Soal Neraca Massa

(1)

Chemical Engineering Department Syiah Kuala University Banda Aceh - Indonesia

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Neraca Massa

(Review)

(2)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Bagian ini akan mendiskusikan

• Klasifikasi Proses • Neraca

• Perhitungan Neraca Massa • Neraca massa pada multi-unit • Recycle dan bypass

• Stoikiometri Reaksi Kimia

• Neraca Massa yg melibatkan reaksi kimia

(3)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Pada akhir kuliah bagian ini, diharapkan anda mampu:

• Menjelasakan proses batch, semibatch, dan kontinu serta proses steadi (mantap) dan transien (tak-mantap)

• Menganalisa, menggambarkan, dan memberi label pada bagan alir yang menggambarkan proses kimia pada unit tunggal.

• Memilih basis perhitungan yang sesuai untuk suatu proses kimia • Menurunkan persamaan neraca untuk sistem proses kimia

• Melakukan analisa derajad kebebasan untuk mengevaluasi cukup tidaknya informasi yang diberikan pada proses tanpa reaksi kimia • Menyelesaikan permasalahan neraca massa tanpa reaksi kimia

untuk sistem satu unit menurut prosedur perhitiungan neraca massa.

• Menganalisa, menggambarkan dan memberi label pada bagan alir yang menggambarkan proses kimia pada multi unit ( multi proses) • Menurunkan persamaan neraca massa untuk multi proses dan

menyelesaikan persoalan yang berhubungan dengan neraca massa pada multi unit

(4)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Klasifikasi Proses

Dikenal ada tiga jenis proses kimia:

1. Proses Batch

– Umpan dimasukkan ke proses dan produk dikeluarkan ketika proses

telah selesai.

– Tidak ada massa yang diumpankan atau dikeluarkan selama

berlangsungnya operasi

– Digunakan untuk produksi skala kecil

– Atas dasar sifatnya, maka proses batch beroperasi secara tak –steadi

(transien)

– Coba sebutkan contoh proses batch

2. Proses kontinu

– Input dan output secara kontinu diumpankan dan dikeluyarkan dari proses

– Atas dasar sifatnya, maka proses ini beroperasi secara steadi-state – Digunakan untuk produksi skala besar

– Coba sebutkan contoh proses kontinu

3. Proses Semi-Batch

– Bukan proses batch maupun proses kontinu

– Selama proses sebagian reaktan dapat dimasukkan dan sebagian

(5)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Kelebihan proses batch

• Mudah dikembangkan dari skala laboratorium • Fleksibel

– Memungkinkan menggunakan pabrik yang sama untuk menghasilkan berbagai produk

– Mampu menyesuaikan produksi sesuai dengan permintaan

• Biaya operasional yang efektif untuk skala kecil

• Dapat menggunakan peralatan serba-guna standar

• Integritas produk yang tinggi – setiap batch dapat diketahui secara jelas

(6)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

• Biasanya melibatkan reaksi yang kompleks • Sulit menjaga kondisi optimum

• Terjadi kehilangan pada saat start-up dan shut-down

• Penggunaan material yang berlebihan karena tidak dirancang untuk daur ulang (recycle)

• Memerlukan pembersiahan setiap selesai satu batch • Menyebabkan tidak efisien terhadap sistem utilitas

disebabkan oleh berbagai kondisi

(7)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Kelebihan proses kontinu

• Biasanya melibatkan reaksi kimia sederhana

• Mudah mengendalikan dan menjaga pada kondisi optimum

• Memberikan produksi yang lebih besar dibandingkan dengan proses batch

• Mudah melakukan daur-ulang atau recycle

• Biaya operasional lebih murah untuk skala besar • Operasionalnya lebih aman

(8)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Kekurangan proses kontinu

• Tidak fleksibel untuk menyesuaikan dengan permintaan • Tidak mungkin menggunakan peralatan yang sama untuk

menghasilkan berbagai produk

• Sulit melakukan pembersihan dan sterilisasi alat secara reguler.

(9)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Cara pengoperasian suatu proses

• Steadi state

– Seluruh variabel proses (misalnya; temperatur,

tekanan, volume, laju alir dll) tidak berubah terhadap waktu

– Fluktuasi kecil masih dapat diterima

• Tak-steadi atau transien

– Variabel proses berubah terhadap waktu, terutama, laju alir.

