BAB III

BAB VIINERACA ENERGI UNTUK SISTIM REAKSI

7.1 Konsep Panas Reaksi

HR = Hproduk - Hreaktan

(7.1)HR negatif, maka reaksi disebut eksotermik, dan sebaliknya HR positif, reaksi adalah endotermik.

Perlu diketahui bahwa, panas reaksi tidak hanya bergantung pada stoikiometri reaksi, temperatur dan tekanan, tapi juga bergantung pada fasa reaktan dan produknya. Oleh karena itu, dalam penulisan persamaan reaksi harus dilengkapi dengan fasa masing-masing senyawa yang terlibat dalam reaksi. Sebagai contoh, panas reaksi untuk sistim berikut ini:

C (s) + H2O (g) CO (g) + H2 (g)

Akan berbeda dengan sistim reaksi yang di bawah ini:

C (s) + H2O (l) CO (g) + H2 (g)

7.2 Perhitungan Panas Reaksi

Panas reaksi (HR) merupakan fungsi stoikiometri, fasa komponen, temperatur dan tekanan. Fungsi temperatur, tekanan dan fasa dapat dihilangkan dengan menetapkan harga HR pada temperatur, tekanan dan fasa tertentu. HR pada T, P dan fasa yang lain dapat dihitung dengan mengupdate entalpi-entalpi komponen menggunakan korelasi kapasitas panas, panas perubahan fasa, dan entalpi pada tekanan terkoreksi. Panas reaksi untuk suatu reaksi pada temperatur To, tekanan Po, dan fasa o: HR (To, Po, o) =

(7.2)dalam hal ini: = fasa komponen

= koefisien stoikiometri

Untuk T, P dan S yang lain, maka:

HR (T, P, ) =

(7.3)Jika P = Po dan semua cair, sementara S semua uap, maka:

HR (T, Po) = HR (To, Po) + (7.4)Jika P Po, maka hal ini dapat diabaikan, karena: kecil sekali.

Contoh 7.1:Diketahui panas reaksi untuk reaksi berikut:

4NH3 (g) + 5O2 (g) 4NO (g) + 6H2O (l)pada 1 atm dan 298 K adalah -279,33 kkal/gmol. Hitung panas reaksi pada 920 oC, 1 atm dan H2O dalam fasa uap.

Penyelesaian:

Dalam persoalan ini, P tidak berubah, temperatur dan fasa berubah.

HR (920 oC, 1 atm) = HR (25 oC, 1 atm) + (-4) {HNH3(920 oC, 1 atm, g)

- HNH3(25 oC, 1 atm, g)} + (-5){HO2 (920 oC, 1 atm, g)- HO2(25 oC, 1 atm, g)} + 4 {HNO(920 oC, 1 atm, g)

- HNO(25 oC, 1 atm, g)} + 6 {HH2O(920 oC, 1atm, g)

- HH2O (25 oC, 1 atm, l)

= -279,33 kkal/gmol + (-4)

+

+

= -279,33 - 3,368 + 58,180 + 8,100

= -216,42 kkal/gmol Panas pembentukan: panas reaksi standar untuk reaksi pembentukan suatu komponen/senyawa dari unsur-unsurnya.

Contoh 7.2:Hitung panas reaksi untuk reaksi berikut:

CO (g) + O2 (g) CO2 (g)

Jika diketahui panas pembentukan CO (g) dan CO2 (g) menurut reaksi berikut:

C (s) + O2 (g) CO2 (g)

C (s) + O2 (g) CO (g)

Penyelesaian:

C (s) + O2 (g) CO2 (g)

C (s) + O2(g) CO (g)

O2(g) CO2(g) CO(g)

atau:

CO (g) + O2(g) CO2 (g)

Panas pembakaran: panas reaksi standar untuk reaksi pembakaran standar suatu komponen/senyawa.

Contoh 7.3:Hitung panas pembentukan CH4(g) jika diketahui panas pembakaran standarnya -191,76 kkal/ gmol.

