Responsi ICE – 209 NME

Neraca Massa dengan Reaksi

Dalam penyusunan neraca massa sistem dengan reaksi, terdapat variabel alur bebas berupa:

1. Laju Alir Massa (F) : massa/waktu

Molar (N) : mol/waktu

2. Komposisi Fraksi Massa (wi)

Fraksi Mol (xi)

3. Laju reaksi r : mol/waktu

dengan : i = komponen

PERSAMAAN NERACA MASSA SISTEM DENGAN REAKSI

Untuk neraca massa total berlaku:

∑ N out≠∑ N indan ∑ Fout=∑ F in

Untuk neraca massa komponen berlaku :

∑ N Sout≠∑ NS

in dan ∑ FS

out≠∑ FSin

Nout=N in+r .∑ σS

∑ N Sout=∑ NS

in +∑ σ S . ri dan ∑ FSout=∑ FS

in +∑ σ S . ri . MrS

dengan:

N Sin

= laju alir molar komponen S dalam masukan (aliran masuk sistem)

N Sout

= laju alir molar komponen S dalam keluaran (aliran keluar sistem)

σ S = koefisien reaksi; bernilai negatip untuk reaktan dan positip untuk produk

ri = laju reaksi ke-i

MrS = berat molekul komponen S

Analisis Derajat Kebebasan (Degree of Freedom/DOF)

DOF=∑ variabel alur bebas−∑ pers. NM TTSL−∑ pertelaan−∑ h ub . pembantu

Jumlah macam

komponen yg terlibat

Jumlah variabel diketahui: - komposisi- laju alir

- perbandingan laju alir

- hubungan komposisi- perolehan fraksional- konversi, yield,

excess reactant,

Jumlah semua komponen yg

terlibat di setiap alur + jumlah persamaan reaksi yg terlibat

Reaktan pembatas, reaktan berlebih, dan konversi fraksional

REAKTAN (PEREAKSI) PEMBATAS (limiting reactant)

Definisi :

reaktan yang terlebih dahulu habis dengan berlangsungnya reaksi

reaktan yang paling banyak terkonversi

reaktan dengan

NSin

−σ Spaling kecil

REAKTAN BERLEBIH (excess reactant)

Definisi :

Keadaan yang sebenarnya (actual)

rasio jumlah reaktan yang berlebih terhadap jumlah aktual reaktan yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan reaktan pembatas

Dalam dunia industri (teoritis)

rasio jumlah reaktan yang berlebih (terhadap jumlah reaktan yang dibutuhkan untuk bereaksi sempurna/konversi 100%) dengan jumlah reaktan yang dibutuhkan untuk bereaksi sempurna

NOTE:

Untuk udara, % udara berlebih (%excess air) merupakan ekses teoritis sedangkan untuk komponen lainnya, % ekses merupakan ekses aktual.

KONVERSI

Definisi : konversi merupakan rasio jumlah yang bereaksi terhadap jumlah yang diumpankan ke dalam proses

konversi , XS=NS

in−NSout

N Sin

atau

X S=−σ S . r

NSin

NOTE:

~ Konversi hanya ditujukan untuk reaktan

~ Apabila di soal tidak diketahui konversi komponen apa, maka data konversi tersebut merupakan konversi dari reaktan pembatas

~ Untuk sistem multi unit, dikenal konversi di reactor dan di konversi overall

konversi A

dalam reaktor = [ ( A+ A2 )−A1

( A+ A2 ) ] x 100 %

AB

A1

B1

P1 A2

B2

P2

konversi A overall = [ A−A3

A ] x 100 %

DEGREE OF COMPLETION

Definisi : derajat keberlangsungan suatu reaksi

deg ree of completion=∑ reak tan pembatas yg bereaksi

∑ reak tan pembatas yg tersediax100 %

YIELD (PEROLEHAN)

Definisi :

Umum :

% perolehan ( yield )=∑ produk utama

∑ reak tan yg diumpankanx100 %

atau

% perolehan ( yield )=∑ produk utama

∑ reak tan yg dikonsumsi dalam reaktorx 100 %

Untuk reaksi jamak (persoalan NME; Reklaitis):

% perolehan ( yield )= ∑ produk utama

∑ produk utama yg akan dihasilkan bila tidak ada reaksi ¿ samping dan semua reak tan pembatas habis bereaksi ¿∑ ¿ x 100%

atau

Y PQ=RP

RPmaks

SELEKTIVITAS:

selektifitas=∑ produk utama yang dihasilkan

∑ produk samping yang dihasilkan

SOAL-SOAL LATIHAN

1. Gas klordioksida (ClO2) digunakan dlam industri pembuatan kertas sebagai

zat warna pemucat pulp dalam unit Kraft mill. Gas tersebut diproduksi

dengan cara mereaksikan natrium klorat, asam sulfat dan metanol sesuai

persamaan reaksi berikut :

6 NaClO3 + H2SO4 + CH3OH 6 ClO2 + 6 NaHSO4 +

CO2 + 5 H2O

Jika perbandingan mol umpan NaClO3 : H2SO4 : CH3OH yang masuk ke

dalam reaktor adalah 7 : 7 : 1 maka akan diperoleh konversi 80%.

Hitunglah jumlah ClO2 yang diperoleh setiap 90

molh umpan !

