Termodnamka Lanjut (PTK 23 ) (Advance Thermodynamcs) Dr. Istad, ST, MT Ir. Danny Soetrsnanto, MEng Year 200-20 Master Program n Chemcal Engneerng, Dponegoro Unversty LITERATURES Credt : 3 credts/sks Evaluatons: References/Textbook: Smth, J.M., Van Ness, H.C., and Abbott, M.M. (200). Introducton to Chemcal Engneerng Thermodynamcs. 6th Edton. New York: McGraw Book Co. Ellot, J. R. and Lra, C.T., (999), Introductory Chemcal Engneerng Thermodynamcs, Prentce Hall PTR. etc
Outlnes for 2 nd Stage Course. Introducton to Multcomponents VLE Systems 2. VLE Calculaton n Mxtures by an Equaton of State 3. Actvty Models Modfed Raoult's laws Margules Equaton Van Laar Equaton Regular-Soluton Theory Wlson's Equaton UNIQUAC UNIFAC 4. Fttng Actvty Models to Expermental Data Solvng Problem wth: EXCEL, MATLAB, CHEMCAD, and/or HYSYS Introducton to Multcomponents VLE Systems Clck to add text
Phase Dagrams (T-xy & P-xy) Clck to add an outlne Mass Balance F = L + V (over all) F (ntal mole number), L (moles of lqud), V (moles of vapor) ==> = L/F + V/F z A F = y A V + x A L (z A = overall mole fracton) ==> z A = y A.V/F + x A.L/F Percentage of lqud: L/F = (z A -y A ) / (x A -y A ) ==> Percentage of vapor: V/F = (x A -z A ) / (x A -y A ) ==> Remember that: L/F + V/F = de ce cd ce
Actvty, Actvty Coeffcent, Fugacty Coeffcent Clck to add an outlne Fugacty for Gas Mxtures The smplest type of mxture bevavor s IDEAL GAS BEHAVIOR A component fugacty coeffcent s to quantfy the devatons from component behavor n deal-gas mxtures. Fugacty of a vapor-phase component n real solutons: IDEAL SOLUTIONS are ntermedate between deal gases and real mxtures. f =y P = f y P f =y P For non-deal Lqud ===?
Fugacty of Non-Ideal Lqud Mxtures For deal gases ==> γ = and f o =P For LIQUID: Actvty: ==> Actvty Coeffcent ==> GAMMA APPROACH Remember: Fugacty of component n LIQUID: For low to moderate pressure, f o P f =y P a = f / f o γ = f /x f o f o= P exp V L P P RT f L =γ x f o=γ x P exp V L P P RT f L =γ x P Summary for Component Fugactes Clck to add an outlne
Ideal Solutons Ideal Solutons: No synergstc effect of the components n mxture each component operates ndependently no energy change for mxng no volume change LEWIS/RANDALL Rule: f s f =x f s =x f VLE n Ideal Solutons Bagamana menghtung K y /x Equlbrum constrant: In deal solutons: Fugacty of the lqud: Combnng the equatons: Dnyatakan dalam raso K : Pada tekanan rendah: Hukum Raoult f V = f L y f V =x f L V f L = P exp L P P RT V y V P=x P exp L P P K = y P = x P K = P P RT exp [ V L P P /RT ] V =, dan exp [ V L P P /RT ] atau y P= x P
System of Raoult s Law bnary system Clck to add an outlne Clck to add ttle Clck to add an outlne
Shortcut Estmaton of VLE K-ratos K = P P P c, 0 7 3 ω T r, P VLE CALCULATIONS Jens-jens Perhtungan VLE: Bubble-pont Pressure (BP) Dew-pont Pressure (DP) Bubble-pont Temperature (BT) Dew-pont Temperature (DT) Isothermal Flash (FL)
Jens-jens Perhtungan Kesetmbangan Fase Tpe Dketahu Dhtung Krtera Konvergens BP DP BT DT FL T, x =z T, y =z P, x =z P, y =z P, T, z P, y P, x T, y T, x x, y, L/F y = x = y = x = K x = y = K K x = y K = z K K L /F K Palng mudah Mudah Sult Sult Palng sult Perhtungan Kesetmbangan Fasa untuk Hukum Raoult Bner Bubble Pressure Calculaton: P y =, or K x =, P x = P P x P 2 P x 2 = P=x P x 2 P 2 Tdak dperlukan teras, karena temperature dan tekanan uap dketahu. Hk Raoult lnear bubble pressure lne (P-x,y) x 2 = x P=x P x P 2 =x P P 2 P 2
Hukum Raoult Bner..(2) Dew-Pressure Calculaton: x =, or y K = y P P y 2 P P = 2 Dselesakan tanpa teras, sebab tekanan uap adalah tertentu pada temperatur yang dtentukan, sehngga: P= y P y 2 P 2 Hukum Raoult Bner..(3) Bubble-Temperature Calculaton: y =, or K x = P=x P x 2 P 2 Dselesakan dengan teras Temperatur (yang mengubah P ), hngga tekanan sama dengan tekanan yang dketahu.
