BAB 6 Neraca Energi dengan Efek Reaksi Kimia
1.1 Analisis Derajat Kebebasan untuk Memasukkan Neraca Energi dengan Reaksi Neraca energi dalam penghitungan derajat kebebasan menyebabkan penambahan persamaan dan variabel yang tidak diketahui. Persamaan yang ditambahkan adalah neraca energi.Sedangkan variabel yang ditambahkan adalah temperatur dan tekanan untuk semua aliran serta panas yang ditransfer dari atau ke sistem. Anda dapat membuat hanya satu neraca energi, tapi setiap bagian dari neraca energi menambah satu atau lebih variabel tambahan. Sayangnya, sebagian besar bagian dalam neraca energi terspesifikasi 0 seperti EP, EK, atau W karena pada umumnya neraca energi diterapkan dalam sistem terbuka dan steady-state untuk Q = ∆H. Entalpi adalah fungsi suhu dan tekanan, karena itu dalam analisis derajat kebebasan, Anda dapat mengganti satu variabel dengan entalpi suatu aliran yang memiliki dua variabel, suhu dan tekanan. Jika neraca massa dan persamaan lainnya seperti spesifikasi dan hubungan kesetimbangan dapat diselesaikan secara terpisah dari neraca energi, maka analisis derajat kebebasan untuk neraca energi dapat dipisahkan dari analisis derajat kebebasan neraca energi. Apabila sebaliknya, maka analisis derajat kebebasan akan termasuk di dalam neraca massa dan energi.
Tabel 6.1 Derajat Kebebasan untuk Sistem Aliran Steady-state
Contoh 6.1 Analisis Derajat Kebebasan untuk Proses Pembakaran Metana dibakar dengan udara excess 5 % di dalam furnace. Gambar C6.1 menunjukkan komposisi aliran dan variabel yang telah ditetapkan. Proses untuk masing-masing aliran terjadi pada 1 atm. Tentukan analisisnya jika derajat kebebasan bernilai 0.
Gambar C6.1 Penyelesaian : Untuk mempermudah analisis maka dibuat tabel. Neraca Energi disederhanakan menjadi Q = ∆H, gantikan ∆H dengan variabel p dan T.
Jumlah variabel pada proses Komponen F1
1
F2
2
F3
5
Subtotal
8
Jumlah aliran
3
Suhu aliran
3
Tekanan aliran
3
Q
1
Reaksi (2 reaksi)
2
Total
20
Jumlah persamaan Neraca massa komponen independen
1
Jumlah komponen dalam masing-masing 2 aliran
2
Neraca Energi
2
Spesifikasi nilai variabel Total aliran (F1, basis, dan F2 dari 5 % excess udara) 2 Nilai komponen (CO)
1
Tekanan (p1= p2 = p3 = 1 atm)
3
Suhu (T1 dan T2
2
)
Rasio O2 / N2 yang ditetapkan dalam F1 (implicit)
2
Reaksi sempurna (tidak ada CH4 dalam aliran keluar) karena reaksi dinyatakan secara tidak langsung untuk kedua reaksi (untuk CO dan CO2)
2
Total
20
Derajat kebebasan untuk variabel = 20 dan jumlah persamaan = 20 maka derajat kebebasan bernilai 0
Soal ! 1. Asam asetat pada 350 oF terurai dalam reaksi steady-state pada 450 oF sehingga menghasilkan ketene (CH2CO) dan metana (CH4). By product yang dihasilkan adalah CO2 (g) dan H2O (g). Pengukuran menunjukkan bahwa konversi total asam asetat adalah 68.2 % dan konversi ke ketene adalah 9.3 %. Analisis derajat kebebasan untuk proses ini untuk menentukan jumlah spesifikasi tambahan yang harus disediakan untuk memperoleh deraja kebebasan 0. (Petunjuk : Suhu gas keluar sudah diketahui atau belum?) 2. Di dalam proses kontak SO2 dikonversikan menjadi SO3 dalam reaktor nonadiabatis. Jika fraksi mol gas masuk yang terdiri dari SO2, O2, dan N2 diketahui. Jika gas keluar terdiri dari SO2, SO3, O2, dan N2. Jika laju alir molar masuk dan keluar diketahui, dan suhu masuk serta tekanan masuk dan keluar diketahui, berapa derajat kebebasan dalam masalah ini untuk konversi SO2 80%. Apakah derajat kebebasan pada perhitungan SO2 80% berubah jika konversi berubah menjadi 70%.
