03 Neraca Massa

7/16/2019 03 Neraca Massa

http://slidepdf.com/reader/full/03-neraca-massa 1/46

Neraca Massa Rangakaian

Proses

PENGENALAN

PABRIK



NERACA MASSA

Berdasar pada HUKUM KONSERVASI MASSA

Proses STEADY-STATE

Proses mantap tak tergantung waktu.

Tidak ada perubahan pada aliran, tekanan, suhu

dan variabel proses lain terhadap waktu.

Proses UNSTEADY-STATE

Proses tak mantap (tergantung waktu)



JENIS PROSES

Batch

Umpan dimasukkan pada satu waktu

Produk dikeluarkan pada satu waktu yang lain

Bersifat unsteady-state (transient )

Continuous

Alira umpan dan produk mengalir terus menerus

Bersifat steady-state

Semibatch Aliran umpan atau produk dialirkan terus

menerus pada rentang waktu tertentu



PERSAMAAN UMUM

Neraca Total

Neraca Komponen A



PERSAMAAN UMUM

Steay-state

Tidak ada akumulasi

Steady-state tanpa reaksi kimia

Tidak kumulasi, tidak ada generasi dan konsumsi



PROSEDUR PENYELESAIAN

Problema neraca massa biasannya berisi:

Deskripsi proses

Nilai beberapa variabel proses

Kuantitas yang harus diselesaikan

Prosedur :

1) Gambarkan blok sistem lengkap nilai dan simbol

variabel. Gunakan sesedikit mungkin simbol

2) Pilih basis perhitungan, dalam jumlah atau laju alir

3) Tuliskan persamaan neraca massa

4) Selesaikan persamaan pada butir (3)



NERACA MASSA

Neraca Massa Tanpa Reaksi Kimia



Contoh-1

Aliran larutan 20%-berat NaOH diencerkandengan aliran air hingga menghasilkan aliran

encer larutan 8%-berat NaOH

a) Hitung rasio air terhadap umpan NaOH(gram H2O/gram umpan) dan rasio produk

terhadap umpan (gram produk/gram

umpan)

b) Tentukan laju umpan dan laju air untukmenghasilkan 2310 kg/menit larutan 8%-

berat NaOH

(Jawab: (a) 1,5 dan 2,5; (b) 924 kg/menit dan



Contoh-2

Campuran yang terdiri atas 45%-berat bensena (B)

dan 55%-berat toluena (T) dipisahkan dengan kolom

distilasi. Produk atas terdiri atas 95%-berat B.

Sebanyak 8% bensena dalam umpan mengalir dalam

produk bawah. Lajun umpan 2000 kg/h. Tentukan:a) Laju B dan T dalam aliran bawah (kg/h)

b) Laju produk atas (kg/h)

(Jawab: (a) 72 kg B/h dan 1056,4 kg T/h; (b)

871,6 kg/h)



Contoh-3

Material balances on a continuous distillation process

Seribu kilogram per jam campuran bensena (B) dan

toluena (T) berisi 50% massa bensena dipisahkan

dengan distilasi menjadi dua aliran. Laju alir bensena

dalam aliran atas 450 kg/h dan laju alir toluena dalamaliran bawah 475 kg/h. Operasi berlangsunf steady

state. Tentukan laju alir bensena dan toluena dalam

kedua aliran keluar yang belum diketahui.



Contoh-4

Material balances on a batch mixing process

Two methanol-water mixtures are contained in

separate flasks. The first mixture is 40.0 wt %

methanol, and the second is 70.0 wt % methanol. If

200 g of the first mixture is combined with 150 g of thesecond, what will be the mass and composition of the

resulting mixture?



Contoh-5

Material balances on a semibatch process

Air is bubbled through a container of liquid hexane at

a rate of 0.100 kmol/min. It then leaves the container,

such that the output gas contains 10.0 mole %

hexane vapor. Assume that air is insoluble in liquidhexane. What is the time required to vaporize 10.0

m3 of the hexane?



MULTIPLE UNIT PROCESS Neraca pada masing-masing unit harus seimbang

Neraca total

Neraca yang diambil untuk unit keseluruhan

tanpa melihat aliran proses bagian dalam.

Recycle (daur ulang)

Aliran proses yang dikembalikan ke bagian

depan.