Penyelesaian:

Reaksi pembakaran standar untuk CH4 adalah CH4 (g) + 2O2 (g) CO2 (g) + 2H2O (g)

Dari Lampiran 7 Reklaitis:

maka:

= -17,8876 kkal/gmol.

7.3 Neraca Energi untuk Reaksi Tunggal

Gambar 7.1 Sistim dengan reaksi tunggal

Persamaan neraca energi total:

(7.5) Tr = temperatur referensi.Contoh 7.4:Metanol pada 675 oC dan 1 bar diumpankan ke suatu reaktor adiabatik, 25% dari metanol terdehidrogenasi menjadi formaldehid menurut reaksi:

CH3OH (g) HCHO (g) + H2 (g)Hitung temperatur gas yang meninggalkan reaktor dengan asumsi bahwa kapasitas panas untuk CH3OH, HCHO dan H2 adalah konstan untuk interval temperatur tersebut, masing-masing sebesar 17, 12, dan 7 kal/gmol oC.

Penyelesaian:

Basis perhitungan 1000 mol/jam CH3OH:

Gambar 7.2 Reaktor dehidrogenasi metanol

Oleh karena itu:

Kondisi referensi yang digunakan adalah sama dengan kondisi masuk: temperatur 675 oC, tekanan 1 bar, dan semua komponen berada dalam fasa gas:

Panas reaksi standar:

= -27,70 - (- 48,08) = 20,38 kkal/molMaka panas reaksi pada 675oC dapat dihitung dengan:

Neraca energi total menjadi:

0 = 250 (21,68) + {(750 x 17) + (250 x 12) + (250 x 7)} (T 675)

T = 675 309,7 = 365,3 oC

HR > 0, reaksi endotermik.Contoh 7.5:Gas NO dapat dibuat dengan oksidasi parsial NH3 dengan udara. NH3 pada 25 oC dan udara panas pada 750oC direaksikan dalam sebuah reaktor pada tekanan 1 bar. Konversi NH3 adalah 90%. Jika produk keluar reaktor tidak boleh melebihi 920 oC, hitung laju pengambilan panas per 1 mol umpan NH3. Asumsi perbandingan umpan O2/ NH3 adalah 2,4/1.Penyelesaian:

Reaksi:

4NH3 (g) + 5O2 (g) ( 4NO (g) + 6H2O (g)

Gambar 7.3 Reaktor oksidasi amoniak Basis 1 mol/jam NH3:

Jika ditetapkan 920 oC sebagai temperatur referensi, maka entalpi aliran produk keluar reaktor akan hilang dari persamaan neraca energi:

Dari Contoh 7.1;

= 9.028 mol/jamdengan memasukkan harga-harga yang diketahui ini dalam persamaan neraca energi:

= -22,53 kkal/jamatau

dQ/dt = -22,53 kkal/mol NH3

Contoh 7.6:

Contoh soal 7.5 diselesaikan dengan menggunakan formula neraca entalpi total.

Penyelesaian:

tidak ada komponen yang berubah fasa

Untuk aliran udara masuk:

= 13.656 + 48.060 kal/jam

Umpan NH3 masuk:

= -10.920 kal/jamNeraca massa aliran keluar reaktor (r = 0,225):

Sehingga entalpi total aliran keluar reaktor:

+ +

= -41,6 + 25.728 + 9.085 + 60.280 66.980

= 28,07 kkal/jam

7.4 Neraca Energi untuk Reaksi Kimia Jamak

neraca massa untuk reaksi kimia jamak (7.6)Neraca energi menjadi:

-

(7.7)

(7.8)Contoh 7.7:Asam asetat di-cracking dalam sebuah furnace untuk menghasilkan produk intermediate keten melalui reaksi:

CH3COOH (g) CH2CO (g) + H2O (g)

Disamping reaksi di atas, ada reaksi samping yang perlu juga diperhitungkan:

CH3COOH (g) CH4 (g) + CO2 (g)Reaksi cracking dilangsungkan pada 700 oC dengan konversi 80% dan fraksional yield keten 0,0722. Hitung laju pemanasan furnace yang diperlukan untuk laju umpan asam asetat 100 kgmol/jam. Umpan masuk berada pada 300 oC.

