Neraca Massa Unit Tunggal Dengan Reaksi Tunak [PDF]

Citation preview

NERACA MASSA unit tunggal dengan reaksi tunak Ir. Danang Jaya, M.T. Ir. Purwo Subagyo, M.T. Indriana Lestari, S.T., M.T. Perwitasari, S.T., M.Eng.



NERACA MASSA unit tunggal dengan reaksi tunak ▪ Konsep umum dari NM dengan reaksi sama dengan tanpa reaksi terdapat kesetimbangan



𝐿𝑎𝑗𝑢 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐿𝑎𝑗𝑢 𝑀𝑎𝑠𝑠𝑎 = 𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 ▪ Akan tetapi sering dalam kesetimbangan komponen dan total, mol tidak perlu setimbang kecuali unsur generasi dan konsumsi di perhitungkan. massa total dan komponen serta keadaan tunak dimana



1C



▪ Contoh dalam reaksi pembakaran



Pembakaran 1 O2



CO2



 mol total masuk adalah 2 mol



C + O2  CO2



dan keluar adalah 1 mol (tidak setimbang). Jika kita memperhitungkan reaksi dan mengasumsi reaksi sempurna, maka untuk kesetimbangan unsur O2 dalam mol: Akumulasi O2



0



Masuk =



1



Keluar -



0



Generasi +



0



Konsumsi -



1



REAKSI PEMBAKARAN (STEADY STATE) ▪ Dalam pembakaran, Hidrokarbon (HC) + O2



CO2 + H2O



(reaksi sempurna)



CO + H2O



(reaksi tidak sempurna)



▪ Hasil reaksi pembakaran hidrokarbon antara lain: CO, CO2, H2O, O2, N2 Beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam reaksi pembakaran:



 Basis basah  semua gas hasil pembakaran termasuk uap air.  Basis kering  semua gas hasil pembakaran, tidak termasuk uap air.  Udara teoritis (atau oksigen teoritis) jumlah udara (atau oksigen) yang dibutuhkan untuk proses pembakaran sempurna.



 Kelebihan udara (atau kelebihan oksigen) jumlah udara (atau oksigen) yang lebih dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna.



 Jumlah kelebihan udara dihitung seakan-akan proses pembakaran tersebut hanya menghasilkan CO2 (reaksi pembakaran sempurna), meskipun dalam reaksi sesungguhnya bukan reaksi sempurna.



 % kelebihan udara = %kelebihan oksigen 𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑂2



0,21



𝑘𝑒𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑎𝑛 𝑂2



0,21



%𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 =



𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 𝑥 𝑘𝑒𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎



%𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 =



𝑂2 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑝𝑟𝑜𝑠𝑒𝑠 −𝑂2 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 𝑥 𝑂2 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛



%𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 =



𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑂2 𝑂2 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 −𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑂2



100% =



𝑥 100%



100%



𝑥100% = atau



𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑂2 𝑥 𝑘𝑒𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑎𝑛 𝑂2



100%



Bahan-bahan bakar untuk kendaraan bermotor selain bensin sedang dipertimbangkan karena bahan-bahan tersebut menimbulkan tingkat polutan yang lebih rendah daripada bensin. Propana mampat telah diusulkan sebagai sumber daya yang ekonomis untuk kendaraan. Jika sebuah tes dilakukan dimana 20 kg propana dibakar dengan 400 kg udara untuk menghasilkan 44 k CO2 dan 12 kg CO. Berapa % kelebihan udara dan komposisi gas keluar burner? Penyelesaian: Mol C3H8 =



𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐵𝑀



Mol udara = Mol O2=



=



𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐵𝑀



20 44



=



= 0,455 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙



400 29



Burner



= 13,79 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙



21 𝑥 100



13,79 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 = 2,896 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 (O2 yang masuk)



79 𝑥 100



13,79 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 = 10,89 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙



Mol N2 =



C3H8 = 20 kg



400 kg Udara (21% O2, 79% N2)



CO2 = 44 kg CO = 12 kg



Mol CO2 = Mol CO =



𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐵𝑀



𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐵𝑀



=



=



44 44



12 28



= 1 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙



= 0,42 𝑘𝑔 𝑚𝑜𝑙



Kelebihan udara dihitung menggunakan reaksi pembakaran sempurna. Reaksi pembakaran sempurna propana: C3H8 + 5 O2  3CO2 + 4H2O



Jumlah O2 yang dibutuhkan berdasarkan reaksi di atas adalah: O2 dibutuhkan=



5 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑂2 𝑥 1 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝐶3𝐻8



0,455 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝐶3𝐻8 = 2,275 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 𝑂2



𝑂2 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑝𝑟𝑜𝑠𝑒𝑠 − 𝑂2 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 %𝑘𝑒𝑙𝑒𝑏𝑖ℎ𝑎𝑛 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 = 𝑥 100% 𝑂2 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑑𝑖𝑏𝑢𝑡𝑢ℎ𝑘𝑎𝑛 2,896 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 − 2,275 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 = 𝑥 100% 2,275 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 = 27,3%



Reaksi pembakaran propana sebenarnya: C3H8



+







5 O2



Mula-mula : 0,455



+



4H2O



2,896



Reaksi



: (1 3 𝑥 1 = 0,33) (5 3 𝑥 1 = 1,67)



Sisa



: 0,125



C3H8



3CO2



1,226



+



7



2 O2



(4 3 𝑥 1 = 1,33)



1 1







Mula-mula :



0,125



1,226



Reaksi



:



0,125



(7 6 𝑥 0,42 = 0,49)



Sisa



:



-



0,73



1,33



3CO



+



4H2O 1,33



0,42



0,42



(4 3 𝑥 0,42 = 0,56)



