Hastho Santoso, S.T.,M.T. AZAZ TEKNIK KIMIA II Neraca Energi (Energy Balance) Aplikasi Neraca Energi Daya yang dibutuhkan untuk memompa suatu fluida Energi yang diperlukan untuk merubah air menjadi steam Kebutuhan energi pada proses pemisahan Kebutuhan pendingin reaksi eksotermis Kebutuhan batu bara pada steam turbin Proses kimia melibatkan sejumlah unit proses yang komplek dan terintegrasi Bagaiman proses didesain untuk meminimalisasi kebutuhan energi Barapa kebutahan energi total beserta beayanya Masalah masalah yang dapat dipecahkan dengan neraca energi: Forms of Energy Neraca Energi Sistem Tertutup Sistem tegolong tertutup atau terbuka tergantung pada ada atau tidaknya perpindahan masa melalui batas sistem Akumulasi = Input Output Final system energy Initial system energy Net energy transferred to the system (In Out) - = Initial system energy = Ui + Eki + Epi Final system energy = Ui + Eki + Epi Energy trasferred = Q - W U + Ek + Ep = Q - W Energi Dalam Sistem tertutup Contoh Gas disimpan dalam silinder yang ditutup dengan piston. Temperatur awal gas 25 C. Silinder kemudian diletakkan dalam air mendidih dengan pistion dalam posisi tetap. Dari proses tersebut gas menerima panas sebesar 2 kkal hingga diperoleh kesetimbangan pada 100 C. Piston dilepaskan dan menghasilkan kerja akibat pergerakan piston sebesar 100 J. Temperatur akhir gas 100 C. Hitung neraca energi dari setiap tahapan proses tersebut dengan mengasumsikan gas bersifat ideal. Solusi Proses pertama (1) 25 C 100 C Kondisi awal Kondisi Akhir U + Ek + Ep = Q W Ek = 0, sistem kondisi diam Ep = 0, Tidak ada pergerakan vertikal W = 0, Tidak ada pegerakan pada batas sistem Q = U ; Q = 2 kkal JkalJkalkalkkal U 837023901 , 0 1 1000 . 2 3=((

((

= AProses kedua (2) Solusi 100 C 100 C Kondisi awal Kondisi Akhir U + Ek + Ep = Q W Ek = 0, sistem kondisi diam Ep = 0, diabaikan karena gas sebagai sistem U = 0, Tidak ada perubahan temperatur Q = W; Q = 100 J Neraca Energi Sistem Terbuka Ws = Shaft work, kerja yang dihasilkan oleh fluida proses (Fluid process) oleh benda bergerak (Moving part) didalam sistem, contoh pompa. Wfl = Flow work, kerja yang dihasilkan oleh fluida pada keluaran (Outlet) sistem dikurangi kerja terhadap fluida pada masukan sistem (Inlet). Sistem terbuka ditandai oleh adanya perppindahan masa melewati batas sistem oleh adanya pengaruh kerja dari sistem terhadap lingkungan untuk memindahkan masa. W = Ws + Wfl Laju kkerja bersih (Net work) terhadap lingkungannya Uproses Vin (m3/s) Vout (m3/s) Pin N/m2 Pout N/m2 Flow work Win = Pin Vin Wout = Pout Vout Wfl = PoutVout PinVin Steady-state Open-system Energy Balance Input : Laju total total energi kinetik, energi potensial, energi kinetik oleh seluruh input proses ditambah laju dimana energi input dalam bentuk panas. Output: Laju energi total yang dibawa oleh laju alir keluar ditambah laju energi yang dikeluarkan dalam bentuk kerja. Hukum Thermodinamika pertama : Input = Output W E E QOutput jInput j + = + W Q E EInput jOutput j = ||.|

