BAB 6 Neraca Energi dengan Efek Reaksi Kimia 1.1 Analisis Derajat Kebebasan untuk Memasukkan Neraca Energi dengan Reaksi Neraca energi dalam penghitungan derajat kebebasan menyebabkan penambahan persamaan dan variabel yang tidak diketahui. Persamaan yang ditambahkan adalah neraca energi.sedangkan variabel yang ditambahkan adalah temperatur dan tekanan untuk semua aliran serta panas yang ditransfer dari atau ke sistem. Anda dapat membuat hanya satu neraca energi, tapi setiap bagian dari neraca energi menambah satu atau lebih variabel tambahan. Sayangnya, sebagian besar bagian dalam neraca energi terspesifikasi 0 seperti EP, EK, atau W karena pada umumnya neraca energi diterapkan dalam sistem terbuka dan steady-state untuk Q = H. Entalpi adalah fungsi suhu dan tekanan, karena itu dalam analisis derajat kebebasan, Anda dapat mengganti satu variabel dengan entalpi suatu aliran yang memiliki dua variabel, suhu dan tekanan. Jika neraca massa dan persamaan lainnya seperti spesifikasi dan hubungan kesetimbangan dapat diselesaikan secara terpisah dari neraca energi, maka analisis derajat kebebasan untuk neraca energi dapat dipisahkan dari analisis derajat kebebasan neraca energi. Apabila sebaliknya, maka analisis derajat kebebasan akan termasuk di dalam neraca massa dan energi.
Tabel 6.1 Derajat Kebebasan untuk Sistem Aliran Steady-state Cnth 6.1 Analisis Derajat Kebebasan untuk Prses Pembakaran Metana dibakar dengan udara excess 5 % di dalam furnace. Gambar C6.1 menunjukkan kmpsisi aliran dan variabel yang telah ditetapkan. Prses untuk masing-masing aliran terjadi pada 1 atm. Tentukan analisisnya jika derajat kebebasan bernilai 0. Gambar C6.1 Penyelesaian : Untuk mempermudah analisis maka dibuat tabel. Neraca Energi disederhanakan menjadi Q = H, gantikan H dengan variabel p dan T.
Jumlah variabel pada prses Kmpnen F 1 1 F 2 2 F 3 5 Subttal 8 Jumlah aliran 3 Suhu aliran 3 Tekanan aliran 3 Q 1 Reaksi (2 reaksi) 2 Ttal 20 Jumlah persamaan Neraca massa kmpnen independen 1 Jumlah kmpnen dalam masing-masing 2 aliran 2 Neraca Energi 2 Spesifikasi nilai variabel Ttal aliran (F 1, basis, dan F 2 dari 5 % excess udara) 2 Nilai kmpnen (CO) 1 Tekanan (p 1 = p 2 = p 3 = 1 atm) 3 Suhu (T 1 dan T 2 ) 2 Rasi O 2 / N 2 yang ditetapkan dalam F 1 (implicit) 2 Reaksi sempurna (tidak ada CH 4 dalam aliran keluar) karena reaksi dinyatakan secara tidak langsung untuk kedua reaksi (untuk CO dan CO 2 ) 2 Ttal 20 Derajat kebebasan untuk variabel = 20 dan jumlah persamaan = 20 maka derajat kebebasan bernilai 0
Sal! 1. Asam asetat pada 350 F terurai dalam reaksi steady-state pada 450 F sehingga menghasilkan ketene (CH 2 CO) dan metana (CH 4 ). By prduct yang dihasilkan adalah CO 2 (g) dan H 2 O (g). Pengukuran menunjukkan bahwa knversi ttal asam asetat adalah 68.2 % dan knversi ke ketene adalah 9.3 %. Analisis derajat kebebasan untuk prses ini untuk menentukan jumlah spesifikasi tambahan yang harus disediakan untuk memperleh deraja kebebasan 0. (Petunjuk : Suhu gas keluar sudah diketahui atau belum?) 2. Di dalam prses kntak SO 2 diknversikan menjadi SO 3 dalam reaktr nnadiabatis. Jika fraksi ml gas masuk yang terdiri dari SO 2, O 2, dan N 2 diketahui. Jika gas keluar terdiri dari SO 2, SO3, O2, dan N 2. Jika laju alir mlar masuk dan keluar diketahui, dan suhu masuk serta tekanan masuk dan keluar diketahui, berapa derajat kebebasan dalam masalah ini untuk knversi SO 2 80%. Apakah derajat kebebasan pada perhitungan SO 2 80% berubah jika knversi berubah menjadi 70%. 