1,89



Gas keluar Burner: CO2 = 1 kgmol



O2= 0,73 kgmol



CO = 0,42 kgmol



N2= 10,89 kgmol



H2O= 1,89 kgmol



Butana dibakar dengan udara 50% berlebihan di dalam burner. Gas keluar burner terdiri dari CO2, O2, H2O dan N2. Tentukan komposisi gas keluar burner! Penyelesaian: Basis: 100 gram/jam C4H10 masuk 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 Mol C4H10 = 𝐵𝑀



=



100 58



=



C4H10 Mula-mula :



1,72



Reaksi



:



1,72



Sisa



:



-



Mol O2 masuk=



150 𝑥 100



C4H10



𝑚𝑜𝑙 1,72 𝑗𝑎𝑚



+



13



2 O2







4CO2



+



5H2O Udara 50% excess (21% O2, 79% N2)



16,77 (13 2 𝑥 1,72 = 11,18)



5,59 11,18



𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚



= 16,77



Burner



(4𝑥 1,72 = 6,88) (5𝑥 1,72 = 8,6)



6,88 𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚



8,6



CO2 O2 H2O N2



Mol N2 =



79% 𝑥 21%



16,77



Gas keluar Burner:



CO2 = 6,88 mol/jam H2O= 8,6 mol/jam O2= 5,59 mol/jam



N2= 63,08 mol/jam



𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚



= 63,08



𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚



Pentana yang mengandung oksigen 20% dibakar dengan udara 200% berlebihan di dalam burner. Pentana yang terbakar menjadi CO2 sebanyak 80% dan yang terbakar menjadi CO sebanyak 10% serta sisanya tidak terbakar. Jika pentane masuk burner sebanyak 100 lbm/jam. Tentukan banyaknya udara yang dibutuhkan dan komposisi gas keluar burner! Penyelesaian: Mol C5H12 =



𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐵𝑀



Mol O2 umpan =



=



(80% 𝑥100) 72



𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝐵𝑀



=



= 1,11



(20% 𝑥100) 32



𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚



= 0,625



𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚



80% C5H12 20% O2 100 lbm/jam



a) Mencari O2 yang dibutuhkan (konversi pentana 100%) C5H12 Mula-mula :



Reaksi



+



8 O2



 4CO2



+



5H2O



1,11



: (1,11𝑥 100% = 1,11)



(8𝑥 1,11 = 8,88)



O2 yang dibutuhkan



Burner



Udara 200% excess (21% O2, 79% N2)



19% C5H12 80% CO2 10% CO O2 H2O N2



Karena pentana mengandung O2 sebanyak 0,625 lbmol/jam, maka kebutuhan: O2 dari udara menjadi= 8,88 – 0,625 = 8,255 lbmol/jam O2 yang masuk dari udara = 300% x 8,255 = 24,765 lbmol/jam Total O2 masuk (udara+terikut pentana) = 24,765 + 0,625 = 25,39 lbmol/jam Maka, banyak udara yang dibutuhkan=



100% 21%



𝑥 24,765



𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚



= 117,93



𝑙𝑏𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚



b) Mencari komponen gas keluar burner C5H12 Mula-mula : Reaksi Sisa



1,11



+



8 O2



 4CO2



+



5H2O



25,39



: (1,11𝑥 80% = 0,888) (8𝑥 0,888 = 7,104) (4𝑥 0,888 = 4,44) (5𝑥 0,888 = 5,328) :



0,222



18,286



4,44



5,328



C5H12 Mula-mula : Reaksi Sisa



+



0,222



: (1,11𝑥 10% = 0,111) (11 :



0,111



Komposisi gas keluar burner C5H12 = 0,111 lbmol/jam CO2 = 4,44 lbmol/jam CO = 0,555 lbmol/jam



H2O= 5,994 lbmol/jam O2= 17,6755 lbmol/jam N2= 93,1647 lbmol/jam



11



2 O2



 5CO



+



6H2O



18,286 2 𝑥 0,111 = 0,6105)



17,6755



(5𝑥 0,111 = 0,555) (6𝑥 0,111 = 0,666)



0,555



0,666



1. Ethane (C2H6) is burned with 50% excess air. The percentage conversion of the



ethane is 90%, of the ethane burned, 25% reacts to form CO and the balance to form CO2. Calculate the composition of the flue gas and the ratio of water to dry flue gas!



2. Gas producer yang dibuat dari kokas mempunyai susunan yaitu 28% CO, 3,5% CO2,0,5% O2 dan 68% N2. Gas ini dibakar dengan udara sedemikian sehingga oksigen yang berasal dari udara, tersedia sebanyak 20% berlebihan terhadap O2 netto yang diperlukan untuk pembakaran sempurna. Bila pembakaran sampai 98% sempurna,



a) Hitung berat gas hasil yang diperoleh untuk setiap 100 lb gas yang dibakar! b) Tentukan komposisi gas hasil yang diperoleh!



3. Suatu dapur dirancang untuk membakar batubara sebanyak 800 lb/jam. Batubara mempunyai komposisi karbon 89,1% berat dan sisanya abu. Efisiensi tungku = 90% karbon dalam batubara akan terbakar. Udara masuk 30% berlebihan terhadap kebutuhan udara. Untuk pembakaran sempurna semua C yang ada dalam batubara dianggap 97% terbakar dan teroksidasi menjadi CO2 dan sisanya menjadi CO.



a) Hitung berat komposisi (% volum) flue gas meninggalkan dapur!



b) Jika flue gas pada 5500F, 743 mmHg, berapa debit flue gas!