MAKALAH
RESUME NERACA MASSA DAN ENERGI
DISUSUN OLEH : KELOMPOK : 6
NAMA :
1. TESALONIK LASMARIA MANALU / 20644046 2. CRISENSIA EKARISTI PONTOH / 20644048 3. JULI ASTUTI / 20644025
KELAS : 3B
MATA KULIAH : NERACA MASSA DAN ENERGI
PROGRAM STUDI S1 TERAPAN TEKNOLOGI KIMIA INDUSTRI POLITEKNIK NEGERI SAMARINDA 2020
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Mahakuasa karena telah memberikan kesempatan pada penulis untuk menyelesaikan makalah ini. Atas rahmat dan hidayah-Nya lah penulis dapat menyelesaikan makalah yang berjudul Makalah Resume secara tepat waktu.
Makalah Resume disusun guna memenuhi tugas Dosen pada mata kuliah Neraca Massa Dan Energi di Politeknik Negeri Samarinda Jurusan Teknik Kimia. Selain itu, penulis juga berharap agar makalah ini dapat menambah wawasan bagi pembaca tentang Neraca Massa Dan Energi.
Penulis mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada Bapak Ir. Ibnu Eka Rahayu, S.S.T.,M.T.,IPM. selaku dosen mata kuliah Neraca Massa Dan Energi. Tugas yang telah diberikan ini dapat menambah pengetahuan dan wawasan terkait bidang yang ditekuni penulis. Penulis juga mengucapkan terima kasih pada semua pihak yang telah membantu proses penyusunan makalah ini.
Penulis menyadari makalah ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun akan penulis terima demi kesempurnaan makalah ini.
Samarinda, Desember 2021
Penulis
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR...2
DAFTAR ISI...3
NERACA MASSA TANPA REAKSI KIMIA...4
Contoh soal...5
NERACA MASSA DENGAN REAKSI KIMIA...7
Contoh Soal...9
NERACA ENERGI TANPA REAKSI KIMIA...12
Contoh Soal...13
NERACA ENERGI DENGAN REAKSI KIMIA...22
Contoh soal...27
NERACA MASSA TANPA REAKSI KIMIA
Neraca massa tanpa reaksi di tandai dengan umpan hanya mengalami porses fisika seperti: Pencampuran, pemisahan, dan pengecilan ukuran.
Beberapa hal perlu diperhatikan dalam melakukan perhitungan neraca massa secara mudah :
1. Visualisasi: gambar diagram alir proses secara sederhana yang dapat menunjukkan perubahan– perubahan fisis yang terjadi.
2. Objektif: data yang relevan cantumkan pada iagram, misal kecepatan alir bahan, komposisi, suhu, tekanan, dan data fisik lainnya.
3. Rencana: pelajari data proses dan kembangkan hubungan kuantitas yang diketahui dan
yang tidak diketahui dalam neraca massa.
4. Menghitung:
• Pilih basis yang sesuai bila diperlukan.
• Selesaikan hubungan-hubungan persamaan di atas.
• Neraca massa berdasarkan pada hukum kekekalan massa dan energi: bahwa massa tidak dapat diciptakan dan tidak ada kehilangan massa kecuali menjadi energi (menurut Einstein).
Neraca massa tanpa reaksi kimia dijumpai pada banyak peristiwa operasi teknik kimia.
Neraca massa ini menjadi titik tolak perhitungan yang lainnya sampai pada perencanaan alat proses. Oleh karena itu, dalam perhitungan awal ini tidak boleh salah. Umumnya, operasi teknik kimia merupakan proses pemisahan bahan untuk dimurnikan. Neraca massa dibuat untuk suatu alat atau unit dengan batasan tertentu. Bahan-bahan yang perlu diperinci banyaknya adalah bahan-bahan yang masuk dan keluar batasan yang ditetapkan.
Berdasarkan hukum kekekalan massa, banyaknya bahan yang masuk, keluar dan menumpuk dalam system yang batasnya telah kita tetapkan, berlaku hubungan berikut
Jumlah massa masuk - Jumlah massa keluar = Jumlah massa yang menumpuk di dalam batas system.
Ri - Ro = Acc.
Dalam hal masukan atau keluaran berupa campuran berkomponen banyak, neraca massa dibuat untuk massa keseluruhan dan untuk masing-masing komponen.
Untuk proses yang steady state : MA = 0 Atau dapat dituliskan :
i = arus infut (masuk) o = arus output (keluar) Misalnya :
xi = fraksi massa pada arus masuk untuk semua komponen.
xo = fraksi massa pada arus keluar untuk semua komponen.
