NERACA MASSA
A. Pendahuluan
Desain suatu proses dimulai dengan pengembangan dari diagram alir proses. Untuk pengembangan diagram alir proses, perhitungan neraca massa sangat dibutuhkan. Neraca massa ini mengikuti hukum kekekalan massa atau the law of conservation of
mass, bahwa massa sebenarnya tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan begitu saja,.
Artinya total massa tidak akan berubah selama proses.
Dari hukum kekekalan massa dapat dituliskan persamaan neraca massa suatu proses:
= + (1)
+ atau:
Input = Output + Accumulation (2) Jika akumulasi nol, misalnya untuk proses yang steady state, persamaan neraca massa menjadi:
Input = Output (3)
Neraca yang biasa dipakai adalah:
• Neraca massa total
• Neraca komponen
• Neraca atom
B. Metode Analisis Neraca Massa
Strategi analisis neraca massa yaitu, pertama, bagaimana persamaannya, dan kedua, bagaimana cara menyelesaikannya. Untuk beberapa tipe problem metode pendekatan relatif lebih mudah, tetapi untuk problem yang lainnya mungkin menjadi lebih sulit. Pada dasarnya untuk menyelesaikan problem destilasi, kristalisasi, evaporasi, pembakaran, pencampuran, absorpsi gas, atau pengeringan tidak berbeda satu sama lainnya, tetapi harus dilihat sudut pandang bagaimana proses penyelesaian problem tersebut.
Massa masuk
Pada analisis neraca massa pertama-tama kita harus menentukan berapa banyak persamaan neraca massa yang bisa ditulis, apakah melibatkan reaksi kimia atau tidak, dan buat batasan sistem neraca massa tersebut. Jumlah persamaan tak bebas dengan jumlah variabel yang tidak diketahui harus sama.
W=?
F =100 kg P = 60 kg
Batasan sistem
Gambar 1 Skema proses destilasi etanol, komposisi tidak lengkap
Sumber: Himmelblau 1992, hal.118
Dari ilustrasi pada gambar 1 bisa dibuat persamaan neraca massa dari ketiga komponen yang terlibat dalam batasan sistem. Dengan asumsi prosesnya steady state, maka persamaan (3) kita gunakan. Misal digunakan ϖ sebagai simbol fraksi massa komponen dalam aliran F, W, dan P, maka setiap persamaan mempunyai bentuk:
ϖI,F F = ϖI,P P + ϖI,W W Neraca massa komponen:
masuk keluar
EtOH: (0,50)(100) = (0,80)(60) + ϖEtOH,W(W) (4a) H2O: (0,40)(100) = (0,05)(60) + ϖH2O,W(W) (4b) MeOH: (0,10)(100) = (0,15)(60) + ϖMeOH,W(W) (4c) Komposisi: EtOH ? H2O ? MeOH ? Komposisi: 50% EtOH 40% H 2O 10% MeOH Komposisi: 80% EtOH 5% H 2O 15% MeOH
Neraca massa total:
masuk keluar
Total: (1,00)(100) = (1,00)(60) + ϖEtOH,W(W) + ϖH2O,W(W) + ϖMeOH,W(W) (4d) Jumlah fraksi untuk setiap aliran sama dengan satu:
ϖEtOH,W + ϖH2O,W + ϖMeOH,W = 1 (5)
Ada empat persamaan tak bebas yaitu persamaan (4a), (4b), (4c), dan (5). Variabel yang tidak diketahui ada empat yaitu W, ϖEtOH,W , ϖH2O,W, dan ϖMeOH,W.
Problem ini secara spesifikasi bisa diselesaikan karena jumlah persamaan tak bebas sama dengan jumlah variabel yang tidak diketahui. Caranya substitusi persamaan (5) ke persamaan (4d), maka W bisa dihitung. Selanjutnya masukkan nilai W ke dalam persamaan (4a), (4b), dan (4c), maka akan diperoleh nilai ϖEtOH,W , ϖH2O,W, dan ϖMeOH,W
Ilustrasi pada gambar 2, ada berapa persamaan neraca massa komponen dapat dibuat? Jawabannya adalah tiga, yaitu:
50 = 0,80P + 0,05W 40 = 0,05P + 0,925W 10 = 0,15P + 0,025W
Jumlah variabel yang tidak diketahui dua yaitu P dan W. Jelas problem ini overspecified dan tidak mempunyai keunikan, sehingga perlu dikurangi satu persamaan.
W = ?
F = 100 kg P = ?