Penyelesaian:

Gambar 7.4 Furnace cracking asam asetat

Sistim ini adalah single input dan single output dengan melibatkan 2 reaksi kimia. Dengan memilih temperatur referensi 700 oC, neraca energi menjadi:

Panas reaksi standar untuk reaksi keten:

= - 14,60 57,80 + 103,93 = 31,53 kkal/gmol

Panas reaksi standar untuk reaksi metana:

EMBED Equation.3

= -17,89 94,05 + 103,93 = -8,01 kkal/gmolKedua panas reaksi standar di atas harus dikoreksi ke temperatur 700 oC dengan korelasi berikut:

Dengan menggunakan persamaan Cp untuk masing masing komponen di atas, maka:

Entalpi asam asetat masuk furnace:

Neraca massa asam asetat dan keten:

Karena konversi asam asetat 80%, maka:

Dari definisi fraksional yield:0,0722 =

r2 = 74,224 kgmol/jam

= 670,5x103 kkal/jam.7.5 Neraca Energi untuk Reaksi Kimia Unknown StoichiometryBiasanya berlaku untuk reaksi pembakaran bahan-bahan organik, bahan bakar fosil, dan lain-lain: Sistim ini antara lain ditandai dengan:1. reaktannya tidak diketahui strukturnya dengan jelas,

2. reaksi yang terjadi sangat kompleks.

Oleh karena itu pengembangan neraca massa komponen tidak mungkin dilakukan, dalam beberapa kasus digunakan neraca atom.

Pembakaran bahan-bahan tersebut akan menghasilkan gross calorific value atau high heating value (HHV).HHV (panas yang dilepaskan per unit massa bahan ketika direaksikan dengan oksigen untuk menghasilkan solid residue (ash), liquid water, komponen- kompenen gas seperti CO2, SO2 dan N2 pada 25oC dan 1 atm (keadaan standar).

HHV bahan bakar fosil, terutama batubara atau arang batubara (coal char) biasanya di laporkan bersamaan dengan proksi dan elemental data.

Jika data HHV tidak bersedia, korelasi berikut dapat digunakan untuk memprediksinya (dikembang oleh Institute of Gas Technology):

HHV = 14658 Wc + 56878 WH + 2940 WS 658 Wash 5153 (WO + WN) (7.9)HHV dalam Btu/lbm; WC, WH, WS, Wash, Wo, dan WN adalah fraksi berat dari masing-masing C, H, S, Ash, O dan N.

Contoh 7.8:Suatu gasifier oksigen-kukus diumpankan dengan 106 lb/jam devolatilized char pada 1700oF. Data analisis elemen untuk char adalah C 78%, H 0,9%, N 1,3 %, S 0,7%, Ash 19,1% dan 0 dapat diabaikan. Char tersebut direaksikan dengan kukus yang masuk pada 1000oF dan oksigen yang masuk pada 400oF untuk menghasilkan gas sintesis dengan komposisi: CH4 5%, CO 26,5%, CO2 14,5%, H2 26,5% dan H2O 27,5%. Komposisi gas tersebut dalam basis bebas H2S dan NH3. Asumsi yang ditetapkan:

1. N dan S akan bereaksi dalam porsi yang sama dengan C yang bereaksi distribusi N dan S dalam gas tidak diketahui dengan pasti,2. buangan char sisa tidak mengandung H dan dalam keadaan kering,3. gasifier beroperasi secara adiabatik pada 70 bar dan temperatur semua aliran keluar sama. Salah satu batasan yang harus ipenuhi adalah

EMBED Equation.3 Hitung konsumsi O2 dan temperatur aliran keluar gasifier.