Neraca komponennya : steady State =
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 :
(N)
Limbah Produk
(L) (P)
(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):
0,23 ML + 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 + 0,87 MS = 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 + 0,87 MS = 600 x 0,59 0,59 ML + 0,91 MS = 600 x 0,64 Diperoleh:
MS = 434,15 kg ML = 347,32 kg MN = 218,53 kg
HNO3 23%
H2SO4 59%
H2O 18%
H2SO4 91%
HNO3 pekat 87%
H2SO4 60%
HNO3 27%
Proses
NERACA MASSA DENGAN REAKSI KIMIA
Persamaan neraca massa untuk reaksi kimia memberikan hubungan kuantitatif diantara reaktan dan hasil. Dalam proses industry umumnya:
Reaktan tidak murni.
Salah satu reaktan harus berlebihan.
Reaksi tidak sempurna seperti yang diinginkan.
Alat prosesnya di industry kimia disebut reactor
Perhitungan neraca massa reactor melibatkan stoikiometri reaksi.
Berlaku:
Perbandingan koefisien = perbandingan mol Perumusan neraca massa:
Reaksi : A + B C + D
A dan B = reaktan (bahan yang bereaksi) C dan D = produk (hasil reaksi)
Perumusan neraca massa reactor :
Neraca massa total : F + M = P ….(1) Neraca massa komponen :
Komp.A : F.XAF + M.XAM - Massa A yang bereaksi = P. XAP …(2)
Komp.B : F.XBF + M.XBM - Massa B yang bereaksi = P. XBP ….(3)
Komp.C : F.XCF + M.XCM + Massa C hasil reaksi = P. XCP ….(4)
Komp.D : F.XDF + M.XDM + Massa D hasil reaksi = P. XDP ….(5)
Massa komponen yang bereaksi dan hasil reaksi dapat dihitung dari stoikiometri hasil reaksi.
Komponen A, B, C dan D tanda nya berbeda karena posisi nya berbeda.
Istilah – istilah dalam persamaan neraca massa dengan reaksi kimia :
1. Reaksi pembakaran : reaksi dimana zat yang dibakar direaksikan dengan O2. Untuk senyawa hidrokarbon bila terjadi pembakaran sempurna akan menghasilkan CO2 dan H2O. Sedangkan untuk pembakaran tidak sempurna menghasilkan CO dan H2O.
F XAF
XBF
M XAM
XBM P
XCP
XDP
2. Udara : campuran gas yang terdiri N2 = 79% mol dan O2 = 21% mol.
Udara teoritis : jumlah udara/ oksigen yang dibutuhkan untuk dibawa kedalam proses untuk pembakaran sempurna (udara yang dibutuhkan)
Kelebihan udara : jumlah udara yang lebih dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna.
Jika konversi 100% maka reaksi berlangsung sempurna, sehingg reaktan akan habis bereaksi dan tidak muncul dalm aliran keluar
Jika konversi < 100% maka reaktaan akan bersisa pada aliran produk.
Pada kasus : jika udara yang dimasukkan berlebih , maka perhitungan untuk mencari banyaknya udara yang masuk berdasarkan kebutuhan O2 untuk membakar zat secara sempurna yaitu :
% kelebihan udara : 100×
3. Konversi Konversi =
4. Yield / Rendemen Yield =
5. Limitting reaktan :
Reaktan yang habis bereaksi terlebih dahulu.
Reaktan yang menjadi dasar perhitungan dalam stoikiometri reaksi.
Cara menentukannya : cari nilai mol/koefisien reaktan terkecil.
6. Gas pipa atau cerobong : semua gas yang dihasilkan dari sebuah proses pembakaran termasuk uap air, basis basah.
7. Analisa Orsat atau basis kering : semua gas yang dihasilkan dari sebuah proses pembakaran tak termasuk uap air.
Catting (Catatan Penting):
Untuk neraca massa yang melibatkan reaksi kimia, sebaiknya dipakai satuan mol karena zat- zat bersangkutan secara stoikiometri. Jika basis dalam satuan massa maka ubahlah terlebih dahulu menjadi satuan mol.
Contoh Soal
Sebuah reactor di gunakan untuk membuat anilin dengan mereaksikan ammonia dan fenol.
Feed pada pada reactor berupa fenol dengan laju alir 100 kg/jam dan ammonia dengan laju alir 2000 kg/jam. Dengan asumsi bahwa konversi reaksi 95%, hitung komposisi laju alir produk pada reactor berdasarkan reaksi dibawah ini!