Hukum Raoult Bner..(4) Dew-Temperature Calculaton: x =, or y K = P= Dselesakan dengan teras Temperatur (yang mengubah P ), hngga tekanan sama dengan tekanan yang dketahu. y P y 2 P 2 Hukum Raoult Bner..(5) Flash-drum Calculaton: Feed: lqud/caran (vaporzed after enterng flash drum) Feed composton = z dan L/F = lqud-to-feed rato V/F = -L/F, Component balance: ==> z x = K L F K z =x L F y V F ==> y =K x ==> z y = K K L F K
Bnary Flash Calculaton...(6) Dalam perhtungan flash, L/F harus dteras hngga Σx =, Tetap dalam flash, kta juga harus menyelesakan Σy = Untuk penyelesaan uap dan caran, maka secara smultan: (Σx -Σy )=0 ==> fungs objectve Note that: 0<L/F< Kasus-kasus flash: flashng lqud partal condenon z, feed flow rate, P, T ==> dketahu Multcomponent VLE Calculatons Bubble Calculaton: y =, atau x K = x P P = Dew Calculaton: x =, atau y K = P y P = Rules: bubble- & dew-pressure calculaton ==> no teraton requred bubble- & dew-temperature calculaton ==> teraton requred
Multcomponent VLE Calculatons...(2) Tebakan awal Temperatur ==> scr. kasar T = x T atau T = y T r, T y T c, General formula for ISOTHERMAL FLASH Calculaton: x y = z K K L /F K = D = 0 Contoh Perhtungan VLE dgn MS Excel Produk atas suatu kolom dstlas (sepert pada gambar) mempunya komposs (z ) sebaga berkut: 23% propane, 67% sobutane, dan 0% n-butane. Jka danggap kolom deal, uap yang mennggalkan tray dalam keadaan kesembangan fasa dengan caran yang mennggalkan tray tersebut. Dalam kasus partal condenser maka uap dan caran mennggalkan condensor dalam keadaan kesetmbangan fasa. a) Htung temperatur kondensor agar uap dar kolom dstlas bsa terkondensas semua pada tekanan 8 bar. b) Jka dasumskan bahwa produk atas kolom dstlas berkesembangan dengan caran d tray palng atas, htunglah temperatur produk uap dan komposs caran d tray tersebut jka doperaskan pada tekanan 8 bar. c) Berapakah fraks caran hasl kondensas, jka uap terkondensas dlm sebuah kondensor parsal pada 8 bar dan 320 K
Penyelesaan (a) Temperatur dmana semua uap terkondensas ==> bubble pont temperatur Dengan MS Excel: Tekanan (bar) = 8 Tebak T (K) = 30 Tebak T (K) = 320 z Pc (bar) Tc (K) ω K y K y 0,23 42,48 369,8 0,52,609 0,370 2,027 0,47 0,67 36,48 408, 0,8 0,62 0,40 0,795 0,53 0, 37,96 425, 0,200 0,433 0,043 0,57 0,06 0,82,06 Dengan Interpolas: T = 30 + ((,000-0,827)/(,06-0,827))*(320-30)=37 K 2 Vapor Clck to add an outlne Flash Feed (a) wth ChemCAD 3 Lqud Stream No. 2 3 Name Feed Vapor Produc Lqud Produ - - Overall - - Molar flow kmol/h.0000 0.0000.0000 Mass flow kg/h 54.8968 0.0000 54.8968 Temp K 00.0000 0.0000 39.742 Pres bar 8.0000 0.0000 8.0000 Vapor mole fracton 0.0000 