2. Salah satu bahan peledak yang paling banyak digunakan adalah

nitrogliserin yang dibuat dengan mereaksikan gliserin murni dan asam

nitrat sesuai dengan persamaan reaksi berikut :

C3H8O3 + 3 HNO3 + (H2SO4) C3H5O3(NO2)3 + 3 H2O + (H2SO4)

Asam sulfat pada dasarnya tidak terlibat di dalam reaksi, tetapi digunakan

untuk ”menangkap ” molekul air yang terbentuk. Umpan berupa larutan

ekuimolar gliserin, asam nitrat dan asam sulfat memasuki reaktor dengan

laju 1000 kg/h. Apabila diketahui bahwa ”degree of completion” (D.o.c)

reaksi tersebut hanya sebesar 75 %.

Note : hati – hati dengan satuan

Tentukanlah :

a. DOF (Degree of Freedom) sistem tersebut dan nyatakanlah apakah

masalah telah dipertelakan dengan baik ?

b. Konversi C3H8O3 dan HNO3 , reaktan pembatasnya, persen excess

(actual dan teoritis) reaktan berlebih

c. Laju alir dan komposisi pada setiap alur

3. Proses komersial yang paling banyak digunakan unuk membuat akrionitril

(CH2=CHCN) saat ini adalah proses Sohio. Dalam proses ini, propilen (C3H6),

amoniak dan oksigen direaksikan dalam sebuah reactor unggun

terfluidakan. Reaksi utama yang terjadi dapat dituliskan sbb. :

C3H6 + NH3 +

32 O2 → C3H3N + 3 H2O

Umpan reaktor berupa campuran gas propilen dan amoniak serta udara yang

mengandung 20 % oksigen dan 80 % nitrogen. Diketahui : nisbah molar

C3 H 6

NH 3

=0,8 serta oksigen yang diumpankan tersebut berlebih 50% dari

kebutuhan stoikiometriknya. Apabila diketahui konversi propilen sebesar

97%. Hitunglah kebutuhan udara yang harus dipasok dan komposisi produk

reaktor apabila diinginkan laju alir produk sebesar 1000

kgh !

4. Gas bekas yang dihasilkan dari sebuah pabrik memiliki komposisi 30% CS2,

15% SO2 dan 55% H2O. Peraturan lingkungan mensyaratkan bahwa dalam

gas buang tidak boleh ada gas beracun seperti CS2, oleh karena itu gas

bekas tersebut harus dibakar dengan udara berlebih agar semua CS2 habis

bereaksi. Pada pemabakaran tersebut terjadi reaksi :

CS2 + 3 O2 CO2 + 2 SO2

Tentukan kebutuhan udara yang harus dipasok dan persentase kelebihan

udara.

5. Klorobenzena dapat dibuat dengan mereaksikan benzene cair dengan gas

klor menggunakan katalis besi. Reaksi yang terjadi yaitu:

C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

Akan tetapi 15% dari monoklorobenzena yang telah terbentuk bereaksi

lebih lanjut menghasilkan diklorobenzena dengan persamaan reaksi :

C6H5Cl + Cl2 C6H4Cl2 + HCl

Agar diperoleh konversi benzene sebesar 90%, maka gas klor yang dipasok

harus berlebih 20% dari kebutuhan untuk mereaksikan seluruh benzena

menjadi monoklorobenzena. Produk keluaran reaktor terdiri dari 2 alur yaitu

produk gas yang terdiri dari HCl dan sisa klor serta produk cair yang terdiri

atas campuran benzena sisa, monoklorobenzena, dan diklorobenzena.

Hitunglah komposisi produk yang dihasilkan jika digunakan umpan sebesar

100 mol/h.

6. Etilen oksida dapat diproduksi melalui oksidasi parsial etilen dengan udara

berlebih menggunakan katalis perak yang mengikuti reaksi berikut :

2 C2H4 + O2 2 C2H4O

Akan tetapi terjadi pula reaksi samping oksidasi sempurna etilen menjadi

CO2 dan H2O yang mengikuti persamaan reaksi:

C2H4 + 3 O2 2 CO2 + H2O

Jika umpan terdiri dari 10% etilen, oksigen dan nitrogen, konversi etilen

sebesar 25% dan perolehan (yield) etilen oksida dari etilen sebesar 80%.

Hitunglah komposisi keluaran reaktor !

7. Gas sintetis (Syngas) yang merupakan campuran CO dan H2 dapat

diproduksi melalui proses steam reforming yang menggunakan bahan baku

metana. Beberapa reaksi yang diduga terjadi di dalam reformer yang

berbentuk multitubular reactor ini yaitu:

CH4 + CO2 2CO + 2H2

CO + H2O CO2 + H2

CH4 + H2O CO + 3H2

CH4 + 2H2O CO2 + 4H2

Umpan yang digunakan terdiri dari 50% metana, 35% air dan 15%

karbondioksida. Perbandingan gas hidrogen dan CO pada keluaran reformer

sebesar 2.2 : 1. Jika diperoleh konversi metana sebesar 80%, tentukan

komposisi produk yang keluar dari reformer. (note: tentukan dahulu jumlah

reaksi yang TTSL)

8. N-anilin (C6H5NHC2H5) diproduksi dengan cara mereaksikan uap aniline

(C6H5NH2) dengan uap etanol dalam sebuah reaktor katalitik. Umpan suatu

reaktor katalitik terdiri dari campuran 2/3 bagian etanol dan sisanya aniline.

Produk keluaran reaktor berupa campuran aniline, etanol, N-etilanilin,

dietilanilin (C6H5N(C2H5)2), air, dan 1%-mol etilen (C2H4).

