Download Latihan oal neraca panas and more Exercises Heat and Mass Transfer in PDF only on Docsity!
Q
W
Bidang datum
NME D Sperisa Distantina
BAB V NERACA PANAS
Hukum konservasi energi (hk I termodinamika):
[Energi masuk] – [energi keluar] + [energi yang terbangkitkan sistem] – [energi yang terkonsumsi sistem] = [energi terakumulasi dalam sistem]
⇒ Reaksi kimia yang bersifat eksotermis ( menghasilkan panas), maka energi yang dihasilkan disebut sebagai energi yang terbangkitkan sistem. ⇒ Reaksi kimia yang bersifat endotermis ( membutuhkan panas), maka energi yang dihasilkan disebut sebagai energi yang terkonsumsi oleh sistem. ⇒ Untuk sistem dengan proses steady state, maka energi yang terakumulasi = 0. Langkah-langkah penyusunan neraca panas mirip dengan neraca massa.
Bentuk-bentuk energi : (lihat kembali materi kuliah Termodinamika )
- Energi potensial (EP) : akibat posisi objek relatif terhadap bidang datum (bidang referensi).
- Energi Kinetik (EK) : akibat gerakan objek.
- Internal Energi (U) : akibat gerakan molekuler di dalam bahan.
- Work / Kerja (W) : a. Shaft work : kerja turbin. Contoh : turbin air, pompa, kompresor. b. Kerja yang hilang karena gesekan / friksi. Contoh : friksi di permukaan pipa.
- Heat/ panas (Q).
- Energi listrik.
Neraca panas / energi / tenaga :
a. NP total pada sistem alir ( flow system) pada keadaan steady state :
Ditinjau NP di sistem sekitar titik 1 ke titik 2 : Input = output EP 1 + EK 1 + U 1 + P 1 V 1 + Q = EP 2 + EK 2 + U 2 + P 2 V 2 + W
∆EP +∆EK+∆U+∆PV=Q− W
∆U ∆PV Q W
2g
∆V
g∆
2 Ζ+ + + = −
Persamaan di atas sering dipakai untuk kasus transportasi fluida, yaitu persamaan Bernoulli.
b. Neraca Energi untuk proses kimia ( non flow system ). Sistem non alir dianggap terjadi di dalam alat-alat proses, misal alat penukar panas (HE =heat exchanger), reaktor, dan alat-alat transfer massa lainnya.
Pada sistem ini, biasanya EP dan EK <<< Q dan W, sehingga EP dan EK dapat diabaikan dan NP menjadi : ∆U +∆PV=Q− W ∆H = ∆U+∆PV=Q− W ∆H =Q− W H2 – H1 = Q – W
Untuk beberapa proses, biasanya nilai W sangat kecil. Sehingga : H2 – H1 = Q = ∆H Dengan, H1 = entalpi arus masuk (titik satu), H2 = entalpi arus keluar (titik dua).
Macam-macam perubahan entalpi (panas):
- sensible ( panas yang bisa dirasakan perubahan suhunya). Kapasitas panas (cp ) = banyaknya panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu setiap satuan massa setiap satuan suhu. Untuk padatan dan gas, Cp merupakan fungsi suhu. Beberapa sumber data-data Cp : a. Cp = f (T) ; appendix D, Coulson and Richardson, “ Chemical Engineering”. Table E.1. Himmelblau. b. Cp dalam bentuk grafik; Geankoplis; Perry. c. Cp untuk foods and biological material; appendix A.4, Geankoplis,”Transport Processes and Unit Operation”.
- laten ( panas perubahan fase dengan suhu tetap). a. Panas peleburan ( dari fase padat menjadi cair). b. Panas sublimasi ( dari fase padat menjadi gas ). c. Panas kondensasi ( dari fase gas menjadi cair ). d. Panas penguapan (dari fase cair menjadi gas).
- reaksi (panas yang dihasilkan atau dibutuhkan pada proses yang melibatkan reaksi kimia). Macam-macam entalpi reaksi : a. Heat of reaction. b. Heat of formation. c. Heat of combustion.
PANAS REAKSI
Panas reaksi pada kondisi standar. ∆HoR = panas yang dihasilkan atau dibutuhkan jika reaksi dijalankan pada kondisi standar. ∆HoR = satuan panas setiap satuan mol reaktan yang bereaksi.
∆HoR bernilai negatif menunjukkan reaksi menghasilkan panas. ∆HoR berilai positif menunjukkan reaksi membutuhkan panas.
Kondisi standar : komponen murni; P = 1 atm; suhu 25 oC.
Sumber data ∆ HoR :
- Data ∆HoR yang tersedia di tabel. Contoh : Reaksi : NO + ½ O 2 NO 2 Dari tabel diperoleh ∆HoR = -56,68 KJ Panas reaksi di atas dibaca sebagai berikut : Reaksi di atas menghasilkan panas sebesar
= molNOyangbereaksi
56,68KJ
= 1/2molO2 yang bereaksi
56,68KJ
= (^) molNO2yangdihasilkandarireaksi
56,68 KJ
Soal : Berapakah panas yang dihasilkan untuk membakar 10 gram NO? Berapakah panas yang dihasilkan untuk membakar 150 gram NO?