1.2 Aplikasi Neraca Energi pada Prses dimana Reaksi Termasuk di dalamnya Dalam pembahasan kali ini, akan dibahas mengenai slusi untuk prses steady-state, kntinyu dengan neraca energi yang disederhanakan menjadi 2 pilihan : a) Efek reaksi kimia digabung dengan panas sensibel H H(25 H H(25 C Q H ) H keluar H kmasuk keluar b) Efek reaksi kimia menjadi bagian dalam panas reaksi masuk (6.1) Q H sensibel perubahanfasa H H(25 H H(25 H rxn keluar sensibel perubahanfasa masuk (6.2)
Suhu reaksi adiabatis (nyala api teritis, pembakaran) merupakan suhu yang diperleh di dalam prses saat : 1. Reaksi pada kndisi adiabatic 2. Tidak terjadi efek lain seperti efek elektrik, kerja, inisasi, pembentukan radikal bebas 3. Reaksi pembatas bereaksi sempurna Untuk sistem unsteady-state dan tertutup dengan nilai EP dan EK = 0 dan W = 0, neraca energi berubah menjadi : Q U U akhir U awal (6.3) Jika nilai Q U tidak diketahui, maka harus dihitung dari H ( pv ) sehingga H H(25 H H(25 ( pv ) akhir keluar ( pv ) awal masuk (6.4) Cnth 6.2 Perhitungan Suhu Reaksi (Nyala Api)Adiabatis Hitung suhu teritis nyala api gas CO yang dibakar pada tekanan knstan dengan 100 % udara excess, saat reaktan masuk pada suhuh 100 C dan 1 atm Penyelesaian : Sistem ditunjukkan pada Gambar C6.2, Prses steady-state. CO (g) + ½ O 2 CO 2 (g) Basis 1 g ml CO (g), referen : 25 C dan 1 atm Gambar C6.2
Reaksi diasumsikan terjadi dengan reaksi pembatas bereaksi sempurna, udara excess tifdak bereaksi, tetapi butuh panas sensible untuk mencapai suhu reaksi adiabatic. Neraca massa dapat diselesaikan tersendiri terpisah dari neraca energi (derajat kebebasan = 0), berikut neraca massa : Kndisi referen : 25 C, 1 atm, Q = 0 sehingga H = 0. Neraca energi Interplasi liner untuk menentukan theretical flame temperature (TFT) : 0 ( 16657) TFT 1750 (250) 1750 78 1828K(1555 36740 16657
Jika sistem berubah menjadi sistem tertutup dimana CO dan O 2 bereaksi secara stikimetri menghasilkan CO 2. Maka nilai TFT akan berbeda, maka persamaan 6.2 digunakan untuk perhitungan dengan nilai Q = 0. Sal! 1. Gas kering dengan nilai Btu rendah terdiri dari CO 20 %, H 2 20 %, N 2 60 % dibakar dengan udara excess 200 % udara kering yang masuk pada suhu 25 C. Jika gas keluar pada suhu 25 C, hitung transfer panas dari prses per unit vlume gas masuk diukur pada kndisi standar (25 C, 1 atm)
2. Metana dibakar pada furnace dengan 100 % udara kering excess untuk mendapatkan steam biler. Udara dan metana masuk ke dalam furnace pada suhu 500 F dan 1 atm, dan prduk keluar dari furnace pada 2000 F. Jika gas terdiri dari CO 2, H 2 O, O 2, dan N 2. Hitung jumlah panas yang diabsrb leh air untuk memprduksi steam per pund metana yang dibakar. 3. Campuran alumunium metal serbuk dan Fe 2 O 3 dapat digunakan pada pengelasan suhu tinggi. Dua bagian baja ditempatkan end t end, Jika suhu diinginkan 3000 F dan heat lss 20 % ( H prduk - H reaktan ) melalui radiasi, berapa berat campuran (digunakan dalam prprsi mlecular 2Al + 1 Fe 2 O 3 ) harus digunakan untuk menghasilkan suhu ini pada 1 lb baja yang dilas, asumsi suhu awal 65 F 2 Al + Fe 2 O 3 Al 2 O 3 + 2Fe 4. Hitung theretical flame temperature saat hydrgen dibakar dengan 400 % udara kering excess pasa 1 atm, rekatan masuk pada suhu 100 C.