1.2 Aplikasi Neraca Energi pada Proses dimana Reaksi Termasuk di dalamnya Dalam pembahasan kali ini, akan dibahas mengenai solusi untuk proses steady-state, kontinyu dengan neraca energi yang disederhanakan menjadi 2 pilihan :
a) Efek reaksi kimia digabung dengan panas sensibel
Q H H (T ) H (25 oC ) keluar H (T ) H (25 oC ) masuk H keluar H kmasuk
(6.1)
b) Efek reaksi kimia menjadi bagian dalam panas reaksi
Q H H (T ) H (25 o C )
sensibel perubahanfasa
keluar
H (T ) H (25 o C )
sensibel perubahanfasa
masuk
H rxn
(6.2)
Suhu reaksi adiabatis (nyala api teroitis, pembakaran) merupakan suhu yang diperoleh di dalam proses saat : 1. Reaksi pada kondisi adiabatic 2. Tidak terjadi efek lain seperti efek elektrik, kerja, ionisasi, pembentukan radikal bebas 3. Reaksi pembatas bereaksi sempurna Untuk sistem unsteady-state dan tertutup dengan nilai ∆EP dan ∆EK = 0 dan W = 0, neraca energi berubah menjadi :
Q U U akhir U awal
(6.3)
Jika nilai U tidak diketahui, maka harus dihitung dari H ( pV ) sehingga
Q H (T ) H (25 o C )
keluar
H (T ) H (25 o C )
( pV ) akhir ( pV ) awal
(6.4)
masuk
Contoh 6.2 Perhitungan Suhu Reaksi (Nyala Api)Adiabatis Hitung suhu teoritis nyala api gas CO yang dibakar pada tekanan konstan dengan 100 % udara excess, saat reaktan masuk pada suhuh 100 oC dan 1 atm Penyelesaian : Sistem ditunjukkan pada Gambar C6.2, Proses steady-state. CO (g) + ½ O2 CO2 (g) Basis 1 g mol CO (g), referen : 25 oC dan 1 atm
Gambar C6.2
Reaksi diasumsikan terjadi dengan reaksi pembatas bereaksi sempurna, udara excess tifdak bereaksi, tetapi butuh panas sensible untuk mencapai suhu reaksi adiabatic. Neraca massa dapat diselesaikan tersendiri terpisah dari neraca energi (derajat kebebasan = 0), berikut neraca massa :
Kondisi referen : 25 oC, 1 atm, Q = 0 sehingga ∆H = 0. Neraca energi
Interpolasi liner untuk menentukan theoretical flame temperature (TFT) : TFT 1750
0 (16657) (250) 1750 78 1828K (1555 o C ) 36740 16657
Jika sistem berubah menjadi sistem tertutup dimana CO dan O2 bereaksi secara stoikiometri menghasilkan CO2. Maka nilai TFT akan berbeda, maka persamaan 6.2 digunakan untuk perhitungan dengan nilai Q = 0.
Soal ! 1. Gas kering dengan nilai Btu rendah terdiri dari CO 20 %, H2 20 %, N2 60 % dibakar dengan udara excess 200 % udara kering yang masuk pada suhu 25 oC. Jika gas keluar pada suhu 25 oC, hitung transfer panas dari proses per unit volume gas masuk diukur pada kondisi standar (25 oC, 1 atm)
2.
Metana dibakar pada furnace dengan 100 % udara kering excess untuk mendapatkan steam boiler. Udara dan metana masuk ke dalam furnace pada suhu 500 oF dan 1 atm, dan produk keluar dari furnace pada 2000 oF. Jika gas terdiri dari CO2, H2O, O2, dan N2. Hitung jumlah panas yang diabsorb oleh air untuk memproduksi steam per pound metana yang dibakar.
3. Campuran alumunium metal serbuk dan Fe2O3 dapat digunakan pada pengelasan suhu tinggi. Dua bagian baja ditempatkan end to end, Jika suhu diinginkan 3000 oF dan heat loss 20 % (∆Hproduk - ∆Hreaktan) melalui radiasi, berapa berat campuran (digunakan dalam proporsi molecular 2Al + 1 Fe2O3) harus digunakan untuk menghasilkan suhu ini pada 1 lb baja yang dilas, asumsi suhu awal 65 oF 2 Al + Fe2O3 Al2O3 + 2Fe
4. Hitung theoretical flame temperature saat hydrogen dibakar dengan 400 % udara kering excess pasa 1 atm, rekatan masuk pada suhu 100 oC.