0.0000 0.0000 Vapor mass fracton 0.0000 0.0000 0.0000 Enth MJ/h -66.77 0.00000-42.68 Heatng values (60 F) Gross J/kmol 2.722E+009 2.722E+009 Net J/kmol 2.5E+009 2.5E+009 Actual vol m3/h 0.0743 0.0000 0.072 Std lq m3/h 0.099 0.0000 0.099 Std vap 0 C m3/h 22.436 0.0000 22.436 Component mole fractons Propane 0.230000 0.000000 0.230000 I-Butane 0.670000 0.000000 0.670000 N-Butane 0.00000 0.000000 0.00000
(b). Dew pont Temperature (b) uap kesetmbangan dgn caran ==> Uap jenuh ==> dew pont temperatur Dengan MS Excel: Tekanan (bar) = 8 Tebak T (K) = 325 Tebak T (K) = 320 z Pc (bar) Tc (K) ω K x K x 0,23 42,48 369,8 0,52 2,262 0,02 2,027 0, 0,67 36,48 408, 0,8 0,900 0,744 0,795 0,84 0, 37,96 425, 0,200 0,65 0,54 0,57 0,8,000 0,999,3 Dengan nterpolas: T = 325 + ((,00-0,994)/(,23-0,994))*(320-325) = 324,8 K (b). ChemCAD 2 2 Vapor Flash Clck Feed to add an outlne 3 Lqud Stream No. 2 3 Name Feed Vapor Produc Lqud Produ - - Overall - - Molar flow kmol/h.0000.0000 0.0000 Mass flow kg/h 54.8968 54.8968 0.0000 Temp K 00.0000 324.9329 0.0000 Pres bar 8.0000 8.0000 0.0000 Vapor mole fracton 0.0000.000 0.0000 Enth MJ/h -66.77-25.26 0.00000 Heatng values (60 F) Gross J/kmol 2.722E+009 2.722E+009 Net J/kmol 2.5E+009 2.5E+009 Actual vol m3/h 0.0743 2.842 0.0000 Std lq m3/h 0.099 0.099 0.0000 Std vap 0 C m3/h 22.436 22.436 0.0000 Component mole fractons Propane 0.230000 0.230000 0.000000 I-Butane 0.670000 0.670000 0.000000 N-Butane 0.00000 0.00000 0.000000
(c). Isothermal Flash Calculaton (c) Partal condenser ==> Flash to Lqud and Vapor Dengan MS Excel: Tekanan (bar) 8 Temperature (K)= 320 Tebak L/F 0,5 Tebak L/F = 0,6 z Pc (bar) Tc (K) ω K D D 0,23 42,48 369,8 0,52 2,027-0,560-0,674 0,67 36,48 408, 0,8 0,795 0,53 0,497 0, 37,96 425, 0,200 0,57 0,0546 0,058,000 0,057 0,034 x y = z K K L /F K = D = 0 Dengan nterpolas: L/F = 0,7684 K Tebak L/F = 0,77 K D 2,027-0,90 0,795 0,442 0,57 0,0476 0,0008 z x = K L F K z K y = K L F K Feed Vapor Clck to Flash add ttle 2 Clck to add an outlne 3 Lqud Stream No. 2 3 Name Feed Vapor Produc Lqud Produ - - Overall - - Molar flow kmol/h.0000 0.0356 0.9644 Mass flow kg/h 54.8968.8823 53.045 Temp K 00.0000 320.0000 320.0000 Pres bar 8.0000 8.0000 8.0000 Vapor mole fracton 0.0000.000 0.0000 Enth MJ/h -66.77-4.3367-37.72 Heatng values (60 F) Gross J/kmol 2.722E+009 2.626E+009 2.726E+009 Net J/kmol 2.5E+009 2.42E+009 2.54E+009 Average mol wt 54.8968 52.8252 54.9733 Actual vol m3/h 0.0743 0.0992 0.035 Std lq m3/h 0.099 0.0034 0.0956 Std vap 0 C m3/h 22.436 0.7987 2.650 Component mole fractons Propane 0.230000 0.377689 0.224543 I-Butane 0.670000 0.557528 0.67456 N-Butane 0.00000 0.064784 0.030