Cara Menggunakan Tabel Uap (Steam Table) Contoh :
1. Air pada tekanan 1 bar dan temperatur 99,6 C berada pada keadaan jenuh (keadaan jenuh artinya uap dan cairan berada dalam keadaan kesetimbangan atau berada bersama-sama pada system yang sama), maka dari steam table didapatkan :
Hcairan(99,6 C; 1 bar) = 417,5 kJ/kg
Huap(99,6 C; 1 bar) = 2675,4 kJ/kg
2. Air pada temperatur 200 C dan tekanan 10 bar berada dalam keadaan fasa uap
superheated dengan H = 2828,3 kJ/kg
3. Entalpi (H) untuk air pada tekanan 1 bar dan temperatur 127 C tidak tercantumkan di dalam tabel, maka dicari nilainya dengan cara interpolasi.
H (100 C; 1 bar) = 2676 kJ/kg H (150 C; 1 bar) = 2780 kJ/kg H (127 C; 1 bar) = ……? kJ/kg Tugas :
Kondisi P, bar T, C (fasa),cair/cair-uap/uap H, kJ/kg
a 150 50 ? ? b 150 300 ? ? c 0,1 50 ? ? d 0,1 300 ? ? e 1 99,6 ? ? f 1 99,6 ? ?
Penggunaan Neraca Massa-Energi : Sistem Terbuka Sistem dibagi menjadi 3 :
a. Sistem terbuka jika system tersebut menerima masukan massa dan energi atau melepaskan massa dan energi keluar system.
b. Sistem tertutup jika system tersebut tidak mengalami pemasukan massa atau pengeluaran massa. Sebuah system mengalami pemasukan ataupun pengeluaran energi, yang dapat berupa panas, kerja atau listrik atau magnet
SISTEM Massa masuk Massa keluar Energi masuk Energi keluar
c. Sistem terisolir jika system tersebut tidak megalami pemasukan dan pengeluaran massa dan energi dalam bentuk apapun
Secara umum persamaan neraca energi untuk system terbuka adalah : Q – W = ∑ Fk(H + gz + ½ v2)k - ∑ Fm(H + gz + ½ v2)m (persamaan di atas dapat dilihat pada buku Reklaitis hal. 424)
Q Panas yang masuk atau keluar system melalui dinidng system akibat perbedaan temperatur system dengan lingkungan
( + ) bila panas masuk system ( - ) bila panas keluar system
Q = 0 (system adiabatic, artinya jika system tersebut tidak mengalami pemasukan atau pengeluaran energi dalam bentuk panas)
W Kerja yang berpindah melalui dinding system sebagai akibat :
1. perbedaan tekanan system dan lingkungan, yang diwujudkan dengan perubahan volume system
2. perbedaan tekanan lingkunagn dengan system ditempat masukan, dan perbedaan tekanan system dengan lingkungan ditempat keluaran
3. kerja poros yaitu yang berhubungan dengan lingkungan, ( + ) bila kerja keluar system
( - ) bila kerja masuk system
Gambar
SISTEM
Energi masuk
Energi keluar
Dari hasil pengamatan pada contoh kasus 7.14 hal 426 pada buku Reklaitis, besarnya nilai energi potensial dan energi kinetic relative jauh lebih kecil bila dibbandingkan dengan nilai entalpi (H), maka dalam hal ini (neraca massa-energi) kita dapat mengabaikannya.
