ATK I DASAR-DASAR NERACA MASSA ASEP MUHAMAD SAMSUDIN, S.T.,M.T.

Transkripsi

1 ATK I DASAR-DASAR NERACA MASSA ASEP MUHAMAD SAMSUDIN, S.T.,M.T.

2 Pembuatan Gula Berapa banyak air yang dihilangkan didalam evaporator (lb/jam)? Berapa besar fraksi massa komponen-komponen dalam arus buangan G Berapa besar laju masukan tebu kedalam unit (lb/jam)?

3 Jenis-Jenis Proses Berdasarkan kejadiannya proses terbagi menjadi tiga yaitu proses Batch, Semi-Batch dan kontinyu 1. Proses Batch : Pemasukan reaktan dan pengeluaran hasil dilakukan dalam selang waktu tertentu/ tidak terus menerus. Contoh : Pemanasan air dengan koil pada teko. 2. Proses Kontinyu : Pemasukan bahan dan pengeluaran produk dilakukan secara terus menerus/ berkesinambungan dengan laju tertentu. Contoh : Mengalirkan umpan ke kolom distilasi dengan laju tetap dan mengambil produk dari puncak dan dasar kolom dengan laju tetap pula. 3. Proses Semi-Batch : Proses yang berlangsung tidak secara batch dan kontinyu. Contoh : tangki gas bertekanan yang terbuka, leaching (pelindian)

4 Jenis-Jenis Proses Berdasarkan keadaannya proses dibedakan menjadi dua yaitu proses dalam keadaan tunak (steady) dan keadaan tak tunak (unsteady) 1. Proses steady state : Semua aliran di dalam sistem mempunyai laju, komposisi, massa dan suhu yang tetap atau tidak berubah terhadap waktu. Sehingga pada keadaan ini jumlah akumulasi di dalam sistem tetap. 2. Proses unsteady state (transient) : Terjadi perubahan dalam sistem terhadap waktu. Baik berupa perubahan laju, komposisi, massa maupun suhu. Karena adanya perubahan laju maka terdapat perubahan akumulasi di dalam sistem sehingga akumulasi massa harus diperhitungkan.

5 Jenis-Jenis Proses Latihan Klasifikasikan proses di bawah ini sebagai batch, continuous, atau semi-batch dan transient atau steadystate 1. Balon yang diisi udara dengan kecepatan konstan 2 g/min. 2. Sebotol susu diambil dari kulkas dan diletakan di meja. 3. Air dipanasakan dalam Erlenmeyer terbuka 4. CO 2 dan steam diumpankan pada reaktor tubular pada laju konstan dan bereaksi menjadi CO 2 dan H 2. Produk dan rektan yang tidak bereaksi diambil pada sis reaktor yang lain. Reaktor berisi udara saat start up. Suhu reaktor tetap dan laju alir reaktan serta komposisinya tidak tergantung waktu. Tentukan jenis proses saat awal dan setelah beberapa lama.

6 Diagram Alir Proses Diagram Alir Proses adalah gambaran visual yang menunjukkan semua aliran bahan-bahan baik yang masuk alat maupun yang keluar, disertai data-data komposisi dari campuran bahan-bahan aliran. Gambaran ini bisa bersifat kualitatif dan kuantitatif. Suatu unit proses dapat digambarkan dalam sebuah kotak atau simbol alat, dan garis panah yang menunjukkan arah aliran bahan. Arus dalam diagram alir harus diberi label yang menunjukkan: Variabel proses yang diketahui Permisalan variabel yang akan dicari dengan simbol variabel. Diagram alir berfungsi sebagai papan hitung untuk menyelesaikan masalah neraca, baik neraca massa maupun neraca panas.

7 Diagram Alir Proses Cara memberi label pada arus : 1. Tulis nilai dan satuan semua variabel yang diketahui di arus dalam gambar. Narasi: gas berisi 21% mol O 2 dan 79% N 2 pada suhu 320 oc dan 1,4 atm mengalir dengan kecepatan 400 gmol/jam. Diagram alir :

8 Diagram Alir Proses 2. Tandai dengan simbol untuk variabel yang akan dicari.

9 Diagram Alir Proses Contoh penulisan

10 Diagram Alir Proses Contoh penulisan

11 Scaling Diagram Alir dan Basis Perhitungan Jika 1 kg benzene dicampur dengan 1 kg toluene. Output dari proses sederhana ini adalah 2 kg campuran dengan 50 % wt benzene. Jika massa setiap arus dikalikan dengan faktor tertentu, sistem akan tetap seimbang baik nilai maupun konversi satuan. Prosedur mengganti nilai laju alir setiap arus dimana komposisinya tetap sama dinamakan scaling diagram alir. Scaling up jika nilai akhir lebih tinggi dan scaling down jika lebih rendah

12 Scaling Diagram Alir dan Basis Perhitungan Jika laju alir adalah n 1 ingin kita scaling menjadi n 2, kita bisa scaling semua arus dengan cara mengalikan dengan n 2 n 1.

