NERACA MASSA DAN ENERGI
DISUSUN OLEH: Ir. Sri Wuryanti, MSi
JURUSAN TEKNIK KONVERSI ENERGI POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2016
KATA PENGANTAR
Buku ini penulis susun berhubungan dengan pencapaian tujuan kurikulum baru yang akan diarahkan pada aplikasi ilmu Neraca Massa dan Energi pada alat-alat yang ada di Industri. Didalam buku ini akan mempelajari mengenai Dasa-Dasar Perhitungan Neraca Massa dan Neraca Energi, Neraca Massa, Neraca Energi dan Penerapan Neraca Massa dan Neraca Energi Pada Suatu Sistem. Dengan buku ini diharapkan mahasiswa semakin mahir dalam menghitung Neraca Massa dan Neraca Energi pada system – system peralatan yang ada di Industri. Demikian buku ini disusun dengan harapan bisa memenuhi pencapaian tujuan kurikulum dan bermanfaat bagi mahasiswa di Jurusan Teknik Konversi Energi.
Bandung
Penulis
DAFTAR ISI
Prakata Daftar Isi Daftar Gambar Daftar Tabel BAB I Dasar-Dasar Perhitungan Neraca Massa dan Neraca Energi 1.1 Satuan dan Dimensi 1.2 Konversi Satuan 1.3 Basis Perhitungan 1.4 Sifat-sifat Fisika dan Kimia 1.4.1 Campuran Gas-gas 1.4.2 HukumDalton 1.4.3 Hukum Amagat 1.4.4 Perubahan Volume Komponen Komposisi 1.4.5 Metode Volume Komponen Murni 1.4.6 Metode Tekanan Partiil 1.4.7 Gas-gas dalam Reaksi Kimia 1.4.8 Gas Ideal 1.4.9 Gas Nyata 1.4.10 Tekanan Uap 1.4.11 Perubahan Tekanan Uap dengan Suhu 1.4.12 Critical Properties 1.4.13 Penguapan dengan Steam Lewat Jenuh 1.4.14 Estimasi Critical Properties Bahan-bahan Organik 1.4.15 Tekanan kritis dan Tekanan Uap Zat-zat Organik 1.4.16 Tekanan Uap dari Zat-zat lain yang tidak tercampur 1.5 Soal-Soal BAB II Neraca Massa 2.1 Pengertian Neraca Massa 2.2 Persamaan dan Stokiometri Kimia 2.2.1 Penulisan Persamaan Reaksi dan Koefisien Reaksi 2.2.2 Istilah-istilah dalam Reaksi Kimia 2.2.3 Pembakaran Bahan Bakar 2.3 Neraca Massa dengan Penyelesaian Langsung 2.4 Neraca Massa dengan Reaksi Kimia 2.5 Neraca Massa dengan Proses Recycle 2.6 Neraca Massa dengan Aliran Purge
Hal i ii iv v 1 1 2 5 5 6 6 6 7 7 8 9 11 12 13 13 14 15 16 16 17 18 21 21 23 23 23 23 24 25 26 28
BAB III
2.7 Neraca Massa dengan By Pass 2.8 Soal-Soal Neraca Energi 3.1 Konsep Makro Neraca Energi 3.2 Kapasitas Panas dan Perubahan Entalpi 3.2.1 Kapasitas Panas 3.2.2 Entalpi 3.2.3 Panas Pembentukan 3.2.4 Panas Pembakaran 3.3 Persamaan Neraca Energi 3.4 Neraca Energi Secara Umum 3.5 Neraca Energi dengan Perubahan Fasa dan Panas Proses 3.5.1 Neraca Energi dengan Reaksi Kimia 3.5.2 Neraca Energi disertai Perubahan Fasa 3.6 Neraca Energi Mekanik 3.7 Neraca Energi dengan Fluida Steam 3.8 Neraca Energi pada Reaktor 3.8.1 Temperatur Nyala Adiabatik 3.8.2 Pengaruh Temperatur pada Panas Reaksi 3.9 Neraca Energi dengan Perhitungan Net Heating Value dan Gross Heating Value 3.10 Soal-Soal
Daftar Pustaka Lampiran
29 30 31 31 32 32 38 39 42 42 42 43 43 43 44 46 47 47 49 53 54 57 58
DAFTAR GAMBAR
Hal
Gambar 2.1 Gambar 2.2 Gambar 2.3 Gambar 2.4 Gambar 3.1 Gambar 3.2 Gambar 3.3 Gambar 3.4
Diagram Neraca Massa Diagram Proses Aliran Recycle Diagram Proses Aliran Purge Diagram Proses Aliran by Pass Skema Proses pada Sistem Batch Skema Proses pada Sistem Alir Grafik kapasitas panas zat cair Skema panas reaksi
21 27 28 29 31 32 36 49
DAFTAR TABEL
Tabel 1.1 Tabel 1.2 Tabel 1.3 Tabel 3.1 Tabel 3.2 Tabel 3.3 Tabel 3.4 Tabel 3.5 Tabel 3.6
Satuan dan symbol Sistem satuan Perbedaan gas ideal dengan gas nyata Harga Cp zat padat Harga kapasitas panas zat padat Harga Cp zat cair organic Harga Cp gas inorganic Harga Cp gas organic Panas pembentukan dan panas pembakaran
Hal 1 2 12 33 34 35 37 38 40
BAB I DASAR-DASAR PERHITUNGAN NERACA MASSA DAN ENERGI Tujuan Umum: Untuk memahami dasar-dasar di dalam menghitung neraca massa dan energi. Tujuan Khusus: - Mengerti dan dapat menerapkan besaran atau satuan pada suatu dimensi. - Dapat mengkonversi satuan dari suatu sistem unit ke sistem unit lain. - Dapat menentukan basis perhitungan yang tepat, sehingga mempermudah tahap perhitungan selanjutnya. - Mengenal berbagai sifat fluida sehngga mampu menyelesaikan berbagai kasus meskipun menggunakan fluida yang berbeda. 1.1 Satuan dan Dimensi Dimensi adalah cara menyatakan dimensi-dimensi tersebut seperti feet dan centimeter untuk panjang, jam, dan detik untuk waktu. Memberikan satuan pada besaran-besaran yang pada dasarnya bukan tak bersatuan adala penting sekali. Keuntungannya adalah sebagai berikut: a. Menghilangkan kemungkinan membolak-balik dari perhitungan. b. Membuat perhitungan menjadi mudah. c. Mengurangi atau menghemat waktu dalam penyelesaian suatu problem. d. Memungkinkan untuk memehami persoalan secara logis, bukan dengan cara mengingat rumus dan memasukkan besaran-besaran pada rumus tersebut. e. Menunjukkan arti fisis dari besaran yang digunakan. Aturan untuk memakai unit-unit tersebut sangat sederhana, yaitu perlakuan unit-unit sebagaimana symbol-simbol aljabar. Misalnya satuan-satuan yang berlainan tak boleh ditambah, dikurang, dibagi, atau dikalikan. Yang bisa adalah satuan-satuan yang sama. Tabel 1.1 Satuan dan Simbol Besaran Simbol Massa m Panjang L Waktu t Kecepatan c Gaya F Energi E Daya P Volume V Mol, Fraksi mol x,y
Definisi C = lt F = ft P = W/t -
Satuan g cm detik m/detik dyne erg cc -
kg m -
lb ft -
Newton Joule Watt m3 -
Cuft -
-
Lanjutan table 1.1 Density ρ g/cc lb/cuft o Kapasitas panas Cp Cal/gmol C Entalpi H Cal/gmol Temperatur T C,F,R,K * Spesifik Gravity S Latihan Soal: Tambahkan unit satuan berikut! a. 1 feet + 3 detik b. 1 hp + 300 Watt Penyelesaian: Operasi 1 feet + 3 detik tak mempunyai arti apa-apa, karena dimensi dari kedua besaran ini tidak sama. Satu feet adalah dimensi panjang dan 3 detik adalah dimensi waktu. Untuk 1 hp + 300 Watt, dimensi dari kedua besaran ini sama (yaitu energy persatai waktu) tapi satuannya sama sebelum operasi penambahan dilakukan. Karena 1 hp = 745,7 Watt, maka: 2 hp + 300 Watt = 745,7 Watt + 300 Watt = 1045,7 Watt.
a. b. c. d.
1.2 Konversi Satuan Untuk menyelesaikan suatu perhitungan akan banyak membuang waktu dalam merubah suatu sistem unit kedalam sistem unit lain. Oleh karena itu perlu suatu cara yang sistematis untuk merubah sistem-sitem tersebut sehingga menghemat waktu dan memperkecil kesalahan. Setelah kita menyelesaikan suatu perhitungan-perhitungan dengan lengkap, kita harus meneliti apakah kita telah memakai unit-unit yang sama (kosisten). Konversi dari unit-unit dengan mudah sekali dikerjakan dengan menjadikan suatu bilangan yang akan kita ubah dengan suatu unit rasio yang sesuai. Jadi cara perhitungan konversi satuan adalah: Mengetahui factor konversi antar satuan. Menggunakan prinsip manipulasi besaran yang berdimensi. Pembagian besaran dengan satuan yang sama menghasilkan besaran tak berdimensi. Perkalian antar satuan dimensi yang sama menghasilkan satuan berpangkat. Latihan Soal: Ubahlah 400 in3/hari menjadi cm3/menit Penyelesaian: 400 in3 (2,54)3 cm3 1 hari 1 jam = 4,56 cm3/menit Hari 1 in3 24 jam 60 menit Latihan Soal: Apakah satuan dari konstanta gas R dalam persamaan ideal pV = n R T? Penyelesaian: pV R= nT
maka satuan R adalah: (atm)(liter) atau (mmHg)(ft3) (gmol)(oC) (lbmol)( R) Sesudah diatas kita bicarakan satuan dan pemahamannya, maka sekarang akan kita bahas mengenai macam-macam sistem satuan. Sistem-sistem yang paling umum dipakai dapat dilihat pada table 1.2. Tabel 1.2 Sistem Satuan Panjang Absolute System c.g.s cm kalori E.p.s (foot,lb,sec.) atau ft English Absolute Gravitional System British ft Engineering American Engineering ft hp-hr
Waktu sec.
Massa gram
Gaya dyne
Energi erg, Joule, ft Poundal
sec.
lb
poundal
sec.
slug
Pound Weight
sec.