Jadi persamaan neraca energi dapat disederhanakan : Q – W = ∑ FkHk - ∑ FmHm
Contoh kasus :
Hitunglah kerja (W) yang diberikan ?? Penyelesaian :
Tentukan entalpi spesifik (H) untuk kedua kondisi baik masukan ataupun keluaran P = 5 bar T = 50 C H = 209,80 kJ/kg P = 5 bar = cairan T = 60 C H = 259,67 kJ/kg P = 5 bar = cairan T = 100 C H = 419,51 kJ/kg = cairan interpolasi
Neraca massa total : F1 = F2 = 1,5 kg/s
Q = 0, maka
-W = F2 H2 – F1 H1 = 1,5 (259,67 – 251,74) kJ/s = 11,9 kWatt
W = -11,9 kWatt
Tugas : Berapakah kerja (W) yang diberikan dalam satuan Kwatt?? 1, masukan F1 = 1,5 Kg/s T1 = 60 C P1 = 5 bar = cairan H2O = 100% 2, keluaran W F2 = ? Kg/s T1 = 60 C P1 = 100 bar = cairan H2O = 100% kompresor W F1 = 1,5 kg/s T1 = 200 C P1 = 5 bar = uap H2O = 100% F1 = ? kg/s T1 = 350 C P1 = 100 bar = uap H2O = 100%
Contoh kasus 7.15 pada Reklaitis, hal 429 :
Uap air digunakan untuk memanaskan 300 kg/jam air proses dari temperatur 50 C menjadi 150 C pada tekanan 5 bar, alat penukar panas yang digunakan adalah double
pipe. Uap air yang digunakan adalah uap jenuh tekanan 10 bar.
Penyelasaian :
Q = 0 = ∑ FkHk - ∑ FmHm
0 = FAP,k x H(150 C, 5 bar) + FU,k x Hw(10 bar) - FAP,m x H(50 C, 5 bar)
- FU,m x Hv(10 bar)
FAP,k = FAP,m = 300 kg/jam ; FU,k = FU,m = F
H(150 C, 5 bar) = 632,2 kJ/kg H(50 C, 5 bar) = 209,7 kJ/kg Hw(10 bar) = 762,6 kJ/kg
Hv(10 bar) = 2776,2 kJ/kg Air proses (AP)
5 bar, 50 C
Uap jenuh (U) 10 bar 5 bar, 150 C kondensat 10 bar AP masuk U masuk AP keluar U keluar Q Q = 0
0 = 300 x 632,2 + F x 762,2 – 300 x 209,7 – F x 2776,2 F = 629,5 kg/jam
Tugas : G.V. Reklaitis hal 473 no. 7.24
Neraca Energi Tanpa Tabel Data Termodinamika ynag Lengkap
Tabulasi entalpi dan energi dalam, seperti halnya steam table tidak tersedia untuk kebanyakan senyawa, yang tersedia datanya adalah data kapasitas panas. Untuk apa data kapasitas panas ?
Cara menggunakan data kapasitas panas
Data kapasitas panas dapat digunakan untuk menghitung perubahan entalpi dari suatu senyawa yang terlibat dalam suatu proses tertentu dan tidak mengalami perubahan fasa (panas sensibel)
H2(T2,P) – H1(T1,P) = Cp (T) dT G.V. Reklaitis, hal 440
Perubahan entalpi dengan tekanan tetap suatu proses kebanyakan dipertahankan pada tekanan tetap
Cp(T) artinya kapasitas panas sangat dipengaruhi oleh variable temperatur, tetapi bukan berarti kapsitas panas tidak dipengaruhi oleh tekanan, akan tetapi pengaruh temperatur jauh lebih besar daripada tekanan. Oleh karena itu, seringkali
pengaruh tekanan terhadap kapasitas panas diabaikan. (Reklaitis hal 437) Data kapasitas panas dapat dilihat di G.V. Reklaitis hal 643 (Gas ideal, J/mol.K), hal 657 (kapasitas panas cairan, J/mol.K)
Contoh kasus :
1. Dua aliran air dicampurkan yaitu aliran-1 memiliki temperatur 30 C dan aliran-2 memiliki temperatur 80 C. Laju alir aliran-1 300 kg/jam dan laju aliran-2 100 kg/jam. Hitunglah temperatur campuran. Cp,air = 4,2 kJ/(kg. C)
