BAB III EACA ZAT DALAM SISTIM YAG MELIBATKA EAKSI KIMIA Pada Bab II telah dibaha neraca zat dalam yang melibatkan atu atau multi unit tanpa reaki. Pada Bab ini akan dibaha neraca zat yang melibatkan reaki kimia. eraca maa yang melibatkan reaki kimia akan membaha tranformai rumu kimia yang ditulikan dalam peramaanperamaan reaki tokiometi. Aza yang digunakan dalam peneracaan ini adalah hukum Dalton dan konep molekul Avogadro. Konep Dalton memberikan logika daar bahwa zatzat yang bergabung ecara kimia akan menghailkan produk dengan perbandingan yang ama. Sedangkan Avogadro menyatakan bahwa etiap unur yang terlibat dalam reaki akan kekal. Aplikai kedua hukum ini dalam perhitungan reaki kimia dikenal ebagai peramaanperamaan reaki tokiometri. Peramaan tokiometri angat penting dalam membangun neraca zat yang melibatkan reaki kimia.. eracaneraca Zat dengan eaki Kimia Tunggal Prinip kekekalan maa menyatakan bahwa dalam item tunak terbuka, laju maa (mol) umpan dan an etiap unur dalam item haru eimbang tanpa memperhatikan apakah ada atau tidak ada reaki kimia. Walaupun demikian, pada proe yang melibatkan reaki kimia, ada penyuunan kembali atomatom atau molekulmolekul untuk membentuk berbagai enyawaenyawa molekul yang berbeda. Jadi dalam reaki kimia ada zat yang beraki akan berkurang dan zat yang dihailkan akan bertambah. Jadi neraca maa zat : Laju molar zat laju molar zat adalah tidak elalu benar apabila melibatkan uatu reaki. Perbedaan antara laju umpan dan an ( ) merupakan laju produki molar zat iaitu: () Atau F F M Dimana: M adalah berat molekul zat Contoh. Dalam proe pembuatan amonia melalui reaki + H, 0 mol/jam dan mol/jam dikan ke dalam reaktor katalitik ehingga menghailkan 8 mol/jam, 8 mol/jam dan ia 8 mol/jam H. Dari definii di ata, laju produki etiap zat adalah: H H () H 8 0 8 mol/jam () 8 mol/jam H H () H 8 0 mol/jam Tanda () menunjukkan laju reaktan yang dihabikan, edangkan produk H mempunyai laju poitif. Laju produki zat yang melibatkan reaki kimia dapat ditulikan:
+. atau F F + M. Jadi ada atu tambahan variabel dalam perhitungan neraca zat iaitu laju produki. Laju produki dan pengurangan pereaki meti emuanya ebanding dengan alah atu zat yang terlibat dalam reaki. Perbandingan itu ditentukan dari koefiien tokiometri dari peramaan reaki. Contoh:. Dari reaki tokiometri untuk pembuatan amonia: + H Maka dapat dibuat perbandingan: H H H H Dari contoh. diketahui laju, dan H maingmaing, 0 dan 0 mol/jam, laju produki mol/jam, maka H ( ) 8 mol/jam H ( ) mol/jam Akibatnya dapat dibuat neraca bahan: H H H H + + + H H 0 + 8 8 mol / jam 8 mol / jam 0 8 mol / jam Dapat diimpulkan bahwa dengan adanya reaki kimia tunggal yang melibatkan zat kimia, laju produki ebarang atu zat merupakan data yang menentukan laju produki zat lain (). Dalam hal ini, neraca maa akan mencakup atu variabel beba tambahan iaitu laju produki zat acuan yang dipilih... Konep Laju eaki Mekipun perumuan peramaan neraca laju produki zat acuan merupakan pendekatan yang terbaik, perlu mendefiniikan ukuran laju produki yang diperoleh melalui reaki. Contoh. Seperti pada contoh., dari peramaan reaki kimia diperoleh: H H Hubungan ini dapat dituli eperti: H H Bentuk ini merupakan laju produki H dibagi dengan koefiien tokiometrinya dan laju pengurangan reaktan dan dibagi dengan koefiien maingmaing adalah kontan untuk etiap zat. Bila σ merupakan koefiien tokiometri zat dalam reaki kimia dengan tanda negatif untuk reaktan dan poitif untuk produk. Laju reaki r untuk reaki kimia didefiniikan:
r /σ dimana,,,., S dari definii, laju produki zat yang terlibat dalam reaki dapat diperoleh dengan mengkalikan laju reaki dengan koefiien tokiometri zat, dalam hal ini: σ r dimana,,,., S Selanjutnya, mengikut pada peramaan nerca mol zat peramaan. dapat dituli menjadi: + σ r dimana,,,., S (.) Dan dari neraca maa zat (.) dapat dituli: F F + σ M r dimana,,,., S (.) Jadi dalam perhitungan neraca zat akan menambah atu variabel baru iaitu laju reaki r. Contoh. Lihat kembali contoh.. Ada ebanyak, 0 dan 0 mol/jam, maingmaing untuk, dan H diumpan ke reaktor dimana amonia dihailkan menurut reaki: + H Bila laju 8 mol/jam, hitung laju zat lainnya. Penyeleaian: Dari reaki kimia untuk reaktan dan produk diperoleh: σ σ H σ H eraca zat adalah: H H + ( ) r r 8 + ( ) r 0 r + r 0 + r Dari neraca pertama diperoleh: r mol/jam Jadi untuk dua neraca berikutnya dapat diperoleh: H H 0 + ( ()) 8 mol/jam 0 + () 8 mol / jam Dari contoh di ata dapat diperoleh bahwa harga numerik laju reaki, mekipun TTSL pada reaki etiap zat, namun TSL pada harga numerik koefiien tokiometri reaki. Semua koefiien tokiometri dapat dikalikan atau dibagikan dengan berbagai faktor embarang tanpa mempengaruh ketepatan tokiometri reaki. Contoh.. Ulangi perhitungan contoh. tetapi reaki ditulikan eperti berikut: ½ + / H Penyeleaian: Pada kau ini, σ / σ H / σ H Maka peramaan neraca zat menjadi:
8 H H + ( / )r 0 + ( / )r 0 + ( + )r Dari neraca diperoleh: r 8 mol/jam ( kali harga r contoh.) Mekipun demikian emua laju zat lainnya tidak berubah. H H 0 + (( / )()) 8 mol/jam 0 + (8) 8 mol / jam Jadi mekipun harga r tergantung pada harga koefiien tokiometri, laju an tidak berubah karena harganya hanya tergantung pada perbandingan koefiien tokiometri. Dari peramaan. dan. dapat dicatat bahwa laju reaki r umumnya berperan ebagai variabel intermedit dalam perhitungan. Umumnya laju alir atau uatu zat ditentukan, kemudian dengan menggunakan neraca zat laju alir r dapat dihitung. Setelah r diketahui, dan dengan mengetahui alah atu laju atau, laju alir yang tak diketahui dapat dihitung.... Konveri dan eaktan Pembata Untuk mengukur keempurnaan reaki kimia digunakan konveri fraki atau konveri uatu zat. Konveri reaktan yang dinyatakan dalam adalah fraki reaktan yang berkurang yang dapat dirumukan: Konveri uatu zat merupakan hubungan antara laju alir dan zat. Hubungan ini dapat digunakan untuk menghitung laju reaki. σ r dan dari defenii konveri zat diperoleh: etelah diubitui dengan peramaan di ata diperoleh: r Jadi, bila konveri uatu komponen diketahui, laju reaki dapat dihitung dan perhitungan neraca bahan dapat dieleaikan dengan laju terebut. (.) Contoh.6 Proe modern untuk menghailkan aam nitrat didaarkan pada koidai amonia melalui reaki Haber. Tahap pertama rekai adalah okidai H pada katali Pt untuk menghailkan O H + O O + 6 O Pada kondii tertentu, dengan laju umpan 0 mol/jam H dan 60 mol/jam O diperoleh konveri H ebear 90%. Hitung laju maingmaing komponen dari reaktor. Penyeleaian:
σ H σ O σ O + σ HO +6 Dari peramaan., r H H H 0(0,9) ( ) 9 mol / jam Dengan harga laju reaki ini, emua laju dapat dihitung dari peramaan neraca zat: H O O O H O O O r 0 (9) mol / jam r 60 (9) mol/jam + r 0 + (9) 6 mol/jam + 6r 0 + 6(9) mol / jam Konveri fraki elalu diberikan dalam fraki poitif mengikut: > 0 Dengan demikian konveri hanya untuk reaktan. Konveri diperoleh dari hubungan antara laju alir dan zat, dan haru didaarkan pada reaktan tertentu. Bila konveri tidak diebut reaktan tertentu, maka konveri didaarkan pada pada reaktan pembata. eaktan pembata adalah reaktan yang terlebih dahulu habi dengan berlangungnya reaki. Tinjau + σ r Dimana adalah reaktan, σ < 0. eaki akan eleai berlangung apabila laju reaki dapat dituli: r 0, ehingga harga Setiap reaktan mempunyai ciri harga r makin habi. Untuk reaktan yang paling kecil, ciri laju reaki r akan habi ehingga tak diperoleh lagi reaktan terebut. eaktan