Jawaban Diketahui :
BM Fenol (C6H5OH) = 94,11 BM Amonia (NH3) = 17,031 BM Anilin (C6H5NH2) = 93,13
BM Air (H2O) = 18,015
Laju Alir Fenol Masuk = 100 kg/jam Laju Alir Amonia Masuk = 2000 kg/jam Reaksi Amonia dan Fenol menjadi Anilin
Dengan asumsi bahwa konversi = 95% dan
A = Fenol
B = Ammonia
C = Anilin
D = Air
Maka diagram alir akan menjadi sebagai berikut
Perhitungan
1. Konversi dari laju alir massa menjadi laju alir mol dengan rumus sebagai berikut
Laju Alir Mol untuk Fenol
Laju Alir Mol untuk Ammonia
2. Perhitungan Input dan Output Reaktor dengan perhitungan Stoikiometri NH3 + C6H5OH → C6H5NH2 + H2O
M 117,4329 1,0626 - - kgmol/jam
B 1,0095 1,0095 1,0095 1,0095
S 116,4235 0,0531 1,0095 1,0095
Berdasarkan perhitungan diatas maka dapat disimpulkan bahwa di bagian Output reactor ada ammonia, fenol, anilin, dan air dengan laju alir masing masing sebagai berikut
Ammonia = 116,4235 kgmol/jam Fenol = 0,0531 kgmol/jam Anilin = 1,0095 kgmol/jam Air = 1,0095 kgmol/jam
3. Konversi laju alir mol output menjadi laju alir massa
Laju alir massa Ammonia
Laju alir massa Fenol
Laju alir massa Anilin
Laju alir massa air
Maka berikut hasil perhitungan neraca massa reactor yang disajikan dalam bentuk table data laju alir
Nama Bahan Komponen BM Umpan Produk
kg/jam kgmol/jam kg/jam kgmol/jam
Ammonia NH3 17,031 2000 117,4329 1982,8079 116,4235
Fenol C6H5OH 94,11 100 1,0626 5,0000 0,0531
Anilin C6H5NH2 93,13 0 0 94,0107 1,0095
Air H2O 18,015 0 0 18,1854 1,0095
Total 2100 118,4955 2100 118,4955
NERACA ENERGI TANPA REAKSI KIMIA
A. Konsep hukum kekekalan energi
“Total energi pada sistem dan lingkungan tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan”
Penerapan neraca energi tanpa reaksi kimia ada 2 : 1. Neraca energi sistem tertutup
2. Neraca energi sistem terbuka
B. Penerapan neraca energi tanpa reaksi kimia
1. Neraca energi sistem tertutup
Gambaran neraca energi untuk sistem tertutup dapat dijelaskan sbb : Total energi yang dimiliki sistem (E) terdiri :
- Energi dalam (U) - Energi kinetik (K) - Energi potensial (P)
Perumusan neraca energi untuk sistem tertutup dapat dijelaskan sebagai berikut :
(Energi yang terakumulasi dalam system) = (Aliran energi masuk system) – (Aliran energi keluar system) + (Energi yang timbul dalam sistem) – (Energi yang dikonsumsi dalam sistem Karena adanya proses pada sistem, ketiga energi tersebut mengalami perubahan
∆U, ∆K, dan ∆P
Total energi juga mengalami perubahan: ∆E
Energi lain yang bisa masuk ataupun keluar dari batasan sistem dan lingkungan adalah Kerja (W) dan kalor (Q)
Untuk sistem tertutup, karena tidak ada reaksi (tidak ada yang terkonsumsi dan terbentuk), persamaan menjadi : ∆E=Q-W
Dimana :
∆E = Perbedaan energi di dalam sistem (akumulasi) Q = Kalor yang diserap oleh sistem dari lingkungannya
Q = +, jika kalor masuk ke sistem (sistem menyerap kalor)
Q = -, jika kalor keluar sistem (sistem melepas kalor) W = Kerja mekanik oleh sistem terhadap lingkungannya W = +, jika kerja dilakukan oleh sistem ke lingkungan W = -, jika kerja dilakukan oleh lingkungan ke system
Persamaan ini dikenal sebagai “Hukum Pertama Termodinamika “untuk sistem tertutup.
Unsteady-state
Neraca massa makroskopik untuk sistem tertutup dan unsteady-state :
(Akumulasi massa di dalam sistem) = (massa yang masuk) - (massa yang keluar)
Secara analogi, neraca energi makroskopik untuk sistem tertutup dan unsteady-state dapat dituliskan :
(Akumulasi energi di dalam sistem) = (energi yang masuk) - (energi yang keluar)
Aplikasi neraca energi sistem tertutup (unsteady-state) Contoh Soal
Alkaloid merupakan senyawa kimia yang mengandung nitrogen yang dapat diproduksi oleh sel tumbuhan. Pada sebuah penelitian, tangka tertutup seperti ditunjukkan pada gambar C2.1, silinder tersebut mempunyai volume 1,673 m3 diisi dengan air yang mengandung dua
alkaloid, ajmalisin, dan serpentin. Suhu larutan 10°C, untuk mendapatkan alkaloid kering, maka air sebanyak 1 kg di dalam tangka akan diuapkan. Asumsi property air dapat digunakan untuk menggantikan property larutan.