Batasan sistem
Gambar 2 Skema proses destilasi etanol, komposisi lengkap
Sumber: Himmelblau 1992, hal.119 Komposisi: 50% EtOH 40% H2O 10% MeOH Komposisi: 80% EtOH 5% H2O 15% MeOH Komposisi: 5.0% EtOH 92,5% H2O 2,50% MeOH
F=16lb P=? CH4=100%
Batasan sistem
Udara = 300lb
Gambar 3. Skema proses pembakaran metana
Sumber: Himmelblau 1992, hal.120
Dari gambar 7.3 terlihat jumlah variabel yang tidak diketahui nilainya ada empat yaitu nCO2, nN2, nH2O, dan nO2, dengan n jumlah mol setiap komponen di P, sehingga:
P = nCO2 + nN2 + nH2O + nO2 (6a)
Neraca komponen dengan basis 16 lb CH4 = 1 lb mol : 300 lb udara 1 lb mol udara
= 10,35 lb mol udara 29 lb udara
Neraca CH4 masuk udara masuk P keluar
C: 1 = nCO2 (6b)
H2 2 = nH2O (6c)
O2 10,35(0,21) = 2,17 = 0,5 nCO2 + nH2O + nO2 (6d)
N2 10,35(0,79) = 8,17 = nN2 (6e)
Persamaan reaksi kimia:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Dengan mengasumsi reaksi pembakaran sempurna, maka nCO2 = 1 dan nH2O = 2, persamaan neraca komponen menjadi:
C: 1(1,0) = P(xCO2) (7a)
H2: 1(2,0) = P(xH2O) (7b)
O2: 2,17 = P(0,5xCO2 + xH2O + xO2) (7c)
N2 8,17 = P(xN2) (7d)
xCO2 + xH2O + xO2 + xN2 = 1 (7e)
%mol O2 21% (64lb) N2 79% (210lb) CO2 = ? N2 = ? H2O = ? O 2 = ?
Untuk menyelesaikan problem ini, anda bandingkan antara persamaan (6a) dan (7e) dan apakah bila persamaan (7e) dikalikan dengan P menjadikan PxI =nI? Silahkan dicoba!.
C. Neraca Massa tanpa Reaksi Kimia
Ada tiga cara yang umum digunakan dalam penyelesaian problem neraca massa tanpa reaksi kimia.
(i) Tie material, yaitu material yang selama proses tidak berubah jumlahnya. Contoh:
dalam proses pemekatan larutan dengan evaporasi, padatan terlarut jumlahnya tidak berubah selama proses.
(ii) Inert, yaitu komponen atau bahan yang tidak ikut ambil bagian dalam operasi.
Contoh: proses leaching Cu dari bijih logam tidak dipengaruhi oleh zat pengotor, zat pengotor ini sebagai zat inert. Dalam proses pembakaran N2 merupakan inert. (iii) Persamaan simultan. Biasanya ada dua atau lebih komponen yang ada dalam
sistem dan jika semua komponen berpengaruh secara simultan maka persamaan neraca massa dapat diselesaikan dengan persamaan simultan.
Contoh 1: Drying
Pulp basah dengan kandungan air 71%, setelah dilakukan proses pengeringan dengan
dryer diperoleh 60% air yang ada diuapkan. Hitunglah:
(a) komposisi pulp kering
(b) massa air yang diuapkan per kilogram pulp basah
Penyelesaian:
Asumsi proses steady state
W (H2O 100%)
pulp basah: F D pulp kering:
- pulp = 29% - pulp = ? xP,D
- H2O = 71% - H2O = ? xH2O,P
batasan sistem Basis: 1 kg pulp basah
H2O yang teruapkan = W = (0,6)(0,71) kg = 0,426 kg Perlu diingat bahwa: xP,D + xH2O,P = 1
mp,D + mH2O,D = D
Neraca massa komponen dan neraca massa total
Neraca F W D
Pulp 0,29 = 0 + mp,D
H2O 0,71 = 0,426 + mH2O,D
Total 1 = 0,426 + D
Dengan neraca komponen H2O, mH2O dapat dihitung, 0,71 = 0,426 + mH2O
mH2O = 0,71 – 0,426 = 0,284 kg a) Komposisi pulp kering:
komponen Berat, kg Komposisi, %
Pulp H2O 0,29 0,284 50,5 49,5 total 0,574 100,0
b) Massa air yang diuapkan per kg pulp basah = 0,426 kg
Contoh 2: Mixing
Suatu tangki berisi asam baterai (air aki) lemah mengandung 12,43% H2SO4. Jika 200 kg larutan 77,77% H2SO4 ditambahkan ke dalam tangki tersebut akan dihasilkan larutan 18,63% H2SO4. Berapa kg asam baterai yang dihasilkan?
Penyelesaian:
Asam yang ditambahkan 200 kg (A)
Larutan awal (F) larutan akhir (P)
Basis: 200 kg A H 2SO4 77,77% H2O 22,3% H 2SO4 12,43% H2O 87,57% H 2SO4 18,63% H2O 81,37%
Neraca massa komponen dan neraca massa total dalam kg:
Neraca Akumulasi dalam tangki A
Akhir Awal
H2SO4 P(0,1863) - F(0,1243) = 200(0,7777)
H2O P(0,8137) - F(0,8757) = 200(0,2223)
Total P - F = 200
Dari persamaan neraca massa total diperoleh F = P – 200
Persamaan F ini disubstitusi ke persamaan neraca komponen, maka P bisa dihitung.