Hasil penelitian menunjukkan bahwa reaksi-reaksi yang dapat terjadi dalam

reaktor katalitik tersebut adalah:

C6H5NH2 + C2H5OH C6H5NHC2H5+ H2O

C2H5OH C2H4 + H2O

C6H5NHC2H5+ C2H4 C6H5N(C2H5)2

C6H5NHC2H5+ C2H5OH C6H5N(C2H5)2 + H2O

C6H5NH2 + C2H4 C6H5NHC2H5

Diketahui perbandingan komposisi aniline:etanol:air pada alur keluaran

reaktor yaitu 1:3:3

a. Tentukanlah persamaan reaksi yang TTSL

b. Tunjukkanlah bahwa dengan menambahkan basis perhitungan,

permasalahan ini telah dipertelakan dengan baik

c. Dengan menggunakan basis perhitungan laju alir molar masuk reaktor

9000 mol/h, tentukan komposisi keluaran reaktor.

9. Reaksi yang terjadi dalam proses pembuatan amonia menggunakan proses

Haber mengikuti reaksi :

N2 + 3 H2 2 NH3

Reaksi tersebut dilangsungkan pada tekanan 800-100 atm dan temperatur

500-600oC menggunkan katalis yang sesuai. Akan tetapi hanya sebagian

kecil reaktan yang dapat terkonversi menjadi produk, oleh karena itu sisa

reaktan yang tidak bereaksi harus didaur ulang. Gas nitrogen yang

digunakan berasal dari udara yang mengandung 1%-m(ol) gas mulia

(argon). Argon yang terbawa ke dalam aliran proses Haber ini bersifat inert

dan jumlahnya bertambah banyak karena terbawa alur daur ulang. Untuk

mencegah akumulasi argon yang terlalu banyak, sebagian alur daur ulang

dibuang (di-purge). Diagram alir proses sederhana pembuatan amonia

menggunakan proses Haber disajikan pada gambar.

Proses Pembuatan Amonia

a. Lakukan analisis DOF

b. Hitung semua variabel alur yang belum diketahui

c. Hitung konversi H2 di reactor dan overall

10. Proses produksi P dari A dan B mengikuti diagram alir berikut:

Proses produksi P dari A dan B

Di dalam reaktor 1 terjadi tahapan reaksi sebagai berikut :

( 1 ) 4 A + 5 B 4 C + 6 D

( 2 ) 4 A + 3 B 6 D + 2 P

( 3 ) 4 A + 6 C 6 D + 5 P

( 4 ) B + 2 C 2 Q

( 5 ) 2 C B + P

( 6 ) 2 B + P 2 Q

Diketahui bahwa di reaktor 1, A yang terkonversi sebesar 50%, serta

didapatkan yield P dari A sebesar 30% dan selektivitas P terhadap Q

sebesar 80%.

Sedangkan di dalam reaktor 2 dilangsungkan reaksi menggunakan katalis

tertentu untuk memperbesar perolehan produk P menurut reaksi berikut :

( 1 ) 3 D + Q P

( 2 ) 4 A + 3 B 6 D + 2 P (merupakan reaksi (2) di

Reaktor 1)

Diketahui pula bahwa konversi B secara overall sebesar 90% dan

selektivitas Q terhadap A di overall sebesar 7,5%.

a. Tentukan jumlah reaksi TTSL di reaktor 1, reaktor 2 serta overall dengan

cara reduksi matriks !

b. Gambar kembali diagram alir proses tersebut dan lengkapilah semua

komponen dan pertelaan pada setiap alur dan tuliskan semua hubungan

antar variabel yang diketahui (nyatakan dalam variabel r atau N) !

c. Buatlah tabel analisis DOF beserta perkembangannya dan nyatakan

apakah masalah telah dipertelakan dengan baik !

d. Hitunglah semua variabel alur yang belum diketahui !

NERACA UNSUR:

SOAL NOMOR 1:

Produksi asetaldehida (C2H4O) dilangsungkan di dalam sebuah reaktor katalitik

dengan diagram alir disajikan pada gambar.

Diketahui bahwa:

i. Konversi C2H6 sebesar 45%

ii. Yield C2H4O dari C2H6 sebesar 44,4444%

iii. Selektifitas CO terhadap CH2CO sebesar 1

iv. Laju produksi CO2 ekuimolar terhadap aju produksi CH3OH

Pertanyaan:

a. Rekalah reaksi TTSL yang terjadi pada reaktor tersebut, gunakan urutan

komponen dan unsur dari alur 1,2, kemudian 3

b. Tentukan jumlah neraca unsur TTSL dan reaksi TTSL-nya

c. Tentukan apakah penyelesaian lebih baik menggunakan neraca unsur

ataukah neraca komponen/zat. Jelaskan alasannya

d. Lakukan analisis DOF dan nyatakan apakah masalah telah dipertelakan

dengan baik apabila digunakan basis N1 = 100 mol/h

e. Susun persamaan neraca massanya beserta hubungan antar variabel yang

diketahui, dan hitunglah semua variabel alur yang belum diketahui

SOAL NOMOR 2:

Diagram alir proses pembakaran gas buang yang mengandung H2S disajikan

pada Gambar 1. Water gas dan udara memasuki furnace dengan rasio molar O2

dan N2 di water gas terhadap udara dijaga sebesar 1 : 1 (ekuimolar). Sebanyak

1,285 mol sampel gas yang meninggalkan furnace dianalisis dan didapatkan

bahwa setiap 0,1 mol gas CO2 terkandung 0,08 mol gas SO2. Karena

kandungan H2S yang masih cukup tinggi tersebut, flue gas tersebut (alur 3) di-

scrub menggunakan H2O. Produk scrubber berupa produk gas dengan

komposisi (basis kering) sbb. : 1 % CO, 7,5 % CO2, 2,6 % O2 dan 88,9 % N2

serta diketahui bahwa kandungan H2O di dalam produk gas tersebut sebesar

111 sedangkan produk di fasa cair terdiri atas : 2,5 % CO2, 8 % SO2, dan H2O.

