Kuliah 2023 NME MG 03 NM dengan Reaksi Kimia

KULIAH 03 NME 2023

NM DENGAN REAKSI

Neraca Massa & Energi Bioproses (ENBE600009) Prof. Dr.-Ing. Misri Gozan, M.Tech. IPU

Program Studi Teknik Bioproses, Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik – Universitas Indonesia

APLIKASI NERACA MASSA PADA SISTEM REAKSI/NON REAKSI

Pada kondisi tunak, apakah massa masuk = massa keluar?

Tanpa reaksi Dengan reaksi

Total massa Ya Ya

Total jumlah mol Ya Tidak

Massa spesies molekular Ya Tidak

Jumlah mol dari spesies

molekular Ya Tidak

Massa spesies atom Ya Ya

Jumlah mol dari spesies

atom Ya Ya

REAKSI (BIO)KIMIA

 Stoikiometri

 Dasar untuk analisis reaksi kimia dan biokimia kuantitatif

 Kuantitas relatif dari reaktan dan produk yang terbentuk

 Termodinamika

 Deskripsi reaktor biokimia dalam model dari proses

 Panas reaksi dan kesetimbangan termodinamis

 Kinetika

 Waktu yang dibutuhkan untuk melakukan konversi

 Ukuran reaktor dan kaitannya dengan biaya untuk modal

NERACA MASSA REAKSI STOIKIOMETRI

1. Pastikan persamaan reaksi kimia seimbang dan benar 2. Tentukan derajat reaksi (reaction extent atau degree

of completion). Asumsikan 100% jika tidak ada informasi lain.

3. Gunakan data yang ada menjadi informasi berharga

 berat molekul untuk mengubah massa menjadi mol atau mol menjadi massa

 koefisien persamaan kimia untuk mendapatkan jumlah molar relatif produk diproduksi dan reaktan yang dikonsumsi dalam reaksi.

bahan baku

M_i

M_o bahan baku

HUKUM KEKEKALAN MASSA

P_o produk

JIKA TERJADI REAKSI

Maka di dalam sistem:

1. Bahan Baku digunakan

2. Reaksi kimia menghasilkan Produk (zat baru)

3. (sebagian) Bahan Baku yang tidak bereaksi akan terakumulasi dan (sebagian) akan keluar

4. (sebagian) Produk akan terakumulasi dan (sebagian) akan keluar

ASUMSI

 Jika kita mengasumsikan bahwa perhitungan benar dan tidak terdapat kebocoran atau kehilangan 

selisih antara Mo dan Mi

 dikonsumsi, atau

 dihasilkan oleh reaksi, atau

 terakumulasi.

 Neraca massa untuk sistem dapat dituliskan dalam berbagai cara untuk menghitung berdasarkan

kemungkinan tersebut

BEBERAPA KEMUNGKINAN NM (1-2)

 Tidak ada reaksi, tidak ada akumulasi 𝑴_{𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌} = 𝑴 _{𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓}

𝑴_{𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌} - 𝑴 _{𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓} = 0

 Tidak ada reaksi, ada akumulasi

𝑴_{𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌} - 𝑴 _{𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓} = 𝑴𝒕𝒆𝒓𝒂𝒌𝒖𝒎𝒖𝒍𝒂𝒔𝒊

BEBERAPA KEMUNGKINAN NM (3-4)

 Ada reaksi, tidak ada akumulasi

𝑴_{𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌} − 𝑴bereaksi +𝑴_{𝒉𝒂𝒔𝒊𝒍} reaksi - 𝑴 _{𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓} = 0

 Ada reaksi, ada akumulasi

𝑴_{𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌} − 𝑴bereaksi +𝑴_{𝒉𝒂𝒔𝒊𝒍} reaksi - 𝑴 _{𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓} = 𝑴𝒕𝒆𝒓𝒂𝒌𝒖𝒎𝒖𝒍𝒂𝒔𝒊

CTH 3.1. NM SEDERHANA

Sebuah proses dirancang untuk mengolah limbah cair. Setiap harinya, 10⁵ kg selulosa dan 10³ bakteri masuk ke dalam proses. Pada buangan masih terdapat 5 ton selulosa. Bakteri memakan selulosa sebanyak 95 ton per hari. Bakteri tumbuh dengan laju 80 ton per hari, namun setiap harinya ada 5 % bakteri mati karena berbagai sebab. Bakteri yang tertinggal di dalam reaktor diketahui sebanyak 9 ton per hari.

Tuliskan neraca untuk selulosa dan neraca bakteri di dalam sistem.