P(0,1863) – (P-200)(0,1243) = 200(0,7777)
P = 2107,74 kg F = 1907,74 kg
Contoh 3: Kristalisasi
Suatu tangki berisi 10.000 kg larutanjenuh NaHCO3 pada 60oC. Jika diinginkan 500 kg kristal NaHCO3 dari larutan tersebut, pada suhu berapa larutan harus didinginkan?
Data kelarutan:
Suhu (oC) Kelarutan (g NaHCO
3/100 g H2O) 60 16,4 50 14,45 40 12,7 30 11,1 20 9,6 10 8,15 Penyelesaian:
Larutan jenuh pada 60oC Larutan jenuh pada T?
F P NaHCO 3 H2O NaHCO 3 H2O NaHCO3 500 kg kristal (100% NaHCO3)
Komposisi larutan jenuh NaHCO3 pada suhu 60oC: 16,4
NaHCO3 = = 0,141
16,4 + 100
H2O = 1 - 0,141 = 0,859
Basis: 10.000 kg larutan jenuh NaHCO3 pada suhu 60oC
Neraca massa komponen dan neraca massa total dalam kg: Akumulasi dalam tangki
Neraca Akhir (P) Awal (F) C
NaHCO3 xNaHCO3P - (0,141)(10.000) = 500
H2O xH2OP - (0,859)(10.000) = 0
Total P - 10.000 = 500
Dari persamaan neraca total diperoleh P = 9500 kg
Substitusi nilai P ke dalam persamaan neraca komponen NaHCO3 akan diperoleh nilai xNaHCO3 = 0,096
Misal NaHCO3 dalam P = y gram, maka:
Dengan cara interpolasi data kelarutan antara suhu 20 dan 30oC akan diperoleh T
D. Neraca Massa dengan Reaksi Kimia
Dalam reaktor-reaktor industri hampir tidak pernah menggunakan bahan yang stoikhiometris. Untuk mencapai reaksi yang sesuai dengan yang diinginkan biasanya menggunakan bahan atau pereaksi berlebih.
(
)
g y g y g y 6 , 10 100 096 , 0 = + = ( C) ( ) C T − + = ° − − = ° 20 30 30 26,7 1 , 11 6 , 9 1 , 11 6 , 10a. Pereaksi terbatas:
Pereaksi terbatas adalah pereaksi yang jumlahnya paling sedikit menurut stoikhiometri.
Contoh: reaksi antara 1 mol C7H16 dengan 12 mol O2 Reaksi yang terjadi:
C7H16 + 11 mol O2 → 7 CO2 + 8 H2O
Perbandingan
dalam umpan dalam persamaan kimia
O2 = C7H16 12 = 12 > 1 11 = 11 1
C2H16 merupakan perekasi terbatas Contoh lain: 1,1 mol A, 3,2 mol B, dan 2,4 mol C direaksikan dalm suatu reaktor A + 3 B + 2 C → produk Perbandingan dalam umpan dalam persamaan kimia B = A C = A 3,2 = 2,91 < 1,1 2,4 = 2,18 > 1, 3 = 3 1 2 = 2 1
B merupakan pereaksi terbatas relatif terhadap A dan A merupakan pereaksi terbatas relatif terhadap C, sehingga B adalah pereaksi terbatas pada reaksi tersebut.
Jika ditulis dengan simbol: B < A, A < C, sehingga B < A < C.
b. Pereaksi berlebih:
Pereaksi berlebih adalah pereaksi yang jumlahnya lebih dari pereaksi terbatas menurut stoikhiometri.
kelebihan mol
mol yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan pereaksi terbatas c. Konversi reaksi:
Konversi reaksi adalah fraksi umpan atau komponen dalam umpan yang terkonversi menjadi produk.
mol komponen yang bereaksi
% konversi = x 100 mol komponen yang tersedia
Penyelesaian neraca massa yang melibatkan reaksi kimia menggunakan penyelesaian persamaan simultan.
Problem yang melibatkan reaksi pembakaran, ada beberapa istilah yang umum:
a. Gas hasil pembakaran (flue gas atau stack gas) yaitu semua gas hasil dari pembakaran termasuk uap air, dikenal dengan “basis basah” atau wet basis.
b. Analisis orsat yang dikenal dengan “basis kering” atau dry basis yaitu semua gas hasil dari pembakaran tidak termasuk uap air.
CO2 CO O2 N2 SO2 H2O
c. Udara teoritis (oksigen teoritis) yaitu jumlah udara (oksigen) yang dibutuhkan untuk reaksi pembakaran sempurna.
d. Kelebihan udara (oksigen) yaitu kelebihan jumlah udara (oksigen) dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna.
Perhitungan jumlah kelebihan udara tidak tergantung pada berapa banyak bahan yang terbakar tetapi apa yang dibakar, misalnya C dibakar sempurna akan menjadi CO2, tetapi jika reaksi pembakarannya tidak sempurna akan menjadi CO2 dan CO.