Petunjuk : gunakan basis N4 = 110

molh

Gambar 1. Proses pembakaran gas buang

Pertanyaan :

a. Tentukanlah jumlah neraca unsur TTSL di furnace !

Catatan : untuk reduksi matriks gunakan urutan unsur dan komponen dari

alur 1 ke alur 2 dan terakhir alur 3.

b. Rekalah reaksi TTSL yang tejadi di furnace !

c. Tentukanlah penyelesaian di furnace lebih baik mengunakan neraca

komponen atau neraca unsur ? Berikan alasannya !

d. Tuliskan semua hubungan antar variabel yang terlibat dalam proses

tersebut !

e. Buatlah tabel analisis DOF beserta perkembangannya dan tentukan apakah

masalah telah dipertelakan dengan baik ?

f. Susunlah neraca massa di setiap unit dan hitunglah semua variabel alur

yang belum diketahui!

SOAL NOMOR 3

Campuran 100

kgh minyak bakar dan 100

kgh batubara akan dibakar

menggunakan udara yang memiliki kelembaban 0,01

kgmol H2O

kgmol udara ker ing dan

diketahui excess udara kering sebesar 120% serta perbandingan mol O2

terhadap N2 dalam udara lembab tersebut sebesar 21 : 79. Minyak bakar

memiliki komposisi (dalam %-berat) : 84% C, 11,4% H, 1,4% N dan 3,2% S

sedangkan batubara memiliki komposisi (dalam %-berat) : 72% C, 4,4% H, 16%

O, 1,4% N, 3,2% S dan sisanya abu. Produk pembakaran berupa residu abu

dan gas hasil bakar berupa CO2, CO, O2, N2, dan 0,115 %-mol SO2 (dalam basis

kering).

PERTANYAAN :

a. Gambarlah diagram alir proses tersebut dan lengkapilah semua komponen

dan pertelaan pada setiap alur dan tuliskan semua hubungan antar variabel

yang diketahui !

b. Tentukan jumlah neraca unsur TTSL sistem tersebut menggunakan reduksi

matriks !

c. Buatlah tabel analisis DOF-nya nyatakan apakah masalah telah dipertelakan

dengan baik !

d. Hitunglah komposisi udara lembab yang digunakan (dalam %-mol) !

e. Hitunglah kebutuhan udara stoikiometris dan laju alir udara yang harus

dipasok !

f. Hitunglah laju alir dan komposisi produk pembakaran tersebut !

SOAL NOMOR 4

Asetaldehida dapat diproduksi melalui reaksi katalitik seperti disajikan pada

Gambar 2. Jika ke dalam reaktor diumpankan udara (dengan komposisi : 21 %

O2 dan 79 % N2) dan etana dengan nisbah molar udara terhadap etana sebesar

4,881 : 1 maka didapatkan konversi etana sebesar 60 %. Di alur produk

didapatkan bahwa rasio molar CH3OH terhadap CH2O sebesar 1 : 3, dan untuk

setiap 1 mol O2 yang diperoleh akan didapatkan 40 mol CO2 serta diketahui

pula bahwa rasio molar laju produksi CH3OH ( RCH3OH ) terhadap C2H6 yang

terkonversi sebesar 1 : 2. Selain itu juga diperoleh data bahwa apabila

diumpankan etana sebanyak 100

molh akan diperoleh 95

molh H2O di alur

produk.

Gambar 2. Reaksi katalitik produksi asetaldehida

PERTANYAAN :

a. Tuliskan semua hubungan antar variabel yang diketahui (nyatakan dalam

variabel alur) !

b. Tentukan jumlah persamaan neraca unsur TTSL menggunakan reduksi

matrikS !

Catatan : untuk reduksi matriks gunakan urutan unsur dan komponen dari

alur 1 ke alur 2 dan terakhir alur 3.

c. Tentukan jumlah reaksi TTSL yang terjadi dalam reaktor katalisis tersebut

dan rekalah persamaan reaksi tersebut !

d. Tentukanlah penyelesaian persoalan di atas lebih baik menggunakan neraca

unsur atau neraca komponen / zat ? Jelaskan pendapat Anda !

e. Buatlah tabel analisis DOF-nya dan tentukan apakah masalah telah

dipertelakan dengan baik !

f. Susunlah persamaan neraca massa untuk sistem tersebut !

g. Hitunglah semua variabel alur yang belum diketahui dan sajikan dalam

bentuk tabel dalam laju alir molar dan fraksi mol !