(10)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Neraca

Kalau laju alir massa metana pada suatu proses kontinu seperti di atas tidak seimbang atau balance, maka kemungkinan:

i) Metana terkonsumsi sebagai reaktan atau terbangkitakan sebagai produk di dalam unit

ii) Metana terakumulasi di dalam unit, karena kemungkinan teradsorbsi pada permukaan dinding

iii) Terjadi kebocoran pada unit iv) Pengukuran yang salah

(11)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Neraca Umum

Neraca suatu kuantitas kekal (seperti massa total, massa

spesies tertentu, energi, momentum) pada suatu sistem ( unit proses tunggal, sekumpulan unit proses atauy keseluruhan proses) dapat ditulis:

INPUT +PEMBANGKITAN – OUTPUT – KONSUMSI= AKUMULASI

(12)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

• Dua jenis neraca dapat ditulis:

Neraca differensial

– Neraca yang menunjukkan apa yang terjadi di dalam sistem untuk waktu sesaat.

– Persamaan neraca merupakan suatu laju (laju pemasukan, laju pembangkitan, dll) dan mempunyai satuan kuantitas yang dineracakan dibagi satuan waktu (penduduk/tahun, g SO2/detik). – Biasanya dipakai untuk proses kontinu

Neraca Integral

– Neraca yang menggambarkan apa yang terjadi antara dua kejadian pada waktu yang berbeda

– Persamaan neraca merupakan jumlah kuantitas yang dineracakan dan mempunyai satuan kuantitas yang dimaksud ( penduduk, gr SO2)

– Biasanya diterapkan untuk proses BATCH, dengan dua kejadian antara selang waktu yaitu setelah umpan dimasukkan dan sesaat sebelum produk dikeluarkan.

(13)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Penyederhanaan Persamaan Neraca Massa

• Jika kuantitas yang dineracakan adalah MASSA TOTAL, tetapkan pembangkitan = 0 dan konsumsi = 0. Ingat massa tidak dapat diciptakan dan juga tidak dapat dimusnahkan

• Jika sistem pemrosesnya tidak melibatkan reaksi kimia, tetapkan pembangkitan = 0 dan konsumsi = 0.

• Jika sistemnya berada dalam keadaan steadi, tetapkan

(14)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Neraca untuk proses kontinu dan steadi

• Steadi state: akumulasi = 0

INPUT + PEMBANGKITAN – OUTPUT – KONSUMSI= 0

• Jika neraca terhadap spesies tak bereaksi atau massa total:

INPUT = OUTPUT

(15)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Sebanyak 1000 kg/jam suatu campuran benzen (B) dan toluen (T) dengan kandungan benzen 50% massa dipisahkan secara distilasi menjadi dua fraksi. Laju alir massa benzen di dalam aliran puncak 450 kg B/jam dan laju alir massa toluen di produk bawah 475 kg T/jam. Operasi berjalan secara steadi state. Tulislah neraca benzen dan toluen untuk menghitung laju alir komponen yang belum diketahui pada aliran keluar.

(16)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Karena prosesnya berlangsung steadi, maka tidak akan ada massa yang akan muncul/bertambah di dalam sistem, sehingga suku akumulasi = 0 untuk seluruh bahan yang dineracakan. Selain itu, karena tidak ada reaksi kimia, maka tidak mungkin ada pembangkitan dan kosumsi. Sehingga persamaan neraca massa menjadi; input = output

Neraca Benzen 500 kg B/jam = 400 kg B/jam + = 50 kg B/jam

Neraca Toluen 500 kg T/jam = + 475 kg T/jam = 25 kg T/jam

Periksa hasil perhitungan: 1000 kg/jam = 450 + + + 475

1000 kg/jam = 450 + 50 + 25 + 475 kg/jam 1000 kg/jam = 1000 kg/jam 2 m 2 m 1 m 1 m 1 m m₂

(17)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Bagan Alir (Flowchart)

• Ketika anda diberikan informasi mengenai proses dan diminta untuk menentukan sesuatu, maka informasi itu harus disusun sedemikian rupa sehingga dapat dengan

dengan mudah dimanfaatkan untuk melakukan

perhitungan.

• Cara yang paling baik adalah menggambarkannya pada sebuah bagan alir (flowchart)

– Gunakan kotak atau simbol lain untuk menggambarkan unit proses (reaktor, pencampur, alat pemisah, dll)

– Buat garis dengan tanda panah untuk menunjukkan masukan dan keluaran

(18)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

• Berikan label sejak mulai digambarkan, dengan nilai-nilai variabel proses yang diketahui dan simbol untuk yang belum diketahui baik pada input maupun output.

• Bagan alir berfungsi sebagai papan skor untuk menyelesaikan persoalan. Begitu satu variable yang tak diketahui telah ditentukan, masukkan angkanya ke bagan alir. Sehingga bagan alir akan merekam terus menerus hasil yang diperoleh dan apa yang masih harus dikerjakan.