Basis basah Basis kering bebas SO2 Basis kering
Kelebihan udara (oksigen) bisa dihitung dengan rumus:
kelebihan udara kelebihaan O2 /0,21
% kelebihan udara = x 100 = x 100
kebutuhan udara kebutuhan O2 /0,21
Atau
O2 masuk proses – kebutuhan O2
% kelebihan udara = x 100
kebutuhan O2
kelebihan O2
% kelebihan udara = x 100 O2 masuk - kebutuhan O2
O2 masuk proses = kebutuhan O2 untuk pembakaran sempurna + kelebihan O2
Contoh 4: Kelebihaan udara
Propana (C3H8) sebanyak 20 lb dibakar dengan 400 lb udara untuk menghasilkan 44 lb CO2 dan 12 lb CO. Berapa % kelebihan udara?
Penyelesaian: Reaksi: C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O Basis: 20 lb C3H8 Kebutuhan O2: 20 lb C3H8 1 lb mol C3H8 5 lb mol O2 = 2,27 lb mol O2 44 lb C3H8 1 lb mol C3H8 O2 masuk:
400 lb udara 1 lb mol udara 21 lb mol O2
= 2,90 lb mol O2 29 lb udara 100 lb mol udara
Persen kelebihan udara:
O2 masuk proses – kebutuhan O2
% kelebihan udara = x 100 kebutuhan O2
2,90 lb mol O2 – 2,27 lb mol O2
= x 100 = 28% 2,27 lb mol O2
Contoh 5:
Proses pembakaran gas alam (100% CH4) dalam furnace menggunakan udara berlebih 130%. Bagaimana komposisi gas hasil pembakaran pada basis basah dan basis kering?
Penyelesaian:
Udara berlebih 130%, berarti udara yang digunakan lebih 130% dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna atau udara yang digunakan 230%.
Reaksi yang terjadi:
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
Gas hasil pembakaran:
CH4 CO2 100% H2O O2 N2 Udara (21%O2, 79%N2) 130% berlebih Basis: 1 mol CH4
Asumsi: reaksi pembakaran berjalan sempurna. Kebutuhan O2:
2 x 1mol = 2 mol O2 dari udara = O2 masuk:
(1,00 + 1,30) x 2 mol = 4,6 mol
Neraca elemen disusun sebagai berikut:
Neraca Input Output
CH4 Udara Gas hasil pembakaran
C: H2: 1 2 nCO2 nCO2 furnace
O2: N2: 4,60 17,32 nO + nCO2+ nH2O nN2 nCO2, nH2O, dan nN2 dapat dihitung secara langsung, nO dihitung dengan neraca O2.
1mol C in 1 mol CO2 out
Neraca C: = 1 mol CO2 out
1 mol CH4 in 1 mol C out 2 mol H2 in 1 mol H2O out
Neraca H2: = 1 mol H2O out
1 mol CH4 in 2 mol H2 out 4,6 mol O2 in 0,79 mol N2
Neraca N2: = 17,32 mol N2 out
0,21 mol O2
Neraca O2: nO2 = 4,6 – 1 – 1 = 2,6 mol O2 out.
Komposisi gas hasil pembakaran basis basah:
Komponen mol % CO2 H2O O2 N2 total 1 2 2,6 17,32 22,92 4,4 8,7 11,3 75,6 100,0 Komposisi gas hasil pembakaran basis kering:
Komponen mol % CO2 O2 N2 total 1 2,6 17,32 20,92 4,8 12,4 82,8 100,0 Contoh 6:
Etana awalnya dicampur dengan oksigen untuk menghasilkan gas dengan komposisi 80% C2H6 dan 20% O2 yang akan dibakar dalam mesin pembakaran dengan udara berlebih 200%. Delapan puluh persen etana menjadi CO2, 10% CO, dan 10% tidak terbakar. Hitunglah komposisi gas hasil pembakaran pada basis basah!.