Penyelesaian : Pencampuran F1= 300 kg/jam T1 = 30 C H2O = 100% F2= 100 kg/jam T2 = 80 C H2O = 100% F3= ? kg/jam T3 = ? C H2O = 100%
- Selesaikan dahulu persamaan neraca massa : Neraca massa total : F1 + F2 = F3 = 400 kg/jam
- susunlah persamaan neraca energi :
Q = F3 [H3(T3) – H3(Tref)] – F1 [H1(T1) – H1(Tref)] – F2 [H2(T2) – H2(Tref)] Q = 0 Tref = 25 C Maka, 0 = F3 [H3(T3) – H3(25 C)] – F1 [H1(30 C) – H1(25 C)] – F2 [H2(80 C) – H2(25 C)] H3(T3) – H3(25 C) = Cpair (T) dT = 4,2 (T3 – 25) H1(30 C) – H1(25 C) = Cpair (T) dT = 4,2 (30 – 25) H2(80 C) – H2(25 C) = Cpair (T) dT = 4,2 (80 – 25) 0 = 400(4,2)(T3 – 25) – 300 (4,2)(30-25) – 100 (4,2)(80-25) T3 = 42,5 C
2. Aliran gas alam setelah mengalami kompresi didinginkan dalam heat exchanger dari keadaan masuk dengan temperatur T1= 38 C menjadi T2 = 20 C. Laju alir gas alam
adalah 100 mol/detik. Komposisi (disederhanakan) dan data kapasitas panas gas alam (disederhanakan) disajikan dalam tabel di bawah ini:
Tentukan panas yang harus dibuang dari system aliran gas alam ini. Pengaruh perubahan tekanan terhadap entalpi diabaikan :
Komponen Komposisi,fraksi mol Cp, J/mol.K
CH4 90 % 38,387
CO2 10% 19,022
Penyelesaian :
- Soal ini memberikan gambaran tentang penggunaan data kapasitas panas dalam perhitungan neraca energi
- Proses ini tidak melibatkan kerja,
- Selesaikan terlebih dahulu neraca massa jika memungkinkan; di dalam system tidak terjadi reaksi, maka
neraca massa total N1 = N2 = 100 mol/s
Heat exchanger N1 = 100 mol/s CH4 = 90% CO2 = 10% T1 = 311 K N1 = ? mol/s CH4 = ….% ? CO2 = ….% ? T1 = 293 K Q
neraca massa komponen CH4 : 0,9(100) = YCH4,2 . N2
CO2 : 0,1(100) = YCO2,2 . N2
Didapatkan YCH4,2 = 90%
YCO2,2 = 10%
- Susunlah persamaan neraca energi :
Q = N2 [H2(T2) – H2(Tref)] – N1 [H1(T1) – H1(Tref)] Q = N2 [H2(293K) – H2(Tref)] – N1 [H1(311K) – H1(Tref)] - Tentukan harga Tref , misalkan kita ambil Tref = 298 K
H2(293K) – H2(298K) = YCH4,2 Cp,CH4 dT + YCO2,2 Cp,CO2 dT = 0,9(38,387)(293-298) + 0,1(19,022)(293-298) = -182,2525 J/mol H1(311K) – H1(298K) = YCH4,1 Cp,CH4 dT + YCO2,1 Cp,CO2 dT = 0,9(38,387)(311-298) + 0,1(19,022)(311-298) = 473,8565 J/mol Q = 100 (-182,2525) – 100(473,8565) = -65610,9 J/s Tugas :
Suatu aliran didinginkan dalam heat exchanger dari keadaan masuk dengan temperatur T1 = 38 C. Laju alir gas alam adalah 100 mol/s. Karena suatu masalah teknis,
kemampuan perpindahan panas dalam heat exchanger ini turun menjadi 40.000 J/s (dari soal di atas 65.610,9 J/s). Tentukan temperatur gas keluar heat exchanger, T2.
Contoh kasus:
Aliran gas proses pada temperatur 400 C akan didinginkan secara cepat menuju 200 C dengan pendinginan secara langsung (direct quenching) dengan benzene cair dingin pada temperatur 20 C. Jika aliran gas proses terdiri atas 40% C6H6, 30% C6H5CH3, 10% CH4
dan 20% H2., hitunglah laju alir benzene yang diperlukan untuk mendinginkan gas
dengan laju alir 1000 kmol/jam, asumsi bahwa proses berlangsung secara adiabatic.