dengan harga merupakan reaktan pembata. umu ederhana dapat ditentukan reaktan pembata. / σ paling kecil Contoh.7. Tinjau reaki pada contoh.6 dan anggap konveri 80% diperoleh dengan campuran molar ama antara amonia dan okigen umpan pada laju 00 mol/jam. Hitung laju emua zat. Penyeleaian: Konveri tidak didaarkan pada alah atu reaktan, jadi haru didaarkan pada reaktan pembata. eaktan mempunyai molar yang ama: H 0 mol / jam dan O H H 0 > 0 O O 0 mol / Jadi okigen merupakan reaktan pembata. Dari peramaan., laju reaki dapat dituli: O r O O 0,8(0) eraca bahan zat dapat dituli: 8 mol/jam jam
6 6 H O O HO 0 (8) 8 mol / jam 0 (8) 0 mol/jam 0 + (8) mol/jam 0 + 6(8) 8 mol / jam.. Analia Derajat Kebebaan Untuk zat yang tak ikut bereaki (σ 0) dapat dituli neraca bahan maingmaing. Selanjutnya emua neraca zat S dapat dijumlahkan untuk menghailkan neraca total. eraca mol: + r σ eraca maa: F F + r σ M Ada ebanyak S neraca yang TTSL dari S+ peramaan, yaitu ama dengan jumlah zat. Jumlah variabel neraca bahan terdiri dari jumlah banyaknya zat dan ditambah zat yang ada karena reaki kimia, ditambah variabel baru yaitu laju reaki. Jumlah variabel alur terpeifikai dan hubungannya ama dengan perhitungan dalam Bab II, pada bab ini ada hubungan baru yaitu konveri. Contoh.8 Campuran tokiometri (7% dan % ) untuk intea amonia dibuat dengan mencampur ga producer (78%, 0% dan % ) dan water ga (0% dan 0% ). diiihkan dengan mereakikan campuran ga dengan uap untuk membentuk dan melalui reaki : + O + kemudian diiihkan oleh pencucian dengan aborbent yang euai. Anggap emua kompoii adalam % mol, dan uap yang ditambah tidak berlebih untuk merubah, hitung perbandingan alur ga producer dan ga water yang boleh dicampurkan. Penyeleaian: 78% 0% 0% 7% O Dari diagram alir dapat dilihat ada 9 variabel alur dan laju reaki. Sitem mempunyai zat, zat terpeifikai, ehingga dapat dituli neraca TTSL dan kompoii yang terpeifikai. Bila dipilih atu bai, maka derjat kebebaan item adalah: 0 0. Jadi item terpeifikai dengan tepat. Pada reaki ini terkonveri empurna yang berarti tak ada dalam alur produk.
7 σ 0; σ ; σ HO ; σ +; σ H + eraca bahan zat dapat dituli: 0 0, + 0, r O 0 r 0,0 + r 0,7 0, + r Pilih bai 00 mol/jam untuk alur, maka neraca diperoleh: mol/jam Eleminai r dengan cara menjumlahkan neraca dan diperoleh: 0,7() 0,(00) 0 mol/jam Hitung harga r dari neraca : r 0,(00) + 0,() 7 mol/jam Dari neraca O dan dapat dihitung laju pada alur dan : 7 mol/jam dan + 7 9 mol/jam Analia derajat kebebaan dapat juga dilakukan pada item reaki yang melibatkan multi unit. Seperti analia pada tanpa reaki, neraca bahan dapat dibuat untuk maingmaing unit dan keeluruhan proe. Perbedaan utama adalah bila ada atu unit dalam proe adalah reaktor, ketika membuat neraca keeluruhan proe dianggap proe keeluruhan merupakan ebuah reaktor. Laju keeluruhan haru diperhitungkan ebagai variabel. Contoh.9 Untuk mematikan konveri yang empurna agar keracunan katali dapat dihindari, reaki hift 7 + O + Dilakanakan pada dua buah reaktor unggun yang terpiah dengan katali yang berbeda. eaktor pertama, menggunakan katali yang murah, dan reaktor kedua lebih mahal tetapi dapat dengan empurna mengkonveri ia dari reaktor pertama. Pada proe ini ga umpan producer dan ga water mempunyai kompoii yang ama dengan contoh.8 direakikan dengan uap untuk menghailkan alur produk yang mengandung dan dengan perbandingan :. Bila laju alir uap diatur ehingga dua kali laju ga kering total dan bila konveri 80% terjadi pada reaktor pertama, hitung kompoii alur intermedit. Penyeleaian: 78% 0% 0% dengan demikian keeluruhan proe haru melibatkan kedua variabel terebut. Dalam mengkaji neraca keeluruhan, keeluruhan item dipandang ebagai reaktor tunggal dimana reaki hift terjadi ehingga neraca keeluruhan hanya mengandung atu laju reaki terlibat. O Penentuan derajat kebebaan H itim O Pada reaktor dan terdapat reaki hift, Oehingga untuk maingmaing reaktor terlibat laju reaki,
