Soal Ujian Sps [PDF]

Citation preview

LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 Tiga buah tangki yang disusun seri digunakan untuk memanaskan minyak mentah sebelum diumpankan ke fraksinator untuk pemisahan lanjut.



Pada saat awal, masing-masing tangki diisi dengan 1000 kg minyak pada suhu 20 oC. Steam jenuh pada suhu 250oC dikondensasikan di dalam koil yang tercelup pada masing-masing tangki. Minyak diumpankan ke tangki pertama dengan laju 100 kg/menit dan dialirkan ke tangki kedua maupun tangki ketiga dengan laju yang sama. Suhu minyak umpan adalah 20oC. Tangki dilengkapi pengaduk sehingga pencampuran di dalam tangki dapat dianggap sempurna dan suhu di dalam tangki seragam. Demikian juga dengan suhu aliran keluar tangki sama dengan suhu di dalam tangki. Kapasitas panas minyak, Cp = 2 kJ/kg. Laju perpindahan panas dari steam ke minyak tiap tangki dinyatakan dengan persamaan sebagai berikut : Q = Ua (Tsteam - T) Dimana Ua = 0,167 kJ/detik.oC, yaitu perkalian antara koefisien transfer panas dan luas area perpindahan panas koil untuk masing-masing tangki. Sedangkan persamaan neraca panas untuk unsteady state dinyatakan sebagai berikut : M .Cp.dT  W .Cp.To  Q  W .Cp.T dt



Pertanyaan : a)



Buatlah profil perubahan suhu pada masing-masing tangki selama 90 menit dengan interval waktu 5 menit.



b) Tentukan suhu steady state di tiap tangki c)



Berapa suhu pada masing-masing tangki ketika 37 menit?



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 Suatu reaksi yang awalnya hanya terdapat senyawa A murni masuk reaktor dengan laju alir 20 mol/menit dan berjalan sesuai mekanisme reaksi berikut: A(g) ↔ B(g) + C(g) Reaktor yang digunakan merupakan Plug Flow Reactor (PFR) dengan menggunakan katalis padat dengan konstanta kecepatan reaksi arah produk= k 1, konstanta kecepatan reaksi arah reaktan= k2, sedangkan konstanta kesetimbangan reaksi = Kc −𝑟𝐴 = k1 𝐶𝐴 −



𝐶𝐵 𝐶𝐶 Kc



−𝑟𝐵 = k 2 𝐶𝐵 Reaksi tersebut berjalan pada temperatur 530,6 oF dan tekanan 8,2 atm. Asumsi reaksi berjalan isotermal dan isobarik. Diketahui data-data sebagai berikut : R = 8,314 kPa dm3/mol K



1 atm = 101325 Pa



k1 = 42 jam-1



k2 = 12 jam-1



Kc = 50 mol / m3 𝐶𝑖 = 𝐶𝑇0



𝐹𝑖 , dimana i merupakan komponen A , B atau C 𝐹𝑇



𝐹𝑇 = 𝐹𝐴 + 𝐹𝐵 + 𝐹𝐶



𝑃



𝐶𝑇0 = 𝑅.𝑇0



0



Dari berbagai data teknis di atas, maka Anda diharapkan dapat menyelesaikan berbagai persoalan di bawah ini : 1. Buatlahprofil molar flowrate (F) terhadapperubahan volume reaktor PFR (V) yang disajikandalambentuktabel dangrafikhingga volume PFR 500 dm3tiap 20 dm3 ! 2. Berapa molar flow senyawa B maksimum (mol/menit) yang dapatdiperoleh ? 3. Berapa molar flow senyawa A (mol/menit) padasaat volume 375 dm3 ? 4. Berapakonversi (%) akhir senyawa A yang terbentukmenjadiproduk ?



