1 Neraca masa dengan recycle dengan reaksi kimia Oleh Ir.Neneng Ratnawati MSi. Daur ulang ( recycle ) dalam proses dengan reaksi kimia. Dua dasar konversi digunakan dalam hubungannya deangan reaksi yang terjadi dalam sebuah proses. 1. Overall fraction conversion ( konversi secara keseluruhan ) : 𝑚𝑎𝑠𝑎(𝑚𝑜𝑙)𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 − 𝑚𝑎𝑠𝑎(𝑚𝑜𝑙) 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 𝑓𝑟𝑒𝑠ℎ 𝑓𝑒𝑒𝑑 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑝𝑟𝑜𝑠𝑒𝑠 𝑠𝑒𝑐𝑎𝑟𝑎 𝑘𝑒𝑠𝑒𝑙𝑢𝑟𝑢ℎ𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑎(𝑚𝑜𝑙)𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑓𝑟𝑒𝑠ℎ 𝑓𝑒𝑒𝑑 2. Single-pass atau “once-through” conversion (konversi sekali lewat) 𝑚𝑎𝑠𝑎(𝑚𝑜𝑙)𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔 − 𝑚𝑎𝑠𝑎(𝑚𝑜𝑙) 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑑𝑎𝑟𝑖 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑎(𝑚𝑜𝑙)𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑎𝑛 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑡𝑜𝑟 “proses feed” terdiri dari dua aliran yaitu fresh feed dan recycle. Produk kotor yang meninggalkan proses dipisahkan menjadi dua aliran, yaitu produk bersih dan daur ulang. Dalam beberapa kasus aliran daur ulang mungkin memiliki komposisi yang sama dengan aliran produk kotor, sedangkan dalam hal-hal lain komposisi tersebut mungkin berbeda sama sekali tergantung pada bagaimana pemisahan ini terjadi dan apa yang terjadi dalam proses. 2 Konversi sekali lewat dari reaksi A digambarkan pada gambar dibawah ini. B , adalah sebesar 30 % , seperti Berapa nilai recycle ,R dengan basis 100 mol fresh feed ? Recycle (100% A) R Fresh feed ( F ) F’ 100 % A 𝑥𝐴𝐹’ Reaktor Mixer Penyelesaian : P’ produk 𝑥𝐴𝑃’ ( P) separator Basis 100 mol fresh feed ( F ) Kesetimbangan A : Sistem titik Mixer ( percampuran) system titik separator P’( 𝑥𝐴𝑃’ ) = 0 (P) + 1,00 (R) 1,00 (100) + 1,00 (R) = 1,00 ( F’ ) Karena yang tidak diketahui lebih banyak dari jumlah persamaan, kita cari satu kesetimbangan lagi, yaitu konversi fraksi masuk. Kita buat kesetimbangan pada reaktor dengan menggunakan konversi untuk merumuskan factor konsumsi. System reactor Masuk - keluar + generasi – konsumsi = akumulasi 1,00 F’ - P’( 𝑥𝐴𝑃’ ) + 0 – 0,3F’ = 0 Jika kita mensubstitusikan kesetimbangan separator ke dalam hubungan diatas untuk menghilangkan P’( 𝑥𝐴𝑃’ ) dan kesetimbangan titik percampuran untuk menghilangkan F’ , kita memperoleh satu persamaan yang mengandung hanya variable tak diketahui yang dininginkan R. 100 + R = R – 0,3 (100 + R ) = 0 R = 233 mol 3 Contoh 2. Propane di hidrogenasi membentuk propylene dalam reactor katalitik, dengan reaksi sbb : C3H8 C3H6 + H2 Proses didisain untuk 95 % overall conversion terhadap propane. Produk hasil reaksi dipisah dalam 2 aliran, dimana : aliran pertama mengandung H2 ; C3H6 dan 0,555% propane yang meninggalkan reactor. Aliran pertama ini diambil sebagai produk. Aliran kedua terdiri dari propane yang tidak bereaksi dan 5 % dari propylene yang ada di aliran produk, dimana aliran kedua ini di recycle ke reactor. Hitung : a. Komposisi dari produk b. Rasio ( mol recycle/mol fresh feed ) c. Single-pass