Penyelesaian:
Basis: 100 lb mol bahan bakar gas Reaksi:
C2H6 + 7/2O2 → 2CO2 + 3H2O C + 5/2 O2 → 2CO + 3H2O O2 untuk pembakaran sempurna:
80 lb mol C2H6 3,5 lb mol O2
= 280 lb mol O2 1 lb mol C2H6
Kebutuhan O2:
(280 – 20) lb mol = 260 lb mol O2 masuk dalam udara:
3(260 lb mol) = 780 lb mol O2 total masuk proses:
(780 + 20) lb mol = 800 lb mol
N2 masuk dalam udara:
780 lb mol O2 79 lb mol N2
= 2934 lb mol N2 21 lb mol O2
Komponen yang dihasilkan dalaam sistem: 80 lb mol C2H6 2 lb mol CO2 0,8
= 128 lb mol CO2 1 lb mol C2H6
Mesin Pembakaran Bahan bakar gas:
80% C2H6 20% O2
Udara 200% berlebih
Gas hasil pembakaran: CO2 CO C2H6 O2 N 2 H2O
80 lb mol C2H6 3 lb mol H2O 0,8 = 192 lb mol H2O 1 lb mol C2H6 80 lb mol C2H6 2 lb mol CO 0,1 = 16 lb mol CO 1 lb mol C2H6 80 lb mol C2H6 3 lb mol H2O 0,1 = 24 lb mol H2O 1 lb mol C2H6
untuk menghitung O2 sisa dalam gas hasil pembakaran, kita harus menghitung O2 yang bereaksi:
80 lb mol C2H6 3,5 lb mol O2 0,8
= 224 lb mol O2 (CO2 dan H2O) 1 lb mol C2H6
80 lb mol C2H6 2,5 lb mol O2 0,1
= 20 lb mol O2 (dalam CO) 1 lb mol C2H6
O2 yang bereaksi = (224 + 20) lb mol = 244 lb mol Dengan neraca O2 kita akan mendapatkan:
O2 sisa = (800 – 244) lb mol = 556 lb mol O2
H2O yang terbentuk:
192 lb mol + 24 lb mol = 216 lb mol H2O
C2H6 sisa = C2H6 yang tidak terbakar: 0.1 x 80 lb mol = 8 lb mol
Neraca komponen:
Komponen
lb mol
% dalam gas hasil pembakaran Bahan
bakar udara pembakaranGas hasil
C2H6 O2 N2 CO2 CO H2O total 80 20 -100 780 2934 -3714 8 556 2934 128 16 216 3858 0,21 14,41 76,05 3,32 0,41 5,60 100,00 Contoh 7:
Sulfur murni dibakar pada laju alir 1000 kg/jam. Udara disuplai pada 30oC dan 755 mm Hg. Gas keluar burner pada 800oC dan 760 mm Hg mengandung 16,5% SO
2, 3% O2, dan sisanya N2 dalaam basis bebas SO3.
Hitunglah:
a. fraksi sulfur terbakar menjadi SO3
b. persen kelebihan udara
c. volume udara (m3/jam)
d. volume gas hasil pembakaran
Penyelesaian:
Basis: 100 kg mol gas hasil pembakaran basis bebas SO3 Burner
Sulfur: 1000 kg/jam
Udara 30oC, 755 mm Hg
Gas hasil pembakaran: (800oC, 760 mm Hg 16,5% SO2 basis 3,0% O2 bebas 80,5 % N 2 SO3 SO3
Reaksi yang terjadi :
S + O2 → SO2 S + 3/2 O2 → SO3 O2 yang dibutuhkan untuk membentuk SO2:
16,5 kg mol SO2 1 kg mol O2
= 16,5 kg mol O2 1 kg mol SO2
Total O2 masuk burner:
80,5 kg mol N2 21 kg mol O2
= 21,4 kg mol O2 79 kg mol N2
O2 yang dibutuhkaan untuk membentuk SO3: (21,4 – 16,5 – 3) = 1,9 kg mol SO3 yang terbentuk:
1,9 kg mol O2 1 kg mol SO3
= 1,27 kg mol SO3 1,5 kg mol O2
a). Menghitung fraksi S terbakar menjadi SO3:
Total S terbakar = (16,5 + 1,27) kg at = 17,77 kg at 1,27
Fraksi S menjadi SO3 = = 0,07
17,77
b). Menghitung % kelebihan udara:
Kebutuhan O2 untuk pembakaran sempurna (semua S terbakar menjadi SO2):
17,77 kg at S 1 kg mol O2 = 17,77 kg mol O2 1 kg at S O2 masuk – kebutuhan O2 % kelebihan udara = x 100 kebutuhan O2 21,4 – 17,77 = x 100 = 20,4%
17,77
c). Menghitung volume udara yang disuplai ke burner pada 30oC dan 755 mm Hg
1000 kg/jam
S yang dibakar = = 31,25 kg at/jam 32 kg/kg at
Udara yang disuplai:
31,25 kg at/jam S 21,4 kg mol O2 100 kg mol udara
17,77 kg at S 21 kg mol O2 = 179,2 kg mol/jam udara
Volume udara yang disuplai:
179,2 kg mol/jam udara 22,4 m3 303 K 755 mm Hg
1 kg mol 273 K 760 mm Hg = 4.425,9 m3/jam udara
d) Menghitung volumee gas hasil pembakaran pada 800oC dan 760 mm Hg: Untuk 100 kg mol gas hasil pembakaran basis SO3:
Total gas = (100 + 1,27) = 101,27 kg mol Untuk 31,25 kg at/jam S yang dibakar:
31,25 kg at/jam S 101,27 kg mol
Total gas = = 178,1 kg mol/jam
17,77 kg at S Volume gas hasil pembakaran:
178,1 kg mol/jam gas 22,4 m3 1073 K 760 mm Hg
1 kg mol 273 K 760 mm Hg = 4.425,9 m3/jam udara
Contoh 8:
Dalam Deacon process untuk memproduksi gas khlor, gas asam khlorida dioksidasi dengan udara. Reaksi yang terjadi: 4 HCl + O2 → 2 Cl2 + 2 H2O.