(19)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Pelabelan Bagan Alir

• Tulis nilai-nilai dan satuan seluruh variabel aliran yang diketahui di lokasi aliran pada bagan alir.

• Contohnya, aliran yang mengandung 21% mol O2 dan 79% N2 pada 320˚C dan 1.4 atm mengalir dengan laju 400 mol/jam dapat dilabel sebagai berikut:

400 mol/jam 0.21 mol O₂/mol 0.79 mol N₂/mol

(20)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Pelabelan Bagan Alir

• Untuk aliran proses dapat dilakukan dengan dua cara:

– Sebagai jumlah total atau atau laju alir aliran dan fraksi dari masing-masing komponen

– Atau langsung jumlah atau laju alir masing-masing komponen

60 kmol N₂/min 40 kmol O₂/min 0.6 kmol N₂/kmol 0.4 kmol O₂/kmol 100 kmol/min 3.0 lbm CH₄ 4.0 lbm C₂H₄ 3.0 lbm C₂H₆ 0.3 lbm CH₄/lbm 0.4 lbm C₂H₄/lbm 0.3 lbm C₂H₆/lbm 10 lbm

(21)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

• Berikan/tuliskan dengan simbol untuk menyatakan variabel aliran yang belum diketahui [ misalnya m (kg larutan/menit),

x (lbm N₂/lbm), dan n (kmol C₃H₈)] dan tuliskan variabel ini

beserta dengan satuannya pada bagan alir

n mol/jam 0.21 mol O₂/mol 0.79 mol N₂/mol T = 320˚C, P = 1.4 atm 400 mol/jam y mol O₂/mol

(1-y) mol N₂/mol

T = 320˚C, P = 1.4 atm

Pelabelan Bagan Alir

(22)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

• Jika massa aliran 1 setengah dari massa aliran 2, maka beri label masing-masing aliran ini dengan m dan 2m, tidak m₁ dan m₂.

• Jkika diketahui fraksi massa nitrogen 3 kali daripada massa oksigen, maka beri label fraksi massa masing-masing

sebagai y g O₂/g dan 3y g N₂/g, bukan y₁ dan y₂.

• Ketika memberi label komponen dengan fraksi massa atau fraksi mol, maka yang terakhir haruslah 1 – jumlah yang lainnya.

• Jika informasi aliran diberikan dalam laju alir volumetris, umumnya akan bermanfaat kalau dilabelkan dalam bentuk laju alir massa atau molar atau dihitung secara langsung, karena neraca massa tidak ditulis dalam kualitas volumetris.

Mari pelajari Contoh 4.3-1 pada halaman 92

(23)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Sebuah eksperimen mengenai laju pertumbuhan organisme tertentu memerlukan suatu lingkungan yang lembab dan kaya oksigen. Tiga aliran masuk diumpankan ke dalam sebuah kamar penguapan untuk menghasilkan aliran output dengan komposisi yang diinginkan.

A: Air (cair) diumpankan dengan laju 20 cm3_/menit

B: Udara (21% mol O₂, dan N₂ mengikuti standar)

C: Oksigen murni, dengan laju alir molar 1/5 dari laju alir molar aliran B Gas output dianalisa dan diperoleh 1,5 % mol air. Gambarkan dan beri label bagan alir proses dan hitunglah seluruh variabel aliran yang tak diketahui

(24)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Catatan mengenai pelabelan:

1. Karena laju alir yang diketahui (20 cm3_H

2O/menit) diberikan

atas dasar per menit, maka akan lebih baik seluruh laju alir dibuat dalam basis ini

2. Jika nama variabel (ǹ₁) dipilih untuk laju alir udatra, informasi yang diberikan mengenai rasio laju alir udara dan O₂ dapat digunakan untuk melabelkan laju alir O₂ 0,200 ǹ₁

3. Fraksi mol komponen setiap aliran harus ditambahkan sehingga berjumlah 1. Karena fraksi mol H₂O pada keluaran diketahui 0,015, jika fraksi mol O₂ dilabelkan dengan y, maka fraksi mol N₂ harus 1-

(25)

Pengenalan Teknik Kimia

Jurusan Teknik Kimia

– Fakultas Teknik

Universitas Syiah Kuala

Kuantitas ǹ₂ dapat dihitung dari laju alir volumetris dan densitas air

Masih ada tiga variabel yang belum diketahui yaitu ǹ₁, ǹ₃ dan y, yang kesemuanya dapat dihitung dengan neraca, atas dasar input = output karena proses tidak melibatkan reaksi kimia.