Pound (lbm) Pound (lbf)
Btu-ft-lb ft-lbf,Btu,
Pada c.g.s, f.p.s dan bentuk Engineering System hanya ada tiga satuan dasar. Sedang American System Engineering System, mempunyai empat satuan dasar. Akibatnya system ini diperlukan pemakaian factor konversi, agar unit-unit ini dapat sesuai. Untuk lebih jelasnya adalah sebagai berikut: Hukum Newton: F=Cxmxa (1.1) Dimana: F = gaya m = massa a = percepatan C = konstanta yang harganya dan satuannya tergantung pada satuan F, m dan a Dalam c.g.s sytem, satuan gaya didefinisikan sbb.: 1 g x 1 cm 1 dyne = 1 dyne =C 2 2 1 sec (g)(cm)/sec Dalam f.p.s system, satuan didefinisikan sebagai: 1ft x 1 lbm poundal = 1 Poundal =C 1 sec2 (slug)(ft)/sec2 Dalam British Engineering System, satuan massa didefinisikan sebagai:
1 lb weight 2
-
1 lb weight = 1 slug
2
=C
1 ft/sec (slug)(ft)/sec 1 slug = massa dari berat 1 lb – weight di dalam medan gravitasi bumi yang dipercepat dengan rate 1 ft/sec2. 1 lb mass x percepatan gravitasi bumi 32,2 ft/sec 2 juga sama denga 1 lb weight, sehinga 1 slug adalah 32,2 x 1 lbmass Dalam American Engineering System: 1 lbm x g ft/sec2 x C = 1 lbf TEMPERATUR Faktor Konversi: Kelvin Celcius 0 -271 273 0 373 100 Skala ∆oC = ∆ K ∆oC/∆oF = 1,8 ∆oF = ∆ R
Fahrenheit -460 32 212
Rankine 0 460 672
T K = ToC + 273 T R = ToF + 460
TEKANAN 1 atm = 1,013 x 105 Pa 1 Pascal = 1 N/m2 = 33,91 ft H2O = 14,7 psia = 29,92 mHg = 760 mmHg Absolute Pressure = Barometer Pressure + Gauge Pressure Tekanan Gauge: pernyataan tekanan di hitung mulai setelah barometer atau suatu tekanan pembanding lainnya. Tekanan Absolute 2 atm = 142 cmHg 1 atm = 76 0 atm = 0
Tekanan Gauge 76 cmHg 0 cmHg - 76 cmHg
Tekanan Volume 0 76
Mol Unit Mol unit biasa berbentuk gram mole (gmol), pound mole (lbmol) yang dirumuskan sbb: Massa dalam gram Gram mole = Berat molekul Massa dalam pound Pound mole = Berat molekul
1.3 Basis Perhitungan Untuk menyelesaikan perhitungan-perhitungan dalam neraca massa dan energy diperlukan suatu basis atau patokan yaitu suatu pemilihan reference untuk mempermudah penyelesaiannya. Biasanya dinyatakan pada salah satu bahan masuk atau bahan yang keluar. Basis bias berupa periode waktu (jam, menit, atau detik) atau beupa massa suatu bahan misalnya pound, gram, kg mole dsb. Untuk lebih mempermudah biasanya diambil unit basis 1 atau 100 lb, 1 lbmole, jam, cuft dsb. Untuk zat cair dan zat padat apabila analisa massanya diketahui biasanya dipakai basis 1 atau 100 lb bahan masuk atau keluar. Untuk gas atau uap diambil 1 atau 100 lbmole atau grmole. Contoh: Gas hasil suatu proses , dianalisa mengandung 10% H 2, 40% CH4, 30% CO dan 20% CO2. Berapa BM rata-rata untuk gas tersebut? Penyelesaian: Basis 100 kgmole gas Komponen % kgmole BM kg CO2 20 44 880 CO 30 28 840 CH4 40 16 640 H2 10 2 20 2382 2382 BMrata-rata = = 23,82 100 kgmole 1.4 SIFAT - SIFAT FISIKA DAN KIMIA (Gas, Uap dan Zat Cair) Apabila suatu zat berada dalam bentuk gas, maka akan timbul dua macam persoalan untuk menentukan hubungan antara massa, tekanan, suhu, dan volume. Jenis pertama adalah menyangkut tiga variable yakni tekanan, suhu dan volume. Misalnya suatu volume tertentu dari suatu gas berada dalam suhu dan tekanan tertentu, apabila kondisinya berubah, dua dari variable dalam kondisi akhir sudah tertentu, maka diperlukan untuk menghitung variable ketiga. Jenis kedua adalah apabila massa dari zat yang ada dalam bentuk gas dengan kondisi dua variable yang tertentu, maka variable ketiga bisa dihitung. Pada keadaan pertama, jika massa tidak diketahui, maka perhitungannya diselesaikan dengan hukum gas ideal, yakni: PV = nRT (1.2a) Untuk n mole gas pada kondisi P1, V1, T1 dan P2, V2, T2 Maka: P1 x V1 = n RT1 dan P2 x V2 = n RT2 Atau P1 x V1 = T1 (1.2b) P2 x V2 =T2
Persamaan ke (1.2) dapat digunakan untuk setiap gas dengan anggapan gas tersebut mengikuti hukum gas ideal dan dinyatakan pada kondisi standart. 1.4.1 Campuran Gas-Gas Di dalam campuran gas-gas dikenal dua istilah penting, yakni: a. Teknanan Partiil Adalah tekanan yang akan terjadi oleh komponen gas tersebut apabila berada sendiri pada volume dan suhu yang sama dalam campuran. b. Volume Komponen Murni Adalah volume yang akan ditempati oleh komponen gas tersebut apabila berada sendiri pada tekanan dan suhu yang sama dalam campuran. 1.4.2 Hukum Dalton Penyataan Hukum Dalton adalah: Tekanan total yang terjadi pada campuran gas-gas adalah sama dengan jumlah tekanan –tekanan partiilnya atau dirumuskan sebagai berikut: Ptotal = PA + PB + PC +…………. (1.3) 1.4.3 Hukum Amagat Pernyataan Hukum Amagat adalah: Total volume yang ditempati oleh campuran gas adalah sama dengan jumlah volume-volume komponennya atau dirumuskan sebagai berikut: Vtotal = VA + VB + VC +………. (1.4) Jika Hukum gas ideal berlaku, maka persamaannya adalah: nA RT PA = V (1.5) Dimana: V = total volume dari campuran nA = jumlah mole komponen A murni dalam campuran dari persamaan (1.3) dan (1.5) diperoleh: Ptotal=(nA+ nB + nC+……
)RT V Persamaan (1.5) dan (1.6) diperoleh; nA PA = P = NA x Ptotal (nA + nB + nC +………..) Dimana:
(1.6)
(1.7)
NA = mole fraksi komponen A
Jika hukum gas ideal berlaku, maka tekanan partial suatu komponen dari suatu campuran adalah sama dengan hasil kali tekanan total dan jumlah mole dari komponen tersebut untuk setiap volume komponen murni:
P (VA + VB + VC +…………..) = (nA + nB + nC +………..)RT
(1.8)
1.4.4 Perubahan Volume dengan Perubahan Komposisi Adanya perubahan volume dengan perubahan komposisi pada absorbsi gas, pengeringan dan beberapa jenis penguapan menyangkut perubahan komposisi dari campuran gas, kemungkinan ada tambahan dan pengeluaran sesuatu komponen. 1.4.5 Metode Volume Komponen Murni Metode volume komponen murni adalah suatu perhitungan dengan cara penggunaan volume komponen murni, dimana volume dari setiap komponen ideal dapat diperoleh dengan menambahkan volume komponen murni dari komponen-komponennya, serta perhitungan suatu komponen dari campurannya yang akan mengurangi volume total dari komponen murninya. Untuk syarat tersebut harus dipenuhi semua volume yang akan ditambahkan atau dikurangi dinyatakan pada tekanan dan temperature yang sama. Untuk proses yang menangani perubahan temperature, tekanan dan komposisi dilakukan dengan dua tahap, yakni tahap pertama menghitung perubahan komposisi pada temperature dan tekanan awal. Kemudian untuk perhitungan seluruhnya harus didasarkan pada sejumlah tertentu komponen yang melalui proses tanpa perubahan massa.
a. b. c.
a.
Latihan Soal: Kolom absorbsi yang menyerap HCL 96%. Gas masuk system pada suhu 125oF. Untuk membuat HCL, dihasilkan produk yang mengandung gas 30% HCL dan udara 70% (% volume). Kemudian gas dialirkan ke dalam kolom absorbsi yang menyerap HCL 96%. Gas masuk system pada suhu 125oF dan tekanan 740 mmHg, keluar pada suhu 80oF dan tekanan 735 mmHg. Hitung: Volume gas yang meninggalkan kolom absorber/100 ft 3 masuk kolom % komposisi (% Volume) dari gas-gas keluar kolom Massa HCL yang diserap/100 ft3 gas masuk kolom Penyelesaian: Basis: 100ft3 gas masuk (740,125oF) mengandung 70 ft3 udara yang tidak akan berubah jumlahnya Volume komponen murni HCL = 30 ft3 Volume komponen murni HCL yang diserap = 96 % x 30 ft 3 = 28,8 ft3 Volume komponen murni HCL sisa = (30 – 28,8) ft3 = 1,2 ft3 Volume gas sisa = (70 + 1,2) ft3 = 71,2 ft3 (740 mmHg, 125oF) Volume gas yang meninggalkan kolom absorbsi 740 (P1) 540 (T2) V2 = 71,2 (V1) x x 735 (P2) 585 (T1) = 66,17 ft3 ((735 mmHg, 80oF) b. Kompsisi gas-gas yang keluar kolom
1,2 ft3 -
HCL =
3
x 100% = 1,68%
71,2 ft - Udara = (100 – 1,68)% = 98,32% c. Massa HCL yang diserap: Volume HCL yang diserap pada STP 740 492 V2 = 28,8 x x = 23,58 ft3 760 585 23,58 Massa HCL yang diserap = = 0,0657 lbmole = 2.398 lb 359 1.4.6 Metode Tekanan Partiil Untuk jenis-jenis tertentu, terutama yang terdapat pada uap-uap kondensibel, sebaiknya komposisi campuran gas-gas dinyatakan dalam tekanan partial untuk berbagai komponen. Jadi penyelesaiannya hanya menganggap perubahan tekanan adalah hasil dari perubahan komposisi. Pengurangan atau penambahan suatu komponen dalam campuran dianggap sebagai perubahan partial dari semua komponen lainnya. Volume actual tiap-tiap komponen tersebut selalu sama dengan volume seluruh campurannya, sehingga volume campuran dapat ditentukan dengan memakai hukum gas ideal untuk setiap komponen yang melewati proses yang tidak berubah jumlahnya dan tekanan partial diketahui pada kondisi awal dan akhir. Latihan soal: Pembuatan Calsium Hipoclorid dengan cara mengabsorbsi Clorine dalam cairan kapur. Gas Clorine yang dihasilkan dari proses Deacon masuk ke alat absorbsi pada tekanan 742 mmHg dan suhu 77oF. Tekanan partial dari clorine 60 mmHg dan sisanya adalah gas inert. Gas keluar dari absorber pada suhu 80 oF dan tekanan 747 mmHg dengan tekanan partial Clorine = 0,5 mmHg. Hitung: a. Volume yang keluar absorber/100 ft3 b. Massa Clorine yang diserap/100 ft3 Penyelesaian: Basis: 100 ft3 gas masuk (742 mmHg, 77oF) - Tekanan partial gas inert masuk = (742 – 60) mmHg = 682 mmHg - Tekanan partial gas inert keluar = (747 – 0,5) mmHg = 746,5 mmHg - Volume actual dari gas inert masuk = 100 ft 3 682 540 - Volume actual dari gas inert keluar = 100 x x = 91,87 ft3 746,5 537 a. Volume total gas masuk (742 mmHg, 77 oF) = 100 ft3
Volume total gas keluar (747 mmHg, 80 oF) = 91,87 ft3 Volume clorine masuk pada kondisi standart 60 492 = 100 x x = 7,233 ft3 760 537 Volume clorine keluar pada kondisi standart 0,5 492 = 91,87 x x = 0,055 ft3 760 540 b. Volume clorine yang diserap pada kondisi standart (7,233 – 0,055)ft3 = 7,178 ft3 7,178 Jadi massa Clorine yang diserap =
= 0,0199 lbmole = 0,709 lb 359
1.4.7 Gas- Gas dalam Reaksi Kimia Pada dasarnya untuk reaksi atau reaksi metalurgi, mengandung gas-gas baik yang terdapat pada bahan-bahan yang direaksikan atau yang terdapat pada produk, jumlah dari gas-gas pada umumnya dinyatakan dalam satuan volume.
a. b. c. d. e.
Latihan Soal: Pembuatan HNO3 diproses dengan Metoda Oswald dengan oksidasi NH3 dan udara. Mula-mula NH3 dan udara dicampur, kemudian campurannya dialirkan melalui katalisator pada suhu 53oF. Reaksi yang terjadi adalah: 4 NH3 + 5 O2 6 H2O + 4 NO Hasil gas dari proses tersebut dialirkan kedalam kolom kemudian didinginkan dan oksidasi terjadi menurut reaksi berikut: 2 NO + O2 2 NO2 3 NO2 + H2O 2HNO3 + NO Sebagian NO yang dibebaskan dioksidasi lagi dan membentuk lebih banyak lagi HNO3. NH3 dan udara masuk proses pada suhu 53oF dan tekanan 750 mmHg. Udara awal mengandung oksigen 20% berlebihan daripada yang dibutuhkan untuk terjadi oksidasi sempurna dari NH3 dan H2O. Gas-gas yang keluar dari katalisator pada suhu 95oF dan tekanan 740 mmHg.Hitung: Volume udara yang dibutuhkan/100 ft3 NH3 yang masuk proses. Komposisi (% volume) dari gas-gas yang masuk katalisator. Komposisi (% volume) dari gas-gas yang keluar katalisator, dengan asumsi bahwa derajat kesemprnaan reaksi 80% dan tidak terjadi reaksi dekomposisi. Volume gas-gas yang meninggalkan katalisator/100 ft3 NH3 masuk proses. Massa HNO3yang dihasilkan/100 ft3 NH3 masuk proses, dengan asumsi 87 % dari NO yang masuk kolom dioksidasi menjadi HNO3.
Penyelesaian: Basis: 1 lbmole NH3 masuk proses Reaksi: NH3 + 2 O2 HNO3 + H2 O 1 ~ 2 1 ~ 1 a. O2 yang dibutuhkan = 2 lbmole (dari reaksi) O2 yang tersedia (20% berlebihan) = (100 +20)% = 120% = 1,2 O2 Yang tersedia = 2 lbmole x 1,2 = 2,4 lbmole 2,4 Udara yang tersedia =
= 11,42 lbmole 0,21
(udara 21%O2, 79% N2) Volume udara = 11,42 x (Volume NH3 pada STP) 513 760 Volume NH3 = 359 (V2) x x 492 750 3 = 379,314 ft (750 mmHg, 53oF) Volume udara = 11,42 x 379,314ft3 =4332,06 ft3 4332,06 x 100 3 Volume udara/100 ft NH3 = = 1141,999 ft3 379,314 b. Gas masuk kedalam proses N2 yang terdapat dalam udara = 0,79 x 11,42 = 9,02 lbmole Jumlah gas yang masuk kedalam proses = (11,42 + 1) lbmole = 12,42 lbmole Komposisi (% Volume) 1 NH3 = x 100% = 8,05% 12,42 2,4 O2 = x 100% = 19,33% 12,42 9,02 N2 = x 100% = 72,62% 12,42 c. Gas-gas yang meninggalkan katalisator NH3 yang dioksidasi didalam katalisator = 0,80 lbmole NH3 yang meninggalkan katalisator = 0,20 lbmole O2 yang digunakan di dalam katalisator = 5/4 x 0,8 lbmole = 1 lbmole O2 yang meninggalkan katalisator =(2,4–1) lbmole = 1,4 lbmole
NO yang terbentuk didalam katalisator = 0,80 lbmole x 4/4 = 0,8 lbmole H2O yang terbentuk didalam katalisator =6/4x0,8 lbmole = 1,2 lbmole N2 yang meninggalkan katalisator = 9,02 lbmole Total gas yang meninggalkan katalisator = (0,2 + 0,8 + 1,4 + 1,2 + 9,02) lbmole = 12,62 lbmole Komponen gas yang meninggakan katalisator 0,8 NO = x 100% = 6,34% 12,62 1,2 H2O = x 100% = 9,51% 12,62 0,2 NH3 = O2 = N2 =
x 100% = 1,59% 12,62 1,4 x 100% = 11,09% 12,62 9,02 x 100% = 71,4% 12,62 100
d.