Berapa banyak panas yang harus ditransfer ke tangki jika 1 kg saturated liquid water pada 10°C teruapkan secara sempurna dengan kondisi akhir 100°C pada 1 atm
Penyelesaian :
Data yang ditampilkan dapat digunakan untuk mencari properti lain di steam table Data kondisi awal, p = 1 atm, T = 10°C, dan = 2506 kJ/kg
Sistem tertutup. Unsteady state sehingga dapat menggunakan persamaan:
Gambar 3.1
0, karena air dalam keadaan diam
karena air dibagian tengah berubah sangat kecil Tidak terdapat kerja (W = 0)
Basis : 1 kg H2O terevaporasi Q = = m 2- 1) Q =
Steady-state
Steady state berarti akumulasi di dalam sistem = 0 Aliran Q dan W konstan Dalam sistem
EK 0 , EP 0 ,U 0,E 0 Sehingga Q W 0
Hal tersebut berarti semua kerja yang dilakukan pada sistem tertutup, steadystate akan ditransfer keluar sebagai panas (-Q). Akan tetapi tidak terjadi sebaliknya, Q tidak selalu dengan kerja yang dilakukan oleh sistem (-W)
Aplikasi Neraca Energi Sistem Tertutup (steady state)
Gas Argon dalam bejana diisolasi yang volumenya 2 liter dipanaskan dengan pemanas listrik.
Pemanas listrik 1000 Ohm dan 40 Volt dialiri listrik selama 5 menit (ekivalen dengan kerja 480 J). gas pada kondisi awal 1,5 Pa dan 300 K. Bila pemanas listrik mempunyai massa 12 gram dan Cp – 0,35 J (g.K) dan panas hilang diabaikan, hitunglah suhu akhir gas !
Penyelesaian :
Basis : 5 menit
Basis : 5 menit Sistem : Overal ( I + II)
Persamaan Neraca Energi : E = Emasuk – Ekeluar
I Heater Awal : 300 K
Akhir T K
II Gas : Awal : 300 K
Akhir T K IWI
480 J IQI
(U + K + P)I+II = W – 0 Anggapan : 1. Argon gas ideal
2. K = 0 3. P = 0
Maka : (U)I + (U)II = 480……….(1) Gas Argon :
Cp Argon = 5/2R (Tabel 5.1 Himmeblau)
Cv = Cp – R = 3/2R = 3/2 x 3,14 J/gmol.K = 12,471 J/gmol.K N = PV/(RT) ; R = PoVo/To , maka
n = P/Po x V/Vo x To/T
n = 1,5 x 10-3 kPa/101,3 kPa x 21/22,4 (1/gmol) x 273 K/300 K n = 1,203 x 10-6gmol
(U)I = n x Cv x (T – 300)
= 1,203 x 10-6 gmol x 12,471 J/gmol.K x (T – 300) K = 15 x 10-6 (T – 300)
(U)II = m x Cv x (T – 300) = 12 x 0,35 x (T – 300)
= 4,2 (T – 300) (anggap Cp = Cv untuk zat padat) Substitusikan ke persamaan 1, maka
(U)I + (U)II = 480
(15 x 10-6 (T – 300)) + (4,2 (T – 300)) = 480 T = 414,3 K
2. Neraca energi sistem terbuka
Pada sistem terbuka, akan terdapat aliran massa yang masuk maupun keluar sistem dengan kecepatan aliran yang kontinyu. Aliran massa masuk dan keluar tersebut juga membawa serta besaran energi, yaitu : U, K, dan P. Neraca energi untuk sistem terbuka :
Bentuk P1V1 dan P2V2 dalam persamaan diatas menunjukkan kerja tekanan/kerja aliran/energi aliran muncul saat sistemnya terbuka dan terdapat aliran masuk dan keluar. Agar menjadi lebih sederhana, besaran entalpi dimasukkan ke persamaan neraca energi sistem terbuka, dimana , sehingga persamaan neraca energi menjadi
Dalam persamaan diatas, symbol mempunyai dua arti, yakni : a) Pada E, berarti akhir dikurangi awal dalam waktu t b) Pada H, berarti aliran keluar – aliran masuk
Perumusan lain :
a) Jika tidak ada perpindahan massa berarti sistem tertutup/batch : E = Q – W b) Jika tidak ada perpindahan massa, tidak ada akumulasi (E = 0), maka Q = W c) Jika tidak ada aliran massa dan tidak ada akumulasi (E = 0), maka Q – W = (H
+ K + P)m
d) Jika tidak ada aliran massa, tidak ada akumulasi (E = 0), lalu W = 0, K = 0, dan P = 0, maka H = Q
e) Jika ada aliran massa, tidak ada akumulasi E = 0, lalu Q = 0, W = 0, K = 0, dan P
= 0, maka H = 0 Istilah proses :
a) Isothermal : proses pada temperature konstan (T = 0) b) Isobaric : proses pada tekanan konstan (P = 0)
c) Isomeric atau isokhorik : proses pada volume konstan (V = 0)
d) Adiabatik : proses yang terjadi tanpa adanya kalor yang berpindah karena dianggap terisolasi sempurna (Q = 0)
Pada proses dengan reaksi kimia, kondisi d yang terjadi, sehingga banyak yang menyebut bahwa Hreaksi adalah panas reaksi.