2, Gas Panas N2 = 1000 kmol/jam C6H6 = 40% C6H5CH3 = 30% CH4 = 10% H2 = 20% T2 = 400 C = uap 3, Produk N3 = ? kmol/jam C6H6 = ? C6H5CH3 = ? CH4 = ? H2 = ? T2 = 200 C = uap Q=0 1, Quench C6H6 = 100% T2 = 20 C = uap
Penyelesaian :
Jumlah variable aliran NM NME
Aliran 9 9 T,P 0 3 Q,W 0 2 Jumlah persamaan TTSL Massa 4 4 Energi 0 1
Jumlah data yang diketahui
Komposisi 3 3
T,P 0 3
Q=0;W=0 0 2
Basis 1 1
Derajat Kebebasan 1 0
Persmasalahan ini well specified, namun harus diselesaikan secara coupled antara persamaan neraca massa dan neraca energi.
Persamaan neraca energi :
Q = N3[H3(473K) – H3(Tref)] – N1[H1(293K) – H1(Tref)] – N2[H2(673K) – H2(Tref)] Tref = T3 = 473 K
Maka,
0 = N3[H3(473K) – H3(473)] – N1[H1(293K) – H1(473)] – N2[H2(673K) – H2(473)]
– N1[H1(293K) – H1(473)] = N2[H2(673K) – H2(473)] N1[H1(473K) – H1(293)] = N2[H2(673K) – H2(473)]
Komponen Fasa Cp, J/mol.K (disederhanakan)
C6H6 Gas (g) 18,587 C6H5CH3 Gas (g) 31,820 CH4 Gas (g) 38,387 H2 Gas (g) 17,639 C6H6 Cairan (l) -7,270 C6H6 (353,26 K) = 30763,4 J/mol H1(473K) – H1(293) = 473 293 Cp,C6H6(l) dT + C6H6,(353,26 K) + 473 293 Cp,C6H6(g) dT = (-7,270)(353,26-293) + 30763,4 + (18,587)(473-353,26) = 32550,92 J/mol nol
H2(673K) – H2(473) = YC6H64,1 673 473 Cp,C6H6(g) dT + YC7H8,1 673 473 Cp,C7H8 dT + YCH4,1 673 473 Cp,CH4 dT + YH2,1 673 473 Cp,H2 dT =
Neraca Massa-Energi dengan Reaksi
Ketika suatu zat bereaksi dengan zat yang lain dalam suatu sistem (reaktor), seringkali energi dari suatu sistem tersebut mengalami perubahan. Keadaan seperti (reaksi) yang banyak dikenal adalah reaksi pembakaran (yaitu reaksi antara unsur karbon, dan hidrogen dioksidasi membentuk CO2 dan H2O. Perubahan energi dari hasil pembakaran tersebut
bias kita manfaatkan untuk memasak makanan, memanaskan ruangan dan menggerakkan mobil/motor.dlsb.
Perubahan entalpi dari suatu reaksi kimia disebut entalpi reaksi atau panas reaksi. Entalpi reaksi standar (maksud standar : reaksi pada T = 25 C dan P = 1 atm) dinotasikan ∆H R .