Mole NH3 =
= 0,264 lbmole 379,314 Mole gas yang meninggalkan katalisator = 0,264 x 12,62 = 3,331 lbmole Volume gas yang meninggalkan katalisator pada kondisi STP = 3,331 x 359 = 1195,829ft3 Volume gas yang meninggalkan katalisator 760 555 =1195,829 x x = 1366,93 ft3 750 492 e. NO yang diproduksi didalam katalisator = 0,264 x 0,8 = 0,2112 lbmole NO yang dioksidasi didalam kolom = 0,2112 x 0,87 = 0,184 lbmole HNO3 yang terbentuk = 0,184 lbmole = 11,592 lb
1.4.8 Gas Ideal Hukum gas ideal hanya dapat dipakai pada kondisi suhu dan tekanan rendah yang sesuai dengan molal volume yang besar. Pada kondisi molal volume yang rendah gaya tarik menarik antara molekul-molekulnya akan menjadi besar dan volume yang dihitung memakai hukum gas ideal akan menjadi besar juga dan untuk beberapa kasus bisa jadi
volume yang dihitung 5x volume aktualnya. Hukum gas ideal masih bias dipakai pada kesalahan ≤ 1%. Pemakaian hokum gas ideal dapat diterapkan pada: a. Gas-gas diatomic dimana gram olal volume lebih kecil dari 5 L (80 ft3/lbmole). b. Gas-gas yang struktur molekulnya lebih kompleks (CO2 Acytelere, NH3 dan Hydrokarbon) dimana gram molal volume > 20 mL (320 ft3/lbmole). 1.4.9
Gas Nyata Dalam suhu ruang, gas mempunyai sifat-sifat gas ideal. Jadi sebenarnya gas nyata pada kondisi tertentu saja yang memenuhi hokum-hukum gas ideal, ini disebabkan karena teori ideal sama tepat dengan kenyataan.
Tabel1.2 Perbedaan gas ideal dengan gas nyata Gas Ideal Teori kinetik gas berdasarkan asumsi molekul-molekulnya bertabrakan -Tidak ada gaya tarik menarik. -Tabrakan atau tumbukan antar molekul gas dianggap elastis sempurna. - PV = nRT
Gas Nyata -Molekul-molekul nyata itu sendiri mempunyai volume yang tidak dapat diabaikan terhadap volume gas. -Tergantung dari jarak antar molekul , ada gaya tarik menarik dan tolak menolak. -Tumbukan antar molekul tidak elastic sempurna
a. Persamaan Van der Waal, untuk 1 mole gas: (P + a/v2) ( V – b) = RT per grammole gas
(1.9)
Dimana: = dalam atm/gmole X a = konstanta, [ atm(cm3/gmole)] b = konstanta, (L/gmole) V = cm3/gmole b. Persamaan Redlich Kwong RT P=
a -
V–b
T
1/2
(1.10) V(v +b)
1.4.10 Tekanan Uap Tekanan uap adalah tekanan keseimbangan pada proses penguapan dan pengembunan pada suhu dan tekanan konstan. Keseimbangan tersebut adalah keaadaan dimana tidak terdapat tendensi akan terjadi perubahan yang spontan antar fase cair dan fase uap dari suatu zat murni. Gas dan Uap (vapor) Perbedaan antara gas dengan uap yakni: a. Gas adalah zat yang berada diatas suhu kritis. b. Uap (vapor) adalah zat yang berada dibawah suhu kritis. Contoh CO2 pada suhu biasa (dibawah suhu kritis adalah Vapor tapi biasanya dinyatakan sebagai gas. Uap yang terdapat pada kondisi dimana tekanan partiilnya sama dengan tekanan uap keseimbangannya disebut Saturated Vapor (uap jenuh). Uap yang tekanan partiilnya kurang dari pada tekanan uap keseimbanagnnya disebut Superheated Vapor. Suhu dimana suatu uap adalah jenuh disebut Dew Point atau Saturation Temperature. Perbedaan antara suhu yang ada dan suhu jenuhnya disebut Degrees of Superheat. Jika uap jenuh didinginkan atau ditekan akan terjadi pengembunan dan terbentuk uap basah/Wet Vapor (terdiri dari saturated vapor dan saturated liquid dam keseimbangan dan fraksi berat dari uap dalam campuran tersebut disebut Quality dari Wet Vapor. Persamaan Quality adalah: Wv % Quality = X = x 100% (1.11) Wv + W L Dimana: Wv = massa uap
WL = massa liquid
1.4.11 Perubahan Tekanan Uap dengan Suhu Hubungan tekanan dengan suhu secara Termodinamik adalah: dp VG λ dT = p VL RT2
(1.12)
Dimana: P = tekanan uap T = suhu absolute λ = panas penguapan pada suhu T VG = Volume gas VL = Volume liquid Persamaan (1.12) biasa disebut sebagai persamaan Clapeyron. Jika volume liquid diabaikan dan dianggap hukum gas ideal dapat diterapkan, maka persamaan (1,12) menjadi: dp λ dt = P RT2
λ dt
t
R
T
d ln P = -
(1.13)
Jika suhu tidak banyak berubah, maka hanya dianggap konstan sehingga persamaan (1.13) menjadi: P ln
λ
1
R
To
T
1
1
=
1 -
Po
(1.14)
Atau P log
λ
= Po 2,303R
To
(`1.15) T
Persamaan (1.15) digunakan untuk menghitung tekanan uap suatu zat pada suhu T apabila tekanan uap Po pada suhu To diketahui bersama-sama. Latihan soal: Diketahui tekanan uap ethyl ether = 185 mmHg pada suhu 0 oC. Panas penguapan molal (λ) = 92,5 kal/gram pada 0oC. hitung tekanan uap pada 20oC! Penyelesaian: Dari table sifat fisika: BMEE = 74 λ = 6850 kal/gmole R = 1,99 kal/gmole K To = 273 K Po = 185 mmHg Pada suhu 20oC = 293 K P
6850
log = 185 2,303 x 1,99
1
1 -
273
293
P/185 = 1,454 P = 268,99 mmHg 1.4.12 Critical Properties Dapat tidaknya suatu subtansi dalam keadaan cair tergantung dari suhunya. Jika suhunya tinggi sekali sehngga lintasan energy kinetic dari molekul-moleku melebihi
energy potensial maksimum dar itarik menarik diantaranya, tidak mungkin terbentuk keadaan cair. Macam-macam critical properties adalah: -Suhu kritis(TC) : suhu dimana energi kinetic sama dengan energy potensial maximum. -Tekanan kritis (PC): tekanan yang dibutuhkan untuk mencairkan suatu gas pada suhu kritisnya. -Volume kritis(VC) : volume dalam keadaan kritis. Reduced temperature: rasio suhu suatu substansi dengan suhu kritisnya.Reduced ratio: Tr = T/TC Pr = P/PC Vr = V/Vc - Faktor Kompressibilitas (Z):. . Pada gas ideal PV/RT = 1 . Pada gas nyata Z mendekati 1 1.4.13 Penguapan dengan Steam Lewat Jenuh Hukum Roult: nA PA = PA’ = NA x PA (nA + nB + nC +………..)
(1.16)
PA = tekanan uap komponen A dalam larutan dengan komponen B,C,….. PA’= tekanan uap A murni nA , nB , nC = mole komponen A,B,C….. NA = mole fraksi A Contoh Soal: Hitung tekanan total dan komposisi dari uap yang berkontak dengan suatu larutan pada suhu 100oC yang mengandung 30% Benzena (C6H6), 40% Toluena ( C6H5CH3) , 30% Orthozylena [C6H4(CH)2]. Tekanan uap murni pada 100oC: Benzena = 1340 mmHg Toluen = 560 mmHg Orthozylena = 210 mmHg Penyelesaian: Basis: 100 lb larutan Benzena 30% dari 100 lb = 30 lb = 0,449 lbmole Toluen 40% dari 100 lb = 40 lb = 0,435 lbmole Orthozylena 30% dari 100 lb = 30 lb = 0,236 lbmole 100 lb = 1,12 lbmole Yang dicari: Tekanan uap Benzena = 1340 x 0,449/1,12 = 536 mmHg Toluen = 560 x 0,435/1,12 = 217 mmHg Orthozylena = 210 x 0,236/1,12 = 44 mmHg 797 mmHg
Komposisi Benzena Toluen
% liquid 0,449/1,12 = 40,1 0,435/1,12 = 38,8
%vapor 536/797 = 67,3 217/797 = 27,2
Orthozylena Total
0,236/1,12 = 21,1 100
44/797 = 5,5 100
1.4.14 Estimasi Critical Properties dari Bahan-bahan Organik a. Suhu kritis: Tb = 0,567 + ΣΔT – (ΣΔT)2 (1.17) Tc Dimana: ΣΔT = jumlah increment dari atom-atom Tb = normal titik didih Deviasi = 1 % b. Tekanan kritis √M = 0,34 +Σ ΔP (1.18) PC Dimana: M = Berat Molekul Σ ΔP = jumlah increment dari atom-atom Deviasi = 3,3% c. Volume kritis VC = 40 + Σ ΔV (1.19) d. Critical Compresibilitas Factor 1 ZC = (1.20) 2 3,43 + 0,0067 λb Dimana: λb = panas penguapan pada titik didih normal Tb = titik didih 1.4.15 Tekanan Kritis dan Tekanan Uap Zat-Zat Organik Persamaan tekanan uap -A 2 Log P = + B – C-20(Tr – b) Tr Dimana: Tr = reduced temperature A, B, C = konstanta
(1.21)
Tekanan kritis 2
Log PC = B- A – C-20(Tr – b)
Log Pr =
- A (1 – Tr)
- C-20(Tr – b)
2
(1.22) Tr Jika atom-atom cairan dalam organic >2, konstanta b bertambah besar. Untuk hidrokarbon paraffin dibuat suatu grafik antara jumlah atom-atom cairan dengan konstanta tekanan uap b! Untuk komponen selain paraffin, maka harga konstanta b adalah: B = b’ + Δb Δb diperoleh dari table Latihan soal: Menghitung tekanan uap dari n-propylamine pada 0oC titik didih normal = 48,7oC, PC = 46,8 b = 0,253 atau suhu kritis n-propylamine = 1190C. Cara Penyelesaian: Pada nc = 3 b’= 0,133 Δb = 0,12 b = b’ + Δb = 0,133 = 0,12 = 0,253 Pada titik didih normal: Tr = 322/492 = 0,647 Pr = 1/46,8 = 0,014 Dari persamaan: Log Pr =
- A (1 – Tr)
C-20(Tr – b)
2
Tr Untuk A = 2,9763 Tr pada 0oC = 273/492 = 0,549 2,9763 (1- 0,549) Jadi log Pr =
- C-20(549-0,2532)
2
0,549
Pr = 0,00243 P = Pr x Pc = 0,00243 x 46,8 = 0,113 atm 1.4.16 Tekanan Uap Dari Zat-Zat Cair Yang Tidak Tercampur Pada beberapa zat cair yang tidak tercampur, kalau dilakukan pencmpuran secara merata/pengadukan, kemudian didiamkan beberapa saat, maka akan terbentuk beberapa lapisan pada permukaan tiap-tiap komponen dan akan menguap pada permukaannya yang berlangsung terus samapai terjadi suatu keseimbangan tekanan partial dariuap-uapnya diatas permukaan. Beberapa pernyataan menyangkut system diatas adalah: a. Jumlah tekanan uap yang terdapat pada suatu campuran adalah sama dengan jumlah dari tekanan uap tiap-tiap komponen pada suhu tertentu.
b. Jika tekanan uap yang dari suatu system sama dengan tekanan total permukaannya, campuran tersebut akan mendidih dan mengeluarkan uapnya. c. Tekanan partial tiap-tiap komponen dalam uap sama dengan tekanan uap dalam keadaan cair. d. Rasio dari tekanan partial dengan tekanan total sama dengan fraksi atau jumlah volume, dan dari sini massa dapat dihitung.
1.5
Soal – Soal
1. Ubahlah satuan-satuan berikut: a. 50 mil/jam menjadi m/detik b. 75 lb/m2 menjadi gram/cm2 c. 30 kg/L menjadi lb/ft3 d.
90 (in)(mm2) (tahun)(detik)(minggu)(barrel)
e.
menjadi:
100 ft (cm2) cm3 hari minggu mil (in2)
menjadi
barrel dt2
(mil)(ft2) (min)3 (cm)3 2. Densitas yang dinyatakan sebagai fungsi linear dari suhu berikut: ρ = ρ o + αt Dimana: ρ dalam lb/ft3 pada suhu T ρo dalam lb/ft3 pada suhu To t dalam oF Apa satuan dari α ? 3. Suatu cairan mempunyai spesifik gravity = 2, hitung densitasnya dalam lbm/ft 3! 4. Berapa densitas dari minyak yang mempunyai spesifik gravity = 0,782. Nyatakan jawabannya dalam lbm/ft3 dan dalam gram/cm3! 5. 100 lb gas mempunyai komposisi sebagai berikut: CH4 = 30% H2 = 10% N2 = 60% Berapa massa molekul rata-rata dari gas tersebut? 6. Hitung massa molekul rata-rata dari campuran gas berikut: CO2 = 2% CO = 10% O2 = 8% N2 = 75% H2O = 5% 7. Untuk campuran 50 gallon Benzena dengan 50 gallon Octana, hitung: a. Massa Molekul dari campuran tersebut b. oAPI dari campuran tersebut c. Spesifik gravity dari campuran tersebut Diketahui: Benzena oAPI = 28,5 Sp.Gr. = 0,8844 o Octana API = 68,6 Sp.Gr. = 0,7072 8. Campuaran gas memunyai komposisi dalam % volume sebagai berikut: CH4 = 60% C2H6 = 15% C3H8 = 15% H2 = 5% N2 = 5% a.Berapa mole % dari tiap-tiap komponen tersebut? b.Berapa massa % dari tiap-tiap komponen tersebut?