13 Contoh Scaling Diagram Alir dan Basis Perhitungan Campuran 60 % mol A dan 40 % B dipisahkan menjadi dua fraksi. Dimana diagram alir dari proses tersebut adalah sbb. Jika diinginkan mencapai pemisahan yang sama dengan laju alir 1250 lb-mol/jam. Ubah Skala diagram alir tersebut.

14 Scaling Diagram Alir dan Basis Perhitungan

15 Neraca Massa Neraca massa/bahan adalah perincian dari jumlah bahanbahan yang masuk, keluar dan yang terakumulasi di dalam sebuah sistem. Sistem ini dapat berupa satu alat proses maupun rangkaian dari beberapa alat proses, bahkan rangkaian dari banyak alat proses. Prinsip dari neraca bahan itu sendiri adalah: Neraca bahan merupakan penerapan hukum kekekalan massa terhadap suatu sistem proses atau pabrik. Massa berjumlah tetap, tidak dapat dimusnahkan maupun diciptakan

16 Persamaan Neraca Massa Input - Output - Consumption + Generation = Accumulation Dimana Input Output Consumption Generation Acumulation = Aliran masuk ke sistem = Aliran keluar sistem = Digunakan oleh reaksi = Terbentuk karena reaksi = Terkumpul dalam sistem

17 Persamaan Neraca Massa Contoh Setiap tahun orang pindah ke kota, oramg keluar, lahir dan meninggal. Tulis neraca penduduk di kota. Jawab Jika P adalah penduduk Input + generation output consumption = accumulation P/th P/th P/th P/th = A (P/th) A = P/th

18 Tipe Neraca Massa Ada dua tipe neraca massa Neraca Diferensial (differencial balances) : Dinyatakan dalam laju. Mempunyai satuan, satuan kuantitas/waktu. Biasanya untuk proses kontinyu Neraca Integral (Integral balances) : Dinyatakan dalam jumlah; Mempunyai satuan berupa kuantitas. Biasanya untuk proses batch.

19 Menyederhanakan Persamaan Neraca Massa Jika menyatakan Neraca Massa Total Generation = 0 dan Consumption = 0 Jika tidak ada reaksi kimia yang terlibat Generation = 0 dan Consumption = 0 Jika sistem dalam kondisi steady state accumulation = 0 baik untuk Neraca Massa Total maupun Komponen.

20 Neraca Massa non-reaksi Kimia Pada kesetimbangan materi tanpa reaksi kimia, rumus umum yang digunakan adalah : Input output generasi + konsumsi = akumulasi input output = akumulasi karena tidak adanya pembentukan zat ataupun reaksi kimia yang menggunakan zat tersebut.

21 Contoh Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Kontinyu, Steady State) Seribu kg/jam campuran Benzena (B) dan Toluena (T) dengan komposisi 50 % massa Benzena dipisahkan dengan distilasi menjadi dua fraksi. Laju alir massa Benzena di puncak kolom sebesar 450 kg B/jam dan Toluena di dasar kolom 475 kg T/jam. Operasi dilakukan dalam kondisi steady-state. Hitunglah laju alir komponen yang tidak diketahui di arus produk.

22 Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Kontinyu, Steady State)

23 Contoh Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Kontinyu, Steady State) Sebanyak 100 mol/jam larutan etilen diklorida 40% dalam toluena dimasukkan ke sebuah kolom (menara) distilasi. Di dalam menara distilasi proses berlangsung secara kontinyu dan tidak terjadi akumulasi sehingga 100 mol/jam bahan juga keluar dari kolom. Aliran keluar kolom dibagi menjadi dua yaitu aliran distilat (D) dan aliran dasar (B = bottom). Aliran ditilat keluar dari atas kolom mengandung 95% mol etilen diklorida. Sementara aliran dasar kolom mengandung 10% mol etilen diklorida. Tentukan laju alir masing-masing aliran tersebut.