8 Tabel derajat kebebaan Jumlah eaktor eaktor Proe er. Keel Variabel eraca Kompoii Hubungan Kelebihan O Konveri : Der. kebebaan Bai perhitungan 0 0 6 7 0 6 0 0 0 8 Berdaarkan tabel derajat bebebaan, maka perhitungan dimulai dari neraca mol keeluruhan dengan memilih bai 00 mol/jam pada alur eraca keeluruhan untuk: O Hubungan: : 0,78(00) 78 mol/jam 0 0,(00) + 0, r HO r 0,0(00) + r H 0, + r H (78) mol/jam Perb. Uap ( + ) Bila neraca dan ditambahkan untuk menghilangkan r, maka dapat diperoleh : 0 mol/jam Subitui hail ini ke neraca, ehingga diperoleh: 0 + 07 7 mol/jam Harga dihitung dari perbandingan uap: (00 + ) 68 mol/jam Akhirnya neraca dan O memberikan: 9 mol/jam HO 68 7 0 mol/jam Perhitungan diata hanya untuk neraca keeluruhan. eraca reaktor dan ekarang dapat digunakan untuk menyeleaikan alur yang tak diketahui (alur ). Dari tabel derajat kebebaan diketahui derjat kebebaan reaktor adalah. Bila diketahui laju alir ebanyak dua dari tiga alur, dan diketahui, neraca di reaktor akan terpeifikai. Diamping itu derajat kebebaan reaktor adalah, apabila tiga variabel alur diketahui dan atu variabel tambahan alur, maka neraca reaktor dapat terpeifikai. Dari neraca keeluruhan telah diperoleh laju alir alur,, dan, maka kompoii pada alur juga
9 dapat dihitung. Jadi derjat kebebaan reaktor dikurangi menjadi, dan reaktor menjadi 0. Jela neraca reaktor haru digunakan untuk menyeleaikan peroalan. Pada reaktor dapat dihitung laju reaki dengan menggunakan konveri. r 0,8[0,(00) + 0,()] 0,6 mol/jam Dari harga r ini dapat dihitung kompoii di alur dari neraca zat. O 0,78(00) 78 mol/jam 7 r, mol/jam HO 68 0,6 6, mol/jam + r 0,6 mol/jam H 07 + r 08,6 mol/jam Kompoii aliran (fraki mol) adalah: (,, O,, ) ( 0,08; 0,07; 0,9; 0,0; 0,) Dari perhitungan diata dapat dilihat bahwa laju reaki pada reaktor dapat dihitung iaitu: r r keeluruhan r reaktor 7 0,6, mol/jam Bila dalam uatu itim yang terdiri dari beberapa unit, terdapat atu reaki yang ama dalam beberapa unit, maka laju reaki keeluruhan merupakan jumlah laju reaki pada maingmaing unit. 9 Contoh.0 Dalam uatu item daur ulang tertutup eperti yang digambarkan pada contoh., dan O dari repirai dan urin diproe untuk diguna kembali eperti gambar berikut. Umpan makanan diwakili oleh C menurut reaki: C + / O + O Produk repirai dipiahkan dengan mengkondenai O, dan ga ia mengandung perbanding terhadap ekitar : 00, kedua ga ini direakikan untuk menghailkan air menurut reaki: + CH + O O dialirkan ke el elektrolia ehingga dihailkan dan O : O + ½ O Untuk mempertahankan atmofere kabin normal, dicampur dengan O untuk memperoleh umpan air kabin % O. Anggap organime memerlukan 7, mol O per mol C untuk metabolime, dan 0 % O yang diproduki oleh okidai makanan diambil kembali dari urine, tentukan emua aliran dan kompoii dalam itim berdaarkan mol/hari C. Penyeleaian: eaktor Kondenor Metabolime Sabatier dan eparator CH C O O 6 Sel elektrolia
0 0 C 9 O % O O O O 0 7 O Makeup O 8 Pada peroalan ini ada reaktor dengan tiga reaki yang berbeda, ehingga dalam analia derajat kebebaan haru ditambahkan atu variabel. Tabel analia derajat kebebaan Jumlah Metabo Konde Elektro eaktor Mixer Mixer Proe Vriabel lima 8+ nor 9 lia + 7+ 6 + eraca 0 Kompoii Hubungan : O :C Pembagian O Der. Kebebaan Bai 0 0 Variabel laju reaki dipiahkan dengan notai + untuk menekankan perbedaan dari variabel tanpa reaki. Dari tabel derajat kebebaan dapat dilihat perhitungan dapat dimulai dari unit metabolime dengan cara memilih atu bai perhitungan.