atk i satuan, dimensi dan faktor konversi

ATK I
DASAR-DASAR NERACA MASSA
ASEP MUHAMAD SAMSUDIN, S.T.,M.T.
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) ?
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 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. 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
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
Scaling Diagram Alir dan Basis
Perhitungan
 Jika laju alir adalah
𝒏𝟏 ingin kita scaling
menjadi 𝒏𝟐 , kita bisa
scaling semua arus
dengan cara
𝒏
mengalikan dengan 𝟐 .
𝒏𝟏
Scaling Diagram Alir dan Basis
Perhitungan
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.
Scaling Diagram Alir dan Basis
Perhitungan
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
Persamaan Neraca Massa
Input
-
Output
-
Consumption
+
Generation
Dimana
 Input
= Aliran masuk ke sistem
 Output
= Aliran keluar sistem
 Consumption
= Digunakan oleh reaksi
 Generation
= Terbentuk karena reaksi
 Acumulation
= Terkumpul dalam sistem
=
Accumulation
Persamaan Neraca Massa
Contoh
Setiap tahun 50.000 orang pindah ke kota, 35.000 oramg keluar,
22.000 lahir dan 19.000 meninggal. Tulis neraca penduduk di
kota.
Jawab
Jika 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.
Neraca Massa non-Reaksi Kimia
(Proses Kontinyu, Steady State)
Neraca Massa non-Reaksi Kimia
(Proses Kontinyu, Steady State)
Contoh
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.
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 . 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 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 non-Reaksi Kimia
(Proses Semi-Batch)
Neraca Massa Udara
Neraca Massa non-Reaksi Kimia
(Proses Semi-Batch)
 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
persamaan independen meliputi :
untuk
menyusun
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.
𝑥𝑖𝑎 = 𝑥𝑗𝑏
 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.
1
𝑥𝑎
1−𝑥𝑝𝑎𝑑𝑎𝑡𝑎𝑛
= 𝑥𝑎2
 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
Contoh
Benzena 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