Hastho Santoso, S.T.,M.T. AZAZ TEKNIK KIMIA II Neraca Energi Tanpa Reaksi Kimia Balance on Nonreactive Processes H Q A =iInout i iOutput i H n H n =Input Output Prosedur Perhitungan Neraca Energi 1. Susun neraca massa secara lengkap 2. Susun bentuk neraca energi yang sesuai 1. Sistem terbuka 2. Sistem tertutup 3. Hapus variabel variabel yang nilainya nol atau diabaikan 4. Tentukan kondisi/keadaan sebagai referensi 5. Untuk sistem tertutup susun tabel aliran input dan output masa atau molar (n) dan energi dalam (U) didalam sistem, sedangkan untuk sistem terbuka (aliran) susun tabel laju alir dan entalpi. 6. Hitung, Prosedur Perhitungan Neraca Energi Sistem tertutup Sistem terbuka iin i iout i iin i iout i U m U m atau U n U n U = Aiin i iout i iin i iout i H m H m atau H n H n H = A7. Hitung kerja, energi kinetik dan potensial yang belum tersusun dalam neraca energi 8. Pecahkan persamaan neraca energi: Sistem tertutp, Q W = U + EK + EP Sistem terbuka, Q Ws = H + EK + EP Neraca Energi Pada Kondensor Aceton (Ac) merupakan hasil kondensasi secara parsial dari aliran gas yang tersusun atas campuran 66.9% mol aceton dalam fasa gas dan gas nitrogen dengan spesifikasi proses seperti gamabar: KONDENSOR 100 mol/s 0.669 AC (v) 0.331 N2 (v) 65C, 1 atm Q 36,45 mol/s 0.092 AC (v) 0.908 N2 (v) 20C, 5 atm 63,55 mol/s (l) 20C, 5 atm Prosedur penyusunan neraca energi: 1. Susun neraca masa 2. Tulis dan sederhanakan neraca energi Neraca energi sistem terbuka: Q - Ws = H + EP + EK Ws = 0 EP = 0 EK = 0 Q = H 3. Tentukan kondisi referensi untuk setiap komponen (AC & N2). AC (l, 20C, 5 atm); N2 (g, 25C, 1 atm) 4. Susun tabel entalpi input dan out put Komponen Input Output n, mol/s H, KJ/mol n, mol/s H, KJ/mol AC (v) 66.9 H1 3.35 H3 AC (l) - - 63.55 0 N2 33.1 H2 33.1 H4 5. Hitung entalpi spesifik dari variabel-variabel yang tidak diketahui H1 = entalpi spesifik Ac (v, 65C, 1 atm) relatif terhadap Ac(l, 20C, 5 atm). H1 = H (Ac (l, 20, 5 atm) - Ac (v, 65C, 1 atm)) Untuk menghitung H dari suatu proses perlu memahami rumus-rumus yang berlaku untuk keseluruhan proses o Padatan dan cairan yang mengalami perubahan tekanan pada volume konstan, H = VP. Dari data, volume spesifik aceton 0,0734 L/mol o Entalpi akibat perubahan temperatur pada tekanan konstan, H = Cp(T)dT 3 12 2 8 5510 76 . 34 10 78 . 12 10 10 . 20 07196 . 010 6 . 18 123 . 0 + + =|.|

\|+ =|.|

\|T x T x T xC molkJAc CT xC molkJAc Cv Pl Po Untuk perubahan fasa dari cairan menjadi uap pada titik didih normalnya diperlukan panas penguapan, HV(Tbp). Dari data diperoleh nilai titik didih aceton 56C, HV = 30.2 kJ/mol. ) 1 , 65 , ( ) 1 , 56 , ( ) 1 , 56 , ( ) 1 , 20 , ( ) 5 , 20 , (1 11 1atm C v atm C v atm C l Ac atm C l Ac atm C l Acd cb aH HH H A AA AH1 = H1a + H1b + H1c + H1d Komponen Input Output n, mol/s H, KJ/mol n, mol/s H, KJ/mol AC (v) 66.9 35.7 3.35 32 AC (l) - - 63.55 0 N2 33.1 1.16 33.1 -0.1 Melalui konversi dan integrasi diperoleh nilai H1, H1 = (0.0297 + 4.68 + 30.2 + 0.753) kJ/mo = 35.7 kJ/mol Dengan metoda yang sama dapat diaplikasikan untuk menghitung nilai H2, H3 dan H4. 