9. Batu phospat mengandung 80% 3Ca3(PO4)2 CaF2 a. Berapa phospor yang terkandung dalam 100 lb batu phospat? b. Berapa phosphor anhidrid P2O5 yang terkandung dalam 100 lb Berapa phosphor batu phospat tersebut? 10. Larutan H2SO4 pada 60oF mempunyai sp.gr. = 1,22. Larutan tersebut mengandung 30% massa H2SO4. Berapa konsentrasi H2SO4 tersebut dalam: a. lbmol/gallon b. lb/ft3 c. gr/L d. lb H2SO4/lb H2O e. lbmole H2O/lbmole H2SO4 11. Berapa massa molekul rata-rata udara yang terdiri dari O2= 21% dari N2 = 79%? 12. Gas hasil pembakaran mengandung 40% CO, 35%CO2, 5% O2 dan 20% H2O. Berapa massa molekul rata-rata gas tersebut? 13. 100 kg minyak bumi mengandung 80% C dan 20% H.Hitung perbandingan C/H dalam mol! 14. Tabung 1 ft3 yang berisi 15 lb steam pada suhu 100oF. Diketahui: a = 5,48 x 106 atm(cm3/gmole) dan b = 30,6 L/gmole. Hitung tekanan dengan persamaan Van der Waals! 15. Campuran gas terdiri dari 80% Vol NH3, 8% O2 dan 12% N2 pada tekanan 740 mmHg yang dialirkan melalui menara absorber, dimana 85% dari amoniak akan diserap menjadi ammonium hidroksida. Gas meninggalkan proses pada 85 oF dan 725 mmHg, sedang 1 lbmole gas pada 32oF, 760 mmHg adalah 359 ft3. Hitung: a. Volume gas yang keluar tiap 100 ft3 gas masuk! b. Komposisi gas yang keluar tiap 100 ft3 gas masuk! 16. Larutan encer Natrium Chlorida mengandung 28 gr NaCL/100 cc larutan pada suhu 20oC. Densitas larutan pada suhu tersebut adalah 1,5 gr/cc. Hitung: a. Komposisi dalam % massa! b. Komposisi dalam % mole! c. lb NaCL/lb H2O 17. Hitung critical properties dari chlorobenzena! Diketahui: T b = 405,2 K λb = 8,735 kkal/gmole BM= 112,5 18. Hitung tekanan uap dari n-propylamine pada 0o dan titik didih normal = 48,7oC! 19. Untuk memurnikan Benzena dari sejumlah kecil larutan non-volate dilakukan distilasi dengan uap jenuh pada tekanan 745 mmHg. Hitung: a. Suhu distilasi b. Massa steam per lb uap Benzena 20. Analisa dari larutan gara di dapat 10% Na 2SO4 dan sisanya air. Berapa mole fraksi dan mole% dari tiap komponen dalam larutan tersebut? 21. Buktikan bahwa: a. T (oF) = 2{T(oC) + [ 160oC – T(oC)]} b. T (oF) = {T(oC x 2)] – 1/10 [ T(oC) x 2]} + 32 22. Tekanan gas dari tangki berisi udara, tekanan menunjukkan 115 Psig. Pembacaan barometer adalah 725 mmHg. Hitung tekanan absolute dari tangki tersebut dalam: a. atm b. psi c. mmHg d. lb/ft2 e. ft water f. gr/cm2
23. Oksigen dibuat menurut reaksi sebagai berikut: KCLO3 2 KCL + 3 O2 a. Berapa hasil oksigen apabila 9 gr kalium Chlorat yang terurai? b. Berapa gram kalium chlorat yang harus teruai untuk memperoleh 3 gr oksigen? 24. Apabila Natrium Nitrat direaksikan dengan asam sulfat, akan terjadi dua reaksi sebagai berikut: a. 2 NaNO3 + H2SO4 Na2SO4 + 2 HNO3 b.
NaNO3 + H2SO4
NaHSO4 + HNO3
Untuk sejumlah massa asam sulfat yang diberikan, reaksi mana yang akan menghasilkan asam nitrat yang terbanyak 25. Belerang dioksida dapat dibuat dari reaksi: Cu + 2 H2SO4 CuSO4 + 2 H2O + SO2 a. Berapa tenaga yang dibutuhkan? b. Berapa H2SO4 89% yang dipakai untuk memperoleh 15 kg SO4? 26. Reaksi untuk membuat oksigen dari kalium chlorat dan merkuri oksida adalah sebagai berikut: 2KCLO3 2KCL + 3O2 2HgO 2Hg + O2 Apabila harga merkuri oksida Rp 5.000 danharga kalium chlorat Rp 1.000 per kg, berapa biayanya untuk menghasilkan 15 kg oksigen dari reaksi diatas? 27. Batu kapur mempunyai komposisi sebagai berikut: CaCO3 = 93% MgCO3 = 7% a. Berapa lb calcium oksida yang akan didapat dari 7 ton batu kapur tersebut? b. Berapa lb karbondioksida yang keluar per lb batu kapur tersebut? 28. Gas ammonia mempunyai komposisi sebagai berikut: N2 = 25% H2 = 73% Ar = 2% Mengalir melalui catalytic converter. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: N2 + 3H2 2NH3 Didapat 5 ton produk tiap hari yang mengandung 9,2% NH3, hitung: a. Gas ammonia yang masuk ke dalam converter dalam ton/hari b. Komposisi gas produk yang keluar dari converter 29. Chlorine dibuat dari hasil samping HCL dengan reaksi sebagai berikut: MnO2 + 4HCL MnCL2 + CL2 + 2H2O Kedalam tanur diisi 500 lb MnO2 dan 3700 lb HCL, reaksi berlangsung 87%, hitung: a. CL2 yang diperoleh dalam kg b. %excess reaksi 30. Propana dibakar dengan 30 % udara berlebih dan 10 % karbonnya membentuk karbonmonoksida. Bagaimana analisa gasnya?
BAB II NERACA MASSA
Tujuan Umum: Untuk mempelajari dan memahami perhitungan neraca massa Tujuan Khusus: - Memahami prinsip-prinsip neraca massa. - Dapat menggunakan persamaan neraca massa dan dapat mereaksikan zat-zat yang terlibat didalam suatu proses. - Menyelesaikan soal secara langsung - Mampu menghitung neraca massa yang berhubungan dengan proses recycle - Mampu menghitung neraca massa yang berhubungan dengan proses yang menggunakan aliran purge - Mampu menghitung neraca massa yang berhubungan dengan proses yang menggunakan aliran by pass 2.1 Pengertian Neraca Massa Neraca massa adalah suatu perhitungan yang tepat dari semua bahan-bahan yang masuk, yang terakumulasi dan yang keluar dalam waktu tertentu. Pernyataan tersebut sesuai dengan hukum kekekalan massa yakni: massa tak dapat dijelmakan atau dimusnahkan. Prinsip umum neraca massa adalah membuat sejumlah persamaan-persamaan yang saling tidak tergantung satu sama lain, dimana persamaan-persamaan tersebut jumlahnya sama dengan jumlah komposisi massa yang tidak diketahui. Persamaan neraca massa secara umum adalah: C A D Ac
B
Akumulasi
E Gambar 2.1 Diagram Neraca Massa Persamaan neraca massa: Massa masuk = massa keluar + massa yang terakumulasi MA + MB + MC = MD + ME + Makumulasi Bila tidak ada massa yang terakumulasi, maka persamaan menjadi: Massa masuk = massa yang keluar MA + MB + MC = MD + ME
(2.1) (2.2)
Tahap-tahap menyelesaikan soal-soal neraca massa adalah sebagai berikut: 1. Pilih atau tentukan basis perhitungan 2. Gambarkan diagram proses 3. Jika tidak terjadi reaksi kimia, penyelesaian soal bukan didasarkan atas unsur yang ada tetapi atas dasar senyawa 4. Jika tidak melibatkan reaksi kmia, memakai satuan massa dan jika ada reaksi kimia memakai satuan mole 5. Jika terjadi reaksi kimia dihitung atas dasar unsur 6. Jumlah persamaan neraca massa yang dibuat adalah jumlah besaran yang tidak diketahui tidak boleh melebihi jumlah persamaan neraca massa independen Contoh Soal: Suatu limbah industry mengandung 23% HNO3, 59% H2SO4 dan 18% H2O(% massa). Asam ini akan dipekatkan menjadi 27% HNO3 dan 60% H2SO4 dengan penambahan asam sulfat pekat yang mengandung 91% H2SO4 dan asam nitrat pekat mengandung 87% HNO3. Hitung massa limbah, H2SO4 pekat dan HNO3 pekat yang ditambahkan! Diketahui produk campuran 1000 kg. Penyelesaian: Basis: 1000 kg campuran produk. Diagram proses: HNO3 pekat 87% (N) Limbah (L)
Produk Prosses
HNO3 23% H2SO4 59% H2O 18%
(P)
H2SO4 60% HNO3 27%
H2SO4 91% (S)
Neraca massa total: ML + MN + MS = MP atau ML + MN + MS = 1000 MN = 1000 –ML –MS
(1)
Neraca massa komponen HNO3: 0,23 ML + 0,87 MN = 0,27(1000)
(2)
Subtitusi persamaan (1) dan (2): 0,23ML + 0,87(1000 – ML – MS) = 270 0,23 ML + 870 – 0,87 ML – 0,87 MS = 270 -0,64 ML – 0,87 MS = -600
0,64 ML + 0,87MS = 600
(3)
Neraca massa komponen H2SO4 0,59 ML + 0,91 MS = 0,6 x 1000
(4)
Eliminasi persamaan (3) dan (4): 0,64 ML + 0,87MS = 600 x 0,59 0,59 ML + 0,91MS = 600 x 0,64 Diperoleh:
2.2
MS = 434,15 kg ML = 347,32 kg MN = 218,53 kg
Persamaan dan Stokiometri Kimia Dalam beberapa perhitungan neraca massa dipakai prinsip mengenai: 1. Penulisan persamaan reaksi beserta koefisien stokiometrinya. 2. Pengertian istilah: limiting reaktan, excess reaktan, konversi, yield, dan derajat kesempurnaan reaksi. 3. Produk beberapa reaksi yang umum dipakai seperti reaksi pembakaran.
2.2.1 Penulisan Persamaan Reaksi dan Koefisien Stokiometri Contoh reaksi pembakaran heptana: C7H16 + 11O2 7CO2 + 8H2O 1 ~ 11 ~ 7 ~ 8 Reaktan akan bereaksi menghasilkan produk yang jumlahnya sebanding dengan koefisien stokiometris. Di industry reaksi kimia jarang ditemukan tepat stokiometris. Jika proses menggunakan bahan mahal, supaya ekonomis memakai reaktan berlebih. 2.2.2 Istilah-Istilah dalam Reaksi Kimia Pada peralatan proses dengan kondisi serba terbatas akan menjadi reaksi samping yang berpengaruh terhadap jumlah produk. Untuk itu perlu dilakukan hal-hal yang bisa mengatasi kendala tersebut. Jadi dalam proses reaksi kimia dikenal istilah-istilah: a. Limiting rektan yaitu reaktan dalam jumlah stokiometris reaksi terkecil. b. Excess reaktan yaitu reaktan yang berlebih dari stokiometrisnya terhadap limiting reaktan. c. Konversi yaitu fraksi bahan baku atau reaktan yang bereaksi menjadi produk. d. Derajat reaksi yaitu fraksi dari limiting reaktan yang bereaksi menjadi produk. e. Yield suatu reaktan = mole produk/mole awal reaktan.
2.2.3 Pembakaran Bahan Bakar Pembakaran adalah reaksi oksidasi yang berlangsung dengan cepat antara bahan bakar dengan udara, menghasilkan panas dan hasil oksidasi sempurna maupun tak sempurna. Besaran fisik dalam proses pembakaran adalah: a. Komposisi kimia bahan bakar. b. Laju alir bahan bakar. c. Nilai kalor bahan bakar. d. Laju alir udara. e. Hasil pembakaran. f. Efisiensi penggunaan bahan bakar. Jenis bahan bakar yang biasa digunakan di industry adalah batu bara, BBM, gas alam, LPG, CNG. Pada saat bahan bakar dibakar karbon bereaksi dengan oksigen membentuk CO2 (raksi sempurna) atau CO (reaksi tak sempurna), hydrogen membentuk H2O dan sulfat membentuk SO2. Untuk alasan ekonomis udara digunakan untuk kebutuhan oksigen dalam proses pembakaran. Didalam perhitungan asumsi komposisi udara adalah 79% N2 dan 21% O2 . Gas-gas hasil pembakaran disebut gas buang(stack gas/flue gas). Stack gas adalah semua gas hasil pembakaran termasuk uap air. Sedang flue gas adalah semua gas hasil pembakaran tidak termasuk uap air. 2.3
Neraca Massa dengan Penyelesaian Langsung Neraca massa ini menyangkut soal-soal dimana bisa diselesaikan dengan penambahan atu pengurangan secara langsung. Contoh Soal: Gas alam mengandung 100% CH4. Gas alam tersebut dibakar menggunakan udara berlebih 20%. Buat neraca massanya! Penyelesaian: Basis : 1 mole CH4 masuk proses Reaksi: CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O 1 ~ 2 ~ 1 ~ 2 O2 yang dibutuhkan untuk reaksi adalah 2 mole. Udara yang dibutuhkan untuk reaksi: x 2 mole = 9,54 mole Jadi udara yang dibutuhkan 9,54 mole terdiri dari: O2 yang dibutuhkan 2 mole N2 yang dibutuhkan 7,54 mole Udara berlebih 20% berarti udara berlebih yang dibutuhkan: x 9,54 = 11,448 mole yang terdiri dari: O2 = 21% x 11,448 mole = 2,404 mole N2 = 79% x 11,448 mole = 9,04 mole Maka gas yang keluar adalah:
Mole % 1 8,03 2 16,07 0,404 3,24 9,04 72,67 12,444 100 Jadi komposisi gas-gas yang keluar adalah: CO2 8,03 % H2O 16,07 % O2 3,24 % N2 72,67 % 100 % CO2 H2O O2 N2
Massa yang masuk: CH4 O2 N2
= 1 = 2,404 = 9,04
mole = 16 lb mole = 76,92 lb mole = 253,12 lb
Massa yang keluar: CO2 H2O O2 N2
= 1 mole = 44 = 2 mole = 36 = 0,404 mole = 12,928 = 9,04 mole = 253,12 Massa masuk = massa keluar
2.4 Neraca Massa Dengan Reaksi Kimia Pada neraca massa ini biasanya komposisi dan massa dari beberapa aliran masuk diketahui dan komposisi serta massa aliran keluar dicari. Latihan Soal: Suatu produser gas yang dibuat dari batu bara mempunyai volume komposisi sebagai berikut: CO = 27 % CO2 = 3 % O2 = 0,5 % N2 = 69,5 % Gas tersebut dibakar dengan udara, dimana oksigen dari udara berlebihan 25%. Jika pembakaran berlangsung 95 %. Berapa massa total gas yang keluar tiap 100 lb producer gas yang dibakar?
