Penentuan kapasitas peralatan pabrik serta kebutuhan energi suatu pabrik, diperlukan perhitungan terhadap neraca massa dan neraca energi yang masuk dan keluar dari suatu peralatan. Kedua neraca ini sangat diperlukan dalam penentuan spesifikasi setiap peralatan proses. Jumlah panas yang dibutuhkan sesuai dengan jumlah massa yang diproses. Demikian juga ukuran peralatan ditentukan oleh jumlah massa yang harus ditangani.
5.1 Neraca Massa
Neraca massa merupakan penerapan dari pada prinsip kekekalan massa pada satuan proses. Hukum kekekalan massa menyatakan bahwa ”massa tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dirubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain”. Perubahan dapat terjadi bila terjadi perubahan energi, tetapi dalam reaksi kimia perubahan massa kecil sekali sehingga prinsip kekekalan massa dapat diberlakukan. Hukum kekekalan massa tidak berlaku pada reaksi-reaksi fusi dan fisi dimana perubahan massa jauh lebih besar dari pada reaksi-reaksi kimia biasa.
5.1.1 Persamaan Neraca Massa
Dalam penentuan neraca massa dari suatu sistem atau peralatan diperlukan adanya batasan-batasan dari sistem yang ditinjau. Perhitungan neraca massa pada sistem kontinyu dianggap dalam keadaan tunak (steady state). Aliran proses yang mempunyai lebih dari satu komponen, perhitungan neraca masanya dilakukan pada masing-masing komponen disamping perhitungan neraca massa total. Persamaan umum untuk setiap sistem proses yang terjadi dapat ditulis :
Untuk proses steady state dan tidak terjadi reaksi kimia maka akumulasi, generasi dan konsumsi adalah nol. Sehingga persamaan neraca massanya dapat dituliskan :
Massa keluar = Massa masuk (5.2)
5.1.2 Langkah-langkah Pembuatan Neraca Massa
Menurut Himmeblau (2004) langkah-langkah yang ditempuh dalam pembuatan neraca massa adalah sebagai berikut :
1. Menggambarkan diagram proses dengan aliran-aliran yang diperlukan;
2. Menuliskan besaran, data yang diketahui, dan data yang diperlukan pada diagram tersebut;
3. Memeriksa apakah ada komposisi atau massa pada setiap aliran yang langsung dapat diketahui atau dihitung;
4. Menetapkan dasar perhitungan, semua perhitungan bahan atau komponen harus didasarkan pada dasar yang sama;
5. Jumlah besaran yang diketahui harus dihitung tidak boleh melebihi jumlah persamaan neraca bahan independen yang ada;
6. Jika jumlah persamaan neraca massa bahan yang diketahui melebihi, perlu dipilih persamaan-persamaan yang digunakan untuk menyelesaikan persoalan;
7. Membuat persamaan sesuai dengan jumlah yang tidak diketahui; 8. Menyelesaikan persamaan untuk mendapatkan yang belum diketahui.
Disamping itu juga dikenal cara perhitungan neraca massa menurut Reklaitis (1983), yaitu dengan langkah-langkah sebagai berikut :
1. Menggambarkan diagram proses dengan aliran-aliran yang diperlukan;
2. Menuliskan besaran, data yang diketahui, dan data yang diperlukan dalam diagram tersebut;
3. Menentukan derajat kebebasan atau degree of freedom dari masing-masing proses dan proses secara keseluruhan;
5. Menyelesaikan persamaan yang dimulai dari proses yang derajat kebebasannya sama dengan 0 (nol);
6. Selanjutnya disusun tabel derajat kebebasan yang baru untuk menyelesaikan persamaan yang derajat kebebasannya sama dengan nol, begitu seterusnya sehingga semua persamaan dapat diselesaikan.