6. Hitung nilai H. iin i iout i H n H n H = A= (3.35 mol/s)(32 kJ/mol) + [(63.55)(0)+(33.1)(-0.1)-(66.9)(35.7)-(33.1)(1.16)] kJ/s = -2320 kJ/s 7. Hitung nonzero work, energi kinetik dan potensial 8. Pecahkan neraca energi, Q. Q = H = -2320 kJ/s Perubahan tekanan pada temperatur konstan Energi dalam dari padatan dan cairan tidak terpengaruh (independen) oleh perubahan tekanan. o U 0 o H = [U + (PV)] VP Untuk gas ideal, U dan H tidak terpengaruh oleh tekanan. o Pada proses isothermal U & H 0 o Gas non ideal atau gas yang pengalami perubahan tekanan yang sangat besar mengacu pada tabel termodinamik atau korelasi termodinamika. Perubahan temperatur Panas sensibel dan kapasitas panas Panas sensibel, panas yang harus ditransfer untuk meningkatkan atau menurunkan temperatur suatu zat atau campuran Panas yang diperlukan untuk perubahan temperatur dihitung melalui konsep hukum pertama termodinamika: Sistem tertutup, Q = U = Cv(T)dT Sistem terbuka, Q = H o Gas, H = Cp(T)dT o Liquid & solid, H = VP + Cp(T)dT Estimasi perubahan energi dalam berdasarkan tabel kapasitas panas Tentukan panas yang perlukan untuk memanaskan 200 kg nitro oksida dari 20C hingga 150 C. Kapasitas panas pada volume konstan dari N2O ditunjukkan berdasarkan persamaan: Cv (kJ/kgC) = 0.855 + 9.42 x 10-4T kJxdT T mCp UCCo24200) 10 42 . 9 855 . 0 ( 200) (150204=+ == A}Q = U = 24200 kJ Latihan a) Nitrogen mengalir dengan kecepatan 100 mol/menit, dipanaskan dari 20C hingga 150C. b) 5 L nitrogen dalam tabung didinginkan dari 90C hingga 30C Dengan mengasumsikan sebagai gas ideal, hitung panas yang harus ditransfer Kapasitas panas nitrogen pada tekanan konstan: Cp[kJ/molC] = 0.029 + 0.219x10-5T + 0.5723x10-8T2 2.871x10-12T3 c) 15 kg/menit udara didinginkan dari 430C hingga 100C. Hitung panas yang dihilangkan dengan: o Persamaan kapasitas panas o Dengan tabel entalpi spesifik Neraca energi fasa tunggal Prosedur pemecahan neraca energi sistem yang melibatkan pemanasan dan pendinginan material tunggal dari T1 T2, o Koreksi nilai H dan U, o Untuk proses tertutup pada volume konstan hitung U berdasarkan energi dalam spesifik o Sistem tertutup pada tekanan konstan hitung H berdasarkan energi dalam spesifik o Sistem terbuka pada tekanan konstan hitung H berdasarkan energi dalam spesifik o Subtitusikan nilai U dan H kedalam neraca energi yang sesuai untuk mengetahui nilai Q. Neraca energi dalam pemanasan gas Aliran gas tersusun atas 10% v CH4 dan 90% v udara dipanaskan dari 20C hingga 300C. Tetntukan input panas (kW) yang diperlukan jika laju alir gas 2000 L (STP)/menit. Heater 2000 L (STP)/menit 0.1 CH4 0.9 udara 20C, Q N mol/menit 0.1 CH4 0.9 udara 300C, Solusi menit molSTP lmolxmenitSTP Lmole n / 3 , 89) ( 4 , 22 1 ) ( 2000) ( = =Persamaan neraca energi, Q = H Tabel entapi Referensi, CH4 (g, 20 C, 1 atm), udara (g, 25 C, 1 atm) Komponen Input Output n, mol/mnt H, KJ/mol n, mol/mnt H, KJ/mol CH4 8.93 0 8.93 12.09 Udara 80.4 -0.15 80.4 8.17 Q = 776 kJ/menit = 12.9 kW Neraca Energi yang Melibatkan Perubahan Fasa Campuran equimolar benzen (B) dan toluene (T) diumpankansecara kontinyu kedalam suatu tangki penguapan (evaporator). Didalam tangki campuran mengalami pemanasan hingga 50C dan keluar dalam dua aliran cairan dan uap. Cairan keluar dengan komposisi 40% mol benzen dan sedangkan fasa uap mengandung 68% benzen. Berapa panas yang harus ditransfer kedalam evaporator per kg-mol umpan. Solusi Analisa derajad bebas: Valiabel yang tidak diketahui: 3 (V, L dan Q) Persamaan independen: 3 ( 2 NM dan 1 NE) Derajad bebas: 0