Bypass

Aliran yang memintas satu atau lebih unit proses

Purge

Aliran yang dipakai untuk mengeluarkan

komponen yang tidak diperlukan atau limbah



JUMLAH VARIABEL

Jumlah maksimum variabel yang tak diketahui =(Jumlah komponen + 1) * (Jumlah

aliran)

Jumlah variabel yang diketahui =

Jumlah aliran dan komposisi yang

diketahui

Jumlah variabel yang tak diketahui =

(Jumlah maksimum variabel yang tak

diketahui) –



JUMLAH PERSAMAAN

INDEPENDEN

Tulis persamaan independen sebanyak jumlahvariabel yang tak diketahui.

• Neraca Massa: SATU persamaan tiap komponen tiap

nodus.

Nodus adalah satu peralatan, titik pencampur (mix point ), atau titik pembagi aliran (split ).



Persamaan Lain

•

Spesifikasi: split , percent recovery , rasio, dll.• Definisi: jumlah aliran massa komponen

sama dengan aliran massa total.

• Basis: diperlukan jika seluruh aliran total tak

diketahui

Jumlah persamaan neraca massa samadengan jumlah nodus dikalikan jumlah

komponen



Contoh-6

Perhatikan dua proses distilasi berikut. Tentukan lajudan komposisi aliran 1, 2, dan 3



Contoh-7

Kolom distilasi memisahkan 10 000 kg/hcampuran 50% benzene dan 50% toluene.

Komposisi produk atas setelah keluar kondensor

berisi 95% benzene dan produk bawah berisi

96% toluene. Aliran uap (V) masuk kondensor pada laju 8 000 kg/h. Sebagian produk atas

dikembalikan ke kolom sebagai cairan refluks (L)

dan sisanya sebagai aliran distilat (D). Dianggap

komposisi aliran V, L, dan D adalah sama.Tentukan rasio refluks (L) terhadap distilast (D).



Contoh-7 (lanjutan)



TEKNIK MENYELESAIKAN NERACA MASSA RANGKAIAN PROSES

Metode AljabarDengan cara eliminasi dan substitusi variabel dari satu setsistem persamaan linier.

Metode Modular BerurutanMerupakan metode iterasi numerik. Dimulai dengan memberinilai awal (initial guess value) kemudian dilakukanperhitungan berulang-ulang hingga konvergen.

Metode Orientasi PersamaanIni adalah metode aljabar eksak. Buat sistem persamaan linierdalam bentuk matriks. Inversi koefisien matriks dan kalikandengan vektor konstan yang ada.



KONVENSI



Contoh-8

Proses Kristalisasi Evaporatif



Contoh-8 (lanjutan)

a) Berapa: laju alir massa evaporasi

laju alir massa produksi kristal K2CrO4

laju alir massa umpan yang harus ditangani

evaporator dan crystallizer

recycle ratio (massa recycle)/(mass umpan segar)

b) Berapa laju produksi kristal jika filtrat tidak

didaur-ulang?



1 2

3

4

5

6

7

8

Metode Modular Berurutan

1 2 3 4 5 6 7 8

C3 2000 kg/h 65% 99% 0 0

C4 3000 kg/h 35% 1% 97% 2%

C5 5000 kg/h 5% 0 3% 98%

Rasio (d/f ) untuk C3 di kolom T-2 adalah 0,90



Solusi

Analisis Variabel dan Persamaan yang takdiketahui

Jumlah komponen = 3

Jumlah aliran = 8

Jumlah maksimum variabel yang tak diketahui =

(3 + 1) 8

Jumlah variabel yang diketahui = 16

Jumlah variabel yang tak diketahui = (3 + 1)8 – 16 = 16

Jadi dibutuhkan 16 persamaan

Jumlah nodus = 4 (tiga kolom dan satu titik

pencampuran)



Solusi

PersamaanPersamaan neraca massa dan persamaan lain,

dapat dibuat untuk:

1) Tiap komponen, atau

2) Tiap nodus (alat)



Kelebihan Metode Modular Berurutan1. Sangat cocok dikerjakan dengan spreadsheet (misalnya

EXCEL) karena dapat menyelesaikan langsung dalam bentuk tabel neraca massa.

2. Hanya membutuhkan sedikit memori komputer.

Kekurangan Metode Modular Berurutan

1. Tidak ada jaminan iterasi dapat konvergen.

2. Membutuhkan perencanaan dan pengetahuan yangdalam agar penyusunan persamaan dapat konvergen.



Metode Orientasi Persamaan

PersamaanTulis seluruh persamaan neraca massa dan

persamaan lain (terdapat 16 persamaan)

Penulisan ulang persamaan sehingga seluruh yang

tak diketahui diletakkan di sisi kiri persamaan.

Persamaan bentuk matriks

METODE ORIENTASI



METODE ORIENTASI

PERSAMAAN

Solusi



Kelebihan Metode Oreientasi Persamaan1. Solusi eksak, tanpa iterasi.