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 Suatu reaksi pembentukan 1,2-dichlorocyclohexa-1,3,5-triene berlangsung sebagai berikut: C6H6 + Cl2



C6H5Cl + HCl



C6H5Cl + Cl2



C6H4Cl2 + HCl



C6H4Cl2 + Cl2



C6H3Cl3 + HCl



Diketahui data sebagai berikut: A1= 0,180 L/menit E1= 1250,8 cal/gmol A2= 0,05 L/menit E2= 1452,7 cal/gmol A3= 0,125 L/menit E3= 2156,5cal/gmol Reaksi terjadi pada suhu 150ᵒC dengan R=1,987 cal/gmolK, bila diinginkan pengambilan data setiap 2 menit selama 1 jam, maka tentukan: a. b. c. d. e. f.



Metode numerik apa yang tepat untuk menyelsaikan permasalahan berikut ini? Tampilkan (display) konsentrasi tiap komponen pada saat t= 60 menit? Berapa Konversi akhir (display) C6H6? Berapa konsentrasi rata-rata (display) C6H3Cl3 ? Berapa konsentrasi (display) C6H3Cl3 saat menit ke 51? Buatlah grafik profil waktu vs konsentrasi!



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 Sebuah reaktor PFR dengan jenis carbon steel digunakan untuk mereaksikan fase gas sebagai berikut Reaksi 1



4NH3 + 5O2  4NO + 6H2O



Reaksi 2



2NH3 + 1,5O2 N2 +3H20



Reaksi 3



2NO + O2 2NO2



Reaksi 4



4 NH3 + 6NO 5N2 +6H2O



Dengan k1 = 5 (m3/kmol)2/min k2 = 2 (m3/kmol)2/min k3 = 10 (m3/kmol)2/min k4 = 5 (m3/kmol)2/min ketika laju umpan masuk reaktor PFR adalah 10 dm3/min dengan konsentrasi umpan NH 3 dan O2 masing-masing adalah 1 mol/dm3 (komposisi laju 1:1) dimana diketahui persamaan 𝐶𝑗 =



𝐹𝑗 × 𝐶𝑇0 𝐹𝑇



𝐹𝑗0 − 𝐹 − 𝑟𝑗 × 𝑉 = 0 CT0 = konsentrasi total mula-mula FT= FA+FB+FC....... Fj=Cj v Tentukan: a.



Metode numerik apa yang tepat untuk menyelsaikan permasalahan berikut ini?



b.



Tampilkan profil flow rate seluruh komponen terhadap volume dalam grafik untuk volume awal 0 hingga volume 5 L dengan interval 0.1



c.



berapa aliran amonia Fa setelah menempuh volume reaktor 4,75L



d.



berapa konsentrasi NO2 di akhir reaksi



e.



siapa pembuat soal ini??



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 KUNCI JAWABAN NO 1 ALGORITMA Asumsi  



Laju alir minyak menuju masing-masing tangki dianggap sama (W0=W1=W2=W3=W) Densitas minyak konstan sehingga jumlah minyak di dalam masing-masing tangki sama dan konstan (M1=M2=M3=M)



Konversi Q = 0,167 kJ/detik. oC = 10 kJ/menit.oC



dT1 W .Cp.(To  T1 )  Ua.(Tsteam  T1 )  dt M .Cp dT2 W .Cp.(To  T2 )  Ua.(Tsteam  T2 )  dt M .Cp dT3 W .Cp.(To  T3 )  Ua.(Tsteam  T3 )  dt M .Cp



SCIPAD clear clc function dT=tangki(t, T) M=1000 W=100 Ts=250 To=20 Cp=2 Ua=10 dT(1)=((W*Cp*(To-T(1)))+(Ua*(Ts-T(1))))/(M*Cp) dT(2)=((W*Cp*(T(1)-T(2)))+(Ua*(Ts-T(2))))/(M*Cp) dT(3)=((W*Cp*(T(2)-T(3)))+(Ua*(Ts-T(3))))/(M*Cp) endfunction T0=[20;20;20] t0=0 t=0:5:90 T=ode(T0,t0,t,tangki) t=t' T=T' disp(" t T") disp("-----------") disp([t,T]) clf plot2d(t,T,[2,5,7]) xtitle('Profil suhu','waktu','suhu') Tsteady1=max(T(:,1))