\|+ + ==== + + =jjj j jj j Pjj jkjj j jPj kj j jgzvU m Egz m Ev mEU m UE E U E2222Karena Ep = 0 Kerja sistem (W) = Ws + Wfl Jika V adalah laju alir volumetrik maka: sinput jjj joutput jjjj j j jsinput jjj j j joutput jjj j j jjinput j joutput j sj jjinput j joutput j ftW Q gzuH m gzuH mH V P UW Q gzuV P U m gzuV P U mP V m P V m W WV m VV P V P W =(((

+ + (((

+ += + =(((

+ + + (((

+ + ++ + == = 22 2 2 2 22 2jinput j joutput j pjinput jjoutput j kjinput j joutput jgz m gz m Evmvm EH m H m H = A = A = A2 2 2 2s P k W Q E E H = A + A + ASistem steady state masa input = masa output H m H H m H in out ) ( A = = ANeraca Energi Turbin 500 kg/jam steam digunakan untuk menggerakkan sebuah turbin. Steam memasuki turbin pada tekana 44 atm dan 450 C dengan kecepatan linier 60m/s dan keluar pada titik 5 m dibawah inlet turbin pada tekana atmospherik dan kecepatan 360 m/s. Turbin menghasilkan shaft work 70 kW dan heat loss pada turbin diperkirakan 104 kkal/jam. Tentukan perubahan entalpi spesifik dari proses ini? 5 m Q = -104 kkal/jam W = 70 kW 500 kg/jam 44 atm, 450 C 60 m/s 500 kg/jam 1 atm 360 m/s H = Q Ws - Ek - Ep kg kJ s kgkJmHH HkW H kW s JkWshkkal x Jjam kkal QkW x s NmkWmkgNkg h kgz z mg EkW WkWs m NWs s kgmNkg h kgv vmEPk/ 650 / 139 , 0 2 / 3 , 90 3 , 906 , 11 / 101*36001*10 239 , 0 1* / 1010 81 , 6 / 101* 5 *81 , 9*2 / 3600 / 500) (75 , 8 101*/ . 1 1*) 60 360 (*/ 1 1*21*2 / 3600 / 500) (21 23 34331 23 22 222122 ==A= = A = = = = = A== = ATables of Thermodynamic Data Prosedur Neraca Energi o Ketika memberi label pada diagram alir pastikan semua data entalpi spesifik dari semua laju alir. o Temperatur dan tekanan setiap laju alir o Fasa dari setiap laju alir Padat (S) Cair (l) Gas (g) Flowchart dan pelabelan yang sesuai dan jelas merupakan metoda yang sangat efisien dalam memecahkan neraca energi. Neraca Energi Komponen Tunggal o Tentukan laju alir setiap komponen berdasarkan neraca masa. o Tentukan entalpi spesifik setiap komponen dalam laju alir o Susun neraca energi yang sesuai Contoh Dua laju alir air dicampur sebagai umpan boiler dengan data proses sebagai berikut: Laju alir 1 120 kg/menit, 30C Laju alir 2 175 kg/menit, 65C Tekana boiler 17 bar (Absolut) Laju alir keluaran boiler melewati pipa dengan diameter dalam (ID) 6 cm. Tentukan input panas kedalam boiler (kJ/menit) untuk menghasilkan uap jenuh pada tekanan boiler tersebut, abaikan energi kinetik pada input boiler. Solusi BOILER H2O (l) 120 kg/menit H2O (l) 175 kg/menit H2O (v) 295 kg/menit 30C 65C 17 bar, 6 cm ID pipe Tabel liquid water at 30C, entalpi spesifik 125,7 kJ/Kg Tabel saturated steam, 17 bar, 204 C, entalpi spesifik 2793 kJ/kg Tabel liquid water at 65C, entalpi spesifik 271,9 kJ/Kg Heat Q (kJ/menit) Susun neraca energi yang sesuai kPsP k sE H QEW E E H W Q 0 0 A + A = = A = A + A + A = Evaluasi nilai H mnt kJ x kgkJxmntkgkgkJxmntkgkgkJxmntkgH m H m HOut in/ 10 61 , 7271 175 7 , 125 120 2793 295 5=||.|