Penyelesaian:

Gambar 7.5 Proses gasifikasi char

Untuk memudahkan perhitungan, maka ditambahkan satu aliran baru (aliran 6) yang mengandung H2S dan NH3 saja.

Neraca atom untuk sistim di atas:

Sulfur: 0,007.106 = 32,06

Nitrogen: 0,013.106 = 14,007

Karbon: 0,78.106 = 12,01 (0,05 + 0,265 + 0,145) N5 + FC4

Hidrogen:

Oksigen: N2 + 2N3 = [0,265 + 2(0,145) + 0,275] N5

Ash: 0,191.106 =

Kondisi-kondisi yang diketahui:

Neraca S dan N2 dapat dinyatakan dalam FS4 dan FN4:

Neraca H2 dapat disederhanakan menjadi:

8,3643 . 104 = 1,28 N5 4,1295 . 10-3 FC4Persamaan ini dapat diselesaikan secara simultan dengan neraca karbon:

N5 = 1,2649 . 105 lbmol/jam

FC4 = 8,1169 . 104 lb/jamDengan demikian neraca-neraca yang lain juga dapat diselesaikan:

Dengan menggunakan korelasi IGT, maka:

maka:

= 203,4 Btu/lb

= -320,6 Btu/lb

Entalpi umpan masuk dan buangan char:

Untuk aliran 1:

H1 = 7,5977 . 108 Btu/jam

Untuk aliran 4:

Neraca energi total (dalam fungsi entalpi):

Dengan memasukkan harga cp yang dalam Lampiran 3 Reklaitis, maka:

- 6,5182 . 10-9 (T5 775) + 2,1448 . 10-5(T4 774) 3,9079(T3 773)

+ 150,63 (T2 772) + 9,9490 . 105 (T 77) = 1,9281.109T = 1688,2oF

7.6 Analisis Derajat Kebebasan

7.6.1 Sistim unit tunggal

Sebagaimana dengan kasus sistim tanpa reaksi, disini juga perlu dilakukan pemeriksaan apakah neraca massa dapat diselesaikan secara terpisah (decoupled) dari neraca energi.

Contoh 7.9:Lakukan analisa derajat kebebasan untuk Contoh 7.7.Penyelesaian:Persoalan pada Contoh 7.7 melibatkan 5 komponen, satu aliran masuk dan satu aliran keluar.

Tabel DKNeraca massaNeraca energi

Varibel alur-alir Aliran komponen Laju reaksi Temperature, dQ/dt62

- 6

2

3

Neraca independen Massa Energi5-51

Variabel independen yang ditetapkan Laju alir

Konversi

Fraksional yield Temperatur111

- -81

112 -11

DK01

Terlihat bahwa persoalan neraca massa dapat diselesaikan secara terpisah dari neraca energi (decoupled).

7.6.2 Sistim multi unit

Untuk kasus sistim unit banyak, perlu dibuatkan table yang memuat neraca massa dan neraca gabungan (massa dan energi) untuk setiap unit proses, dan untuk gabungan semua unit proses (secara singkat disebut proses), dan jika cocok juga dibuat analisa untuk neraca keseluruhan (overall).

Contoh 7.10:Amoniak dapat diproduksi melalui reaksi berikut:

N2 + 3H2 2NH3Dalam reaktor adiabatic dua tahap. Konversi ditahap I adalah 10%, dan produk dari tahap ini didinginkan kembali ke 425%C dengan cara dicampurkan dengan umpan segar dingin. Produk dari tahap II meninggalkan reaktor pada 535oC, pertama-tama didinginkan dengan cara pertukaran panas dengan umpan reaktor tahap I dalam sebuah alat penukar panas. Produk ini kemudian direfrigrasi dalam separator untuk mengkondensasikan NH3 dengan trace N2 dan H2. Hitung beban refrigerasi (dQ/dt) pada separator permol NH3. Asumsi kapasitas panas untuk gas NH3, N2 dan H2 adalah konstan dan masing-masing 9,5; 7,0; dan 7 kkal/gmol oC, serta kapasitas panas NH3 cair 30,0 kkal/gmol oC. Panas penguapan NH3 5,581 kkal/gmol pada -33,4oC (titik didih normalnya).

