19/11/2012
NERACA MASSA REAKSI
1
Sistem Dengan Reaksi Tunggal Hukum kekekalan massa han a berlaku untuk massa total, tidak berlaku untuk komponenkomp kompone onen n (seny (senyaw awa) a) yang yang berea bereaks ksi. i. Jumlah
reaktan
dan
jumlah
produk
reaksi
reaksi.
2
Agus Mirwan, Mir wan, ST., MT
1
19/11/2012
Var iabel-Variabel Tunggal
Sistem
Dengan
1. Neraca massa komponen pada keadaan tunak state) adalah:
Reaksi ( steady
Ni,keluar + Ri = Ni,masuk 2. Laju produksi komponen-i, Ri (mol/waktu) Ri = Ni,keluar - Ni,masuk Ri = [Fi,keluar - Fi,masuk]/Mi Fi = laju massa ; Mi = berat molekul Dengan nilai + (produk) ; - (reaktan) ; dan 0 (senyawa inert) 3
3. Laju reaksi ¾ Hanya
berlaku untuk persamaan reaksi tersebut dan sangat bergantung pada koefisien reaksi. a.A + b.B → c.C +d.D Laju reaksi, r (mol/waktu): r =
R A −a
=
RB
=
−b
Secara umum: r =
RC c
=
RD d
Ri σ
i
dengan reaksi
σi
merupakan
koefisien
persaman 4
Agus Mirwan, ST., MT
2
19/11/2012
¾ Tidak
muncul pada informasi aliran masuk maupun aliran keluar, namun merupakan besaran antara yang penting dalam perhitungan neraca massa dengan reaksi.
4. Konversi adalah fraksi salah satu reaktan yang telah bereaksi. X i
=
( N
i ma su k re akt or
−
,
N i masuk ,
N i
,
kel ua r r ea kt or
)
reaktor
mana = rea an Jika tanpa pernyataan khusus, konversi dapat diartikan sebagai konversi terhadap reaktan pembatas. 5
5. Reaktan Pembatas adalah reaktan yang lebih cepat habis, yaitu reaktan yang memiliki nilai (-Ni,masuk / σi) terkecil. .
a au ea s ergan ung pa a persamaan reaksi kimia, namun tidak mengubah hasil akhir dari neraca massa.
6
Agus Mirwan, ST., MT
3
19/11/2012
Soal: Menunjukan variabel-variabel dalam sistem dengan reaksi tunggal
mengikuti persamaan: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Laju metana 100 mol/menit dan oksigen mo men . a onvers . en u an DOF dan laju alir total keluar
7
Penyelesaian CH4 100 mol/menit 2
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
mo men
CH4 O2 2
H2O
Analisi s Derajat Kebebasan: Variabel aliran
7
2 pada aliran masuk, 4 pada aliran keluar, dan 1 laju reaksi
Neraca massa TTSL
-4
Ada 4 komponen terlibat yaitu: metan, oksigen, karbon dioksida, dan air
Komposisi diketahui
0
-
Laju alir diketahui
-2
Dua laju alir pada umpan
Basis
0
-
Hubungan pendukung
-1
konversi
Derajat Kebebasan (DK)
0
Well-specified 8
Agus Mirwan, ST., MT
4
19/11/2012
Koefisi en Persamaan Reaksi: δ1 = -1 (CH4) δ2 = -2 (O2) δ3 = 1 (CO2) δ4 = 2 (H2O) Reaktan Pembatas: ⇒ n a ter ec = 4 : - 1 1 = O2 : -N2/δ2 = 250/2 = 125 Sehingga CH4 sebagai reaktan pembatas Hubungan pendukung konversi metana (reaktan pembatas) (N1.masuk – N1.keluar )/N1.masuk = 90% Sehingga: N1.keluar = 100 – 90 = 10 mol/menit Laju reaksi r = (N1.masuk – N1.keluar )/(δ1) = (10 – 100)/-1 = 90 mol/menit O2 : N2.keluar = N2.masuk + δ2.r = 250 + (-2).90 = 70 mol/menit CO2 : N3.keluar = N3.masuk + δ3.r = 0 + (1).90 = 90 mol/menit H2O : N4.keluar = N4.masuk + δ4.r = 0 + (2).90 = 180 mol/menit 9
Laju alir massa: Masuk = 100.(16) + 250.(32) = 9600 g/menit Keluar = 10.(16) + 70.(32) + 90.(44) + 180.(18) = 9600 g/menit Sehingga:
Fkeluar = Fmasuk
10
Agus Mirwan, ST., MT
5
19/11/2012
SOAL: Dehidrogenasi Propan Propan dihidrogenasi membentuk propilen dalam reaktor . C3H8 → C3H6 + H2 Prosesnya didesain untuk mendapatkan konversi keseluruhan propan sebesar 95%. Produk hasil reaksi dipisahkan dengan separator menjadi dua aliran, yaitu: aliran pertama sebagai produk mengandung H 2, C3H6, dan 0,555% C 3H8 dari hasil reaksi. Aliran kedua sebagai aliran recycle mengandung propan yang tidak beraksi dan 5% propilen dari aliran pertama. (lihat Gambar). Hitunglah: 1. Komposisi produk, 2. Rasio C3H8 (mol recycle)/(mol umpan segar), 3. Konversi single-pass C 3H8 11