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 Tsteady2=max(T(:,2)) Tsteady3=max(T(:,3)) T37=ode(T0,t0,37,tangki)



JAWAB a) Profil suhu terhadap waktu



b) Suhu steady state Tsteady1 = 30.951519 ; Tsteady2 = 41.37378 ; Tsteady3 = 51.264836



c)



Suhu ketika 37 menit T37 = 30.727333 ; 40.111164 ; 47.507697



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 KUNCI JAWABAN NO 2 Algoritma 𝑑𝐹𝐴 𝐶𝐵 𝐶𝐶 = −k1 𝐶𝐴 − + k 2 𝐶𝐵 𝑑𝑉 𝐾𝐶 𝑑𝐹𝐵 𝐶𝐵 𝐶𝐶 = k1 𝐶𝐴 − − k 2 𝐶𝐵 𝑑𝑉 𝐾𝐶 𝑑𝐹𝐶 𝐶𝐵 𝐶𝐶 = k1 𝐶𝐴 − 𝑑𝑉 𝐾𝐶 𝐹



𝑃



CA , CB, CCdisubtitusidengan𝐶𝑖 = 𝐶𝑇0 𝐹 𝑖 , dimana 𝐶𝑇0 = 𝑅.𝑇0 dan FT = FA+FB+FC 𝑇



0



Scipad clear clc functiondF=soalpdb(V, F); p0=101.325*8.2;//tekanan dalam kPa R=8.314; T0=(530.6-32)*5/9+273;//dalam K ct0=p0/(R*T0);//dalama mol/dm3 k1=42/60; k2=12/60; KC=50/1000; FT=F(1)+F(2)+F(3); ra=-k1*ct0*((F(1)/FT)-ct0/KC*(F(2)/FT)*(F(3)/FT)); dF(1)=ra+(k2*ct0*(F(2)/FT)); dF(2)=-ra-(k2*ct0*(F(2)/FT)); dF(3)=-ra; endfunction F0=[20;0;0]; V0=0; V=0:20:500; F=ode(F0,V0,V,soalpdb); V=V'; F=F'; disp("Volume A B C") disp("--------------------------------------------") disp([VF]) disp("--------------------------------------------") clf plot2d(V,F,[236]); xtitle('Profil Molar Flow VS Volume Plug Flow Reactor','Volume Reactor (dm3)','Molar Flow (mol/min)') legend(["A";"B";"C"]); xgrid(1); Bmax=max(F(:,2)); f375=ode(F0,V0,375,soalpdb)'; fa_375=f375(1); fafinal=F(26,1);



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 X=((F0(1,1)-fafinal)/F0(1,1))*100; disp('Molar Flow B Maximum (mol/min) :") disp(Bmax) disp('Molar Flow A pada volume 375 L (mol/min) :") disp(fa_375) disp('Konversi akhir A yang dapat dicapai :") disp(X)