11. Dalam sebuah pabrik, nitrobenzena dibuat dari benzena melalui reaksi

nitrasi :

C6H6 + HNO3 C6H5NO2 + H2O

Untuk melaksanakan proses ini, 500 kg campuran asam yang mengandung

8,2% H2O, 40% HNO3 dan 51,8% H2SO4 dicampurkan dengan benzena

murni sehingga semua benzena habis bereaksi. Pada akhir reaksi, dalam

reaktor nitrasi terdapat dua fasa yang sama sekali tidak saling larut, yakni

fasa organik dan fasa akuatik. Fasa organik adalah nitrobenzena murni

sedangkan fasa akuatik mengandung 58,1% H2SO4 . Tentukanlah derajat

konversi asam nitrat dalam proses ini !

12. Asam fluorida (HF) dapat dibuat dengan mereaksikan kalsium fluorida

(CaF2) dengan asam sulfat (H2SO4). Bahan baku yang digunakan berupa

fluorospar yang mengandung 78% CaF2 dan 22% inert. Asam sulfat yang

digunakan pada proses iniberlebih 30% dari kelebihan stoikiometrisnya.

Keluaran reaktor sebagian besar berupa gas HF, namun ada pula produk

padat yang terdiri dari CaSO4, inert, kelebihan asam sulfat dan 5% dari

seluruh HF yang terbentuk. Dengan terlebih dahulu menuliskan

persamaan reaksi dan membuat sketsa proses, tentukan banyaknya

produk padat (dalam kg) yang dihasilkan per 100 kg fluorospar yang

diumpankan ! (Ar Ca = 40, F = 19 )

13. Klorobenzena dapat dibuat dari benzena melalui reaksi klorinasi :

C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

Jika digunakan umpan yang mengandung 40%-mol benzena dan 60% klor

serta konversi benzena dalam reaksi tersebut adalah 90%, hitunglah

komposisi keluaran reaktor !

14. Reaksi pembentukan natrium hipoklorit :

2 NaOH + Cl2 NaOCl + NaCl +

H2O

Sebagai umpan reaktor digunakan 1000

kgh larutan NaOH 40% yang

terlarut dalam air dan gas Cl2 sebanyak 10

kmolh . Apabila diperoleh

konversi sebesar 60%, hitunglah jumlah natrium hipoklorit yang terbentuk !

15. Cara lain pembuatan asam asetat adalah dengan mengoksidasi etanol

sesuai reaksi :

C2H5OH + O2 CH3COOH + H2O

Umpan yang digunakan adalah larutan etanol 46% dalam air. Oksigen

sebagai oksidator diperoleh dari udara yang terdiri dari 20% mol oksigen

dan 80% nitrogen. Agas diperoleh konversi oksigen sebesar 80% maka

udara yang dipasok harus berlebih sebesar 25% dari kebutuhan

stoikionetrisnya. Akan tetapi, 20% dari asam asetat yang telah terbentuk

akan bereaksi dengan sisa rtanol menghasilkan etil asetat :

C2H5OH + CH3COOH CH3COOC2H5 + H2O

Produk keluaran reaktor dipisahkan menjadi dua alur, yaitu produk gas

yang terdiri dari oksigen dan nitrogen serta produk cair yang berupa

campuran etanol, air, etil asetat, dan asam asetat. Jika digunakan umpan

etanol sebesar 1000

kgh . Tentukan komposisi produk cair dan produk gas !

16. Asetaldehida dapat diperoleh dari dehidrogenasi etanol dalam suatu

reaktor katalitik melalui reaksi :

C2H5OH CH3CHO + H2

Selain reaksi tersebut di atas, selalu tejadi reaksi samping yang

menghasilkan etil asetat :

2 C2H5OH CH3COOC2H5 + 2 H2

Andaikan dalam suatu reaktor katalitik, kondisi operasi diatu sedemikian

rupa sehingga diperoleh konversi etanol sebesar 90% dan perolehan

fraksional asetaldehid sebesar 80%. Tentukan komposisi keluaran reaktor

jika diasumsikan umpan masuk ke dalam reaktor adalah etanol murni !

17. Klorobenzena dapat dibuat dengan mereaksikan benzena cair dengan gas

klor menggunakan katalis ferriklorida. Reaksi yang terjadi sbb. :

C6H6 + Cl2 C6H5Cl + HCl

Akan tetapi, 15% dari monoklorobenzena yang telah terbentuk bereaksi

lebih lanjut menghasilkan diklorobenzena :

C6H5Cl + Cl2 C6H4Cl2 + HCl

Agar diperoleh konversi benzena sebesar 90%, maka gas klor yang dipasok

harus berlebih 20% dari kebutuhan untuk mereaksikan seluruh benzena

menjadi monoklorobenzena. Produkkeluaran reaktor dipisahkan menjadi 2

alur, yaitu produk gas yang terdiri dari HCl dan sisa klor serta produk cair

yang terdiri atas campuran benzena sisa, monoklorobenzena dan

diklorobenzena. Jika digunakan umpan sebanyak 100

molh , tentukan

komposisi produk !

18. Karbon disulfida, bahan baku pross pembuatan rayon viskos dan

karbontetraklorida, diproduksi dengan mereaksikan uap belerang dan gas

metana mengikuti reaksi :

CH4 + 4 S CS2 + 2 H2S

CH4 + 2 S CS2 + 2 H2

CH4 + 2 H2S CS2 + 4 H2

Umpan proses terdiri atas 80% mol belerang dan 20% metana serta derajat

konversi metana dan belerang masing-masing adalah 90% dan 70%.

a. Tentukan banyaknya reaksi TTSL dari himpunan reaksi di atas

b. Hitung komposisi produk reaktor !