Unsteady State
Pada sistem terbuka dan unsteady-state, akumulasi pada E = 0 pada neraca energi tidak sama dengan 0 karena :
a) Massa di dalam sistem berubah
b) Energi per unit massa di dalam sistem berubah
Pada gambar, sistem digambarkan di dalam batas, nomor 1 menunjukkan aliran massa yang masuk sistem sedangkan nomor 2 menunjukkan aliran massa keluar. Hal yang diperhatikan adalah tidak memperhatikan detail sistem tetapi hanya transfer energi yang masuk ke dalam sistem dan keluar dari sistem.
Neraca energi secara umum :
Akumulasi pada sistem dari t1 ke t2 : Transfer energi masuk sistem dari t1 ke t2 :
Transfer energi keluar sistem dari t1 ke t2 :
Net transfer energi oleh transfer panas masuk dan keluar sistem dari t1 ke t2 : Q
Net transfer energi oleh kemiringan, mekanik, kerja elektrik masuk dan keluar sistem dari t1
ke t2 : W
Net transfer energi oleh kerja dalam rangka memasukkan dan mengeluarkan massa dari t1 ke t2 :
P1V1 dan P2V2 disebut sebagai kerja/energi tekanan/kerja aliran/kerja energi merupakan kerja yang dilakukan oleh lingkungan untuk memasukkan massa suatu bahan ke dalam sistem pada batas nomor 1 di gambar dan kerja yang dilakukan oleh siste kepada lingkungan sebagai suatu massa yang meninggalkan sistem ditunjukkan nomor 2 gambar
Maka kerja per unit massa :
Dimana V adalah volume per unit massa, maka kerja pada aliran keluar adalah
Penggabungan persamaan-persamaan di atas menjadi persamaan neraca energi sebagai berikut
Jika dan , maka
Memasukkan ke persamaan 2.11 sehingga diperoleh
Penulisan sederhana neraca energi untuk memudahkan dalam mengingat ditunjukkan persamaan 2.13
Dimana adalah keadaan di dalam sistem pada waktu t
Tanda merupakan tanda yang berarti perbedaan, dalam persamaan diatas mempunyai dua arti, yaitu :
a) E, berarti akhir dikurangi awal (waktu)
b) , berarti keluar sistem dikurangi masuk system
3. Aplikasi neraca energi sistem terbuka (Unsteady state)
Tangki yang keras terisolasi sempurna dihubungkan ke 2 valve. Hanya satu valve yang menuju aliran steam dimana kondisi steam pada P = 1000 kPa dan T = 600 K, sedangkan valve yang lain menuju ke pompa vakum. Kedua valve awalnya dalam keadaan tertutup.
Kemudian, valve yang mengarah ke pompa vakum dibuka, lalu tangki dikonsongkan, setelah itu valve kembali ditutup. Berikutnya valve menuju ke aliran steam dibuka sehingga steam masuk dengan pelan ke dalam tangka yang telah dikosongkan sampai tekanan di dalam tangka sama dengan tekanan pada aliran steam. Hitung suhu akhir steam di dalam tangki
Penyelesaian :
Pertama, menentukan bahwa tangka sebagai sistem, sistem terbuka dan unsteady state (massa di dalam sistem bertambah) dengan basis 1 kg
Property steam pada P = 1000 kPa dan T = 600 K adalah U = 2837,73 kJ/kg
(2.10)
(2.11)
(2.12)
(2.13)
H = 3109,44 kJ/kg dan V = 0,271 m3/kg
Menuliskan persamaan umum neraca enrgi sesuai persamaan 2.13
Asumsi untuk menyelesaikan persamaan :
1. Tidak terjadi perubahan di dalam sistem untuk EP dan EK, sehingga E = U
2. Tidak ada kerja yang dilakukan dari atau ke sistem karena tangka keras sehingga W = 0
3. Tidak ada panas yang ditransfer dari atau ke sistem karena tangka terisolasi sempurna sehingga Q = 0
4. EK dan EP untuk steam yang masuk = 0 5. Tidak ada aliran keluar sistem sehingga Hkeluar = 0
6. Pada awalnya tidak ada massa di dalam sistem sehingga Ut1 = 0
Sehingga persamaan (a) menjadi atau
Untuk mengetahui suhu akhir di dalam tangki, maka minimal harus diketahui 2 properti. Pada persoalan disebutkan suatu keadaan dimana tekanannya sama dengan tekanan di steam, yaitu 1000 kPa
Maka properti yang lain yang dapat dicari bukan T ataupun V tetapi Ut2 karena Ut2 = Hmasuk = 3109,44 kJ/kg
Sehingga dengan interpolasi di steam table dengan P = 1000 kPa diperoleh nilai T = 764 K
steady-state
Kebanyakan proses refining dan industri kimia merupakan sistem terbuka dan steady-state karena proses produksi sistem kontinyu untuk menghasilkan produk dalam jumlah besar lebih menguntungkan secara ekonomi.