5.2 Neraca Energi
Neraca energi merupakan persamaan matematika yang menyatakan hubungan antara energi masuk dan energi keluar sistem. Prinsip dasar yang digunakan sesuai dengan prinsip dasar kekekalan energi, yaitu ”energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Konsep neraca energi menurut Himmeblau (1982) pada dasarnya sama dengan konsep neraca massa, yaitu :
E = E1 – E0 (5.3) Keterangan :
E = akumulasi energi E1 = energi masuk E0= energi keluar
Persamaan energi pada proses-proses industri biasanya dapat
disederhanakan untuk proses-proses tanpa akumulasi (steady state), sehingga Persamaan 5.3 diatas menjadi lebih sederhana, yaitu :
E1=E0 (5.4)
Istilah-istilah yang sering dijumpai pada perhitungan neraca energi adalah : 1. Entalpi (H), merupakan jumlah energi dalam dan perkalian antara tekanan dan
volume, perubahan entalpi merupakan panas yang diserap atau panas yang dikeluarkan oleh dan dari sistem;
2. Kapasitas panas (Cp), merupakan energi yang dibutuhkan oleh suatu zat untuk menaikkan suhu 1oC, energi ini dapat diberikan dengan cara pemindahan panas dalam suatu proses tertentu;
3. Panas reaksi dan panas standar, merupakan perubahan entalpi sebelum dan sesudah reaksi terjadi, panas reaksi terjadi pada tekanan 1 atm dan temperatur 25oC;
4. Panas pembentukan standar, merupakan panas reaksi yang khusus, panas yang diperlukan untuk pembentukan senyawa dari unsurnya;
5. Panas sensibel, merupakan panas yang dibutuhkan untuk menaikkan atau menurunkan temperatur suatu zat tanpa merubah fasanya;
6. Panas laten, merupakan panas yang dibutuhkan untuk merubah fasa suatu zat tanpa menaikkan atau menurunkan temperaturnya.
Untuk hasil perhitungan neraca massa dan energi pada tiap alat dapat dilihat pada Tabel 5.1 sampai Tabel 5.12, sedangkan contoh perhitungan neraca massa dan energi untuk masing-masing peralatan disajikan pada Lampiran A dan Lampiran B.
5.3 Hasil Perhitungan Neraca Massa
Perhitungan neraca massa pada perencanaan pabrik sabun padat transaparan dari Refined Bleached Deodorized Palm Stearin (RBDPS) seperti dibawah ini:
Basis Perhitungan : 1 Jam
Satuan : kilogram (kg)
Waktu Operasi : 330 hari
Jam Operasi : 24 Jam/Hari
Kapasitas Produksi : 55.000 ton/Tahun
5.3.1 Oil Purifier (OP-101)
Fungsi : untuk memisahkan RBDPS dari impuritis menjadi RBDPS Murni. Fraksi impuritis yang keluar yaitu 0,15% dan sisanya merupakan RBDP-Stearin Murni (Andi, 2009)
Impuritis F2
Gambar5.1 Blok Diagram Oil Purifier (OP – 101)
Tabel 5.1 Neraca Massa pada Oil Purifier (OP-101)
Masuk Jumlah Keluar Jumlah
Aliran Komponen Kg/Jam Aliran Komponen Kg/Jam
1 RBDPS 3.366,4884 2 Impuritis 5,0573
Impuritis 5,0573 3 RBDPS murni 3.366,4884
Total 3.371,5457 Total 3.371,5457
5.3.2Tangki NaOH (T-102)
Fungsi : untuk melarutkan NaOH dan Air
Gambar5.2 Blok Diagram Tangki NaOH (T-102)
OP - 101 RBDPS F1 F3 RBDPS Murni F2impuritis T-102 NaOH Air F5 F4 NaoH
Tabel 5.2 Neraca Massa pada Tangki pelarutan NaOH (T-102)
Masuk Jumlah Keluar Jumlah
Aliran Komponen Kg/Jam Aliran Komponen Kg/Jam
4 NaOH 453,1448 6 NaOH 453,1448
5 Air 841,5547 Air 841,5547
Total 1.294,6995 Total 1.294,6995
5.3.3 Reaktor Saponifikasi (R-101)
Fungsi : untuk mereaksikan RBDPS dengan NaOH menjadi sabun sebagai produk utama dan gliserin sebagai produk samping. Konversi reaksi yaitu 99,5% (Bailey’s, 2004).
Gambar5.3 Blok Diagram ReaktorSaponifikasi (R101) Tabel 5.3 Neraca Massa pada Reaktor Saponifikasi (R-101)
Masuk Jumlah Keluar Jumlah
Aliran Komponen Kg/Jam Aliran Komponen Kg/Jam
3 RBDPS murni 3.366,4884 7 Sabun 3.472,2222 6 NaOH 453,1448 Gliserol 347,4110 Air 841,5547 Air 841,5547 8 RBDPS murni 16,9170