Penyelesaian: Basis: 100 lbmole producer gas Udara pembakaran Producer gas Ruang Bakar
CO = 27% CO2 = 3% O2 = 0,5% N2 = 69,5% Reaksi:
CO
+
25% udara berlebih ½ O2
CO2 CO O2 N2
CO2
1 ½ 1 Massa yang masuk dari producer gas: CO = 27% x 100 lbmole = 27 lbmole = 756 lb CO2 = 3% x 100 lbmole = 3 lbmole = 132 lb O2 = 0,5% x 100 lbmole = 0,5 lbmole = 16 lb N2 = 69,5%x 100 lbmole = 69,5 lbmole = 1946 lb Total = 2850 lb Neraca Massa O2: - O2 yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan CO = ½ x 27 lbmole = 13,5 lbmole - O2 yang masuk ke ruang bakar dari producer gas = 0,5 lbmole - Jadi kebutuhan O2 = (13,5 – 0,5) lbmole = 13 lbmole - O2 dari udara berlebih dari kebutuhan O2 = (100+25)% x 13 lbmole = 16,25 lbmole Udara yang dibutuhkan 100/21 x 16,25 = 77,38 lbmol - O2 untuk pembakaran 95% = 95% x 13,5 lbmole = 12,825 lbmole - O2 hasil pembakaran = (16,25+0,5-12,825) lbmole = 3,925 lbmole Neraca Massa Carbon: - C dalam producer gas atau dalam CO dan CO2 = (27+3) lbmole - C dalam CO hasil pembakaran = (100-95)% x 27 lbmole - C dalam CO2 hasil pembakaran = (30-1,35) lbmole Neraca Massa Nitrogen: - N2 dalam producer gas - N2 dari udara berlebih = 79/21 x 16,25 lbmole Total N2 yang keluar dari ruang bakar Jadi massa yang keluar dari ruang bakar: - CO = 1,35 lbmole = 38,67 lb
= 30 lbmole = 1,35 lbmole = 28,65 lbmole = 69,5 lbmole = 61,13 lbmole =130,63 lbmole
lbmole = 1260,6 lb lbmole = 125,6 lb lbmole = 3657,64 lb Total = 5082,51 lb Massa total gas yang keluar per 100 lb producer gas: (5082,51/2850) x 100 lb = 178,3 lb -
CO2 O2 N2
= 28,65 = 3,925 = 130,63
2.5 Neraca Massa Dengan Process Recycle Proses dengan aliran recycle berlangsung dalam kondisi stedi, yakni tidak ada akumulasi didalam proses maupun didalam aliran recycle. Massa yang masuk ke proses berupa bahan fresh feed dan bahan recycle. Sedangkan produk yang keluar berupa bahan net produk dan bahan recycle. Diagram proses dengan aliran recycle adalah sebagai berikut: Fresh feed
Mixer
Proses
Separtor
Net produk
Recycle Gambar 2.2 Diagram proses aliran recycle Latihan Soal: Suatu kolom distilasi untuk memisahkan campuran yang terdiri dari 30% ethyl alcohol dan 70% air. Distilat mengandung 75% ethylalcohol dan 25% air. Sedang produk bawah mengandung 7% ethylalcohol dan 93% air. Jika fresh feed sebesar 70 lbmole/jam, hitung: a. Jumlah distilat dan produk bawah! b. Rasio bahan yang direcycle terhadap distilat! Penyelesaian: Basis: 1 jam operasi Diagram proses:
Feed (F) 70 lbmole/jam 30% ethylalko hol, 70% air
Kolom Distilasi
Distilat (D) 75% ethylalcohol, 25% air Recycle
Produk bawah (B) 7% ethylalcohol, 93% air Neraca Massa Total: F = D+B 70 = D+B D = 70 – B………….(1) Neraca Massa Komponen ethylalcohol: 0,3 F = 0,75 D + 0,07 B…………………………..(2) Subtitusi persamaaan (1) dan (2): 0,3 x 70 = 0,75 (70 – B) + 0,07 B B = 46,3 lbmole/jam D = (70 – 46,3) lbmole/jam = 23,7 lbmole/jam Jadi: a. Distilat (D) = 23,7 lbmole/jam dan produk bawah (B) = 46,3 lbmole/jam b.% recovery =
= = 84,6% Berarti yang direcycle (100 – 84,6)% x 70 lbmole/jam = 10,78 lbmole/jam. 2.6 Neraca Massa Dengan Aliran Purge Aliran purge adalah aliran yang di bled-off untuk menghilangkan akumulasi dari inert (bahan-bahan yang tidak diinginkan) yang dapat terakumulasi didalam aliran recycle. Diagram proses dengan aliran purge adalah sebagai berikut: Fresh feed
Mixer
Proses
Recycle Gambar 2.3 Diagram proses aliran purge
Separtor
Aliran purge
Net produk
Dalam suatu prosess mengandung 0,3 Ar/100 campuran N2-H2. Batas maximum Ar yang masuk ke reactor 5/100 campuran N2-H2. Hitung rasio aliran purge terhadap feed! Produk terkonversi 65 %. Penyelesaian: Basis: 100 mole campuran N2-H2 Feed (F) N2: 1 bagian H2: 3 bagian
Mixer
Proses
kondensor
Produk NH3
Ar= Recycle Purge (Pg) Reaksi: N2 + 3 H2 2NH3 1 ~ 3 ~ 2 Neraca Proses Campuran N2 dan H2 masuk proses = 100 + R Campuran N2 dan H2 keluar proses = 0,65 (100 + R) Ar yang diijinkan masuk dalam proses = 0,05 (100 + R) Perbandingan Ar yang diijinkan per mole campuran = = 0,077 N2 dan H2 keluar dari kondensor Jumlah mole Ar dalam aliran purge = 0,077 x Pg Ar dalam Feed = 0,3 mole Pada kondisi stedi Ar dalam aliran purge = Ar dalam Feed 0,077Pg = 0,3 Pg = 3,896 Sehingga rasio Pg/F = 3,896/100 = 0,03896. 2.7 Neraca Massa Dengan By Pass Aliran by pass mempunyai tujuan untuk mengatur komposisi aliran keluar ke akhir suatu unit. Diagram proses dengan bypass adalah sebagai berikut:
Bypass
Fresh Fee d
Proses
Mixer
Separtor Produk
Gambar 2.4 Diagram proses aliran bypass Contoh Soal: Didalam pembuatan bensin, isopentane dipisahkan dari bensin bebas butane, dengan diagram alir sebagai berikut: isopentane S 1
x
Proses
Fee d (F) 100 lb n-C5H12 75% i -C5H12 25%
2 Produk (P) Y 87% n-C5H12 13% i- C5H12
Hitung S, P dan x! Penyelesaian: Basis: 100 lb feed Neraca massa total:
F=S+P 100 = S + P ………………………..(1) Neraca massa komponen n-pentane 0,75 x 100 = 0,87 P……………………(2) P = 86,2 lb S = 100 – P S = (100 – 86,2) lb S = 13,6 lb Neraca Massa pada titik 2: Neraca massa komponen I-C5H12: (100- x)(0,25) = 86,2x0,13 x = 55,176 lb 2.8 Soal-Soal 1.100 kg oksigen dimasukkan ke ruang bakar yang berisi 10 kg karbon, pembakaran berlangsung sempurna, hitung: a. massa karbon dan oksigen yang keluar bersama produk! b. massa total bahan masuk ke reactor! c. massa total bahan yang keluar reactor! 2. Suatu gas mengandung 80 % vol CH4 dan 20% vol N2, dibakar dengan udara pada sebuah boiler. Gas hasil pembakaran dikeringkan, kemudian dilewatkan ke sebuah scruber,
dimana sebagian besar CO2 diserap sebagai dry ice (CO2padat). Analisa gasa-gas yang keluar dari scruber sebagai berikut: CO2 = 1,2% O2 = 4,9% N2 = 93,9% (% vol) a. Berapa % CO2 yang dapat diserap sebagai dry ice didalam scruber? b. Berapa % excess udara? 3.CO2 dibuat dengan cara pengolahan batu kapur dengan larutan H2SO4 didalam air.Batu kapur yang digunakan didalam proses mengandung CaCO3, MgCO3 dan zat inert. Asam yang digunakan mengandung 12% H2SO4 (% massa). Selama proses massa dipanaskan sehingga CO2 dan uap air terpisahkan dalam bentuk gas. Sedangkan residu dari proses mempunyai komposisi sebagi berikut: CaSO4 = 8,56% MgSO4 = 5,25 % H2SO4 = 1,05% Inert = 0,53% CO2 = 0,12% H2O = 81,51% a. Hitung % excess dari asam yang digunakan! b. Hitung massa campuran gas CO2 dan H2O/1000 lb batu kapur! 4.Akan dibuat gas CL2 dengan jalan membakar gas HCl dengan udara didalam suatu reactor. Udara yang digunakan adalah 20% berlebih. Konversi pada reaksi pembakaran HCL sebesar 75%. Gas-gas yang keluar dari reactor masuk ke alat pemisah, dimana HCL yang tak bereaksi di recycle kembali, sedang gas-gas lainnya masuk ke kondensor dan H2O mengalami pengembunan. HCl yang masuk ke reactor 100 lbmole/jam. a. Berapa lbmole Cl2 yang terbentuk? b. Berapa HCl yang direcycle/lbmole Cl2 yang terbentuk? c. Hitung komposisi gas-gas yang keluar dari kondensor! 5. C2H5OH dihasilkan dari C2H4 dengan cara hidrasi fasa uap dari C2H4 dengan memakai katalis. Hasil setelah keluar dari reactor, air dan alcohol masuk ke kondensor dan dikeluarkan. Ethilene yang tak bereaksi direcycle. Rasio uap air dan ethylene yang masuk reactor harus 0,6, konversi ethylene per satu kali operasi = 4,2 %. Hitung fraksi recycle yang dibbled-off! 6. Diketahui diagram proses sebagai berikut: Udara di bypass
Udara
Mixer
Proses
A
B
1% Air Udara masuk proses mengandung 1% air (%vol) pada tekanan 1,47 psi. a. Berapa % vol air dalam aliran udara pada titik A? b. Bila aliran B mempunyai komposisi air 7% (%vol), berapa fraksi aliran udara yang masuk bypass? 7.Reaksi antara N2 dan H2 menghasilkan NH3. Reaksi tersebut adalah reaksi bolak-balik pada suhu 515oC dan tekanan 300 atm akan seimbang. Misal 280 kgN 2 dan 64 kg H2 direaksikan dan dihasilkan 38 kg mole gas-gas dalam keadaan seimbang. a. Berapa kgmole N2, H2 dan NH3 yang ada dalam keadaan seimbang?
b. Berapa limiting reaktan dan excess reaktan? c. Berapa excess H2? 8. Sebuah ruang bakar direncanakan untuk membakar batu bara dengan kecepatan 200 lb/jam. Batu bara tersebut mempunyai komposisi sebagai berikut: C = 89,1% dan abu = 10,9% Efisiensi ruang bakar maximum 75% dari batu bara yang dimuat. Udara berlebih 30% dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna. Jika 80% dari karbondioksida sempurna dan yang lain menjadi CO, maka: hitung komposisi volume gas yang keluar. 9.Suatu kolom distilasi beroperasi dengan data-data sebagai berikut: Bahan baku masuk adalah etanol 35% dan air 65%, menghasilkan etanol 85% dan air 15%. Produk bawah 5% dan air 95%. Berapa kg hasil distilat per kg bahan baku dan berapa kg distilat per produk bawah? 10. Pul basah dengan 69% air dikeringkan sehingga 51% air teruapkan. Hitung: a. Komposisi pulp yang sudah kering! b. Massa air yang hilang per kg pulp basah! 11. Analisa gas adalah sebagai berikut: CH4 = 10% CS2 = 30% CO2 = 10% H2 = 10% N2 = 40% Dibakar dengan udara 100% berlebihan. Hitung: a.Massa gas-gas yang keluar! b.Komposisi gas-gas yang keluar! 12. Suatu pabrik akan menghasilkan 50 ton/hari produk. Larutan Natrium Karbonat dalam air di pompa ke dalam tangki Netralisasi dan bereaksi dengan 10% excess asam phosphate. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut: Na2CO3 + H3PO4 Na2HPO4 + CO2 + H2O Asam phosphate yang dimasukkan mengandung 87% larutan dalam air. Karbondioksida yang dihasilkan dipompa ke dalam tangki netralisasi kedua dimana kelebihan asam phosphate dan disodium phosphate diubah menjadi trisodium phosphate dengan penambahan 50% larutan NaOH. Larutan yang keluar tangki netralisasi kedua mengandung 25% trisodium phosphate (Na2PO4). Semua phosphate diubah menjadi trisodium phosphate dalam tangki netralisasi kedua. Trisodium phosphate ini kemudian didinginkan dan dikristalkan, sissa larutannya dikeringkan dan hasil zat padat dari kristalisasi dan pengeringan kemudian dicampur menjadi satu dan dihasilkan zat padat dengan komposisi sebagai berikut: Na3PO4 = 47% NaOH = 2% H2O = 51% Buat neraca massa lengkap! 13. Ethylena Oksida C2H4O dibuat dengan cara reaksi katalitik antara ethylene dan oksigen. C2H4 dan O2 bersama-sama recycle masuk kedalam reactor mengandung 30% mole C2H4. Reaksi berlangsung pada tekanan 1 atm dan 250oC. Percobaan menunjukkan bahwa 30% ethylene yang masuk ke dalam reactor diberikan setiap sekali proses dan dari harga ini 55% berubah menjadi CO2 dan H2O. Ethylena yang tidak bereaksi dipisahkan dari hasil reactor dan recycle, CO2, H2O dan O2 dikeluarkan. Untuk tiap 10.000 ft3 ethylena
yang masuk proses pada suhu 27oC dan tekanan 1 atm. Hitung mole ethylene oksida yang direcycle per mole ethylene yang masuk! 14. Berapa kg recycle per kg feed apabila jumlah waste A adalah 10kg? Waste A Feed A = 20% B = 80%
Reaktor
A = 7% B = 93%
40% recycle harga A 15. Dalam pembuatan NH3, perbandingan mole N2 dan H2 yang masuk feed adalah 1:3. Dari feed yang masuk reactor 25% diubah menjadi NH3. NH3 yang terbentuk dembunkan dan mencair, kemudian dikeluarkan semuanya dari reactor. Sedang N 2 dan H2 yang tidak bereaksi di recycle kembali untuk dicampur dengan feed ke dalam reactor. Berapa perbandingan recycle dan feed dalam lb recycle per feed? Feed masuk pada suhu 135 oF, 1 atm dan keluar pada suhu 10o, 8 atm. 16. Kolom distilasi digunakan untuk memisahkan campuran ethyl alcohol-air agar diperoleh alcohol murni. Bahan baku masuk dengan komposisi 30% mole ethyl alcohol. Distilat mengandung 91% mole ethyl alcohol dan hasil bawah mengandung 7% mole alcohol. a. Untuk bahan baku sebesar 50 lbmole/jam, hitung jumlah distilat dan hasil bawah! b. Berapa % alcohol dari bahan baku direcover dari distilat? 17. Alumunium sulfat dibuat dengan jalan mereaksikan bauxite dengan sulfat bauxite mengandung 55% massa Al-Oksida. Sedang sisanya merupakan impurities yang bereaksi. Sedangkan asam sulfat mengandung 77% H2SO4 murni sedang sisanya air. Untuk menghasilkan alumunium sulfat murni sebanyak 1790 lb, diperlukan 1075 lb bauxite dan 2515 lb larutan asam sulfat. Hitung % exess!