Penulisan sederhana neraca energi untuk memudahkan dalam mengingat ditunjukkan persamaan
Dimana adalah keadaan di dalam sistem pada waktu t
Tanda merupakan tanda yang berarti perbedaan, dalam persamaan di atas mempunyai dua arti yaitu :
a) E, berarti akhir dikurangi awal (waktu)
b) (H EK EP), berarti keluar sistem dikurangi masuk sistem Steady state, E 0 sehingga persamaan
menjadi
EP dan EK bisa diabaikan karena istilah energi pada neraca energi pada kebanyakan proses terbuka didominasi Q, W, dan H sedangkan EP dan EK jarang digunakan.
Sehingga persamaan paling umum untuk sistem terbuka dan unsteady-state adalah
4. Aplikasi neraca energi sistem terbuka (Steady state)
Susu (sifat dasar seperti air) dipanaskan dari 15°C menjadi 25°C dengan air panas suhu 70°C dan menjadi 35°C seperti gambar di bawah ini. Asumsi apa yang dapat anda ambil untuk menyederhanakan persamaan 2.14 dan berapa rate aliran air dalam kg/menit per kg/menit susu ?
Penyelesaian :
Menetapkan susu + air di dalam tangka sebagai steam Asumsi untuk persamaan 2.14 :
1. EP dan EK bernilai 0 2. Q = 0
3. W = 0
Sehingga persamaan 2.14 menjadi H = 0
Properti air
(2.14)
T (°C) H (kJ/kg)
15 62.02
25 103.86
35 146.69
70 293.10
Basis = 1 menit atau berarti 1 kg susu, maka:
= 0
NERACA ENERGI DENGAN REAKSI KIMIA
Neraca energi dengan reaksi kimia dirumuskan dengan ∆H = Q. Kalor yang terlibat dalam reaksi kimia adalah panas yang timbul karena adanya reaksi atau panas yang diserap sistem dari lingkungan karena reaksi membutuhkan panas. Macam-macam ∆H pada perumusan neraca energi dengan reaksi :
1. Perubahan entalpi aliran keluar dan masuk
2. Perubahan entalpi produk reaksi dan bahan reaksi
3. Entalpi pembentukan yang mewakili adanya panas reaksi.
Perubahan entalpi aliran keluar dan masuk
Pada reaksi kimia, umumnya akan melepaskan atau menyerap panas, hal ini disebabkan karena perbedaan struktur molekul dan energi pada produk dan reaktannya. Dikenal berbagai jenis panas reaksi untuk berbagai proses kimia, tetapi secara umum merupakan panas peruraian/pembentukan dan panas pembakaran. Dan dari panas pembentukan dan panas pembakaran dapat dihitung panas reaksi standar.
Entalpi pembentukan standar atau Panas ΔHf0
Pembentukan standar merupakan jumlah panas yang dibutuhkan untuk membentuk suatu senyawa/molekul dari unsur atau komponen pembentuknya. Entalpi pembentukan standar berlaku untuk operasi proses pada kondisi standar P = 1 atm dan T = 25oC.
Ciri-ciri reaksi pembentukan :
1. Reaktan adalah unsur-unsur penbentuk senyawa yang ada di produk reaksi Produk harus berkoefisien satu, karena entalpi pembentukan adalah panas yang diperlukan untuk terbentuknya 1 mol senyawa.
Entalpi Pembakaran Standar ΔHc0
Entalpi pembakaran standar atau panas pembakaran standar merupakan panas yang dilepaskan setiap pembakaran satu mol senyawa. Reaksi pembakaran pada umumnya melibatkan gas oksigen dan menghasilkan CO2 serta H2O. Secara umum dapat ditulis sebagai berikut :
aA + bB cC + dD
HR0= {c (Hf0 ) C + d (Hf0 )D} – {a (Hf0 ) A – b (Hf0) B}
Persamaan di atas untuk reaksi kimia yang berlangsung pada STP. Bila diperoleh
Hr ( = panas reaksi tidak pada STP, pada sembarang suhu); harganya (+) maka reaksinya endotermis sedangkan jika harganya (-) maka reaksinya eksotermis.
Hr = (Hf) produk – (Hf) reaktan.
Untuk menghitung harga (Hr), dapat digunakan data Hf senyawa yang ada pada sembarang suhu atau dengan data Hf0 nya. Fase-fase zat pereaksi dan hasil reaksi perlu diperhatikan juga apakah merupakan larutan atau tidak, sehingga sangat penting untuk dipertimbangkan dalam perhitungan panas reaksi yang bersangkutan.