19. Gas sintetis (campuran CO dan H2) diproduksi dalam sebuah steam

reformer menggunakan bahan baku gas metana. Reaksi-reaksi yang

diduga terjadi sbb. :

CH4 + CO2 2 CO + 2 H2

CO + H2O CO2 + H2

CH4 + H2O CO + 3 H2

CH4 + H2O CO2 + 4 H2

Umpan yang digunakan terdiri dari 50%-mol metana, 35% air dan 15%

karbondioksida sedangkan perbandingan gas hidrogen dan gas CO yang

dihasilkan steam reformer sebesar 2,2 : 1. Jika diperoleh konversi metana

sebesar 80%, tentukan komposisi produk yang keluar dari steam reformer !

20. N-etilanilin (C6H5NHC2H5) diproduksi dengan cara mereaksikan uap anilin

(C6H5NH2) dengan uap etanol (C2H5OH) dalam sebuah reaktor katalitik.

Umpan suatu rektor katalitik terdiri dari campuran

23 bagian etanol dan

sisanya anilin. Produk keluaran reaktor berupa campuran anilin, etanol, N-

etilanilin, dietilanilin (C6H5N(C2H5)2, air (H2O), dan 1%-mol etilen (C2H2).

Hasil penelitian menunjukkan bahwa reaksi-reaksi yang dapat terjadi

dalam reaktor katalitik tersebut adalah :

C6H5NH2 + C2H5OH C6H5NHC2H5+ H2O

C2H5OH C2H4 + H2O

C6H5NHC2H5 + C2H4 C6H5N(C2H5)2

C6H5NHC2H5 + C2H5OH C6H5N(C2H5)2 + H2O

C6H5NH2 + C2H4 C6H5NHC2H5

Diketahui perbandingan komposisi anilin : etanol : air pada alur keluaran

reaktor adalah 1:3:3.

a.Tentukanlah persamaan reaksi yang TTSL

b.Tunjukkanlah bahwa dengan menambahkan basis perhitungan,

permasalahan ini dapat dipertelakan dengan baik !

c.Dengan menggunakan basis perhitungan laju alir molar masuk reaktor

adalah 9000

molh , tentukan komposisi keluaran rekator !

21. Pembuatan etilen oksida menggunakan bahan baku etilen dilangsungkan

berdasarkan persamaan reaksi :

C2H4 + O2 2 C2H4O

Selain reaksi utama di atas, ternyata sebagian etilen bereaksi secara

sempurna dengan oksigen menghasilkan gas karbondioksida :

C2H4 + 3 O2 2 CO2 + 2 H2O

Umpan yang digunakan adalah etilen yang dicampur dengan udara ayng

terdiri dari 21% oksegen dan 79% nitrogen. Konversi etilen sebesar 25%

dan perolehan fraksional etilen oksida sebesar 80% dapat diperoleh apabila

komposisi (dalam %-mol) etilen dalam umpan masuk reaktor sebesar 10%.

Hitunglah semua variabel alur yang belum diketahui !

22. Dalam sebuah fermentasi anaerob, Saccharomyces cerevisiae akan

mengubah glukosa yang terkandung dalam tanaman menjadi etanol dan

asam propionat sesuai dengan persamaan reaksi :

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

C6H12O6 2 C2H3COOH + 2 H2O

Proses fermentasi ini dilangsungkan dalam sebuah reaktor batch

menggunakan umpan larutan glukosa 18% dan sisanya air. Jika digunakan

umpan larutan glukosa sebanyak 4000 kg, maka dapat diperoleh 220 kg

gas CO2 dan glukosa yang tidak bereaksi sebanyak 90 kg. Hitunglah

semua variabel alur bebas yang belum diketahui !

23. Hidrogen dapat diproduksi dari gas alam dengan melakukan reformasi

kukus. Reaksi yang mungkin terjadi adalah sebagai berikut :

CH4 + H2O CO + 3 H2

CH4 + 2 H2O CO2 + 4 H2

CH4 + CO2 2 CO + 2 H2

2 CH4 C2H4 + 2 H2

2 CO + 4 H2 C2H4 + 2 H2O

CO + H2O CO2 + H2

Hitunglah banyaknya persamaan reaksi yang TTSL dari himpunan reaksi di

atas !

24. Etilen benzena dapat dibuat dari benzena dan etilena melalui reaksi :

C6H6 + C2H4 C6H5C2H5

Bahan baku yang digunakan adalah etilen murni dan benzena yang

mengandung 2% - mol air. Perbandingan laju umpan diatur sedemikian

hingga mol benzena : mol etilena = 1 : 1. Keluaran reaktor dipisahkan

menjadi dua alur, alur produk berupa etilbenzena murnidan alur-alur yang

tidak mengandung etilbenzena. Untuk mencegah akumulasi air, sebanyak

20% dari alur daur ulang dibuang (purge). Alur buangan ini mengandung

4%-mol air. Diagram alir proses ditampilkan pada Gambar 1.

a.Tunjukkan bahwa masalah telah dipertelakan dengan baik dan tabel

perkembangan DOF-nya !

b.Hitunglah kebutuhan etilena (alur 1) per 100 mol produk etilbenzena

c.Hitunglah konversi benzena dalam reaktor !

