ATK I DASAR-DASAR NERACA MASSA

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

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) ?

Pembuatan Gula

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)

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.

Jenis-Jenis Proses

Latihan

Klasifikasikan proses di bawah ini sebagai batch, continuous, atau semi-batch dan transient atau steady-state

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. CO2 dan steam diumpankan pada reaktor tubular pada laju konstan dan bereaksi menjadi CO2 dan H2. 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.

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.

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 O2 dan 79% N2 pada suhu 320 oC dan 1,4 atm mengalir dengan kecepatan 400 gmol/jam.

Diagram alir :

Diagram Alir Proses

2. Tandai dengan simbol untuk variabel yang akan dicari.

Diagram Alir Proses

Contoh penulisan

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


Jika laju alir adalah ingin kita scaling menjadi , kita bisa scaling semua arus dengan cara mengalikan dengan .


Contoh 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.

Neraca Massa

Neraca massa/bahan adalah perincian dari jumlah bahan-bahan 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

Persamaan Neraca Massa

Input GenerationConsumptio

nAccumulationOutput +- - =

Dimana Input = Aliran masuk ke sistem

Output = Aliran keluar sistem

Consumption = Digunakan oleh reaksi

Generation = Terbentuk karena reaksi

Acumulation = Terkumpul dalam sistem

Persamaan Neraca Massa

ContohSetiap tahun 50.000 orang pindah ke kota, 35.000 oramg keluar, 22.000 lahir dan 19.000 meninggal. Tulis neraca penduduk di kota.

JawabJika P adalah penduduk

Input + generation – output – consumption = accumulation

50.000 P/th + 22.000 P/th – 35.000 P/th – 19.000 P/th = A (P/th)

A = 18.000 P/th

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.

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.

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.

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

Contoh 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.


ContohSebanyak 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.


Neraca massa total

F = D + B

100 mol/jam = D + B

B = 100 mol/jam – D ….. (1)

Neraca massa komponen

F . XF = D . XD + B . XB

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

Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Batch)

Contoh 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

Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Batch)

Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Semi-Batch)

Contoh 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 m3 cairan. ( Heksana = 0,659 kg/L)


Neraca Massa Udara


Neraca Massa Heksana

Laju Alir Heksana meninggalkan sistem

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.

nDK = nunknown – nind.Eq

Jika nDK = 0 Bisa diselesaikan

Jika nDK > 0 Beberapa variabel harus dispesifikan. Jika tidak bias, tidak bias diselesaikan.

Jika nDK < 0 Diagram alir bisa jadi belum diberikan label sempurna, bias terjadi hubungan yang tidak konsisten.

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

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 X1, X2, dan X3, dapat dibuat satu persamaan karena jumlah total adalah 1.

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.

Hubungan Komposisi

Hubungan komposisi merupakan kesebandingan sederhana antara komposisi spesies dari aliran berbeda.

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.

dimana 1 = endapan, 2 = larutan jernih

Hubungan Komposisi

Contoh

Bila umpan slurry terdiri dari 10% massa padatan, 11% massa NaOH, 16% massa NAlO2 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 NaAlO2 dapat diperoleh kembali pada larutan jernih bila slurry diumpankan pada laju alir 1000 kg/jam ?

Rasio Laju Alir

ContohBenzena dipisahkan dari output kilang minyak yang mengandung 70 % massa benzene dan campuran paraffin dan hidrokarbon napthena dengan menggunakan pelarut SO2 cair.

Bila pelarut yang digunakan 3 kg SO2 cair per kg umpan ke proses. Rafinat mengandung 1/6 SO2 dan sisanya benzene. Ekstrak mengandung semua hidrokarbon nonbenzene, SO2 cair dan ¼ kg benzene per kg hidrokarbon non-benzene.

Berapakah benzene yang dapat direcovery (kg benzene pada rafinat/kg benzene pada umpan

ATK I DASAR-DASAR NERACA MASSA

Documents

Transcript of ATK I DASAR-DASAR NERACA MASSA