Jika udara yang digunakan berlebih 30% dari teoritis, dan jika reaksi oksidasi berjalan 80%, hitunglah komposisi gas kering meninggalkan reaktor!.
Basis: 4 kg mol gas HCl Reaksi oksidasi yang terjadi:
4 HCl + O2 → 2 Cl2 + 2 H2O Kebutuhan O2 untuk reaksi oksidasi sempurna:
4 kg mol HCL 1 kg mol O2
= 1 kg mol O2 4 kg mol HCl
O2 masuk proses = 1,3 x 1 kg mol = 1,3 kg mol N2 masuk proses:
1,3 kg mol O2 0,79 kg mol N2
= 4,89 kg mol N2 0,21 kg mol O2
Neraca mol:
Neraca HCl masuk Udara masuk Gas keluar
Cl2 H2 O2 N2 2 2 -1,3 4,89 nHCl + nCl2 nH2O nH2O + nO2 nN2 Cl2 yang terbentuk: 4 kg mol HCl 2 kg mol Cl2 0,8 = 1,6 kg mol Cl2 4 kg mol HCl H2O yang terbentuk: 4 kg mol HCl 2 kg mol H2 0,8
Gas keluar reaktor: HCl Cl 2 O2 N2 H2O Reaktor HCl Udara 30% berlebih
= 1,6 kg mol H2O 4 kg mol HCl
O2 sisa = {1,3 – ½(1,6)} kg mol = 0,5 kg mol HCl sisa = 0,2 x 4 kg mol = 0,8 kg mol
Komposisi gas kering:
komponen kg mol % mol
HCl Cl2 O2 N2 total 0,8 1,6 0,5 4,89 7,79 10,27 20,54 6,42 62,77 100,00
E. Neraca Massa melibatkan Sistem Recycle, Bypass, dan Purge:
Sistem recycle adalah suatu sistem yang mana sebagian dari produk dikembalikan ke proses, biasanya bertujuan untuk mendapatkan konversi yang lebih tinggi.
Recycle
Fresh feed Product
Mixed feed
Sistem bypass adalah suatu sistem yang mana sebagian dari umpan (feed) langsung dicampur dengan produk tidak melalui proses, biasanya bertujuan untuk mengurangi beban proses.
Bypass
Fresh feed Product
Sistem purge adalah suatu sistem yang mana sebagian dari recycle dibuang, tujuannya untuk mengurangi bahan yang keberadaannya pada batas tertentu akan mengganggu proses.
Process
Recycle
purge
Fresh feed Product
Contoh-contoh soal sistem recycle tanpa reaksi kimia. Contoh 9:
Suatu kolom destilasi memisahkan 10.000 kg/jam campuran 50% benzen – 50% toluen. Produk D dari kondensor dibagian atas kolom mengandung 95% benzen, produk bawah W mengandung 96% toluen. Aliran uap V masuk ke kondensor dari bagian atas kolom dengan kecepatan 8000 kg/jam.
Sebagian produk dikembalikan ke kolom sebagai refluks, dan sebagian lagi diambil sebagai produk D. Dengan asumsi komposisi di V, R, dan D sama, hitunglah perbandingan antara R terhadap D!.
Penyelesaian:
8000 kg/jam batasan sistem (II)
V
kondensor
R
batasan sistem (I) F = 10.000 kg/jam
- 0,5 Bz
- 0,5 Tol
Neraca massa total (batasan sistem I):
F = D + W
10.000 = D + W (a)
Neraca komponen benzen:
Process K O L O M D E S T I L A S I D 0,95 Bz 0,05 Tol W 0,04 Bz 0,96 Tol
F (ωF) = D(ωD) + W(ωW)
10.000(0,5) = D(0,95) + W(0,04) (b)
Selesaikan persamaan (a) dan (b) bersamaan, maka diperoleh: 500 = (0,95) (10.000 – W) + 0,04W
W = 4950 kg/jam
D = 5050 kg/jam
Neraca massa di sekitar kondensor (batasan sistem II):
V = D + R 8000 = 5050 + R R = 2950 kg/jam R 2950 = = 0,58 D 5050 Contoh 10:
Suatu bijih logam mengandung 7% tembaga (Cu) akan diekstraksi dengan asam sulfat. Semua tembaga yang ada dalam bijih dipindahkan ke fase asam, dan kemudian diekstraksi dengan pelarut organik. Pelarut keluar ekstraktor mengandung 20% Cu (ini meupakan keseluruhan Cu yang ada). Cu ini kemudian diambil dari larutannya, sedangkan pelarut organik didaur ulang (recycle) jika zat pengikut dalam bijih logam keluar proses sebanyak 800 ton/hari, berapa pelarut yang didaur ulang (recycle)?