Ada 2 cara untuk menghitung ∆H R, yaitu :
1. menggunakan data entalpi pembentukan standar (∆H f) ∆H R = ∑ i ∆H f,i
∆H R = panas reaksi standar
∆H f,i = panas pembentukan standar komponen i
(panas pembentukan standar suatu komponen dapat dilihat di buku Reklaitis, hal. 661, kcal/mol atau disumber yang lain)
i = koefisien reaksi suatu komponen; ( + ) untuk koef. Produk ( - ) untuk koef. Reaktan
Contoh kasus:
Cairan methanol (CH3OH) diproduksi dengan cara oksidasi parsial (partial oxidation) dari methane :
CH4 (g) + ½ O2 (g) CH3OH(l) Data sifat termodinamika :
∆H f,CH4 = -74,52 kJ/mol ∆H f,CH3OH(l) = -238,66 kJ/mol
∆H R = (-1) ∆H f,CH4 + (-0,5) ∆H f,O2 + (1) ∆H f,CH3OH(l)
= (-1)(-74,52) + (-0,5)(0) + (1)(-238,66) = -164,14 kJ/mol
2. menggunakan data entalpi pembakaran standar (∆H C) ∆H R = - ∑ i ∆H C,i
∆H R = panas reaksi standar
∆H C,i = panas pembakaran standar komponen i
(panas pembakaran standar suatu komponen dapat dilihat di Perry Handbook)
i = koefisien reaksi suatu komponen; ( + ) untuk koef. Produk ( - ) untuk koef. Reaktan Contoh kasus:
Cairan methanol (CH3OH) diproduksi dengan cara oksidasi parsial (partial oxidation) dari methane :
CH4 (g) + ½ O2 (g) CH3OH(l) Data sifat termodinamika :
∆H C,CH4 = -802,6 kJ/mol ∆H C,CH3OH(l) = -638,46 kJ/mol
∆H R = (1) ∆H C,CH4 + (0,5) ∆H C,O2 + (-1) ∆H C,CH3OH(l)
= (1)(-802,6) + (0,5)(0) + (-1)(-638,46) = -164,14 kJ/mol
Neraca Massa-Energi dengan Persamaan Reaksi
Q = ∑ ri ∆HR,i(Tref) + ∑ {∑ Nsk[∆Hs,k(Tk) - ∆Hs,k(Tref)]- ∑ Nsm[∆Hs,m(Tm)-∆Hs,m(Tref)] Keterangan :
ri = koordinat reaksi ke i (1,2,3…)
∆HR,i(Tref) = Panas reaksi ke i pada temperatur referensi (Tref)
∑ Nsk[∆Hs,k(Tk) - ∆Hs,k(Tref)] = jumlah energi yang dibawa oleh aliran massa keluaran ∑Nsm[∆Hs,m(Tm)-∆Hs,m(Tref)] = jumlah energi yang dibawa oleh aliran massa masukan Contoh kasus :
Pembakaran C2H6 dilakukan dengan udara stoikiometrik(O2 tepat habis bereaksi).
Pembakaran berlangsung sempurna (C2H6 habis). C2H6 dan udara masuk “burner” pada
temperatur 25 C. Udara dianggap terdiri dari 21%-mol O2 dan sisanya N2. Proses
berlangsung secara adiabatic. Data termodinamika
komponen Fasa Cp,J/(mol.K)(disederhanakan ∆H C, kJ/mol
C2H6 gas 33,834 -1559,9
N2 gas 29,412
O2 gas 29,883
H2O gas 34,047
Pertanyaan : Berapakah temperatur pembakaran adiabatic?
Penyelesaian :
Persamaan neraca massa komponen :
C2H6 100 – r = 0 (1)
O2 0,21(N2) – 3,5r = 0 (2)
N2 0,79(N2) = YN2,3 . N3 (3)
CO2 2r = YCO2,3 . N3 (4)
H2O 3r = YH2O,3 . N3 (5)
dari persamaan (1) : r = 100 mol/s dari persamaan (2) : N2 = 1666,67 mol/s
dari persamaan (3) : YN2,3 . N3 = 0,79 (1667,67) = 1316,67 mol/s
dari persamaan (4) : YCO2,3 . N3 = 2(100) = 200 mol/s