BAB III NERACA ENERGI Tujuan:
Diharapkan setiap mahasiswa dapat memahami dengan mudah konsep makro neraca energy
3.1. Konsep Makro Neraca Energi Neraca energy adalah persamaan matematis yang menyatakan hubungan antara energy masuk dan energy keluar suatu system yang berdasarkan pada satuan waktu operasi. Konsep Makro: Energi Masuk Ke system E1
+
Energi yang Akumulasi Energi keluar Energi yang timbul = energy + dari system + dipakai dalam dalam system dalam system system
+
Q
=
ΔE
+
E2
+
W
Ada dua macam proses dalam perhitungan neraca energy: - Proses alir yaitu bahan masuk dan keluar system secara kontinyu - Proses batch yaitu bahan masuk dan keluar pada waktu tertentu Akumulasi
Energi ΔE = Et2 – Et1
Energi dalam ΔU = Ut2 – Ut1 Energi kinetic ΔK = Kt2 – Kt1 Energi potensial ΔP = Pt2 – Pt1 Q panas
W kerja Lingkungan
Gambar 3.1 Skema proses pada system batch
(3.1)
Akumulasi Energi dalam ΔU = Ut2 – Ut1 Energi kinetic ΔK = Kt2 – Kt1 Energi potensial ΔP = Pt2 – Pt1
Energi ΔE = Et2 – Et1
Massa Δm = mt2 – mt1
Transport melalui batas sistem
Massa masuk m1 Energi masuk (U1 + K1+ P1)m1
Massa keluar m2 Energi keluar (U2 + K2 + P2)m2 Lingkungan
Gambar 3.2 Skema proses system alir Keterangan Skema: Energi dapat berada dalam beberapa bentuk, yakni sebagai berikut: 1. Energi dalam(U), persatuan massa (mU), untuk massa m Energi dalam ini tidak ada instrument yang dapat mengukurnya, sehingga energy dalam harus dinyatakan dalam variable lain, seperti: tekenan, volume, suhu atau komposisi. 2. Energi berupa kerja Untuk memasukkan bahan ke dalam system, kerja tersebut dinyatakan dalam: m2(P2V2) – m1(P1V1) (3.2) Dimana; P = tekanan sistem V= volume persatuan massa 3. Energi potensial EP = m x gL/gc x h (3.3) Dimana: h = beda tinggi terhadap reference, m gL = gravitasi ditempat ketinggian L, m/s2 gc = konstanta gravitasi, m/s2
4. Energi kinetic 5. Energi dari bahan yang masuk dan keluar system dinyatakan dengan EK = ½ mv2 (3.4) Energi dapat dipindahkan dalam bentuk panas (Q) atau dalam bentuk kerja (W). Energi dapat masuk atau keluar bersama bahan atau tanpa bahan. Neraca zat memiliki energy karena posisinya, kecepatan atau keadaan fisisnya. Ketentuan Skema : 1. Panas yang diserap system(+), yang dikeluarkan system(-). 2. Kerja yang dilakukan oleh system terhadap lingkungan (+), kerja yang dilakukan terhadap system(-). 3. Notasi U = energy dalam K = energy kinetic P = energy potensial m = massa t1 = pada saat 1 t2 = pada saat 2 3.2 Kapasitas Panas dan Perubahan Entalpi 3.2.1 Kapasitas Panas Kapasitas panas adalah energy panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu sejumlah zat sebesar 1oC, oF, K, karena energy bisa dipindahkan dengan cara perindahan panas dalam suatu proses. Satuan kapasitas panas: kal/goC, Btu/lboF, J/g K Konversi
=
=
= 4,14 kJ/kg
Harga Cp a. Untuk zat padat, harga Cp merukan fungsi temperature Cp = a + bT + cT2 (3.5) o Dimana T dalam K, Cp dalam Btu/(lbmol)( F) atau kal/(gmol)(oC) dan a, b, c adalah konstanta. Bila dengan harga pendekatan memakai aturan Kopp, yakni pada suhu kamar, kapasitas panas senyawa = kapasitas panas total unsure-unsur penyusunnya Tabel 3.1 Harga Cp zat padat
Contoh soal: menghitung Cp Na2SO4 10 H2O Cp Na2SO4 10 H2O = 2(6,2) + 5,4 + 14(4) + 2,3x20 = 119,8 kal/(gmol)(oC) Tabel 3.2 Harga kapasitas panas zat padat Cp = a + bT + cT2 dimana T dalam (K) dan Cp dalam Btu/(lbmol)( oF) atau kal/(gmol)(oC)
b.
Cairan Harga Cp cairan bisa dilihat pada grafik (3.1) Bila dengan pendekatan : -Untuk larutan dalam air, bila tidak ada data experimental digunakan Cp air -Senyawa hidrokarbon, Cp merupakan fungsi gravity dan T Cp = (0,355 + 0,128 + 10-20 API) + (0,503 + 0,117 x 10-20API) x [10-3 T(0,05K + 0,41)] dalam satuan Btu/lboF (3.6) Dimana oAPI = Sp.Gr = Spesific grafity F = satuan temperature K = Faktor karakteristik UOP (Universal Oil Product) 10,1 < K < 13 -Zat cair Organik Cp = kMa Dimana: Cp = kal/goC M = Berat Molekul
Tabel 3.3 Harga Cp Zat cair organic Kapasitas panas dalam Btu/lbmoF atau cal/goC
(3.7)
Grafik 3.3 Kapasitas panas zat cair c. Uap, minyak bumi Cp=
(3.8)
Dimana: Cp = kapasitas panas (Btu/lboF) S = Spesific grafity 60oF/60oF T = temperature (oF) d. Gas Untuk menghitung kapasitas panas gas Cp = a + bT + cT2 Untuk menghitung kapasitas panas hydrocarbon gas Cp = a + bT + cT2 atau Cp = 7,95 + UTV e. Gas ideal -Monoatomic Cp = 5/2 R -Polyatomic, linier Cp = (3n – 3/2)R -Polyatomic, non linear Cp = (3n -2)R Contoh soal: Menghitung kapasitas panas methane pada suhu 278 K Penyelesaian: Untuk methane a = 3,381 b = 18,044 x 10-3 Cp = a + bT + cT2 = 3,381 + 18,044 x 10-3(278) – 4,3 x 10-6(278)2 = 8,065 Btu/lbmol oF
(3.9) (3.10)
c = -4,3 x 10-6
Tabel 3.4 Harga kapasitas panas gas inorganic pada keadaan ideal Cp = a + bT + cT2 dimana T dalam (K) dan Cp dalam Btu/(lbmol)(oF) atau kal/(gmol)(oC)
Tabel 3.5 Harga kapasitas panas gas organic pada keadaan ideal Cp = a + bT + cT2 dimana T dalam (K) dan Cp dalam Btu/(lbmol)(oF) atau kal/(gmol)(oC), T dari 298 sampai 1500K
3.2.2 Entalpi Menurut Termodinamika: H = U + pV (3.11) pV mempunyai satuan energy, tapi bukan merupakan energy yang sebenarnya. Perubahan entalpi dapat dihitung dengan persamaan: ΔH = H2 – H1 = (3.12) Cp adalah kapasitas panas pada tekanan konstan Perubahan entalpi tanpa perubahan fasa =ΔH= Jika Cp = Cp = a + bT + cT2 Maka ΔH sebagai berikut:
(3.13)
ΔH=
dT
(3.14)
=a( )+b/2( +c/3( (3.15) Jika pada Cp rata-rata(Cpm), maka menghitung Cpm lebih dahulu sebagai berikut:
Cpm =
=
= Baru menghitung ΔH sebagai berikut: ΔH = Cpm ΔT = Cpm (T2 – T1)
(3.15)
3.2.3 Panas Pembentukan Suatu zat pada berbagai suhu dikatakan dalam keadaan stndart, bila aktivitasnya sama dengan satu. Aktivitas dengan symbol a diaanggap sebagai koreksi tekanan atau konsentrasi secara termodinamik. Untuk zat-zat padat murni, cairan dan gas-gas ideal, kondisi standar yang sesuai untuk zat-zat tersebut adalah 1 atm tekanannya. Untuk gas-gas nyata keadaan standar tidak sama dengan 1 atm. Entalpi zat-zat dalam keadaan standar ditunjukkan dengan symbol Ho, sedang ΔH reaksi dimana semua reaktan dan produk pada aktivitas = 1 ditunjukkan dengan symbol ΔHo. Perubahan panas yang menyertai dalam pembentukan 1 mole suatu zat dari unsurunsur disebut panas pembentukan zat. Panas pembentkan standar adalah panas pembentukan bila semua zat yang terlibat dalam reaksi masing-masing aktivitasnya 1. Maka persamaan termokimianya: C(S) + 2H2(g) CH4 (g) ΔH25 = -17889 kal (3.16) Untuk harga ΔH25 diperoleh dari tabel. ΔHo pada persamaan (3.16) berdasarkan definisi diperoleh: ΔHo25oC = -17889 = ΔHoCH4(g) – [ΔHoC(s) + 2 ΔHoH2(g)] o Dimana ΔH adalah entalpi standar per mole, dengan entalpi unsur-unsur pada keadaan standar pada 25oC adalah nol.
Tabel 3.6 Panas pembentukan dan pembakaran standar pada 25 oC dalam kal/gmole.
Lanjutan tabel 3.6
Contoh soal: Bagaimana untuk mendapatkan panas pembentukan standar Fe 2O3 dengan menggunakan reaksi-reaksi berikut: 3C(S) + 2 Fe2O3(S) 4Fe(S) + 3 CO2(g) ΔHo25oC = 110800 kal C(S) + O2 CO2 ΔHo25oC = - 94050 kal Dengan entalpi unsur-unsur sama dengan nol. Penyelesaian: ΔHo = 1180800 = 3 ΔHoCO2 – 2 ΔHoFe2O3 ΔHo Fe2O3 = =
= -196500 kal/gmole Fe2O3
3.2.4 Panas Pembakaran Panas pembakaran adalah jumlah panas yang dibebaskan permole zat yang dibakar. Panas pembakaran digunakan secara langsung untuk menghitung panas pembentukan persenyawaan organic. Jika persenyawaan organic hanya mengandung unsure-unsur C, H, dan O, maka keterangan yang diperlukan adalah panas CO2 dan H2O(l). Contoh soal: Bagaimana cara menghitung panas pembakaran gas propane? Penyelesaian: C3H8(g) + 5O2 (g) 3CO2(g) + 4 H2O(l) ΔH = -530610 kal o o o o ΔH 25 C = -530610 = (3 ΔH CO2 + 4 ΔH H2O(l) - ΔHopropane ΔHopropane = 530610 + 3(-94050) + 4(-68317) = -24820 kal 3.3 Persamaan Neraca Energi Persamaan neraca energy secara umum adalah: mt2(U + K + P)t2 – mt1(U + K + P)t1 = (U1 + K1 + P1)m1 – (U2 + K2 + P2)m2 + Q – W + P1V1m1 –P2V2m2 (3.17) Atau ∑m1U1 + ∑m1P1V1 +
+ ∑m1Z1
+ Q = ∑m2U2 + ∑m2P2V2 +
+ ∑m2Z2
+W + ΔE (3.18) Untuk proses industry digunakan asumsi-asumsi sebagai berikut: a. Proses tidak mengalami akumulasi, ΔE = 0 b. Proses batch tanpa transfer massa (m1 = m2 = 0), ΔE = Q – W c. Proses batch tanpa transfer massa dan akumulasi ΔE = 0, Q = W d. Proses alir, tanpa akumulasi Q – W = Δ(H + K + P)m e. Proses alir, tanpa akumulasi(ΔE = 0 ) dan tanpa transfer massa ((m1 = m2 = 0), Q =W 3.4 Neraca Energi Secara Umum Neraca energy secara umum adalah neraca energy tanpa reaksi kimia dan tidak ada perubahan fasa dan perhitungannya didasarkan pada persamaan neraca energy secara umum. Contoh soal: Udara ditekan dengan kompresor dari 100 kPa, 255K (H= 489 kJ/kg) hingga tekenan 1000 kPa, 278K (H = 509kJ/kg). Tentukan daya kompresor yang dibutuhkan jika kecepatan udara keluar kompresor 60 m/dt dan udara yang ditekan 100 kg/jam.