Zat pengikut masuk = zat pengikut keluar 0,93 F = 800 F = 860,2 ton/hari Cu = 0,07(860,2) = 60,2 ton/hari Recycle solvent = (80/20)(60,2) = 240,8 ton/hari Acid Leach Solvent Extraction Copper recovery Bijih logam: 7% Cu 93% zat pengikut Zat pengikut 800 ton/hari 80% solvent 20% Cu Recycle solvent Asam buangan Cu H2SO4
Contoh-contoh soal sistem recycle dengan reaksi kimia. Contoh 11:
Campuran H2 - N2 (3:1) pada umpan unit amonia dipanaskan sampai temperatur reaksi, kemudian dimasukkan ke fixed bed reactor. Di sini 20% dari pereaksi terkonversi menjadi amoniak (NH3) per sekali alir. Setelah keluar reaktor, campuran tersebut didinginkan dan NH3 diambil dengan kondensasi. Campuran H2 - N2 yang tidak bereaksi di daur ulang dan dicampur dengan umpan segar.
Tentukan produk dan recycle per 100 kg mol/jam umpan segar (fresh feed)!.
Penyelesaian:
Basis:100 kg mol fresh feed
Reaksi: N2 + 3H2 → 2NH3
Neraca massa total pada steady state: Fresh feed = produk (NH3) NH3 yang diproduksi:
100 kg mol feed 2 kg mol NH3
= 50 kg mol/jam NH3 4 kg mol feed
Neraca NH3: 50 = 0,2(100 + R)(2/4)
R = 400 kg mol/jam
Heater Reactor Condenser
recycle Fresh feed H 2 : N2 = 3 : 1 NH3 batasan sistem untuk
Contoh 12:
Isomer glukose digunakan sebagai katalis pada pembuatan fruktose dari glukose dalam
fixed bed reactor. Sistem ditunjukkan pada gambar berikut, berapa persen konversi per
sekali alir ketika perbandingan produk terhadap recycle 8,33?. Reaksi: C6H12O6 → C6H12O6 d-glukose d-fruktose recycle feed produk 40% glukose 4% fruktose dalam air Penyelesaian: Basis: F = 100 lb
Neraca massa total: 100 = P 100
Sehingga: R = = 12,0 lb 8,33
tidak ada air yang terbentuk maupun yang bereaksi
Fixed – Bed Reactor
Reactor F’ ωF’,G ωF’,F ωF’,W F = 100 lb 0,40 ωF,G 0,60 ωF,W 1,00 P ωP,G ωP,F ωP,W R ωR,G ωR,F ωR,W 1 2 batasan sistem neraca massa total
air = 100(0,60) = P(ωP,W) = 100ωP,W ωP,W = 0,60
Neraca massa di sekitar titik 1:
Total: 100 + 12 = F’ = 112
Glukosa: 100(0,40) + 12((ωP,G) = 112((ωF’,G)
Fruktosa: 0 + 12((ωR,F) = 112(0,04), atau ωR,F = 0,373 Karena ωR,G + ωR,F + ωR,W = 1, maka:
ωR,G = 1 – 0,373 – 0,600 = 0,027 Dari neraca massa glukosa:
ωF’,G = 0,360
Neraca massa di reaktor plus titik 2:
Total: F’ = 12 + 100 = 112
Glukosa: Input – output – consumed = 0
F’ωF’,G – (R + P) ωR,G – xF’ωF’,G = 0 112(0,360) – 112(0,027) – x(112)(0,360) = 0
x = 0,93 Contoh-contoh soal sistem bypass dan purge: Contoh 13:
Suatu prroses pengolahan air dilakukan seperti pada gambar berikut.
Process F = 90 m3/jam 0,02 ppm SiO2 P 0,005 ppm SiO2 bypass = y ? x 0,0005 ppm SiO2 1 2
Penyelesaian:
Misal: bagian yang masuk proses x , dan bypass y. Neraca massa total:
F = P = 90 m3/jam Neraca massa di titik 1:
90 = x + y (a)
Neraca massa di tittik 2:
(0,0005)x + (0,02)y = (0,005)P (b) persamaan (a) dan (b) diselesaikan bersamaan, maka :
(0,0005)(90 – y) = 0,02y + (0,005)(90)
y = 20,77 m3/jam x = 69,23 m3/jam
Contoh 14:
Pada umpan unit amonia, setiap 100 mol H2-N2 (3:1) mengandung 0,31 mol Ar, dimana secara bertahap akan terakumulasi dalam aliran recycle sehingga mengganggu jalannya proses. Telah ditentukan bahwa keberadaan Ar dalam reaktor bisa ditolerir jika tidak lebih dari 4 mol per 100 mol H2-N2.
Jika konversi reaksi per sekali alir 20%, hitunglah recycle, purge, dan produk setiap 100 mol fresh feed (umpan segar)!.