- Nilai ∆HoR dievaluasi dari nilai ∆Hof (panas pembentukan) atau panas pembakaran (∆HoC ). Nilai ∆Hof elemen bebas adalah nol. Sumber data ∆Hof : Table 29; Hougen Watson, 1954. Appendix F; Himmelblau. Appendix A.3.; Geankoplis. Appendix B; Felder & Rousseau. http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_enthalpy_change_of_for mation_(data_table).
Hubungan ∆HoR dengan ∆Hof : ∆HoR = Σ ( ni. ∆Hof ) (^) produk - Σ ( nj. ∆Hof ) (^) reaktan Dengan: i = komponen produk persamaan reaksi, j = komponen reaktan dari persamaan reaksi
Hubungan ∆HoR dengan ∆HoC : ∆HoR = - [ Σ ( ni. ∆HoC ) (^) produk - Σ ( nj. ∆HoC ) (^) reaktan ] Dengan: i = komponen produk persamaan reaksi, j = komponen reaktan dari persamaan reaksi
feed
effluent
feed effluent
TF
TR
TP
Q
Q
Q
∆HR
TF REAKTOR TP
TR
Contoh : NO + ½ O 2 NO 2
SOAL:
Hitung panas reaksi pada kondisi standar dari reaksi sbb.:
- CH 4 (g) + 2 O 2 (g) → CO 2 (g) + 2 H 2 O (l)
- CH 4 (g) + 2 O 2 (9) → CO 2 (g) + 2H 2 O (g)
- CO (g) + H 2 (g) → CO 2 (g) + H 2 (g)
- 4 HCl (g) + O 2 (g) (^) → 2H 2 O (l) + 2Cl 2 (g)
- 4FeS 2 (s) + 11 O 2 (g) → 2Fe 2 O 3 (s) + 8 SO 2 (g)
- C 3 H 8 (l) + 2 O 2 (g) → C 2 H 2 (g) + CO 2 (g) + 3 H 2 O(l)
Neraca Panas di Reaktor Skema reaktor (tempat terjadinya reaksi):
Bacth reactor Continuous flow Stirred Plug Flow reactor (PFR) Reaktor Tangki Tank Reactor (CSTR) Reaktor Alir Pipa (RAP) Berpengaduk (RTB) Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB)
Jika di reaksi tidak dijalankan pada kondisi standar. Jika di reaktor reaksi tidak dijalankan pada kondisi standar, maka dipikirkan:
- suhu umpan (TF) diturunkan atau dinaikkan sampai suhu standar, kemudian
- direaksikan pada kondisi standar (TR), lalu
- suhu produk dinaikkan suhunya sampai suhu keluar reaktor (TP). Selanjutnya panas reaksi dihitung. Perhitungan panas reaksi digambarkan sbb.:
Panas reaksi kondisi di atas = ∆HR = Q1 + Q2 + Q (1)
- Reaksi amonia dijalankan pada reaktor fase gas, reaksi : 4NH 3 + 5O 2 4NO + 6H 2 O Oksigen disuplai dari udara yang diumpankan ke reaktor dengan 25% berlebihan. Jika diumpankan 100 gmol/jam NH3 dengan suhu 30oC dan udara pada suhu 40oC. Gas hasil keluar reaktor pada suhu 50oC. a. Berapa udara umpan? b. Jika konversi hanya 80%, tentukan komposisi gas hasil! c .Tentukan panas reaksi reaktor itu! d. Eksotermis atau endotermiskah reaktor itu?
- Suatu ketel digunakan untuk membuat uap air. Panas yang digunakan adalah panas pembakaran gas metan. Gas metan bertekanan 1 atm, suhu 473 oC dan berkecepatan 38.786 L/j diumpankan ke furnace, sedangkan suhu udara yang diumpankan 373oC. Agar terjadi pembakaran sempurna, udara yang diumpankan 50% berlebihan. Gas hasil pembakaran keluar furnace pada suhu 1473oK. Tentukan : a. Kecepatan arus udara umpan. b. Kecepatan dan komposisi gas hasil furnace. c. Panas yang dihasilkan.
REAKSI ADIABATIS
Reaksi adiabatis adalah reaksi yang dijalankan dalam suatu tempat dimana tidak ada panas yang tambahkan atau dihilangkan.
Reaksi adiabatis dijalankan dalam reaktor tanpa pemanas maupun pendingin, sehingga: a. Jika reaksi bersifat endotermis (membutuhkan panas) maka reaksi akan menurunkan suhu produk reaktor. b. Jika reaksi bersifat eksotermis (menghasilkan panas) maka reaksi akan menaikkan suhu produk reaktor.
Neraca Panas reaksi adiabatis: ∆HR = 0 ∆HR = Q1 + Q2 + Q Soal: Gas metan dibakar dengan oksigen dalam suatu reaktor tanpa pendingin. Seratus lima puluh kgmol/jam umpan terdiri atas 20% metan, 60% O 2 dan 20% CO 2 diumpankan ke reaktor. Konversi limiting reactant = 90%. Jika suhu gas umpan 50oC , tentukan suhu keluar reaktor.
