NERACA MASSA - 2 Dengan reaksi kimia

NERACA MASSA

(2)

Dengan reaksi kimia

NERACA MASSA DENGAN REAKSI TUNGGAL

■ Proses reaksi kimia melibatkan penyusunan kembali atom dan molekul untuk membentuk berbagai komponen molekular yang berbeda.

■ Laju input massa(atau molar) dan output massa (atau molar) dalam sistem reaksi tidak seimbang.

■ Ada yang berkurang (reaktan) dan yang dihasilkan (produk).

■ Sehingga, bila terjadi reaksi kimia ==> persamaan neraca komponen:

𝒍𝒂𝒋𝒖 𝒎𝒐𝒍𝒂𝒓 𝒔𝒑𝒆𝒔𝒊𝒆𝒔 𝑺 𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌 = 𝒍𝒂𝒋𝒖 𝒎𝒐𝒍𝒂𝒓 𝒔𝒑𝒆𝒔𝒊𝒆𝒔 𝑺 𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 = 𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕

𝑵_𝒔^𝒊𝒏 − 𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕 = 𝟎

TIDAK VALID

■ Didefinisikan selisih laju input dan output, R_s, adalah laju produksi molar spesies s:

𝑹_𝒔 = 𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕 − 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 … 𝟏 𝑹_𝒔 = 𝑭_𝒔^𝒐𝒖𝒕 − 𝑭_𝒔^𝒊𝒏

𝑴_𝒔 … (𝟐)

N_s = laju molar s F_s = laju massa s M_s = berat molekul s

Contoh:

Dalam proses kontinyu sintesa amonia melalui reaksi

𝑵_𝟐 + 𝟑𝑯_𝟐  𝟐𝑵𝑯_𝟑

sebanyak 40 mol/jam H₂ dan 12 mol/jam N₂ diumpankan ke dalam reaktor menghasilkan aliran output 8 mol/jam N₂, 28 mol/jam H₂, dan 8 mol/jam NH₃. Maka berapa laju produksi masing-masing zat ?

𝑅_𝑁𝐻3 = 𝑁_𝑁𝐻3^𝑜𝑢𝑡 − 𝑁_𝑁𝐻3^𝑖𝑛 = 8 − 0 = 8 𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚 𝑅_𝑁2 = 𝑁_𝑁2^𝑜𝑢𝑡 − 𝑁_𝑁2^𝑖𝑛 = 8 − 12 = −4 𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚 𝑅_𝐻2 = 𝑁_𝐻2^𝑜𝑢𝑡 − 𝑁_𝐻2^𝑖𝑛 = 28 − 40 = −12 𝑚𝑜𝑙

𝑗𝑎𝑚

(+)

bertambah/

dihasilkan (-)

berkurang/

bereaksi

■ Mengatur ulang persamaan (1) dan (2), maka output:

𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 + 𝑹_𝒔 … 𝟑 𝑭_𝒔^𝒐𝒖𝒕 = 𝑭_𝒔^𝒊𝒏 + 𝑴_𝒔𝑹_𝒔 … (𝟒)

■ Laju produksi diperlukan untuk setiap zattidak bisa independen, tapi proporsional dengan zat lain, sesuai koefisien reaksi saling berhubungan

Contoh: N₂ + 3H₂  2NH₃ maka, ^{𝑅𝑁𝐻3}

−𝑅_𝑁2 = ²

1; ^𝑅𝐻2

𝑅_𝑁2 = ³

1; ^{𝑅𝑁𝐻3}

−𝑅_𝐻2 = ²

3

Jika laju input N₂, H₂, dan NH₃ adalah 12 mol/jam, 40 mol/jam dan 0 mol/jam, dan laju produksi N₂ adalah -4 mol/jam.

Maka R_NH3 = 2 (-R_N2) = 2 (-(-4)) = 8 mol/jam; R_H2 = 3 (R_N2) = -12 mol/jam Sehingga neraca massa:

𝑁_𝑁𝐻3^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝑁𝐻3^𝑖𝑛 + 𝑅_𝑁𝐻3 = 0 + 8 = 8𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚 𝑁_𝑁2^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝑁2^𝑖𝑛 + 𝑅_𝑁2 = 12 + (−4) = 8 𝑚𝑜𝑙

𝑗𝑎𝑚

𝑁_𝐻2^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝐻2^𝑖𝑛 + 𝑅_𝐻2 = 40 + (−12) = 28 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚

Konsep Laju Reaksi

■ Dari contoh sebelumnya, N₂ + 3H₂  NH₃ diketahui bahwa persamaan reaksi kimia memiliki hubungan:

𝑅_𝑁𝐻3

−𝑅_𝑁2 = ²

1

𝑅_𝐻2

𝑅_𝑁2 = ³

1

𝑅_𝑁𝐻3

−𝑅_𝐻2 = ²

3

Dapat juga dituliskan: ^{𝑅𝑁𝐻3}

2 = ^𝑅𝐻2

−3 = ^𝑅𝑁2

−1

𝒓 = 𝑹_𝒔

𝝈_𝒔 𝒂𝒕𝒂𝒖 𝑹_𝒔 = 𝝈_𝒔 𝒓

𝑟 = laju reaksi

𝝈_𝒔= koefisien stoikiometri reaksi  (-) untuk reaktan, (+) untuk produk Sehingga persamaan neraca mol/massa:

𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 + 𝝈_𝒔 . 𝒓 … (𝟓) 𝑭_𝒔^𝒐𝒖𝒕 = 𝑭_𝒔^𝒊𝒏 + 𝝈_𝒔 . 𝑴_𝒔 . 𝒓 … (𝟔)

laju produksi dibagi koefisien stoikiometri

reaksi

■ Contoh: N₂ + 3H₂  2NH₃

Jika laju input N₂, H₂, dan NH₃ adalah 12 mol/jam, 40 mol/jam dan 0 mol/jam, dan laju output N₂ adalah 8 mol/jam, maka laju output zat lain?

𝝈_𝑵𝟐 = −𝟏 𝝈_𝑯𝟐 = −𝟑 𝝈_𝑵𝑯𝟑 = 𝟐 Maka persamaan neraca mol:

𝑁_𝑁2^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝑁2^𝑖𝑛 + −1 𝑟 8 = 12 − 𝑟

Hasilnya, laju reaksi, r = 4 mol/jam

Maka output zat lain:

𝑁_𝐻2^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝐻2^𝑖𝑛 + −3 𝑟 = 40 − 3𝑟

= 40 − 3 4 = 28 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚

𝑁_𝑁𝐻3^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝑁𝐻3^𝑖𝑛 + 2 𝑟 = 0 + 2𝑟

= 0 + 2 4 = 8 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚

Konversi dan Reaktan Pembatas

■ Konversi reaktan: fraksi atau bagian reaktan yang berkurang karena bereaksi:

𝑿_𝒔 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 − 𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 𝑿_𝒔. 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 − 𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕

substitusi persamaan (5)

𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 + 𝝈_𝒔 . 𝒓 menjadi:

𝑿_𝒔. 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 − 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 + 𝝈_𝒔 . 𝒓

𝒓 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏. 𝑿_𝒔

−𝝈_𝒔 … (𝟕)

■ Contoh:

Produksi Asam nitrat melalui sintesa amonia (reaksi Haber), tahap pertama menghasilkan Oksida nitrat dengan bantuan katalis platinum.

𝟒 𝑵𝑯_𝟑 + 𝟓 𝑶_𝟐  𝟒 𝑵𝑶 + 𝟔 𝑯_𝟐𝑶 Dalam kondisi reaksi tertentu, diperoleh 90% konversi NH₃.

Umpan masuk: 40 mol/jam NH₃ dan 60 mol/jam O₂. Hitung laju output semua zat!

Jawab:

𝝈_𝑵𝑯𝟑 = −𝟒 𝝈_𝑶𝟐 = −𝟓 𝝈_𝑵𝑶 = +𝟒 𝝈_𝑯𝟐𝑶 = +𝟔 laju reaksi:

𝒓 = 𝑵_𝑵𝑯𝟑^𝒊𝒏 . 𝑿_𝑵𝑯𝟑

−𝝈_𝑵𝑯𝟑 = (𝟒𝟎)(𝟗𝟎%)

−(−𝟒) = 𝟗 𝒎𝒐𝒍/𝒋𝒂𝒎

maka laju output: • 𝑁_𝑁𝐻3^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝑁𝐻3^𝑖𝑛 + −4 𝑟

= 40 + −4 9 = 4 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚

• 𝑁_𝑂2^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝑂2^𝑖𝑛 + −5 𝑟

= 60 + −5 9 = 15 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚

• 𝑁_𝑁𝑂^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝑁𝑂^𝑖𝑛 + 4 𝑟

= 0 + (4) 9 = 36 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚

• 𝑁_𝐻2𝑂^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝐻2𝑂^𝑖𝑛 + 6 𝑟

= 0 + 6 9 = 54 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚

■ Konversi hanya diperuntukkan bagi reaktan.