V1 = 0 m1 = 100 kg/jam P1 = 100 kPa T1 = 255 K H1 = 489 kJ/kg
V2= 60 m/s m2= 100 kg/jam P2 = 1000 kPa T2 = 278 K H2= 509 kJ/kg
Hp = ?
Hp = W = usaha (kerja kompresor) Q=0 ΔV = 0 ΔmZ = 0
m 1 = m2
ΔE = 0
Neraca Energi: ∑m1P1V1 = ∑m2P2V2 + W + Atau Neraca Energi menjadi: ΔmPV = W + K Persamaan Entalpi: ΔH = Δ(U + mPV) ΔU = 0 Subtitusi 1 dan 2 ΔH = W + K -W = -ΔH + K ΔH = 509 kJ/kg – 489 kJ/kg = 20 kJ/kg K =
= ½ (60 m/s)2 x
(1) ΔH = ΔmPV
(2)
= 1800 kJ/kg= 1,8 kJ/kg
-W = -ΔH + K = [-(20) + 1,8 ] kJ/kg W = 18,2 kJ/kg 3.5 Neraca Energi Dengan Perubahan Fasa dan Panas Proses 3.5.1 Neraca Energi dengan Reaksi Kimia Semua reaksi kimia selalu disertai pengeluaran atau penguapan energy berupa panas. Untuk reaksi kontinyu, jika tenaga mekanik, kinetic dan potensial dapat diabaikan, maka panas, maka panas yang ditambahkan dengan perubahan entalpi system. q = ΔH (3.18) Untuk reaksi bukan kontinyu pada P tetap, energy yang ditambahkan sama dengan kenaikkan entalpi, demikian juga pada kondisi V tetap: q = ΔH (3.19) Contoh soal: Hitung panas reaksi 1 mol NH3 4NH3 (g) + 5 O2(g) 4 NO (g) + 6 H2O (g) Penyelesaian: ΔHo reaksi = [4(21,6) + 6(-57,8)] – [(5x0) + 4(-11,04)] = -216,24 kkal/4 mol ΔHo reaksi = -54 kkal/mol NH3
3.5.2 Neraca Energi disertai Perubahan Fasa Disini terjadi panas pembentukan yang disertai perubahan fasa. Contoh soal: Hitung panas pembentukan standar H2O(g)? jika diketahui panas pembentukan H2Ocair = -68,317 kal/mole dan panas penguapan (25oc, 1 atm) = 10,519 kal/mol
Penyelesaian: 1. H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (l) ΔHo = - 68,317 kkal/mole 2. H2O (l) H2O (g) ΔHopenguapan = 10,519 kkal/mole Dari 1 dan 2 : H2 (g) + ½ O2 (g) H2O (g) ΔHo = - 57,798 kkal/mole 3.6
NERACA ENERGI MEKANIK Adalah neraca energy pada peralatan mekanik yang perhitungannya didasarkan pada persamaan termodinamik dan persamaan neraca energy. Contoh soal: Diketahui turbin gas dengan P23 : P14 = 5 :1 , sedang temperature = 20oC hingga o 675 C, tentukan efisiensi thermal dan laju alir udara yang diperlukan! = 1,2 output = 350 kW Cp = 1,01 kJ/kg K Penyelesaian: 2 3 R.bakar 2 3 P 1
4 Kompresor V 1
Turbin 4
Proses 1-2 Isentropis P1
=
= P2
=
γ
Dari 1 dan 2:
1/ γ
=
(1)
=
(2)
1/γ
=
=
= P21-1/γ x P11/γ – 1
=
= 1,3077
T2 = 1.3077 x T1 = 1,3077 (20 +273)K = 383,2 K Dengan cara yang sama Proses 3-4 Isentropis
T4
=
=
= 1,3077
=
=
= 724,9K
Basis: 1 kg udara ΔH1 = Cp (T3-T2) = 1,01kJ/(kg K) (948 -383,2)K = 570,5 kJ/kg ΔH2 = Cp (T4-T1) = 1,01kJ/(kg K) (724,9 – 293) K = 436,2 kJ/kg Neraca Energi ΔU = 0 K= 0 P = 0 Q=W Gesekan ΔF = 0 Q = Δ(H1 – H2) = (570,5 – 436,2) kJ/kg = 134,3 kJ/kg Efisiensi siklus =
=
x 100%
x 100% = 23,5 %
Diketahui output 350 kW = 350 kJ/s = 21000 kJ/menit
Laju aliran udara =
=
= 156,36 kg/menit
3.7
Neraca Energi dengan Fluida Steam Didalam proses produksi steam mungkin sebagian terkondensasi sehingga terdapat fraksi air dan uap. Besarnya fraksi uap dalam campuran tersebut biasa disebut sebagai “kualitas steam”. Jika fraksi uap didalam steam = x, maka: a. x=0 berarti campuran berupa air jenuh pada suhu yang sama dengan titik didihnya. b. x=1 berarti campuran berupa uap jenuh pada suhu yang sama dengan titik didihnya dengan tekanan yang sesuai c. 0<x<1 berarti campuran berupa uap dan air yang biasa disebut”wet steam”. Untuk menghitung entalpi dan volume”wet steam” menggunakan persamaan sebagai berikut: a. Entalpi spesifik Hcampuran = (Hv)(x) + HL (1 – x) (3.20) b. Volume spesifik Vcampuran = (Vv)(x) + VL (1 – x) (3.21) Hv , HL , Vv dan VL diperoleh dari tabel steam. Tabel steam terdiri dari 2 macam, yakni: a. Tabel steam jenuh (Saturated Steam Table) b. Tabel steam lewat jenuh (Superheated Steam Table) Contoh soal: Suatu bejana bertekanan dengan volume = 0,3 m 3 berisi 10 kg air bertekanan 60 bar. Hitung kualitas steam jenuh dan entalpi spesifik ! Dari tabel didapat: Pada P = 60 bar VL jenuh = 0,001319 m3 /kg Vv jenuh = 0,0324 m3 /kg a. Kualitas steam berada diantara kedua nilai tersebut, jadi: Vcampuran = Vv (x) + VL (1 – x) 0,03 = 0,0324 (x) + 0,001319 (1 – x) x = 0,923 b. Entalpi spesifik Pada P = 60 bar Hv jenuh = 2784,3 kJ/kg HL jenuh = 1213,35 kJ/kg Hcampuran = (Hv)(x) + HL (1 – x) = 2784,3 (0,923) + 1213,35 (1 – 0,923) = 2663,32 kJ/kg
Contoh soal: Satu kg steam pada T = 99,63oC dan tekanan 1 bar dalam bejana bertekanan. Berapa energy yang diperlukan untuk menaikkan temperature steam dalam bejana tekanan 5 bar sampai T = 300oC dan berapa tekanan akhir? Penyelesaian: Persamaan neraca energy: 0 ΔE = Q – W W = 0 karena tidak ada kerja Jadi ΔE = Q Pada 1 bar dan 99,63oC V99,63 = 1,694 m3/kg Volume bejana konstan V300 = 2,64 m3/kg (steam lewat jenuh) Dari tabel steam: P = 5 bar T = 300oC V = 0,5225 m3/kg (steam lewat jenuh) Kondisi setelah pemanasan berada pada kondisi: P2 (tekanan akhir)
= 1 bar + (5 – 1) bar = 2,794 bar
Pada 1 bar, 99,63oC H1 = 2675,5 kJ/kg (saturated) o Pada 2,794 bar, 300 C H2 = 3069,87 kJ/kg (superheated) Q = m (H2 –H1) = m (kg) ( 3069,87– 2675,5 ) kJ/kg =394,37 m kJ Contoh soal: Steam bertekanan absolute 143,58 psia dengan 210 oF lewat jenuh diumpankan ke turbin laju m = 2000 lb/jam. Turbin beroperasi secara adiabatic dan aliran keluar berupa steam jenuh pada tekanan 14,696 psia. Hitung kerja yang dihasilkan turbin dalam kilowatt! Penyelesaian: - Steam masuk pada 143,58 psia pada tekanan jenuh suhunya 355oF. T steam seluruhnya jadi = (355 + 210)oF = 565oF (superheated) sehingga diperoleh Hi = 1308,26 Btu/lb (dari tabel superheated) - Steam keluar pada kondisi jenuh pada tekanan 14,695 psia diperoleh H o = 1150,5 Btu/lb (dari tabel saturated) Jadi Ws = m ΔH = m (Hi – Ho) = 2000 lb/jam (1308,26 – 1150,5)Btu/lb=315520 Btu/jam=92,47 kWh 3.8 Neraca Energi pada Reaktor Didalam reactor akan dibahas mengenai temperature nyala adiabatic dan pengaruh temperature pada panas reaksi.
3.8.1 Temperatur Nyala Adiabatik Pada proses pembakaran suatu bahan bakar akan dihasilkan energy, yang diterima oleh dinding reactor berupa panas dan untuk menaikkan produk reaksi semakin kecil panas yang diserap dinding reactor, semakin tinggi temperature produk. Temperature tertinggi dapat dicapai jika kondisi reactor adiabatic yang biasa disebut temperature nyala adiabatic. Persamaan neraca energy reactor adiabatic adalah: ΔH = ncHc + ∑keluar no Ho Tad - ∑masuk ni Hi Tmasuk = 0 atau ∑keluar no Ho Tad + ncHc = ∑masuk ni Hi Tmasuk (3.22) Dimana: ΔHoc = panas pembakaran bahan bakar pada 25oC, kJ/kg ni, no = jumlah mol komponen ke-I,o pada zat masuk atau keluar Hi,Ho = entalpi spesifik komponen ke-i,o, kJ/kg Tad = temperature adiabatic, oC Tmasuk = temperature masuk, oC Contoh soal: Etanol didehidrasi menghasilkan acetaldehyde menurut reaksi berikut: C2H5OH (g) CH3CHO (g) + H2(g) ΔHoc (25oC) = 68,95 kJ/mol Diproses didalam reactor adiabatic. Ethanol masuk ke reactor dalam bentuk uap pada temperature 300oC. Didalam reactor terjadi konversi sebesar 30%. Hitung T nyala adiabatic! Penyelesaian: Dari tabel kapasitas panas diperoleh: Cp C2H5OH (g) = 0,110 kJ/moloC Cp CH3CHO (g) = 0,08 kJ/moloC Cp H2(g) = 0,02 kJ/moloC Basis : 100 mol bahan masuk Diagram proses: 70 mol C2H5OH 100 mol C2H5OH T = 300oC
Reaktor
Konversi 30% Menghitung entalpi masuk: Hi = C2H5OH dT
30 mol CH3CHO 30 mol H2
= (0,110 kJ/moloC)(300 – 25)oC = 30,25 kJ/mol ∑niHi = 100 mol x 30,25 kJ/mol = 3025 kJ Reaksi pada 25oC: ∑ncHc = = 2069 kJ
x 30 mol CH3CHO
Misal Tnyala adiabatic = T Menghitung entalpi keluar: Ho =
= Cp (T-25)
o
H C2H5OH Ho CH3CHO Ho H2 ∑no ΔHTad
= 0,110 (T-25) kJ/mol = 0,080 (T-25) kJ/mol = 0,020 (T-25) kJ/mol = [70(0,110) + 30(0,08) + 30(0,02)](T-25) = (11 T – 274) kJ Persamaan neraca energy reactor adiabatic ΔH = ncHc + ∑keluar no Ho Tad - ∑masuk ni Hi Tmasuk = 0 ΔH = [2069 + (11T – 274) – 3025]kJ = 0 ΔH = (11 T – 274) kJ = 3025 -2069 Proses adiabatic tidak ada panas yang hilang Q = ΔH = (11 T – 274) kJ =956 11 T =956+274 T = 112oC Jadi T nyala adiabatic 112oC 3.8.2
Pengaruh Temperatur pada Panas Reaksi Reaksi pada umunya terjadi pada suhu tinggi dan tidak pada suhu 25 oC. Untuk dapat menghitung pengaruh suhu pada panas reaksi, perlu ditentukan lebih dahuludan suhu tertentu sebagai reference. Sedangkan panas reaksi pada suhu 25 oC, 1 atm diketahui. Kemudian menghitung perubahan entalpi dari aliran masuk dan aliran keluar terhadap keadaan reference. Panas reaksi adalah jumlah perubahan entalpi yang terjadi pada reaksi sebagai berikut: A+B C + D ΔHoT1 diketahui ΔHoT2 = ?