Gambar 1. Proses pembuatan etilbenzena

25. Asam asetat dapat diproduksi melalui reaksi :

3 C2H5OH + 2 Na2Cr 2O7 + 8 H2SO4 3 CH3COOH + 2 Cr2(SO4)2 + 2 Na2SO4

+ H2O

Dalam sistem berdaur ulang seperti yang disajikan pada Gambar 2,

konversi keseluruhan etanol sebesar 90% dapat diperoleh jika laju alir daur

ulang (alur 4) sama dengan laju alir umpan segar etanol (alur 1). Laju alir

umpan H2SO4 dan Na2Cr 2O7 diatur sedemikian rupa sehingga berlebih

sebesar 20% dari kebutuhan stoikiometrisnya. Produk keluaran reaktor

dipisahkan menjadi 3 alur, yaitu : alur produk yang berupa CH3COOH murni

(alur 6), alur daur ulang (alur 4) dan alur produk sisa yang diasumsikan

tidak mengandung CH3COOH. Jika alur daur ulang terdiri dari 80%-mol

H2SO4 dan sisanya adalah C2H5OH. Tentukan komposisi keluaran reaktor

dan konversi C2H5OH dalam reaktor !

Gambar 2. Proses pembuatan asam asetat

26. Etil eter dapat dibuat dari etanol melalui reaksi berikut :

2 C2H5OH (C2H5)2O + H2O

Bahan baku yang digunakan adalah larutan etanol yang mengandung

28,125% air. Keluaran reaktor dipisahkan menjadi dua alur, yaitu : alur

produk yang terdiri dari etil eter murni dan alur daur ulang yang berupa

campuran etanol dan air. Untukmencegah akumulasi air, sebanyak 20%

dari daur ulang dibuang (“purge”). Diketahui pula bahwa konversi etanol

keseluruhan sebesar 80%. Diagram alir proses pembuatan etil eter

disajikan dalam Gambar 3.

Gambar 3. Proses pembuatan etil eter

a.Tunjukkan bahwa dengan menambahkan basis perhitungan,

permasalahan ini dapat dipertelakan dengan baik !

b.Buatlah tabel yang menunjukkan perkembangan derajat kebebasan

setiap unit, proses dan keseluruhan! Susunlah strategi penyelesaian

masalah ini !

c.Hitung komposisi keluaran reaktor (alur 4) menggunakan basis

perhitungan laju alir produk etil murni adalah 100

molh !

d.Hitung konversi etanol dalam reaktor !

27. Gas hasil gasifikasi batu bara dapat diproses lebih lanjut menghasilkan

metanol berdasarkan persamaan reaksi :

CO + 2 H2 CH3OH

Skema sederhana proses tersebut disajikan pada Gambar 4.

Gambar 4. Proses gasifikasi batubara menjadi etanol

Gas hasil gasifikasi yang dipergunakan masih mengandung sedikit gas CH4

yang tidak ikut bereaksi (inert). Untuk mencegah akumulasi CH4 dalam

reaktor, maka sebagian dari alur daur ulang dibuang (“purge”). Diketahui

konsentrasi CH4 dalam alur buangan (“purge”) tidak boleh melebihi 3,2%-

mol dan konversi CO sekali lewat reaktor sebesar 18%.

a.Tunjukkan bahwa masalah telah dipertelakan dengan baik !

b.Hitunglah rasio daur ulang (alur 6) terhadap alur buangan (alur 7) per

100 mol produk metanol !

28. The fresh feed to an ammonia production plant (see Fig. 5) contains 24.75

mole% N2, 74.25 mole% H2 and the balance inerts (I). The feed is combined

with a recycle stream containing the same species and the combined

stream is fed to a reactor in which a 25% single pass conversion of nitrogen

is achieved. The products pass through a condenser in which allof the

ammonia is removed and the remaining gases are recycled. To prevent

buildup of the inerts, a portion of the recycle stream is separated as a

purge stream. The recycle stream contains 12.5 mole% inerts.

Fig. 5 An ammonia production plant

a. Write the balanced chemical reaction for the reaction of nitrogen and

hydrogen to form ammonia.

b. Identify the four separate process units around which one may write

material balances.

c. Label the process flow sheet with all known flows and compositions;

assign variables to all unknown values.

d. Show that the number of equations (material balances and process

specifications) equals the number of unknowns.

e. Show that the ratio of the overall conversion to the single pass

conversion is 3.72.

29. Reaksi yang terjadi dalam proses pembuatan amonia menggunakan proses

Haber mengikuti reaksi :

N2 + 3 H2 2 NH3

Reaksi tersebut dilangsungkan pada tekanan 800-100 atm dan temperatur

500-600oC menggunkan katalis yang sesuai. Akan tetapi hanya sebagian

kecil reaktan yang dapat terkonversi menjadi produk, oleh karena itu sisa

reaktan yang tidak bereaksi harus didaur ulang. Gas nitrogen yang

digunakan berasal dari udara yang mengandung 1%-m(ol) gas mulia

(argon). Argon yang terbawa ke dalam aliran proses Haber ini bersifat

inert dan jumlahnya bertambah banyak karena terbawa alur daur ulang.

Untuk mencegah akumulasi argon yang terlalu banyak, sebagian alur daur

ulang dibuang (di-purge). Diagram alir proses sederhana pembuatan

amonia menggunakan proses Haber disajikan pada Gambar 6.

Gambar 6. Proses pembuatan amonia menggunakan proses Haber

a. Buatlah tabel DOF dan tunjukkan bahwa masalah telah dipertelakan

dengan baik serta tabel perkembangan DOF dan susunlah strategi

penyelesaiannya !

b. Hitunglah variabel alur yang belum diketahui !