conversion. Penyelesaian : Basis : 100 mol fresh feed Fresh feed 100 mol C3H8 produk 100 + 𝑄𝑟1 mol C3H8 𝑄𝑟2 mol C3H6 Reaktor p1 mol C3H8 p2 mol C3H6 P3 mol H2 Recycle 𝑄𝑟1 mol C3H8 𝑄𝑟2 mol C3H6 Fraksi mol komponen pada aliran produk Overall conversion = 95 % = 100 mol C3 H8 −Q1 100 molC3 H8 Q1 = 5 mol C3 H8 = 𝑄1 𝑄1 +𝑄2 +𝑄3 = 0,95 separator Q1mol C3H8 Q2mol C3H6 Q3 mol H2 4 Neraca overall • Propane : input = output + konsumsi 100 mol C3 H8 = 5 mol C3 H8 + C ( mol C3 H8 yang bereaksi ) C = 95 mol C3 H8 yang bereaksi • Propylene : output = generasi 1 𝑚𝑜𝑙 𝐶3 𝐻6 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘 Q2 = 95 mol C3 H8 x 1 𝑚𝑜𝑙𝐶3 𝐻8 𝑦𝑎𝑛𝑔 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 Q2 = 95 mol C3 H6 Dengan cara yang sama untuk neraca overall H2, maka : Q3 = 95 mol H2 Analisa produk a. 5 mol C3 H8 2,6 % C3 H8 95 mol C3 H6 48,7 % C3 H6 95 mol H2 48,7 % H2 b. Untuk mencari P1 & 𝑄𝑟2 diinformasikan dalam soal bahwa : Q1 = 0,00555 P1 P1 = 900 mol C3 H8 𝑄𝑟2 = 0,05 Q2 𝑄𝑟2 = 4,75 mol C3 H6 Neraca sekitar separator. Tidak ada reaksi kimia sehingga input = output untuk semua spesies Neraca C3 H8 : P1 = Q1 + 𝑄𝑟1 𝑄𝑟1 = P1 - Q1 = 900 – 5 = 895 mol 𝐶3 𝐻8 Recycle ratio = (𝑄𝑟1 + 𝑄𝑟2 )𝑚𝑜𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 100 𝑚𝑜𝑙 𝑓𝑟𝑒𝑠ℎ 𝑓𝑒𝑒𝑑 c. Single- pass conversion = =9 (100+ 𝑄𝑟1 )−𝑃1 (100+𝑄𝑟1 ) 𝑚𝑜𝑙 𝑟𝑒𝑐𝑦𝑐𝑙𝑒 𝑚𝑜𝑙 𝑓𝑟𝑒𝑠ℎ 𝑓𝑒𝑒𝑑 x 100 = 9,55 % 5 Latihan soal .1 Etil eter dibuat dengan dehidrasi etil alcohol dalam keberadaan asam sulfat pada 140 ℃ . Reaksi : 2 C2 H5 OH C2 H5 OC2 H5 + H2 O Blok diagram proses yang disederhanakan diperlihatkan pada gambar dibawah ini : Etil eter murni ( 1200 kg/jam) 93 % H2 SO4 7 %H2 O C B Buangan Reaktor Larutan H2SO4 encer Separasi eter Separasi alkohol A Fresh feed (F) 95 % alkohol 5 % H2O D E Daur ulang (R ) 92 % alkohol 8 % H2O Jika single pass conversion 87 %, hitunglah : a. Fresh feed , kg/ jam b. R BM: C2 H5 OH = 46 C2 H5 OC2 H5 = 74 Asam sulfat & Air 6 Basis : 1200 kg/jam ethyl ether • NM di sekitar ether separation : - Ethyl ether yang ada di C = Ethyl ether yang ada di B = 1200/74 = 16,216 kmol. • NM di sekitar reactor: - Ethyl ether yang di B adalah produk hasil dari reaksi, maka kita dapat mencari alkohol yang beraksi ( dari stoikhiometri) - Cari alkohol yang masuk reactor ( di aliran A), dimana single pass conversion 87 %. ( =100/87 x alkohol yang bereaksi ) • NM di sekitar mixer : - alkohol yang masuk reactor ( di aliran A) = Alkohol yang ada di F + Alkohol yang ada di R. ( = 0,95 F + 0,92 R ) - Alkohol yang ada di R = Alkohol yang tidak bereaksi = 0,13 x alkohol di masuk reactor F = 1570 kg R = 242,3 kg 7 Latihan soal .2 Etil eter dibuat dengan dehidrasi etil alcohol dalam keberadaan asam sulfat pada 140 ℃ . Reaksi : 2 C2 H5 OH C2 H5 OC2 H5 + H2 O Blok diagram proses yang disederhanakan diperlihatkan pada gambar dibawah ini : Etil eter murni 93 % H2 SO4 7 %H2 O C B Buangan Reaktor Larutan H2SO4 encer 1570 kg/jam Fresh feed (F) 95 % alkohol 5 % H2O Separasi eter Separasi alkohol A D E Daur ulang (R ) 92 % alkohol 8 % H2O Jika single pass conversion 87 %, hitunglah : a. Ehyl ether murni yang dihasilkan , kg/ jam b. R Asam sulfat & Air
