, O2 dt] H 3 = [H 3 (T 3 )- H 3 (298)] = Y N2,3 [ H f,n2,298 + Cp, N2 dt] + Y CO2,3 [ H f,co2,298 + Cp, CO2 dt] + Y H2O,3 [ H f,h2o,298 + Cp, H2O dt] T 3 =??