dari persamaan (5) : YH2O,3 . N3 = 3(100) = 300 mol/s
N3 = YN2,3 . N3 + YCO2,3 . N3 + YH2O,3 . N3 = 1816,67 mol/s
YN2,3 = 72,48% ; YCO2,3 = 11% ; YH2O,3 = 16,52%
Tentukan Temperatur Referensi (Tref), kita ambil Tref = 25 oC = 298 K
∆HR(298K) = (1) ∆H C,C2H6 + (3,5) ∆H C,O2 + (-2) ∆H C,CO2 + (-3) ∆H C,H2O
= (1)(-1559,9) + (3,5)(0) + (-2)(0) + (-3)(0) = -1559,9 kJ/mol
Persamaan neraca massa-energi :
Q = r. ∆HR(298K) + N3 [H3(T3) – H3(Tref)] – N1 [H1(T1) – H1(Tref)] – N2 [H2(T2) – H2(Tref)] C2H6 + 3,5O2 2CO2 + 3H2O r N1 = 100 mol/s C2H6 = 100% T1 = 25 C N2 = ?? mol/s O2 = 21% N2 = 79% T2 = 25 C N3 = ?? mol/s N2 = ?? % CO2 = ?? % H2O = ?? % T3 = ?? C=??K Q=0
Q= 0, maka
H3(T3) – H3(298K) = YN2,3Cp,N2 dT + YCO2,3Cp,CO2 dT + YH2O,3Cp,H2O dT
= 0,7248 (29,412) dT + 0,11 (19,022)dT + 0,1652 (34,047) dT = (0,7248)(29,412)(T3 – 298) + (0,11)(19,022)(T3 -298) + (0,1652)(34,047)(T3 – 298) = (29,035 T3 – 7052,48) J/mol.K H1(298) – H1(298) = 0 H2(298) – H2(298) = 0 0 = (100 mol/s)(-1559900 J/mol) + N3[H3(T3) – H3(298K)] 155990000 = 1816,67(29,035 T3 – 7052,48) T3 = 3200 K = 2927 oC
Neraca massa-energi tanpa persamaan Reaksi Contoh kasus :
Pembakaran C2H6 dilakukan dengan udara stoikiometrik(O2 tepat habis bereaksi).
Pembakaran berlangsung sempurna (C2H6 habis). C2H6 dan udara masuk “burner” pada
temperatur 25 C. Udara dianggap terdiri dari 21%-mol O2 dan sisanya N2. Proses
berlangsung secara adiabatic. Data termodinamika
komponen Fasa Cp,J/(mol.K)(disederhanakan ∆H f, kJ/mol
C2H6 gas 33,834 -83,82 N2 gas 29,412 0 O2 gas 29,883 0 CO2 gas 19,022 -393,5 H2O gas 34,047 -241,83 Penyelesaian : REAKTOR N1 = 100 mol/s C2H6 = 100% T1 = 25 C N2 = ?? mol/s O2 = 21% N2 = 79% T2 = 25 C N3 = ?? mol/s N2 = ?? % CO2 = ?? % H2O = ?? % T3 = ?? C=??K Q=0
Persamaan neraca massa atom :
C (2)(YC2H6,1)(100) = (1)(YCO2,3)(N3) (1)
H (6)(YC2H6,1)(100) = (2)(YH2O,3)(N3) (2)
O (2)(YO2,2)(N2) = (2)(YCO2,3)(N3) + (1)(YH2O,3)(N3) (3)
N (2)(YN2,2)(N2) = (2)(YN2,3)(N3) (4)
dari pers.(1) : YCO2,3 . N3 = 200
dari pers (2) : YH2O,3. N3 = 300
dari pers. (3) : N2 = 1666,67 mol/s
dari pers.(4) : YN2,3 . N3 = 1316,67 mol/s
N3 = YN2,3 . N3 + YCO2,3 . N3 + YH2O,3 . N3 = 1816,67 mol/s
YN2,3 = 72,48% ; YCO2,3 = 11% ; YH2O,3 = 16,52%
Tentukan Temperatur Referensi (Tref), kita ambil Tref = 25 oC = 298 K Persamaan neraca massa-energi :
N1 * ∆H1 + N2 * ∆H2 = Q + N3 * ∆H3
∆H1 = [H1(298)- H1(298)] = YC2H6,1 [∆Hf,C2H6,298 + Cp,C2H6 dT] ∆H2 = [H2 (298)- H2(298)] = YN2,2 [∆Hf,N2,298 + Cp,N2 dT] +
YO2,2 [∆Hf,O2,298 + Cp,O2 dT] ∆H3 = [H3 (T3)- H3(298)] = YN2,3 [∆Hf,N2,298 + Cp,N2 dT] +
YCO2,3 [∆Hf,CO2,298 + Cp,CO2 dT] + YH2O,3 [∆Hf,H2O,298 + Cp,H2O dT] T3 = ??