Reaktor

Sr = 95.10³ kg Br = 80.10³ kg Bd = 4.10³ kg Ba = 9.10³ kg Input = I

Selulosa = Si = 10⁵ kg

Bakteri = Bi = 10³ kg

Output = O

Selulosa = So = 5.10³ kg

Bakteri = Bo = ??

Kg

H2O (tdk dibicarakan) Selulosa  Bakteri + CO2

+ H2O

CO2 (tdk dibicarakan)

Gunakan basis 1 hari, neraca selulosa dalam kg

S

_{𝒎𝒂𝒔𝒖𝒌}

− S

_bereaksi

+S

_{𝒉𝒂𝒔𝒊𝒍 reaksi}

- S

_{𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓}

= S

_{𝒂𝒌𝒖𝒎𝒖𝒍𝒂𝒔𝒊}

Selulosa tidak dihasilkan oleh proses, hanya dikonsumsi.

(100. 10

³

– 95.10

³

+ 0 – 5.10

³

) kg = akumulasi (kg)

Akumulasi selulosa = (100 – 95 – 5).10

³

= 0 kg selulosa (tidak terakumulasi)

CTH 3.1. NM SEDERHANA SELULOSA

(JAWABAN)

Gunakan basis 1 hari, neraca bakteri dalam kg

B

_masuk

− B

_bereaksi

+B

hasil reaksi

- B

_akumulasi

= B

_keluar

(10

³

–4.10

³

+ 80.10

³

–9. 10

³

) = B

_{𝒌𝒆𝒍𝒖𝒂𝒓}

Bakteri keluar = (81 – 13).10

³

= 68.10

³

kg bakteri

CTH 3.1. NM SEDERHANA BAKTERI

(JAWABAN)

CTH 3.2 REAKSI TUNGGAL PEMBAKARAN

Dalam pembakaran heptana dengan oksigen, dihasilkan CO₂. asumsikan bahwa Anda ingin

menghasilkan 500 kg es kering per jam, dan 50% CO₂ dapat diubah menjadi es kering, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar. Berapa kilogram heptana yang harus dibakar setiap jam?

Reaktor heptana

udara Es kering (CO₂)

50%

Produk lain

LANGKAH PENYELESAIAN

  

Pembakar an Heptana (gas) =

? kgUdara (gas) = ? kg

Es kering CO₂ 50%

Produk lain:

CO₂ 50%

H₂O

500 kg/jam Asumsi 100%

bereaksi

CO2 = 500 kg/jam

LANGKAH PENYELESAIAN

 Ubah informasi yang diketahui (basis dan data lainnya) menjadi informasi berharga

 BM Heptana = 100; BM CO₂ = 44

 500 kg CO₂ dihasilkan = separuh dari total CO₂ dihasilkan

 Total CO₂ dihasilkan = 1000 kg/jam = 1000 kg : 44 kg/kmol = 22,73 kmol

 Jika dianggap heptana terbakar 100% menjadi CO₂, dan dari

persamaan reaksi diketahui setiap 7 mol CO₂ berasal dari 1 mol heptana,

 Maka Heptana = 22.73 kmol/7 = 3,25 kmol

 Heptana = 3,25 kmol x 100 = 325 kg Heptana dibakar per jam

3.3. REAKSI DAN PEMISAHAN

Peralatan membran reaktor berikut digunakan untuk proses “extractive bioconversion”, dimana fermentasi dan pemisahan produk berlangsung simultan (pada waktu yang sama).

Sel ragi di-imobilisasi di dalam dinding membran sehingga tidak dapat memperbanyak diri. 20% glukosa dalam larutan air masuk ke dalam bagian annular membran dengan kecepatan 60 kg/jam. Sel ragi mengubah glukosa menjadi alkohol dan karbon dioksida di dalam anular. Karbon diokida yang terbentuk semuanya ditangkap dan dibuang dalam sistem katup gas yang tidak tampak dalam gambar. Karena glukosa dan air tidak larut dan tidak akan bercampur dengan sistem hexanadiol. Sementara itu hexanadiol dengan kecepatan 50 kg/jam masuk pada bagian tubular dan menyerap etanol yang terbentuk. Jika pada keluaran anular masih terdapat 0,2% gula dan 0,5%

etanol, hitunglah:

(a) Berapa konsentrasi hexanadiol pada keluaran tubular (b) Berapa mol CO₂ yang keluar?