Penyelesaian: NH3 Converter Condenser Recycle H 2, N2, Ar Fresh feed H2: 75 mol N2: 25 mol Ar: 0,31 mol Purge H2, N2, Ar Mixed feed 1
Reaksi: N2 + 3 H2 → 2 NH3 (konversi 20%) Misal jumlah N2 dalam mixed feed x mol
Neraca mol di converter pada steady state:
Neraca Masuk yang bereaksi Keluar
N2 x 0,2x 0,8x
H2 3x (0,2)(3x) = 0,6x (0,8)(3x) = 2,4x
Ar (0,04)(4x) = 0,16x - 0,16x
NH3 - - (2/4)(0,2)(4x) = 0,4x
Misal bagian purge f, sehingga recycle (1 – f) Neraca mol di titik 1:
N2: 25 + (1 – f)(0,8x) = x (a) H2: 75 + (1 – f)(2,4x) = 3x (b) Ar: 0,31 + (1 – f)(0,16x) = 0,16x (c) Ketiga persamaan tersebut dikerjakan secara bersama, maka akan diperoleh:
x = 117,25 mol
f = 0,0165
sehingga NH3 yang dihasilkan = (0,4)(117,25) = 416,9 mol.
Soal latihan
1. Suatu evaporator digunakan untuk memekatkan larutan 4% NaOH. Larutan yang telah dipekatkan mengandung 25% NaOH. Hitunglah jumlah air yang diuapkan per 100 kg umpan.
84 kg
2. Suspensi dengan kandungan 25% berat padatan diumpankan ke filter. Filter cake mengandung 90% padatan dan filtratnya mengandung 1% padatan.
a. Buatlah neraca massa jika laju alir umpan 2000 kg/jam!
b. Dengan laju alir tersebut, berapa laju alir filtrat dan cake (kg/jam)?
3. Larutan etanol 35% didestilasi dengan kolom destilasi, hasil atas (destilat) mengandung etanol 85% dan hasil bawah mengandung etanol 5%. Hitunglah:
a. kg destilat per kg umpan b. kg destilat per kg hasil bawah
a) 0,375 kg, b) 0,6 kg
4. Asam buangan dalam proses nitrasi berisi 23% HNO3, 57% H2SO4, dan 20% H2O (persen berat). Asam tersebut akan dipekatkan sehingga diperoleh hasil dengan komposisi 27% HNO3, 60% H2SO4, dan 13% H2O dengan jalan menambahkan asam sufat 97% dan asam nitrat 90%. Berapa kg masing-masing asam harus ditambahkan untuk memperoleh 1000 kg hasil?.
519,35 kg asam buangan, 313,37 kg asam sulfat, 167,28 kg asam nitrat
5. Karbon murni dibakar dengan oksigen. Analisis gas hasil pembakaran: 75% CO2, 14% CO, 11% O2 (%mol). Berapa persen kelebihan oksigen?
4,5%
6. Bagaimana komposisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran pirit murni (FeS2) dengan udara berlebih 60%.
Asumsikan bahwa reaksi yang terjadi sebagai berikut: 4 FeS2 + 11 O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2
9,90% SO2, 8,17% O2, 81,93% N2. 7. Analisis sintesa gas: 6,4% CO2, 0,2% O2, 40% CO, 50,8% H2, dan sisanya N2, gas
tersebut dibakar dengan udara 40% berlebih. Tentukan komposisi gas hasil pembakaran!.
13% CO2, 14,3% H2O, 67,6% N2, 5,1% O2. 8 Larutan NaOH 24%, yang dibutuhkan dalam indusstri tekstil, dibuat dengan
melarutkaan NaOH padat dengan air. Untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh pelarutan NaOH, maka proses pembuatan dilakukan dua tahap.
Pertama, NaOH padat dilarutkan dengan air dalam tangki pelarutan hingga diperoleh larutan NaOH 50%. Setelah pelarutan sempurna dan dingin, larutan ini diencerkan denngan air dalam tangki pengenceran hingga diperoleh larutan NaOH 24%.
Asumsi tidak ada penguapan, berapa perbandingan atara x terhadap y?.
0,462
9. Gula murni (sukrosa) dapat diubah menjadi glukosa dan fruktosa dengan proses inversi.
C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6
d-Glukosa d-Fruktosa
Gabungan glukosa/fruktosa disebut dengan gula invers. Jika konversi 90% per sekali alir, berapa aliran recycle per 100 lb laruta sukrosa masuk proses seperti yang digambarkan di bawah?. Berapa konsentrasi gula invers (I) dalam recycle?.
Konsentrasi komponen dalam recycle dan produk sama.
R = 20,9 lb, ωI,R = ωI,RP = 0,279
Reaktor Separator produk
50% gulainvers Feed Sukrosa30% Air 70% Recycle Tangki
pelarutan Larutan pengenceranTangki
NaOH 50% Larutan NaOH 24% NaOH padat Air Bypass (y) x