JawabanAkhir b. Molar flow senyawa B maksimum



=7,93mol/min



c. Molar flow senyawa A pada volume 375 L



= 12,13mol/min



d. Konversi akhir A



= 38,47%



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 KUNCI JAWABAN PDB 3 Jawab: Scipad clear clc function dc=konsentrasi(t,c) T=150+273; R=1.987; A1=0.180; A2=0.05; A3=0.125; E1=1250.8; E2=1452.7; E3=2156.5; k1=A1*exp(-E1/(R*T)); k2=A2*exp(-E2/(R*T)); k3=A3*exp(-E3/(R*T)); dc(1)=-k1*c(1)*c(4); dc(2)=k1*c(1)*c(4)-k2*c(2)*c(4); dc(3)=k2*c(2)*c(4)-k3*c(3)*c(4); dc(4)=-k1*c(1)*c(4)-k2*c(2)*c(4)-k3*c(3)*c(4); dc(5)=k1*c(1)*c(4)+k2*c(2)*c(4)+k3*c(3)*c(4); dc(6)=k3*c(3)*c(4); endfunction t0=0; c0=[1;0;0;1;0;0]; t=[0:2:60]; c=ode(c0,t0,t,konsentrasi); c=c'; t=t'; disp('t c6h6 c6h5cl c6h4cl2 cl2 c6h3cl3') disp([t c]) clf plot2d(t,c,[2 3 4 5 6 7]) xtitle('SIMULASI PROFIL KONSENTRASI','WAKTU (menit)','KONSENTRASI (mol)'); xgrid(1); c60=c(31,:); C6H6=c60(1) C6H5Cl=c60(2) C6H4Cl2=c60(3) C6H3Cl3=c60(6) Cl2=c60(4) HCl=c60(5) C_C6H3Cl3=ode(c0,t0,51,konsentrasi); C0=c(1,1); C49=c(31,1) Konversi_C6H3Cl3=(C0-C49)/C0*100 Konsentrasi_C6H3Cl3_rata=mean(c(:,6)) Konsent_C6H3Cl3_51menit=C_C6H3Cl3(6)



hcl



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 KUNCI JAWABAN BARIN (PDB 4) algoritma Reaksi 1



4A + 5B 4 C + 6 D  A + 5/4 B  C + 6/4 D



Reaksi 2



2A + 1,5B E +3 D  A + 1,5/2 B 1/2E +3/2 D



Reaksi 3



2C + B  2F



Reaksi 4



4 A + 6C 5E +6 D  A + 6/4 C 5/4 E + 6/4 D



𝐶𝑎 =



𝐹𝑎 × 𝐶𝑇0 𝐹𝑇



𝐶𝑏 =



𝐹𝑏 × 𝐶𝑇0 𝐹𝑇



𝐶𝑐 =



𝐹𝑐 × 𝐶𝑇0 𝐹𝑇



𝐶𝑑 =



𝐹𝑑 × 𝐶𝑇0 𝐹𝑇



𝐶𝑒 =



𝐹𝑒 × 𝐶𝑇0 𝐹𝑇



𝐶𝑓 =



𝐹𝑓 × 𝐶𝑇0 𝐹𝑇



r1=k1 ca cb^5/4 r2=k2 ca cb^0,75 r3=k3 cb cc^2 r4= k4 ca cc^6/4



ra=-r1-r2-r3 rb=-5/4 r1 -0,75 r2 – r3 rc= r1 – 2 r3 – 6/4 r4 rd = 6/4 r1 + 3/2 r2 + 6/4 r4 re=1/2 r1 + 5/4 r2 rf = 2 r3



 B + 2 C  2F



LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO 2015 dFj/dV=rj



clear clc function dF=flow(V,F) CTo=2 FT=F(1)+F(2)+F(3)+F(4)+F(5)+F(6) Ca=(F(1)/FT)*CTo Cb=(F(2)/FT)*CTo Cc=(F(3)/FT)*CTo Cd=(F(4)/FT)*CTo Ce=(F(5)/FT)*CTo Cf=(F(6)/FT)*CTo ka=5 kb=2 kc=10 kd=5 ra=ka*Ca*Cb^(5/4) rb=kb*Ca*Cb^0.75 rc=kc*Cb*Cc^2 rd=kd*Ca*Cc^(6/4) rfa=-ra-rb-rc rfb=-5/4*ra-0.75*rb-rc rfc=ra-2*rc-6/4*rd rfd=6/4*ra+3/2*rb+6/4*rd rfe=1/2*ra+5/4*rb rff=2*rc dF(1)=rfa dF(2)=rfb dF(3)=rfc dF(4)=rfd dF(5)=rfe dF(6)=rff endfunction F0=[5;5;0;0;0;0]; V0=0; V=0:0.1:5; F=ode(F0,V0,V,flow); V=V'; F=F'; disp([V,F]) clf plot2d(V,F,[1 2 3 4 5 6])