Penyelesaian:

Asumsi semua unit beroperasi secara adiabatik, kecuali separator.

Gambar 7.6 Proses produksi amoniak

Tabel DKMixerReaktor 1Reaktor 2HESeparatorProsesOverall

NMNGNMNGNMNGNMNGNMNG

Jumlah variabel

- Alur-alir8855665881655

- Laju reaksi1111211

- T, dQ/dt3+12+12+14+13+1132+1

Jumlah neraca

- Massa333333331233

- Energi1111151

Jumlah spesifikasi

- Komposisi1111111211

- dQ/dt = 011114

- Konversi111

- Temperatur2123262

DK441143445122

NM = neraca massa, NG = neraca gabungan dan NE = neraca energiDari analisis derajat kebebasan terlihat bahwa proses terspesifikasi dengan benar, dan penyelesaian dapat dimulai dari Reaktor 1. Dengan penetapan basis perhitungan, neraca massa dapat diselesaikan terlebih dahulu, diikuti dengan neraca energi. Penyelesaian neraca Reaktor 1 akan menghasilkan derajad kebebasan pada mixe menjadi nol. Urutan penyelesaian secara keseluruhan diperlihatkan pada gambar di bawah ini:

Gambar 7.7 Urutan penyelesaian proses pembuatan amoniakKita mulai penyelesaian dengan memilih basis 400 mol/jam umpan Reaktor 1. Dari komposisi aliran masuk Reaktor 1, maka:

Neraca komponen:

Jika 425oC dipilih sebagai temperature referensi, neraca energi menjadi:

Panas reaksi pada 425oC:

HR(425oC) = -25,64 kkal/mol

Substitusi harga-harga entalpi dan aliran dalam neraca energi:

0 = (10)(-25,64) + {20(9,5) + 90(7) + 270(7)} (Tout 425)10-3 2,71(Tout 425) = 256,4

Tout = 425 + 94,7 = 519,7oCMisal laju alir umpan segar pada Mixer adalah N1 mol/jam:

Neraca energi untuk sistim tanpa reaksi menjadi mudah jika keadaan referensi dipilih alur-alir umpan segar.

N1 = 97,8 mol/jam

Dengan diketahuinya N1, umpan Reaktor 2 dapat dihitung:

Sama halnya dengan Mixer, penyelesaian Reaktor 2 juga harus dilakukan secara simultan antara neraca massa dan energi:

Temperatur referensi untuk neraca energinya adalah 425oC, maka:

EMBED Equation.3

r = 14,0 mol/jamMaka aliran masuk HE adalah:

Neraca energi pada HE diselesaikan dengan mengambil temperature referensi 50oC.

T = 214oC

Neraca massa untuk Separator akan dengan mudah dapat diselesaikan:

Dengan menggunakan alur-alir 5 sebagai keadaan referensi, neraca energinya menjadi:

= 100

EMBED Equation.3 -

=

+

= -867 kkal/jam

Sehingga beban panas Separator:

+

NH3

25 oC

920 oC

O2 21%

N2 79%

750 oC

NH3

O2

NO

H2O

N2

EMBED Equation.3

NE

Separator

NM

Separator

NE

HE

NM & NE

Reaktor 2

NM & NE

Mixer

NE

Reaktor 1

NM

Reaktor 1

5

NH3

N2

H2

-50oC

N2 25%

H2

50oC

1

3

4

6

EMBED Equation.3

N2 25%

H2

50oC

S

e

p

a

r

a

t

o

r

535oC

Reaktor 1

Reaktor 2

7

425oC

M

8

2

Buangan char

C

N

S

Ash

4

CH4

CO

CO2

H2

H2O

H2S

NH3

Oksigen

400oF

3

Kukus

1000oF

2

Umpan char

1700oC

1

Gas sintesis

EMBED Equation.3

Koefisien stoikiometri, s

Laju reaksi, r

NS2

T2

P2

2

NS1

T1

P1

1

CH3OH

675 oC

HCHO

CH3OH

H2

+

EMBED Equation.3

T = ?