■ Konversi merupakan hubungan input dan output  mengacu pada reaktan tertentu.

■ Jika konversi disebutkan tanpa mengacu pada reaktan tertentu  secara konvensi diasumsikan bahwa reaksi mengacu pada reaktan pembatas.

■ Reaktan pembatas: reaktan yang pertama kali berkurang saat reaksi dimulai.

𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏 + 𝝈_𝒔 . 𝒓 bagi reaktan 𝝈_𝒔 (-).

reaksi dimulai  nilai r meningkat  nilai r tercapai saat 𝑵_𝒔^𝒐𝒖𝒕 = 𝟎, maka:

𝒑𝒆𝒓𝒃𝒂𝒏𝒅𝒊𝒏𝒈𝒂𝒏 = 𝑵_𝒔^𝒊𝒏

−𝝈_𝒔 𝑑𝑒𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑛𝑖𝑙𝑎𝑖 𝑡𝑒𝑟𝑘𝑒𝑐𝑖𝑙  𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑝𝑒𝑚𝑏𝑎𝑡𝑎𝑠

■ Contoh: kasus produksi oksida nitrat

𝟒 𝑵𝑯_𝟑 + 𝟓 𝑶_𝟐  𝟒 𝑵𝑶 + 𝟔 𝑯_𝟐𝑶

Diketahui konversi 80%, dengan campuran equimolar Amonia dan Oksigen diumpankan pada 100 mol/jam. Hitung laju output tiap zat!

Jawab:

Konversi tidak dinyatakan untuk zat tertentu  terjadi pada reaktan pembatas.

Campuran umpan masuk secara equimolar 

𝑁_𝑁𝐻3^𝑖𝑛 = 50 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚 dan 𝑁_𝑂2^𝑖𝑛 = 50 𝑚𝑜𝑙/𝑗𝑎𝑚 𝑁_𝑁𝐻3^𝑖𝑛

−𝜎_𝑁𝐻3 = 50

4 > 50

5 = 𝑁_𝑂2^𝑖𝑛

−𝜎_𝑂2

maka O₂ merupakan reaktan pembatas.

Sehingga laju reaksi:

𝒓 = 𝑵_𝑶𝟐^𝒊𝒏 . 𝑿_𝑶𝟐

−𝝈_𝑶𝟐 = (𝟓𝟎)(𝟖𝟎%)

𝟓 = 𝟖 𝒎𝒐𝒍/𝒋𝒂𝒎 Maka persamaan neraca massa:

 𝑵_𝑵𝑯𝟑^𝒐𝒖𝒕 = 𝑵_𝑵𝑯𝟑^𝒊𝒏 + −𝟒 𝒓

= 𝟓𝟎 + −𝟒 𝟖 = 𝟏𝟖 𝒎𝒐𝒍/𝒋𝒂𝒎

 𝑵_𝑶𝟐^𝒐𝒖𝒕 = 𝑵_𝑶𝟐^𝒊𝒏 + −𝟓 𝒓

= 𝟓𝟎 + −𝟓 𝟖 = 𝟏𝟎 𝒎𝒐𝒍/𝒋𝒂𝒎

 𝑵_𝑵𝑶^𝒐𝒖𝒕 = 𝑵_𝑵𝑶^𝒊𝒏 + 𝟒 𝒓

= 𝟎 + (𝟒) 𝟖 = 𝟑𝟐 𝒎𝒐𝒍/𝒋𝒂𝒎

 𝑵_𝑯𝟐𝑶^𝒐𝒖𝒕 = 𝑵_𝑯𝟐𝑶^𝒊𝒏 + 𝟔 𝒓

= 𝟎 + 𝟔 𝟖 = 𝟒𝟖 𝒎𝒐𝒍/𝒋𝒂𝒎

Latihan Soal

1. 15 mol gas alam mengandung 100% CH₄. Gas alam tersebut dibakar dengan menggunakan udara berlebih (excess air) 10%.

Tentukan:

a. Gambar skema untuk soal tersebut b. Persamaan reaksi pembakaran CH₄ c. Jumlah oksigen yang dibutuhkan d. Jumlah udara yang dibutuhkan

e. Output gas setelah proses pembakaran