2. Penyusunan persamaan dapat secara bebas.

Kekurangan Metode Orientasi Persamaan1. Tidak dapat diselesaikan dengan bentuk tabel.

2. Membutuhkan banyak memori.



NERACA MASSA

Neraca Massa dengan Reaksi

Kimia



Reaktan Pembatas dan Ekses

Reaktan PembatasReaktan yang memiliki jumlah stoikhiometrik

terkecil

Reaktan Ekses

Reaktan yang memiliki jumlah stoikhiometrik lebih

besar



Extent of Reaction

Mol yang bereaksi atau produk reaksi dibagikoefisien reaksi

Jika reaksi tidak sempurna, keluaran reaktor

berisi komponen-i, sebanyak

Dengan:



Konversi, Selektivitas, dan Yield

Conversion (X)

Selectivity (S)

Yield (Y)

Qc = jumlah mol yang

bereaksiQR = jumlah mol produk

QF = jumlah mol umpan

reaktan



Contoh-9

Umpan sebanyak 250 mol/h SO2 dan 100 mol/hO2 diumpankan ke reaktor. Hanya 50 mol/h O2

yang bereaksi menurut,

2SO2 + O2 2SO3

Tentukan:

a) Reaktan pembatas

b) Persen ekses

c) Extent of reaction b) Komposisi aliran keluar reaktor



Contoh-10

Reaksi pembentukan etanol dari etilen dan air Dalam hidrasi etilen dengan katalitis asam, 6 mol

etilen dan 10 mol air dialirkan ke dalam reaktor.

Keluaran reaktor mengandung 0,25 mol etanol;

9,75 mol air; dan 5,75 mol etilen.

Tentukan:

a) Konversi (reaktan pembatas)b) Selektivitas (etanol)

c) Yield (etanol)



Contoh-11

Akrilonitril diproduksi melalui reaksi antarapropilene, amonia, dan oksigen

Umpan berisi 10%-mol propilene, 12%-mol

amonia, dan 78%-mol udara. Konversi reaktan

pembatas 30%. Tentukan:

a) reaktan pembatasb) persen ekses reaktan

c) laju alir molar seluruh komponen yang keluar

reaktor (basis 100 mol/h umpan)



Soal-1

Purge and RecycleDehidrasi propana dari propilena dalam reaktor

katalitik

C3H8 → C3H6 + H2

Proses dirancang untuk konversi total propana 95%.Produk reaksi dipisahkan ke dalam dua aliran yaitu:

1) aliran produk yang berisi H2, C3H6, dan 0.555%

propana yang meninggalkan reaktor; dan

2) aliran daur ulang yang berisi propana dan 5%propilena dalam aliran produk.

Hitung komposisi produk, rasio mol (moles

recycled)/(moles fresh feed), dan konversi sekali

lewat reaktor.`



Soal-1 (lanjutan)



Soal-2

Recycle and Purge in the Synthesis of AmmoniaThe fresh feed to an ammonia production process

contains 24.75 mole % nitrogen, 74.25 mole%

hydrogen, and the balance inerts (I). The feed is

combined with a recycle stream containing the samespecies, and the combined stream is fed to a reactor

in which a 25% single-pass conversion of nitrogen is

achieved. The products pass through a condenser in

which essentially all of the ammonia is removed, and

the remaining gases are recycled. However, to

prevent buildup of the inerts in the system, a purge

stream must be taken off. The recycle stream

contains 12.5 mole% inerts. Calculate the overall

conversion of nitrogen, the ratio (moles purge



Soal-2 (lanjutan)



Soal-3

Recycle and Purge in the Synthesis of Methanol Methanol may be produced by the reaction of

carbon dioxide and hydrogen.

CO2 + 3H2 → CH3OH + H2O

The fresh feed to the process contains hydrogen

and carbon dioxide in stoichiometric proportion,

and 0.5 mole% inerts (I). The reactor effluent

passes to a condenser, which removes

essentially all of the methanol and water formed,

none of the reactants or inerts. The latter

substances are recycled to the reactor.



Soal-3 (lanjutan)

To avoid build-up of the inerts in the system, apurge stream is withdrawn from the recycle. The

feed to the reactor contains 2% inerts, and the

single-pass conversion is 60%. Calculate the

molar flow rates of the fresh feed, the total feed tothe reactor, and the purge stream for methanol

production rate of 1000 mol/h.



Soal-3 (lanjutan)

03 Neraca Massa

Documents

Transcript of 03 Neraca Massa