Furnace

700oC

CH3COOH

CH2CO

H2O

CH4

CO2

CH3COOH300oC

5

Gasifier

70 bar

_1197242266.unknown

_1199034542.unknown

_1199037931.unknown

_1213663026.unknown

_1234429892.unknown

_1240810050.unknown

_1431346704.unknown

_1431765305.unknown

_1243491970.unknown

_1243492828.unknown

_1240813187.unknown

_1240806751.unknown

_1240806811.unknown

_1240682633.unknown

_1240682643.unknown

_1240681990.unknown

_1234429887.unknown

_1234429891.unknown

_1213663059.unknown

_1213663305.unknown

_1213663316.unknown

_1213663297.unknown

_1213663046.unknown

_1201723316.unknown

_1212448204.unknown

_1213658219.unknown

_1201723363.unknown

_1199038021.unknown

_1199038057.unknown

_1199038087.unknown

_1201715358.unknown

_1199038040.unknown

_1199037981.unknown

_1199037999.unknown

_1199037965.unknown

_1199037565.unknown

_1199037797.unknown

_1199037902.unknown

_1199037926.unknown

_1199037815.unknown

_1199037764.unknown

_1199037784.unknown

_1199037592.unknown

_1199034673.unknown

_1199034753.unknown

_1199036941.unknown

_1199036970.unknown

_1199036984.unknown

_1199037163.unknown

_1199036955.unknown

_1199036912.unknown

_1199036927.unknown

_1199036646.unknown

_1199034706.unknown

_1199034736.unknown

_1199034688.unknown

_1199034596.unknown

_1199034655.unknown

_1199034579.unknown

_1199034144.unknown

_1199034353.unknown

_1199034398.unknown

_1199034411.unknown

_1199034385.unknown

_1199034197.unknown

_1199034327.unknown

_1199034171.unknown

_1199034077.unknown

_1199034110.unknown

_1199034126.unknown

_1199034096.unknown

_1199033949.unknown

_1199034035.unknown

_1199033637.unknown

_1199033675.unknown

_1197242353.unknown

_1178138970.unknown

_1178144093.unknown

_1178145863.unknown

_1178146038.unknown

_1178146295.unknown

_1178146304.unknown

_1197241693.unknown

_1178146308.unknown

_1178146300.unknown

_1178146187.unknown

_1178146293.unknown

_1178146041.unknown

_1178146185.unknown

_1178145871.unknown

_1178146035.unknown

_1178145867.unknown

_1178144541.unknown

_1178145857.unknown

_1178145859.unknown

_1178145626.unknown

_1178144176.unknown

_1178144510.unknown

_1178144526.unknown

_1178144328.unknown

_1178144096.unknown

_1178141372.unknown

_1178143419.unknown

_1178143846.unknown

_1178143850.unknown

_1178143718.unknown

_1178142213.unknown

_1178143035.unknown

_1178141966.unknown

_1178140675.unknown

_1178140745.unknown

_1178141079.unknown

_1178141298.unknown

_1178140686.unknown

_1178139953.unknown

_1178140615.unknown

_1178139899.unknown

_1178134430.unknown

_1178135456.unknown

_1178136611.unknown

_1178137316.unknown

_1178137319.unknown

_1178137339.unknown

_1178137382.unknown

_1178137317.unknown

_1178137315.unknown

_1178135977.unknown

_1178136156.unknown

_1178135698.unknown

_1178134628.unknown

_1178134861.unknown

_1178135125.unknown

_1178134685.unknown

_1178134470.unknown

_1178133326.unknown

_1178134239.unknown

_1178134384.unknown

_1178133396.unknown

_1178132572.unknown

_1178132786.unknown

_1178132472.unknown

_1177398208.unknown