Panas Reaksi Pembakaran standar, Hc0
Metoda yang kedua untuk menyatakan data termokimia, dinyatakan dalam panas pembakaran standar. Reaksi pembakaran yaitu reaksi suatu substanse (zat) dengan O2
(reaksi oksidasi). Panas yang disertakan pada reaksi di atas disebut : panas pembakaran. Standard heat of combustion (Hc0) yaitu panas yang diperlukan atau dihasilkan bila kita membakar 1 mole substansi bila reaksi tersebut dijalankan pada keadaan standard (suhu reaktan dan produk: 25 0C dan tekanan 1 atm.). Panas pembakaran standar selalu negatif. Harga yang positif menunjukkan bahwa zat tidak terbakar atau tidak teroksidasi. Panas reaksi standar dapat dihitung dari panas pembakaran standar, dengan persamaan :
HR0 = ( Hc0 ) reaktan – ( Hc0 ) produk.
Atau :
HR0= -[ Hc0 produk – Hc0 zat pereaksi (reaktan)].
HR0= -[ n produk . Hc0 produk – n reaktan. Hc0 reaktan)].
Panas reaksi kimia standar, Hro
Reaksi kimia dalam industri biasanya dijalankan pada suatu tingkat suhu tertentu atau daerah kisaran suhu tertentu untuk menghasilkan kecepatan dan yield reaksi yang diinginkan. Dalam hal ini seringkali perlu untuk menghilangkan atau menambah panas untuk mempertahankan suhu reaksi. Oleh karena itu dalam perancangan sebuah rector perlu diketahui efek panas yang timbul dari reaksi yang bersangkutan dan reaksi dijalankan secara isothermal atau tidak.
Panas reaksi standar didefinisikan sebagai perubahan entalpi dari suatu reaksi pada tekanan 1 atm.; dimana bahan masuk dan bahan keluar (yang dihasilkan) pada suhu konstan (250C), dengan kata lain panas yang diakibatkan oleh reaksi kimia adalah tergantung pada suhu dan tekanan dari reaktan dan produknya. Bila kondisi dari reaktan
dan produk pada kondisi standar/STP (suhu = 250C, tekanan = 1 atm) maka panas reaksi yang disertakan disebut :panas reaksi standar, dengan notasi Hro, satuannya panas/mol = kal./grmol produk.
Panas Reaksi Pembentukan standar, Hf0
Panas pembentukan standar merupakan panas reaksi yang khusus, yaitu sejumlah panas yang diperlukan atau dibebaskan bila 1 mole senyawa dibentuk dari unsure- unsurnya. Dimana suhu reaktan dan produk 250C dan tekanan 1 atm. Panas pembentukan digunakan untuk menghitung panas reaksi standar. Keadaan standar senyawa adalah sebagai berikut :
Fase : reference
Solid : kristal murni pada 250C
Liquid : cairan murni pada 250C dan 1 atm Gas : murni pada 250C dan 2 atm Pengaruh suhu terhadap panas reaksi
Reaksi kimia dalam proses yang ada diindustri jarang dikerjakan/biasanya tidak dijalankan pada suhu standar 250C. Zat-zat pereaksi/reaktan terdapat pada suhu tertentu untuk menghasilkan reaksi , mungkin saja pada suhu yang lain, sehingga perlu mengetahui cara menghitung panas reaksi pada suhu yang lain, yaitu dinyatakan dalam term (Hr T). Hr pada suhu T dapat dihitung dengan langkah :
a) zat pereaksi didinginkan sampai 298 K (25 0C) b) reaksi dijalankan pada suhu 298 K (25 0C) c) hasil reaksi dipanaskan sampai T kembali.
Karena entalpi merupakan besaran yang “state function”, jadi tidak tergantung jalannya proses (reaksi) di atas, maka :
Hr,T = H1 + Hr0 + H2
H1(reaktan)= entalpi daripada reaktan(sensible heat) di atas 25 0C.
H2(produk) = entalpi daripada produk (sensible heat) di atas 25 0C.
Bila reaksi berjalan secara isotermis (suhu reaktan=produk), maka :
Hr,T = H1 + Hr0 + H2
Gambar 4.1 Panas reaksi dengan reaktan dan produk berbeda temperatur
Hr,T = H1 + Hr0 + H2
Hr,T = Cp reaktan dT + Hr0 + Cp produk dT Reaksi kimia adiabatis
Bila suatu system tidak memberi panas sekeliling atau tidak menerima panas dari sekeliling, maka proses tersebut disebut proses adiabatic atau proses isontropis. Skema reaksinya bisa dituliskan :
Hr,T = H1 + Hr0 + H2
Hr,T = 0; maka:
0 = H1 + Hr0 + H2
H2 = - H1 - Hr0
Bila reaksi kimia berjalan secara adiabatic, maka dua hal yang harus diperhatikan : 1. Bila reaksinya eksotermis, maka suhu dari hasil akan lebih daripada suhu
reaktannya. Dalam hal ini : H2 = H1 + Hr0 2. Semua reaksi oksidasi adalah eksotermis.