\|||.|

\|||.|

\|= = A Evaluasi nilai H Volume spesifik saturated steam pada 17 bar = 0,1166 m3/kg Luas penampang pipa, s m mxkg mxik omenitxmenitkg VA s m v steam Kecepamcm m x cm xr A/ 202 00283 , 0 1 1166 , 0det 61 295) / ( tan_00283 , 010000 1 3 1416 , 323222 2 22==== = = tPerubahan energi kinetik Ek Ek outlet mv2 | |menit kJ x menit kJ x x E H Q menit kJ x NmkJxkgmsNxs mxmnt kgEkk/ 10 67 , 7 / 10 02 , 6 10 61 , 7/ 10 02 , 6 1011 1 2022/ 29533 533 2 22 2= + = A + A === Neraca Energi Dua Komponen Suatu larutan mengandung 60% w etana dan 40% w butana dipanaskan dari 150 K hingga 200 K pada tekanan 5 bar. Tentukan kebutuhan panas per kilogram campuran dengan mengabaikan perubahan energi kinetik dan energi potensial. Solusi BOILER 1 kg/s @ 150 K, 5 bar 0,6 kg/s C2H6 0,4 kg/s C4H10 Pada 150 K 5 bar H etana 314,3 kJ/kg H butana 30 kJ/kg Pada 200 K 5 bar H etana 434,5 kJ/kg H butana 130,2 kJ/kg Heat Q (kJ/menit) 1 kg/s @ 200 K, 5 bar 0,6 kg/s C2H6 0,4 kg/s C4H10 Q Ws = H + Ek + Ep Q = H ( ) ( )kg kJ x x x x H H H Q input output/ 112 ) 30 4 , 0 ( ) 3 , 314 6 , 0 ( ) 2 , 130 4 , 0 ( ) 5 , 434 6 , 0 (= + + = A A = A = Latihan Mechanical Energy Balance o Didalam unit proses kimia, shaft work, perubahan energi kinetik dan potensial cenderung diabaikan. o Neraca energi dapat disedehanakan bedasarkan jenis sistemnya Sistem tertutup Q = U Sistem terbuka Q = H o Sebagian besar unit proses melibatkan aliran fluida o Perhitungan aliran energi lebih tepat dalam bentuk neraca enegi mekanik (Mecanical energy balance) mWmQU z gu P s =|.|

\| A + A +A+A 22mWF z gu P s = + A +A+A 22022= A +A+A z gu PNeraca Energi Mekanik Persamaan Bernouli Neraca Energi Mekanik 1. Air mengalir melalui sistem yang ditunjukkan dalam gambar dengan laju alir 20 L/menit. Tentukan tekanan pada titik 1 jika gaya gesekan diabaikan 2. Bensin dengan berat jenis 50 lb/cuft dihisap dari sebuah tangki dengan friction loss 0,8 ft lbf/lbm, hitung waktu yang diperlukan untuk menghisap 5 gallon bensin. Kecepatan dt mikmenitxitmcmxcmxLmxmenitLudt mikmenitxitmcmxcmxLmxmenitLum A s m v s m u/ 24 , 4det 601 10) 5 , 0 ( 110001 20/ 17det 601 10) 25 , 0 ( 110001 20 ) ( / ) / ( ) / (22 42 23222 42 2312 3= == ==tt( )( ) 2 2 2 221222/ 271 17 24 , 4 s mu u u = = = APersamaan Bernouli 022= A +A+A z gu PPa x P ms kg x ms kg x Ps mm kgP P m kgP515 512 231 2310 56 , 4 / 10 01325 , 1 / 10 545 , 30 / 5 , 354/ 10000 ) 50 ( 81 , 92271/ 1000= + == += + +A