A, B
T2
ΔHoR
A, B
C, D
ΔHoP o
ΔH
T1
= 298 K
C, D
T1 = T reference T2 = T reference
Gambar 3.4 Skema panas reaksi ΔHoT2 = ΔHoR + ΔHoT1 + ΔHoP Dengan ΔHoR =
(3.23)
ΔHoP = Jadi ΔHoT2 = ΔHoT1 + Catatan: a. ΔHo reaksi = ΔHo produk - ΔHo reaktan
(3.24)
b. Cp = a + bT + cT2 Contoh soal:
SO2 (g) dan O2 (g) diumpankan ke reactor pada suhu 300oC dan stokiometris. Suhu reactor = 300oC, 1 atm. Produk reaksi SO3 (g) bersuhu 300oC dan Cp = a + bT + cT2 pada suhu 300 K < T < 1500K. Diketahui data Cp sebagai berikut: Cp a bx103 cx106 SO2 6,945 10,01 -3,794 SO3 7,454 19,13 -6,628 O2 6,117 3,167 -1,005 Reaksi berlangsung sebagai berikut: SO2 (g) + 1/2O2 (g) SO3 (g) ΔHof 298K (SO2) = -70,96 kkal/mol ΔHof 298K (SO3) = -94,45 kkal/mol Hitung: a. Panas reaksi pada suhu 25oC b.Panas reaksi pada suhu 300oC Penyelesaian: Basis 1 mol SO2 umpan Neraca massa Senyawa Masuk Keluar SO2 1 0 SO3 0,5 0 O2 0 1 Pada T = 25oC ΔHof 298K = ΔHof SO3(g) - ΔHof SO2 (g) = [ -94,45 –(-74,96)]kkal/mol = -23,49 kkal/mol = -98,28 kJ Pada T = 300oC = 573K ΔHoR =
dT]
=1{
} + 0,5
{ = = 10,004(298 – 573) + = -3908 kal = -16,35 kJ ΔHoP = n
(2982 – 5732) –
(2983 –5733)
=1 = 7,454(573 – 298) +
(5732 – 2982) –
(5733 – 2983)
= 3984 kal = 16,67 kJ Jadi ΔHo573K = ΔHo298K +ΔHoP - ΔHoR = (-98,28 + 16,67 + 16,35) kJ = -65.26 kJ Contoh soal: CO (g) dan O2 (g) diumpankan pada suhu 298K kereaktor bersuhu 800K, 1 atm dalam perbandingan stokiometri, menghasilkan CO2 (g) pada pembakaran sempurna. CO2 keluar pada suhu 80K. Diketahui data sebagai berikut: ΔHo298K = -283 kJ/mol dan Cp CO2 = 6,339 + 0,01014 T – 3,415x10-6T2 (kal/mol K) Hitung panas reaksinya! Penyelesaian: Zat masuk pada suhu 298K kedalam reactor bersuhu 800K berarti ada perbedaan temperature sehingga skema prosesnya sebagai berikut: ΔHoT2 = ?
Produk
ΔHoP
298K Reaktor ΔHo298K Reaksi yang terjadi: CO + ½ O2 Basis: 1 mol CO Neraca Massa: Zat Masuk CO 1 O2 0,5 CO2 0 Dari skema proses: ΔHoT2 = Q = ΔHo298K + ΔHoP = -283 +
Produk
CO2 Keluar 0 0 1
= -283 + = -283 + [6,339T + = -283 + [6,339(800 – 298) +
]dT T2 – (8002 – 2982) -
T3 (8003 – 2983)
= -283 kJ/mol + [3,182 + 2794 -553]kal/mol = -283 kJ/mol + 5423 = -275,3 kJ/mol Contoh soal: CO pada suhu 100oC dicampur dengan udara ekses 100% dengan suhu 200oC dibakar pada tekanan 1 atm. Pembkaran dianggap sempurna. Berapa entalpi pada T produk 800 K, 1100K, 1400K, 1800K, 2100K? Diketahui data: ΔHo298K = -283 kJ/mol Dan data Cp sebagai berikut: Zat CO O2 N2 CO2
373K 473K 800K 1100K 1400K 1800K 2100K 7 7,2 7,5 7,8 8 8,2 8,3 7 7,2 7,4 7,6 7,8 7,9 10,9 11,6 12,1 12,2 13
Penyelesaian: Basis: 1 mol CO2 Reaksi: CO + 1/2O2 CO2 Neraca Massa: Zat Masuk CO 1 O2bereaksi 0,5 O2ekses 0,5 N2 3,76 CO2 0
Keluar 0 0 0,5 3,76 1
79/21 x (0,5 + 0,5) = 3,76 Jadi ΔHo = ΔHo298K +ΔHoP + ΔHoR ΔHoR = + = [(1x7,2) + (3,76x7)](298-473) + 1(7)(298-373) = -6391 kal = -26,74 kJ T produk 800K ΔHoP = = [(0,5x7,5) + (3,76x7,2) + (1x10,9)](800 – 298) = 20944 kal = 87,63 kJ Jadi ΔHo = [-283 –(-26,74) + 87,63]kJ = -168.63kJ
T produk 1100K ΔHoP = = [(0,5x7,8) + (3,76x7,4) + (1x11,6)](1100 – 298) = 32745,8 kal = 145,38 kJ Jadi ΔHo = [-283 – 26,74 + 145,38]kJ = -164,36 kJ T produk 1400K ΔHoP = = [(0,5x7,8) + (3,76x7,4) + (1x12,1)](1400 – 298) = 49232,95 kal = 205,99 kJ Jadi ΔHo = [-283 – 26,74 +205,99]kJ = -103,75 kJ T produk 1800K ΔHoP = = [(0,5x8,2) + (3,76x7,8) + (1x12,2)](1800 – 298) = 68533kal = 286,75 kJ Jadi ΔHo = [-283 – 26,74 +286,75]kJ = -22,99kJ T produk 2100K ΔHoP = = [(0,5x8,3) + (3,76x7,9) + (1x13)](2100 – 298) = 84430,9 kal = 353,27 kJ Jadi ΔHo = [-283 – 26,74 +353,27]kJ = -43,53 kJ 3.9 Neraca Energi Dengan Net Heating Value dan Gross Heating Value Net Heating Value (Low Calorific Value) adalah panas yang bisa dimanfaatkan sebagai hasil pembakaran, tanpa memanfaatkan panas kalor (dari pengembunan H2O) yang bisa dipergunakan dalam praktek adalah Net Heatng Value (NHV). Gross Heating Value (high Calorific Value) adalah panas yang bisa dimanfaatkan sebagai hasil pembakaran dengan memanfaatkan panas laten. Satuan Heating Value adalah: a. Satuan panas atau satuan volume untuk gas b. Satuan panas atau satuan massa untuk zat cair dan padat Hubungan GHV dengan NHV dan entalpi pembakaran adalah: Entalpi pembakaran suatu senyawa >
>
Hubungan HCV dengan LCV adalah: LCV (NHV) = HCV (GHV) – mf x hfg
(3.25)
Dimana:
mf = massa air yang terkondensasi, kg hfg = enthalpy spesifik, kJ/kg
Contoh soal: Batu bara mempunyai komposisi sebagai berikut: C = 71% H2 = 5,6% N2 = 1,6% S = 2,7% O2 = 13% Abu = 6,1% Diketahui Gross Heating Value 29770 kJ/kg. Hitung Net Heating Value ! Diketahui Panas pembentukan H2O = 2730 kJ/kg H2O Penyelesaian: Basis 100 kg batu bara Air hasil pembakaran = = 50 kg H2O Energi untuk menguapkan air =
2370
= 1185 kJ/kg
Net Heating Value = (29770 – 1185 ) kJ/kg = 28585 kJ/kg 3.10 SOAL _ SOAL 1. Hitung panas reaksi standart yang terjadi pada reaksi 20 kg Fe2O3 menjadi 12 kg Fe! Reduksi dilakukan dengan batu bara dan produksi lain yang meninggalkan reactor hanya berupa FeO (s) dan CO (g). 2. Carbon murni 5 ton dengan suhu awal 1300 oC dialiri dengan steam, hingga suhu carbon turun menjadi 1000oC. Sedangkan suhu rata-rata gas keluar generator pada 1000oC. Analisa gas yang keluar sebagai berikut: CO2 = 3,1% CO = 45,35% N2 = 51,55% Berapa steam yang diperlukan tadi apabila dianggap semua steam yang masuk terurai? 3. Hitung perubahan entalpi untuk benzene pada suhu 70 oF antara A dan B pada system sebagai berikut:
A
B Reaktor
Heater Benzena masuk pada kecepatan 60 gallon/min Diketahui data-data sebagai berikut: Tekanan = 14,7 psia Luas (AA) = 0,2 ft2 Tinggi (hA) = 0 ft hB
PB = 450 psia AB = 0,3 psia = 25 ft
Kerja Pompa = 50 ft lbf/lbm Panas Hater = 1000 Btu/min Density benzene = 0,8685 gr/ml 4. Es pada suhu 32oF = 50 lb dicampur dengan uap yang bersuhu 300oF, tekanan 15 psia. Uap = 10 lb, berapa suhu akhir dari campuran tadi kalau proses adiabatic? Diketahui panas peleburan es pada 32oF = 143 Btu. 5. Suatu fuel gas mengandung 30% CH4, 30% H2, 10% CO, dan 30% N2, % dalam % Volume. Fuel gas dibakar dengan udara 20% berlebihan dalam suatu dapur. Gasgas masuk dapur pada suhu 77oF. Gas hasil pembakaran keluar dari dapur 800oF, tekanan 760 mmHg. Berapa panas yang dibutuhkan tiap 100 lbmol fuel gas masuk? 6. Hitung perubahan entalpi 1 kgmole N2 yang dipanaskan pada tekanan konstan (100 kPa) dan 18oC hingga 1100oC! 7. Batu bara mempunyai komposisi C = 71%, H2 = 5,6%, N2 = 1,6%, S = 2,7%, abu = 6,1%, O2 = 13%. Gross Heating Value = 29770 kJ/kg. Hitung Net Heating Value , jika diketahui panas pembentukan H2O = 2370 kJ/kg! 8. Dalam bejana tegak berisi batu bara sebanyak 5 ton dengan suhu 1200 oC. Dari bawah dialirkan steam dengan suhu 200oC dalam keadaan lewat jenuh. Akibatnya terjadi reaksi antara steam dengan batu bara. Hasil dari reaksi tersebut keluar dari bejana pada suhu 800oC dengan komposisi sbb.: CO2 = 6,5% CO = 39,7% H2 = 53,5% Analisa menunjukkan bahwa 30% dari steam yang masuk tak teruai. Tentukan banyaknya panas yang terjadi! 9. Satu ton asam sulfat dengan kadar 19,1% pada suhu 70 oF akan dipekatkan menjadi 91,6% dengan menguapkannya dalam suatu koil pemanas yang memakai steam bersuhu 302oF sebagai pemanas. Penguapan dilakukan pada tekanan uap asam sulfat 9,6% yaitu pada 14 mmHg dengan suhu 150 oC. Hitung panas yang dibutuhkan dan steam yang diperlukan seluruhnya! 10. Udara lembab pada temperature 60oF dan 60% relative humidity dipanaskan dengan konstan hingga 80 oF. Berapa panas yang ditambahkan per ft3 udara lembab mula-mula? 11. Larutan H2SO4 15% dengan temperature 60oF akan dipekatkan dengan jalan menambah H2SO4 70% pada suhu 190oF. Kalau banyaknya H2SO4 15% adalah 15 lb sedang H2SO4 70% sebanyak 25 lb. Berapa konsentrasi dari larutan akhir dan berapa temperaturnya? 12. Gas CO2 pada suhu 50oC dicampur dengan hydrogen 475 oC dalam suatu zat seperti tergambar dibawah ini (asumsi tidak terjadi reaksi kimia). CO2 3 grmole/menit 50oC, 1 atm Campuran 1 atm H2 1 grmole/menit 475oC, 1 atm Hitung suhu dari campuran tersebut!
Diketahui Cp CO = 7,104 + 0,00675 T Cp H2 = 6,822 + 0,000318 T 13. Suatu analisa gas menunjukkan komposisi sebagai berikut: CO2 = 9,2% C2H4 = 0,4% CO = 20,9% H2 = 15,6% CH4 = 1,9% N2 = 52% Berapa heating valuenya? Diketahui gross heating value = 15.000 Btu/lb. 14. Cp dari udara dinyatakan sebagai berikut: Cp = 6,39 + 1,76x10-3T – 0,26x10-6T2 Hitung perubahan entalpi udara jika udara mask pada suhu 25 oC dan keluar pada suhu 115oC! 15. Karbon monoksida dibakar didalam raktor adiabatic. Karbon tersebut masuk pada kondisi gas dengan temperature 250oC. Konversi produk sebesar 35%. Hitung T produk! 16. Diketahui skema proses sebagai berikut: 120 kg air, 30oC o
175 kg air, 65 C
295 kg H2O, 17 bar jenuh
Q=? 17. Steam bertekanan absolute 10 bar dengan 190 oC lewat jenuh diumpankan ke Turbin dengan laju 1500 kg/jam. Turbin beroperasi secara adiabatic dan aliran keluar berupa steam jenuh pada tekanan 1 bar. Hitung kerja yang dihasilkan turbin! 18. Steam jenuh 1 atm keluar dari turbin sebanyak 1000 kg/jam dicampur dengan steam 400oC, 1 aym. Sistem pencampur beroperasi adiabatic. Buat nraca energy steam tersebut! 19. CO ( g) dan udara diumpankan pada suhu 350 K ke reactor bersuhu 900K, 1 atm dalam perbandingan stokiometri, menghasilkan CO2(g) pada pembakaran sempurna. CO2 keluar pada suhu 900 K. Diketahui: Cp CO2 = 6,339 + 0,01014 T – 3,415x10-6-T2 Cp N2 = 6,457 + 0,001389T – 0,069x10-6T2 Satuan Cp dalam kal/mol K ΔHo298K = -283 kJ Hitung panas reaksi!
20. Diketahui skema proses sebagai berikut: NaOH 20%, 80oF Menara 1000 ft3/jam CO2 20% dan absorbsi N2 80%, 65oF
N2 , 65oF
Cooler
50oF
Tproduk = ? Na2CO3
Reaksi yang terjadi: 2 NaOH + CO2 Na2CO3 Hitung a. T produk b. Kalau gas N2 yang keluar dari menara absorbs masuk ke Cooler dan suhu yang keluar dari Cooler 50oF berapa panas yang diambil oleh pendingin setiap jam?