Theoritical Flame Temperature ( Suhu Nyala Teoritis)
Suhu maksimum yang dapat dicapai bila bahan bakar (fuel) dibakar dengan udara atau oksigen tanpa ada panas yang ditransfer atau hilang dinamakan : Suhu nyala teoritis (Theoritical flame temperature) suhu maksimum untuk membakar yang adiabatic (maksimum diabatic flame themperature) dicapai bila fuel tersebut dibakar dengan oksigen murni secara teoritis (stoichiometri). Besarnya suhu sangat dipengaruhi oleh :
1. Suhu dari fuel yang dibakar 2. Suhu udara pembakar.
Sehingga pada proses pembakaran dilengkapi dengan “preheater” yang berfungsi pemanas pendahuluan terhadap bahan bakar ataupun udaranya. Hal ini mengakibatkan total heat inputnya ke alat pembakar (burner) bertambah dan flame temperaturnya akan naik.
Actual Flame Temperature
Suhu nyala pembakaran secara adiabatic, dengan anggapan pembakaran sempurna harganya lebih besar bila dibanding dengan proses pembakaran yang sesungguhnya.
Untuk kondisi awal yang sama. Pada suhu tinggi sangat sukar sekali terjadi pembakaran sempurna dan selalu ada panas yang hilang dari nyalanya. Hal ini diakibatkan pada suhu tinggi terjadi keseimbangan antara CO2, CO, O2 yang sesuai pada proporsi yang tertentu. Suhu nyala adiabatic untuk bahan bakar gas-gas bervariasi tetapi sangat kecil perbedaannya. Hal ini disebabkan karena pada pembakaran gas yang heating valuenya tinggi akan mengakibatkan jumlah N2 yang ada pada flue gasnya juga besar, pada kapasitas panas N2 sangat besar.
Reaksi Sesungguhnya dalam Industri
Perhitungan neraca tenaga dalam proses industri kimia adalah sangat kompleks yang dipengaruhi oleh beberapa factor , misalnya :
1. Adanya excess reaktan 2. Adanya impurities
3. Kecepatan reaksi yang lambat
4. Terjadinya reaksi samping.
Dari hal ini, bila kita ingin menuliskan neraca tenaganya, maka harus betul dulu tentang neraca massanya. Dalam menuliskan neraca tenaga harus ditentukan dulu suhu refrencenya di mana H = 0, biasanya diambil suhu : 25 0C (pada kondisi STP, di mana entalpi untuk komponen murni = 0).
Contoh Soal Neraca Energi dengan Reaksi Kimia 4.1.1 Neraca Energi pada Reaktor
Didalam reactor akan dibahas mengenai temperature nyala adiabatis dan pengaruh temperature pada panas reaksi.
A. 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 adiabatis. Persamaan neraca energy reactor adiabatic adalah:
Dimana,
Contoh soal
Etanol didehidrasi menghasilkan acetaldehyde menurut reaksi berikut:
Diproses didalam reactor adiabatic. Ethanol masuk ke reactor dalam bentuk uap pada temperature 300 . Didalam reactor terjadi konversi sebesar 30%. Hitung T nyala adiabatic!
Penyelesaian :
Dari tabel kapasitas panas diperoleh:
Basis : 100 mol bahan masuk Diagram proses:
Menghitung entalpi masuk :
= 100 mol x = 3025 kJ
Reaksi pada 25
= 2069 Kj Misal
Menghitung entalpi keluar Reaktor 100 mol
T = 300
Konversi 30%
70 mol 30 mol 30 mol
Persamaan neraca energy reactor adiabatic
Proses adiabatic tidak ada panas yang hilang
Jadi T nyala adiabatic
4.1.2 Pengaruh Temperatur pada Panas Reaksi
Reaksi pada umunya terjadi pada suhu tinggi dan tidak pada suhu 25oC. Untuk dapat menghitung pengaruh suhu pada panas reaksi, perlu ditentukan lebih dahuludan suhu tertentu sebagai reference. Sedangkan panas reaksi pada suhu 25oC, 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
A,B
C,D
C,D Gambar 4.2 Skema panas reaksi
Catatan:
a) b)
Contoh soal :
dan diumpankan pada suhu 298K kereaktor bersuhu 800K, 1 atm dalam perbandingan stokiometri, menghasilkan pada pembakaran sempurna. keluar pada suhu 80K. Diketahui data sebagai berikut :
Cp (kal/mol K)
Hitunglah panas reaksinya!
Penyelesaian:
Zat masuk pada suhu 298K kedalam reactor bersuhu 800K berarti ada perbedaan temperature sehingga skema prosesnya sebagai berikut :
Reaktor
Produk
Produk 298K
Reaksi yang terjadi :
Basis : 1 mol
Neraca massa :
Zat Masuk Keluar
1 0
0,5 0
0 1
Dari skema proses :