Produk
Umpan segar
MP 100 mol C 3H8
n1 (mol C3H8) n2 (mol C3H6)
REAKTOR
SEPARATOR
n3 (mol C3H8) n4 (mol C3H6) n5 (mol H2)
n6 (mol (C3H8) (0,555% n 3) n7 (mol C3H6) n8 (mol H2)
Recycle n9 (mol C3H8) n10 (mol C3H6) (5% n7)
Anal si s d eraj at k ebebas an (ADK ) MP
REAKTOR
SEPARATOR
OVERALL
Variabel aliran
5
5+1 = 6
8
4+1 = 5
Neraca massa TTSL
-2
-3
-3
-3
Komposisi diketahui
-
-
-
-
Basis
-
-
-
-
Laju alir
-1
-
-
-1
Hubungan pendukung
-1
-
-2
-1
Derajat kebebasan (DK)
1
3
3
0
Agus Mirwan, ST., MT
12
6
19/11/2012
Konversi keseluruhan propan = 95% n6 = 0,05 (100 mol) = 5 mol C3H8
tidak terkonversi sebesar 5%
Neraca massa overall untuk karbon (100 mol C3H8) (3 mol C/mol C3H8) = [n6 (mol C3H8)].(3 mol C/mol C3H8) + [n7 (mol C3H6)].(3 mol C/mol C3H6) Î n7 = 95 mol C3H6 Neraca massa overall untuk hidrogen (100 mol C3H8) (8 mol H/mol C3H8) = [n6 (mol C3H8)].(8 mol H/mol C3H8) + [n7 (mol C3H6)].(6 mol H/mol C3H6) + [n8 (mol H2)].(2 mol H/mol H2) Î n8 = 95 mol H2 Sehingga produk mengandung: Î 2,6 % mol C3H8 5 mol C3H8 Î 48,7 % mol C3H6 95 mol C3H6 , 2 2 Variabel hubungan pendukung: n6 = 0,00555 n3 Î n3 = 900 mol C3H8 Î n10 = 4,75 mol C3H6 n10 = 0,05 n7 Neraca massa propan pada separator: Î n9 = 895 mol C3H8 n3 = n6 + n9 13
MIXING POINT Neraca massa propan Î n1 = 995 mol C3H8 100 mol + n9 = n1 Sehingga rasio recycle adalah: (n9 + n10) mol recycle / 100 mol umpan segar (895 + 4,75) mol recycle / 100 mol umpan segar = 9 mol recycle/mol umpan segar = – = [(955-900)/955] x 100 = 9,6 %
14
Agus Mirwan, ST., MT
7
19/11/2012
SOAL: Pada sistem berikut: (Jika basis perhitungan ditetapkan sebesar 100 kmol/jam)
n3 (kmol CH4/jam)
MP n1 (kmol CH4/jam) n2 kmol Cl2/am
100 kmol/jam
REAKTOR
80 kmol CH4/jam 20kmolCl / am
n3 (kmol CH4/jam) n4 kmol HCl/ am 5n5 (kmol CH3Cl/jam n5 (kmolCH2Cl2/jam)
KONDENSOR
n3 (kmol CH4/jam) n4 (kmol HCl/jam)
ABSORBER
solvent n4 (kmol HCl/jam)
5n5 (kmol CH3Cl/jam
Keterangan: Konversi Cl2 sebesar 100% Rasio mol CH3Cl dan CH2Cl2 sebesar 5:1 Jumlah kloroform dan karbon tetraklorida diabaikan
DISTILASI 5n5 (kmol CH3Cl/jam n5 (kmolCH2Cl2/jam) n5 (kmolCH2Cl2/jam)
¾Lakukan
analisis derajat kebebasan pada masing-masing unit proses (MP, reaktor, kondensor, absorber, distilasi) dan overall. ¾Hitung aliran molar pada umpan segar (n1dan n2), aliran molar HCl yang harus dihilangkan pada absorber (n4), aliran produk CH3Cl pada distilasi (5n5), dan aliran recycle (n3). 15
Anal si s d eraj at k ebebas an (ADK ) MP
REAKTOR
KONDENSOR
ABSORBE R
DISTIL ASI
OVERA LL
Variabel aliran
5
6+1 = 7
8
4
4
5+1 = 6
Neraca massa TTSL
-2
-4
-4
-2
-2
5
Komposisi diketahui
-1
-1
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Laju alir
-1
-1
-
-
-
-
Hubungan pendukung
-
-1
-
-
-
-
Derajat kebebasan (DK)
1
0
4
2
2
1
Basis
Neraca atomik disekitar reaktor: Neraca atom C : 80 = n3 + 5n5 + n5 n3, n4, dan n5 Neraca atom H : 320 = 4n3 + n4 + 15n5 + 2n5 dapat diselesaikan! = 4 5 5 Neraca CH4 disekitar Mixing Point (MP): n1 = (80 – n3) ⇒ n1 dapat diselesaikan! Neraca Cl2 : n2 = 20 Dengan basis sebesar 100 kmol/jam yang masuk ke Reaktor, maka: n1 = 17,1 kmol CH4/jam n4 = 20 kmol HCl/jam n2 = 20 kmol Cl2/jam 5n5 = 14,5 kmol CH3Cl/jam n3 = 62,9 kmol CH4/jam
Agus Mirwan, ST., MT
16
8