30. Salah satu bahan peledak yang banyak diguanakn adalah nitrogliserin yang

dibuat dengan mereaksikan gliserin murni dan asam nitrat sesuai dengan

persamaan reaksi :

C3H8O3 + 3 HNO3 + (H2SO4) C3H5O3(NO2)3 + 3 H2O +

(H2SO4)

Asam sulfat pada dasarnya tidak terlibat dalam reaksi, tetapi digunakan

untuk “menangkap” molekul air yang terbentuk. Diagram alir proses

pembuatan nitrogliserin disajikan pada Gambar 7. Agar gliserin dapat

terkonversi sempurna, maka campuran asam yang masuk ke dalam

reaktor nitrasi (alur 3) mengandung asam nitrat berlebih sebesar 20% dari

kebutuhan stoikiometri. Setelah melewati proses nitrasi, campuran

nitrogliserin dan sisa asam (HNO3, H2SO4 dan air) masuk ke unit pemisahan

(tanki pemisah). Nitrogliserin tidak larut dalams sisa asam dan memiliki

densitas yang lebih kecil sehingga mengapung ke atas permukaan tanki

pemisah dan masuk tanggul limpahan. Produk nitrogliserin tersebut

kemudian secara hati-hati dikelurakan (alur 6) dan dimurnikan lebih lanjut

di tanki pencuci. Sisa asam dikeluarkan dari bagian bawah tanki dan

masuk ke unit pemisahan asam (acid recovery) untuk meisahkan HNO3 dan

H2SO4. Campuran H2SO4 dan air (alur 8) selanjutnya dipekatkan dan dijual

untuk keperluan industri. Diketahui : Mr gliserin =92, nitrogliserin = 227,

asam nitrat = 63, asam sulfat = 98 dan air =18.

Gambar 7. Proses pembuatan nitrogliserin

Jika 460

kgh gliserin digunakan sebagai umpan reaktor nitrasi, tentukan :

a. Analisis DOF dan strategi penyelesaiannya

b. Laju alir produk nitrogliserin (alur 6)

c. Laju alir umpan segar (alur 1)

d. Aju alir larutan asam sulfat (alur 8)

e. Konsentrasi asam sulfat di alur 8

f. Lajualir daur ulang (alur 2)

31. Pembuatan alkhohol (etanol) secara industrial dilakukan lewat proses

fermentasi glukosa yang diperoleh sebagai hasil hidrolisis pati, dengan

bantuan ragi Saccharomyces cerevisiae. Reaksi yang terjadi adalah :

C6H12O6 2 C2H5OH + 2 CO2

Di samping reaksi utama ini terjadi pula reaksi samping yang

mengakibatkan terbentuknya sedikit asam asetat dan gliserin :

2 C6H12O6 + H2O C2H5OH + CH3COOH + 2 CO2 + 2 C3H8O3

Skema sederhana proses ini dapat dilihat pada Gambar 8. Umpan berupa

4000 kg larutan 24% glukosa dalam air dimasukkan ke dalam sebuah

bioreaktor yang melangsungkan proses fermentasi secara batch.

Selama proses fermentasi ini dilepaskan 390 kg gas CO2. Produk keluaran

bioreaktor yang mengandung 11% etanol selanjutnya dialirkan dalam

sebuah tanki umpan yang berfungsi sebagai tempat penampungan

sementara agasr proses selanjutnya dapat berlangsung secara kontinu.

Kemudian larutan ini didistilasi sehingga diperoleh distilat yang

mengandung 50% etanil dan produk bawah yang sama sekali tidak

mengandung etanol. Karena produk yang diinginkan adalah larutan etanol

95%, maka larutan etanol tadi dialirkan ke dalam kolom distilasi II, dimana

99,8% etanol diperoleh sebagai distilat. Sebagai produk abwah kolom ini

diperoleh air yang mengandung sedikit sekali etanol.

Gambar 8. Proses pembuatan etanol

Tentukan :

a. Komposisi lengkap produk bioreaktor (alur 3)

b. Kandungan etanol dalam air buangan (alur 8) dalam satuan ppm

32. Aliran produk dari sebuah reaktor yang menyelenggarakan reaksi

dehidrogenasi etanol menjadi asetaldehida :

C2H5OH CH3CHO + H2

selalu mengandung etilasetat yang dapat ditafsirkan terbentuk dari reaksi

berikut :

2 C2H5OH CH3COOC2H5 + 2 H2

Sebuah pabrik yang menerapkan proses ini mempergunakan umpan yang

berupa campuran azeotropik etanol-air (95% etanol). Produk etanol ini

dipisahkan menajdi tiga aliran, yakni larutan akuatik etanol, campuran 90%

asetaldehid, 8% etilasetat dan 2% etanol sebagai produk utama dan gas

hidrogen murni. Sebanyak 10% dari larutan akuatik ini akan dibuang,

sedangkan sisanya didaur ulang ke dalam reaktor. Pabrik ini menghasilkan

100

tonhari produk utama dengan perolehan asetaldehida sebesr 80%.

Diagram alir proses pembuatan asetaldehida ini disajikan pada Gambar 9.

Gambar 9. Proses pembuatan asetaldehida

a. Tunjukkan bahwa masalah telah diperrtelakan dengan baik !

b. Hitunglah semua variabel alur yang belum diketahui !