24 Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Kontinyu, Steady State) Neraca massa total F = D + B 100 mol/jam = D + B B = 100 mol/jam D.. (1) Neraca massa komponen F. X F = D. X D + B. X B 100(0,4) = D(0,95) + B(0,1) 40 = 0,95D + (100-D)(0,1) D = 35,3 mol/jam B = 100 mol/jam 35,3 mol/jam B = 64,7 mol/jam

25 Contoh Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Batch) Dua campuran metanol-air berada dalam Erlenmeyer terpisah. Campuran pertama berisi 40 wt % methanol dan yang kedua berisi 70 wt % methanol. Apabila 200 g campuran pertama dikombinasikan dengan 150 g campuran yang kedua, berapa berat dan komposisi produk

26 Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Batch)

27 Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Batch)

28 Contoh Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Semi-Batch) Udara dipompakan melalui cairan drum heksana pada laju 0.1 kmol/min. Arus gas yang keluar drum mengandung mengandung 10 mol % uap heksana. Udara dianggap tidak larut dalam heksana cair. Gunakan neraca massa integral untuk meperkirakan waktu yang diperlukan untuk menguapkan 10 m 3 cairan. ( Heksana = 0,659 kg/l)

29 Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Semi-Batch) Neraca Massa Udara

30 Neraca Massa non-reaksi Kimia (Proses Semi-Batch) Neraca Massa Heksana Laju Alir Heksana meninggalkan sistem

31 Analisis Derajat Kebebasan Degree of freedom atau Derajat Kebebasan (DK) adalah suatu ukuran yang dapat memberikan indikasi apakah persamaan neraca bahan dapat diselesaikan atau tidak. Pada saat melakukan Analisis DK, gambar dan berikanlah seluruh label dalam diagram alir. Hitung variabel yang tidak diketahui dan persamaan independent yang berhubungan. n DK = n unknown n ind.eq Jika n DK = 0 Bisa diselesaikan Jika n DK > 0 Beberapa variabel harus dispesifikan. Jika tidak bias, tidak bias diselesaikan. Jika n DK < 0 Diagram alir bisa jadi belum diberikan label sempurna, bias terjadi hubungan yang tidak konsisten.

32 Penyelesain Neraca Massa Hubungan yang dapat digunakan untuk menyusun persamaan independen meliputi : 1. Neraca massa : Untuk proses non reaksi, jika ada N spesies dalam proses, dapat disusun N sampai N+1 neraca massa. 2. Neraca energi : Bila energi yang ditransfer antara system dan lingkungan tertentu, dapat disusun 1 persamaan nerca energi. 3. Spesifikasi Proses : Ada sekurang-kurangnya 3 tipe hubungan diantara variabel proses yang umum dijumpai yaitu : a. Recovery fraksional, b. Hubungan komposisi, c. Rasio laju alir

33 Penyelesain Neraca Massa Karakterisasi fisika dan hukum fisika : dari 2 variabel yang tidak diketahui, yang menyangkut massa, mol dan volume dari aliran proses, dapat disusun persamaan diantara variabel-variabel tersebut dengan menggunakan hokum gas ideal atau gas riil dan kondisi kesetimbangan fase. Batasan fisik : Bila fraksi mol komponen aliran proses secara terpisah dinyatakan X 1, X 2, dan X 3, dapat dibuat satu persamaan karena jumlah total adalah 1.

34 Recovery Fraksional Contoh Umpan pada laju alir 1000 mol/jam dengan komposisi propana : 20 % mol i-butane : 30 % mol i-pentane : 25 % mol N-pentane : 25 % mol Akan dipisahkan menjadi 2 fraksi dengan distilasi. Distilat mengandung semua propane dan 70% i-pentane yang ada pada umpan dan 40 % mol i-butane. Hasil bawag mengandung semua n-pentane yang ada pada umpan. Hitunglah komposisi distilat dan hasil bawah.

35 Hubungan Komposisi Hubungan komposisi merupakan kesebandingan sederhana antara komposisi spesies dari aliran berbeda. x i a = x j b Pada proses pemisahan padatan dan larutan dari slurry dengan cara pengendapan ataupun sentrifugasi, bila tidak ada adsorpsi kimia maka komposisi larutan jernih sama dengan komposisi larutan yang tertinggal pada padatan. x a 1 1 x padatan = x a 2 dimana 1 = endapan, 2 = larutan jernih

36 Hubungan Komposisi Contoh Bila umpan slurry terdiri dari 10% massa padatan, 11% massa NaOH, 16% massa NAlO 2 dan sisanya air dicuci dengan air yang mengandung NaOH 2% massa menghasilkan larutan jernih yang mengandung 95% massa air dan endapan yang mengandung padatan 2 % massa. Berapa banyak NaAlO 2 dapat diperoleh kembali pada larutan jernih bila slurry diumpankan pada laju alir 1000 kg/jam?

37 Rasio Laju Alir Contoh Benzena dipisahkan dari output kilang minyak yang mengandung 70 % massa benzene dan campuran paraffin dan hidrokarbon napthena dengan menggunakan pelarut SO 2 cair. Bila pelarut yang digunakan 3 kg SO 2 cair per kg umpan ke proses. Rafinat mengandung 1/6 SO 2 dan sisanya benzene. Ekstrak mengandung semua hidrokarbon nonbenzene, SO 2 cair dan ¼ kg benzene per kg hidrokarbon non-benzene. Berapakah benzene yang dapat direcovery (kg benzene pada rafinat/kg benzene pada umpan