Neraca Energi untuk Sistem Reaksi

BAB VII

NERACA ENERGI UNTUK SISTIM REAKSI

7.1 Konsep Panas Reaksi

ΔH_R = ΔH_produk- ΔH_reaktan (7.1)

ΔH_R negatif, maka reaksi disebut eksotermik, dan sebaliknya

ΔH_R 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)

Baca Juga

Akan berbeda dengan sistim reaksi yang di bawah ini:

C (s) + H₂O (l) CO (g) + H₂ (g)

7.2 Perhitungan Panas Reaksi

Panas reaksi (ΔH_R) merupakan fungsi stoikiometri, fasa komponen, temperatur dan tekanan. Fungsi temperatur, tekanan dan fasa dapat dihilangkan dengan menetapkan harga ΔH_R pada temperatur, tekanan dan fasa tertentu. ΔH_R 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 T^o, tekanan P^o, dan fasa π^o:

ΔH_R (T^o, P^o, π^o) =

(7.2)

dalam hal ini:

π = fasa komponen

σ = koefisien stoikiometri

Untuk T, P dan π_S yang lain, maka:

ΔH_R (T, P, π) =

(7.3)

Jika P = P^o dan

semua cair, sementara π_S semua uap, maka:

ΔH_R (T, P^o) = ΔH_R(T^o, P^o) +

(7.4)

Jika P ≠ P^o, 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.

ΔH_R (920 ^oC, 1 atm) = ΔH_R (25 ^oC, 1 atm) + (-4) {H_NH3(920 ^oC, 1 atm, g)

- H_NH3(25 ^oC, 1 atm, g)} + (-5){H_O2 (920 ^oC, 1 atm, g)

- H_O2(25 ^oC, 1 atm, g)} + 4 {H_NO(920 ^oC, 1 atm, g)

- H_NO(25 ^oC, 1 atm, g)} + 6 {H_H2O(920 ^oC, 1atm, g)

- H_H2O (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) + ½ O₂ (g) → CO₂ (g)

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

C (s) + O₂ (g) → CO₂ (g)

C (s) + ½ O₂ (g) → CO (g)

Penyelesaian:

C (s) + O₂ (g) → CO₂ (g)

C (s) + ½ O₂(g) → CO (g)

½ O₂(g) → CO₂(g) – CO(g)

atau:

CO (g) + ½ 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)

T^r = 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/mol

Maka panas reaksi pada 675^oC 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

ΔH_R > 0, reaksi endotermik.

Contoh 7.5:

Gas NO dapat dibuat dengan oksidasi parsial NH₃ dengan udara. NH₃ pada 25 ^oC dan udara panas pada 750^oC 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;

dengan memasukkan harga-harga yang diketahui ini dalam persamaan neraca energi:

= -22,53 kkal/jam

atau

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/jam

Neraca 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:

= -17,89 – 94,05 + 103,93 = -8,01 kkal/gmol

Kedua panas reaksi standar di atas harus dikoreksi ke temperatur 700 ^oC dengan korelasi berikut:

Dengan menggunakan persamaan C_p 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 Stoichiometry

Biasanya 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 Þ 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 25^oC 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 W_c + 56878 W_H + 2940 W_S– 658 W_ash – 5153 (W_O + W_N) (7.9)

HHV dalam Btu/lbm; W_C, W_H, W_S, W_ash, W_o, dan W_N 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 1700^oF. 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 1000^oF dan oksigen yang masuk pada 400^oF 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

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 + F_C⁴

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 F_S⁴ dan F_N⁴:

Neraca H₂ dapat disederhanakan menjadi:

8,3643 . 10⁴ = 1,28 N⁵ – 4,1295 . 10^-3 F_C⁴

Persamaan ini dapat diselesaikan secara simultan dengan neraca karbon:

N⁵ = 1,2649 . 10⁵ lbmol/jam

F_C⁴ = 8,1169 . 10⁴ lb/jam

Dengan 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 c_p 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) = 1,9281.10⁹

T = 1688,2^oF

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 DK

	Neraca massa	Neraca energi
Varibel alur-alir - Aliran komponen - Laju reaksi - Temperature, dQ/dt	6 2 -	6 2 3
Neraca independen - Massa - Energi	5 -	5 1
Variabel independen yang ditetapkan - Laju alir - Konversi - Fraksional yield - Temperatur	1 1 1 - -8	1 1 1 2 -11
DK	0	1

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 → 2NH₃

Dalam 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 535^oC, 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 -33,4^oC (titik didih normalnya).

Penyelesaian:

Asumsi semua unit beroperasi secara adiabatik, kecuali separator.

Gambar 7.6 Proses produksi amoniak

Tabel DK

	Mixer		Reaktor 1		Reaktor 2		HE	Separator		Proses	Overall
	NM	NG	NM	NG	NM	NG	HE	NM	NG	Proses	NM	NG
Jumlah variabel
- Alur-alir	8	8	5	5	6	6	5	8	8	16	5	5
- Laju reaksi			1	1	1	1				2	1	1
- T, dQ/dt		3+1		2+1		2+1	4+1		3+1	13		2+1
Jumlah neraca
- Massa	3	3	3	3	3	3		3	3	12	3	3
- Energi		1		1		1	1		1	5		1
Jumlah spesifikasi
- Komposisi	1	1	1	1			1	1	1	2	1	1
- dQ/dt = 0		1		1		1	1			4
- Konversi			1	1						1
- Temperatur		2		1		2	3		2	6		2
DK	4	4	1	1	4	3	4	4	5	1	2	2

NM = neraca massa, NG = neraca gabungan dan NE = neraca energi

Dari 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: