Analisis DimensiDr. Eng Ahmad Tawfiequrrahman Y.Depart. of Chemical EngineeringGadjah Mada University (UGM)

Analisis Dimensi/unitManfaat analisis dimensi: dapat digunakan untuk membuktikan dua besaran sama atau tidak. Dua besaran sama jika keduanya memiliki dimensi yang sama dapat digunakan untuk menentukan persamaan yang pasti salah atau mungkin benardapat digunakan untuk menurunkan persamaan suatu besaran fisis

Dimensi Fundamental/PrimerTerdapat 3 sistem: MLt, FLt, and FMLtDimensi fundametal/primer dalam satuan SI:- Dimensi turunan/sekunder harus dinyatakan dalam dimensi primer

Conversiondst.

Physical constant

Mass Balance

Neraca Massa (Mass Balance)Dasar dari neraca material (neraca massa) adalah hukum kekekalan massa (law of conservation of mass). Konsep ini sangat diperlukan oleh seorang chemical engineer untuk melakukan evaluasi suatu proses dalam pabrik kimia. Berapa banyak bahan baku yang dibutuhkan?Berapa banyak produk yang terbentuk?Berapa banyak emisi gas, limbah cair, dan limbah padat yang terbentuk?

Apa yang dilakukan seorang chemical engineer dalam perhitungan neraca massa, secara prinsipiil sama dengan perhitungan akuntansi yang dilakukan oleh seorang akuntan. Dalam akuntansi, seorang akuntan melakukan perhitungan neraca untuk mengetahui apa yang terjadi dengan uang perusahaan. Sementara seorang chemical engineer melakukan perhitungan neraca massa untuk mengetahui apa yang terjadi pada setiap bahan yang ada dalam suatu proses.

Klasifikasi ProsesI. Berdasarkan bagaimana suatu proses bervariasi terhadap waktu.

Steady-state process (proses ajeg) adalah suatu proses yg tidak berubah dengan berubahnya waktu. Setiap kali kita melakukan tinjauan, semua variabel mempunyai harga yg sama seperti ketika pertama kali kita tinjau.

b. Unsteady-state (Transient) process adalah suatu proses yg berubah dengan berubahnya waktu. Setiap kali kita melakukan tinjauan, variabel-variabel tersebut mempunyai harga yg berbeda dengan ketika pertama kali kita tinjau.

II. Berdasarkan bagaimana suatu proses dirancang untuk beroperasi.

Continuous process adalah suatu proses yang mempunyai arus umpan (yang membawa bahan masuk kedalam sistem proses ) dan arus produk (yang membawa bahan keluar dari sistem proses) untuk setiap saat.

Batch process adalah suatu proses dimana arus umpan diumpankan ke sistem proses untuk memulai proses. Material umpan kemudian diproses melalui berbagai tahapan proses dan produk akhir dibentuk selama satu atau lebih tahapan proses. Umpan diumpankan pada waktu tertentu begitu juga produk yang dihasilkan.

c. Semi-batch process (also called semi-continuous) suatu proses yang mempunyai karakteristik proses kontinyu dan proses batch. Beberapa bahan dalam proses dihandel secara batch dan bahan yang lain diproses secara kontinyu.

Kondisi Steady vs. Kondisi UnsteadyKondisi Unsteady: kondisi dalam sistem berubah dengan berubahnya waktu (transient)Kondisi Steady: kondisi dalam sistem tidak berubah dengan berubahnya waktu (ajeg)Pada kondisi steady, laju akumulasi = 0 sehingga:INPUT - OUTPUT = ACCUMULATION FinputsistemFoutputINPUT - OUTPUT = 0

ember diisi airbocorinput- output= akumulasiinput = outputakumulasi=0unsteadysteady

Proses Batch vs. Proses Kontinyut prosesbatcht pengeluarant pemasukant batcht= V/FvVV

NERACA MASSA

INPUT - OUTPUT = ACCUMULATION FinputsistemPersamaan Neraca MassaFoutputSistem: Pabrik Unit Alat[laju massa masuk sistem] [laju massa keluar sistem] = [laju akumulasi massa di dalam sistem]Laju massa: massa/waktu

INPUT - OUTPUT = ACCUMULATION sistem[laju massa total masuk sistem] [laju massa total keluar sistem] = [laju akumulasi massa di dalam sistem]

separationreactorfeed preparationpurificationPABRIK KIMIArecyclesistemFinputFinputFoutputFoutputFoutputFoutput

FinputFinputFoutputFoutputALATsistemsistem

FinputFoutputsistemFinput hanya 1 arus tetapi dapat berupa campuran yg terdiri dari beberapa komponenFoutput hanya 1 arus tetapi dapat berupa campuran terdiri dari beberapa komponen

Neraca Massa Total:FinputsistemFoutput[laju massa total masuk sistem] [laju massa total keluar sistem] = [laju akumulasi massa total dalam sistem]laju massa komponen i = [ fraksi massa komponen i ] x [laju massa total]= [Xi ]x[ Ft ]Neraca Massa Komponen i:[laju massa komponen i masuk sistem] [laju massa komponen i keluar sistem] = [laju akumulasi massa komponen i dalam sistem] Perhitungan Neraca Massa:

evaporatorair tebu (38% gula)larutan gula pekat (74% gula)uap air 125 ton/hariberapa air yang teruapkan dalam evaporator? (proses kontinyu, kondisi: steady state)

evaporatorProduk, P kg/jamXGP=0,74

Uap Air,W kg/jamXGW=0Umpan, F=125 ton/hariXGF=0,38Neraca massa total:F = W + P (1)

Neraca massa komponen gula:F.XGF = W. XGW + P.XGP (2)Berapakah W ?

Evaporators (a) basket type (b) long tube (c) forced circulation

Double effect evaporator forward feed

evaporatorsusu segarSweetened-Condensed Milk, P kg/jamuap air, W kg/jam F=100 kg/jamBerapa air yang teruapkan dalam evaporator?Berapa gula yg ditambahkan?Gula, G kg/jamproses kontinyu, kondisi: steady state)

Data hasil analisa laboratoriumKomposisi (% berat)Susu segarSweetened-Condensed MilkProtein3,68,1Fat3,88,4Sugar4,954,8Calcium0,10,3Phosphorous0,10,2water87,528,2

evaporatorcondenserAir IrigasiAir MinumAir GaramKandungan garam: 24000 ppm)

Air Payaubypassuap air100 kg/jamKandungan garam: 12000 ppmA1A9A8A7A6A4A5A3A2(kandungan garam:1000 ppm)Berapa air payau yang harus di-bypass (A3) jika diinginkan jumlah air minum yang diproduksi 1/10 jumlah air irigasi (proses kontinyu, kondisi steady state)berat jenis di semua arus sama yaitu 1 g/cm3(kandungan garam: 0 ppm)

evaporatorcondenserAir IrigasiAir MinumAir GaramKandungan garam: 24000 ppm)

Air Payaubypassuap air100 kg/jamKandungan garam: 12000 ppmA1A9A8A7A6A4A5A3A2(kandungan garam:1000 ppm)(kandungan garam: 0 ppm)I

evaporatorcondenserAir IrigasiAir MinumAir GaramKandungan garam: 24000 ppm

Air Payaubypassuap air100 kg/jamKandungan garam: 12000 ppm198764532(garam:1000 ppm)(garam: 0 ppm)III

Neraca massa yang melibatkan arus purge:

pressextractorseparatorampas (serat + protein + 3% n-hexana)n-hexana2,3 kg/menit, biji kedelai 7,4 kg/menit n-hexanaproduk minyak kedelain-hexana+ minyak kedelai Biji kedelai sebanyak 2,3 kg/menit dihancurkan dengan cara ditekan dalam alat pres, kemudian dicampur dengan solven n-hexan dalam ekstraktor untuk diambil minyaknya. Minyak kedelai yang ter-ektraksi bersama dengan solven n-hexan dimasukkan dalam separator untuk dipisahkan n-hexannya agar dapat dipergunakan lagi di ekstraktor bersama dengan solven segar yg ditambahkan sebagai pengganti solven yg hilang karena terikut limbah ampas hasil dari ekstraktor. Jika kandungan biji kedelai adalah 37% minyak, 45% protein, dan 18% serat, hitunglah besarnya limbah ampas (kg/menit) pada proses pengambilan minyak tersebut.n-hexana segarA1A2A3A4A5A6A7A8

Neraca massa suatu sistem yg di dalamnya terjadi reaksi kimia

Suatu pabrik membakar batubara sebanyak 1000 kg/hari untuk memenuhi kebutuhan energinya. Batu bara yang dibakar mempunyai komposisi:97,5% C; 0,5 % S; 2% impuritas lain-lain (persen berat). Agar supaya pembakarannya sempurna, untuk membakar batubara tersebut digunakan udara sebanyak 1,3 kali kebutuhan stoikhiometrinya. Jika reaksi pembakaran dianggap sempurna,-Hitunglah berapa besarnya emisi CO2 dan SO2 jika udara dianggap hanya terdiri atas: 79% N2 dan 21% O2.-Hitunglah komposisi gas hasil pembakaran

Batubara 1000 kg/hari UdaraGas Hasil Pembakaran

cerobongCO2 = % ?SO2 = % ?N2 = % ?O2 = % ?BatubaraUdaraReaksi pembakaran:C + O2 CO2S + O2 SO2

IC + O2 CO2S + O2 SO2BatubaraUdaraGas Hasil Pembakaran

C, S, IN2, O2CO2= ? % molSO2= ? %N2= ? %O2 = ? %IC + O2 CO2S + O2 SO2total= ?

Biasanya, tidak semua reaktan yang kita reaksikan dalam reaktor akan bereaksi semuanya. Jumlah reaktan yang bereaksi, biasanya dinyatakan dengan konversi:NA0= Mol A mula-mulaNA= mol A setelah reaksiFA0= laju mol A mula-mulaFA= laju mol A setelah reaksi

KonversiBatch Flow

Untuk reaksi tak-dapat balik (ireversible), harga maksimum X adalah harga konversi reaksi komplit yaitu X=1 Untuk reaksi dapat balik (reversible), harga maksimum X adalah harga konversi kesetimbangannya yaitu X=Xe

Proses Batch vs. Proses Kontinyut prosesbatchFA0FAkontinyut pengeluarant batchVVNA0NA

Kita tinjau persamaan reaksi umum

JIka kita pilih A sebagai basis perhitungan Yang dipilih sbg basis perhitungan selalu reaktan yang jumlahnya terbatas. Konversi zat A dalam reaksi sama dengan jumlah mol A yang bereaksi per mol umpan.

produkREACTORumpan reactantkonversi A:

REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK (RATB)CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR (CSTR)atau

REACTORBagian atas reaktor ada di lantai yg berbeda dg bagian body (untuk memudahkan pengisian)

Klasifikasi Reaktor :1. Reaktor BatchDigunakan apabila : Kapasitas produksi kecil Waktu tinggal lamaSuatu reaktor dimana bahan baku dimasukan dahulu, kemudian terjadi proses rekasi, dan hasil diambil

2. Reaktor kontinyuReaktor kontinyu digunakan apabila : Kapasitas produksi besar Waktu tinggal singkatTerdiri dari : Contininous Stirred Tank Reactor (CSTR)/Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) Plug Flow Reactor (PFR)/Reaktor Alir Pipa (RAP) Packed Bed Reactor (PBR)

Agar padatan dalam cairan tersebut larut(bereaksi) semuanya dibutuhkan suatu tempat, yaitu Reaktor.Untuk menentukan ukuran reaktor, kita perlu mengetahui seberapa cepat padatan tersebut larut. Sehingga dibutuhkan data Rate Process ( Kecepatan reaksi/Laju Reaksi )Kecepatan ReaksiGambaran umum :

Kecepatan Reaksi :Laju/kecepatan suatu zat kimia mengalami reaksi untuk menghasilkan suatu produk baru.-rA : Kecepatan lenyapnya/berkurangnya zat A persatuan volum rB : Kecepatan munculnya/pembentukan zat B persatuan volumUntuk reaksi katalitik(misal reaksi fase gas dengan katalis padat) :-rA : Kecepatan lenyapnya/berkurangnya zat A persatuan satuan massa katalisKonsentrasi zat dalam reaktor berubah terhadap waktu, sehingga :Konsentrasi zat dalam reaktor tetap terhadap waktu, sehingga :

Sehingga secara umum apabila kita tinjau zat j, maka :rj adalah laju pembentukan zat j persatuan volumrj fungsi konsentrasi, suhu, tekanan, dan jenis katalisrj tidak tergantung tipe sistem reaksi (batch, plug flow, dsb.)rj adalah persamaan aljabar, BUKAN persamaan differensialPersamaan yang mana yang benar harus ditentukan dari data percobaan.Contoh:

tabel stoikhiometri

komponenmol mula-mulamol yang bereaksi/terbentukmol yang tersisaAFAoFAo.XFA=FAo- FAo.XBFBo(b/a).FAo.XFB=FBo- (b/a).FAo.XCFCo(c/a).FAo.XFC=FCo+ (c/a).FAo.XDFDo(d/a).FAo.XFD=FDo+ (d/a).FAo.XI (Inert)FIoFI=FIoTOTALFToFT=FTo+[d/a+c/a-b/a-1]FAoX

Reaksi oksidasi SO2:Dilakukan dalam reaktor fixed bed dengan menggunakan katalis Pt/Al2O3

Gas SO2 dimasukkan bersama dengan udara pada suhu 227oC dan tekanan 15 atm dengan komposisi 28% SO2 dan 72% udara (persen mol). Jika reaktor beroperasi secara isothermal (suhu tetap) dan tekanan konstan, berapa konsentrasi masing-masing gas keluar reaktor pada konversi 75%.

Reaktor Fixed BedTumpukan katalis (bed of catalyst)umpan reactantproduk

Contoh: Pabrik vinyl chloride dengan pirolysis dichloroethane kapasitas 40 000 ton per tahunReaktorReaksi pembuatan monomer vinyl chloride:C2H4Cl2 -> C2H3Cl + HClBerapa kebutuhan bahan baku DCE (dalam kg/jam), jika pabrik dianggap beroperasi 8000 jam/tahunBM: DCE=99; VC=62,5Konversi: 55%

Reaksi pembuatan monomer vinyl chloride:a A -> b B + c C

komponenmol mula-mula (mol/waktu)mol yang bereaksi atau terbentuk (mol/waktu)mol yang tersisa (mol/waktu)AFAoFAo.XFA=FAo- FAo.XBFBo(b/a) FAo.XFB=FBo+ (b/a).FAo.XCFCo(c/a).FAo.XFC=FCo+ (c/a).FAo.X

Reaksi pembuatan monomer vinyl chloride:A -> B + C

komponenmol mula-mula (mol/waktu)mol yang bereaksi/terbentuk (mol/waktu)mol yang tersisa (mol/waktu)AFAoFAo.XFA=FAo- FAo.XB0FAo.XFB=0+FAo.XC0FAo.XFC=0+FAo.X

Vinyl chloride yang terbentuk: FAo.X= 40 000 000 kg/tahun= 40 000 000/8000 kg/jam= 5000 kg/jam=5000/62,5 kgmol/jam=80 kmol/jamFAo X = 80 kmol/jamFAo (0,55) = 80 kmol/jamFAo = 80/0,55 kmol/jam = 145.5 kmol/jam = 145,5 (99) kg/jam = 14 400 kg/jam

Reaktor Batch Reaksi fase cair endotermis order satu:A BDijalankan pada reaktor tangki berpengaduk yang bekerja secara batch. Konsentrasi mula-mula: CA0. Panas reaksi endotermis besarnya cal/gmol A. Rapat massa campuran dan kapasitas panas dianggap tetap masing-masing, dan Cp. Suhu campuran mula-mula: To. Untuk menjaga agar suhu reaktor tetap tinggi, reaktor dilengkapi dengan koil pemanas yang dialiri steam jenuh dengan suhu Ts dan keluar sebagai embunan dengan suhu Ts juga.

Berapakah konversi dari reaksi tersebut jika waktu reaksi 10 menit??

Contoh: Pabrik monomer vinyl chloride dengan pirolysis dichloroethane kapasitas 40 000 ton per tahunKonversi: 55%Reaksi pembuatan monomer vinyl chloride:C2H4Cl2 C2H4Cl + HClBerapa banyak panas yang harus di-supply ke reaktor tsb?Jika sebagai pemanas dipakai BBG dg nilai kalor 33,5 MJ/m3 gas, perkirakan kebutuhan BBG untuk reaktor tersebut (efisiensi pembakaran 70%) !HR,25oC=70224 kJ/kmolQT=500oC P=2 atmDCE cairDCEVCHClT=20oC

Data Cp gas fungsi temperatur:Cp DCE cair dianggap tidak fungsi suhu= 116 kJ/kmol KPanas latent penguapan DCE pada 25oC=34,3 MJ/kmolkJ/kmol K

abcdVC5,9420,16x10-2-15,34x10-547,65x10-9HCl30,28-0,761x10-21,325x10-5-4,305x10-9DCE20,4523,07x10-2-14,36x10-533,83x10-9

Example100,000 liters of wastewater containing 0.5% insoluble solids and 0.1% soluble solids from a small town is treated utilizing a primary solids separation facility and a secondary kilometer square wetland. Assume that all the insoluble solids are removed in the primary separation and that none of the soluble solids are removed by either system. The average energy input from the sun per day on the wetland is 26 kJ/m2. The water enters at 15 C and exits at 18 C.

Determine the concentration of the soluble solids in the outflow water from the wetland.