JAWABAN 3.3 GAMBAR SISTEM (1)

Membran Reaktor /Reaksi & Pemisahan

Glukosa + Air + Etanol

Hexanadiol

C

Bi Ai

Glukosa + Air

Hexanadiol + Etanol CO2

Bo

60 kg/jam Ao

50 kg/jam

G_Ai=0,2 = 12 kg/j;

A_Ai=0,8 = 48 kg/j;

E_Ao=0 kg/j

G_Ao=0,2% = ? kg/j;

A_Ao=? kg/j;

E_Ao=0,5% = ? kg/j

H_Bi=100% = 50 kg/j

H_Bo=?% = 50 kg/j E_Bo=?% = ? kg/j

C₆H₁₂O₆  2 CO₂ + 2 C₂H₆O

JAWABAN 3.3 (2)

Pada awal terdapat :

Glukosa di awal = 20% dari 60 kg

= 12 kg

= 12 [kg]/180 [kg/kmol] = 0,0667 kmol

Air = (100 – 20)% = 80% dari 60 kg

= 48 kg

= 48 [kg]/18 [kg/kmol] = 2,667 kmol

JAWABAN 3.3 (3)

Keluaran Ao terdapat

Air = 100% - 0,2% - 0,5% = 99,3%

Karena air hanya terdapat pada Ao, maka perhitungan bisa didasarkan pada neraca air, dan aAi . Ai = aAo . Ao

48 = 0,993 . Ao

A0 = 48/0,993 = 48,34 kg

Dengan demikian bisa dihitung massa Glukosa yang sisa:

0,2% x 48,34 kg = 0,0967 kg

= 9,67 [kg]/180 [kg/kmol] = 0,00054 kmol

JAWABAN 3.3 (4)

Gula yang bereaksi menjadi etanol = 0,0667 – 0,00054 = 0,0662 kmol C₆H₁₂O₆  2 CO₂ + 2 C₂H₆O

Etanol yang diproduksi seharusnya = 2 x gula yang bereaksi

= 2x0,0662 kmol = 0,132 kmol Etanol pada Ao = 0,5% x 48,34 kg = 0,242 kg

= 0,242 [kg]/ 46 [kg/kmol] = 0,005254 kmol

Berarti etanol pada Bo = 0,132 – 0,005254 kmol = 0,127 kmol

= 0,127 kmol x 46 kg/kmol = 5,85 kg

JAWABAN 3.3 (5)

Komposisi Hexanadiol pada keluaran adalah

= 50 kg / (50 + 5,85) kg = 0,895

= 89,5 %

CO₂ yang keluar = CO₂ yang diproduksi secara stoikiometris dari gula yang bereaksi

= 2 x 0,0662 kmol = 0,132 kmol

= 0,132 kmol x 44 kg/kmol = 5,82 kg

SILAKAN CEK TERAKHIR

 Buatlah neraca massa keseluruhan

CTH 3.4. REAKSI GANDA

 Analisis batu kapur menunjukkan:

 CaCO₃ 92,89%

 MgCO₃ 5,41%

 Tidak reaktif 1,70%

Reaktor Batukapur

(limestone )

CaO MgO CO₂

Kapur (lime)

 Dengan memanaskan batu kapur (limestone), Anda menghasilkan oksida-oksida yang disebut kapur (lime).

 Pertanyaan:

 Berapa ton kalsium oksida yang dapat dibuat dari 1 ton batu kapur ini?

 Berapa ton CO₂ menjadi polusi per ton batu kapur?

 Berapa ton batu kapur yang dibutuhkan untuk membuat 1 ton kapur?

BERAPA TON KALSIUM OKSIDA YANG DAPAT DIBUAT DARI 1 TON BATU

KAPUR?

 1 ton batu kapur = 1000 kg

 CaCO₃  92,89% = 928,9 kg = 928,9/100 = 9,29 kmol

 MgCO₃ = 5,41% = 54,1 kg = 54,1/84,32 = 0,642 kmol

 Persamaan reaksi:

 CaCO₃  CaO + CO₂

 MgCO₃  MgO + CO₂

 Jadi

 CaO yang terbentuk =

9,29 kmol x 56,08 =

520,4 kg

BERAPA POLUSI CO2

 Berapa ton CO

₂

dapat diperoleh per ton batu kapur?

CaCO

₃

 CaO + CO

₂

Kmol CO2 terbentuk = 9,29 kmol CaCO

₃

= 9,29 x 44 kg/kmol = 408,76 kg CO

₂

TERUSKAN SENDIRI YA DI RUMAH UTK SOAL:

 Berapa ton batu kapur yang dibutuhkan

untuk membuat 1 ton kapur?