KIMIA INDUSTRI Kuliah ke-2 oleh Heriyanto 2013 Neraca Massa
Welcome message from author
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
KIMIA INDUSTRIKuliah ke-2
olehHeriyanto
2013
Neraca Massa
NERACA MASSABerdasar pada HUKUM KONSERVASI MASSA
Proses STEADY-STATEProses mantap tak tergantung waktu.Tidak ada perubahan pada aliran, tekanan,
suhu dan variabel proses lain terhadap waktu.Proses UNSTEADY-STATEProses tak mantap (tergantung waktu)
JENIS PROSESBatch
Umpan dimasukkan pada satu waktu
Produk dikeluarkan pada satu waktu yang lain
Bersifat unsteady-state (transient)
BatchUmpan dimasukkan pada satu waktuProduk dikeluarkan pada satu waktu yang lainBersifat unsteady-state (transient)
JENIS PROSESContinuous
Alira umpan dan produk mengalir terus menerus
Bersifat steady-state
JENIS PROSESSemibatch
Aliran umpan atau produk dialirkan terus menerus pada rentang waktu tertentu
PERSAMAAN UMUM
Neraca Total
Neraca Komponen A
PERSAMAAN UMUMSteady-state (tidak ada akumulasi)
Steady-state tanpa reaksi kimia(Tidak kumulasi, tidak ada generasi dan
konsumsi)
PROSEDUR PENYELESAIANProblema neraca massa berisi:Deskripsi prosesNilai beberapa variabel prosesKuantitas yang harus diselesaikan
Prosedur: 1)Gambarkan blok sistem lengkap nilai dan simbol
variabel. Gunakan sesedikit mungkin simbol2)Bila tak diketahui pilih basis perhitungan, dalam
jumlah atau laju alir3)Tuliskan persamaan neraca massa4)Selesaikan persamaan pada butir (3)
NERACA MASSA
Neraca Massa Tanpa Reaksi Kimia
Soal-1Aliran larutan 20%-berat NaOH diencerkan dengan 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 untuk menghasilkan 2310 kg/menit larutan 8%-berat NaOH
(Jawab: (a) 1,5 dan 2,5; (b) 924 kg/menit dan 1386 kg/menit)
Soal-2Aliran susu encer dengan 10%-berat padatan dipekatkan dengan evaporator hingga menghasilkan aliran susu pekat dengan 40%-berat padatana) Hitung rasio uap terhadap umpanb) Tentukan laju uap jika laju umpan
1000 kg/jam susu
Soal-3Campuran 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)
Soal-4Material balances on a continuous distillation
processSeribu 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 dalam aliran bawah 475 kg/h. Operasi berlangsunf steady state. Tentukan laju alir bensena dan toluena dalam kedua aliran keluar yang belum diketahui.
Soal-5Material balances on a batch mixing process
Dua aliran campuran metanol-air akan dicampur dalam tangki pencampuir. Aliran-1 berisi 40 %-berat metanol, dan aliran-2 berisi 70.0 %-berat metanol. Jika laju aliran-1 sebesar 200 kg/jam dan aliran-2 sebesar 150 kg/jam, berapa komposisi dan laju alir campuran?
Soal-6Material balances on a semibatch process
Udara dialirkan ke dalam heksana cair dengan laju 0,1 kmol/menit. Udara keluar dari tangki mengandung 10 %-mol uap heksana. Udara dianggap tidak larut dalam heksana. Berapa waktu yang dibutuhkan untuk menguapkan 10 m3 heksana?
MULTIPLE UNIT PROCESSNeraca pada masing-masing unit harus seimbangNeraca 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 variabel yang
diketahui)
JUMLAH PERSAMAAN INDEPENDENTulis persamaan independen sebanyak jumlah variabel 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 sama dengan jumlah nodus dikalikan jumlah
komponen
Soal-7Perhatikan dua proses distilasi berikut. Tentukan laju dan komposisi aliran 1, 2, dan 3
(Jawab: (a) 1,5 dan 2,5; (b) 924 kg/menit dan 1386 kg/menit)
SoalKolom distilasi memisahkan 10 000 kg/h campuran 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).
TEKNIK MENYELESAIKAN NERACA MASSA RANGKAIAN PROSESMetode Aljabar
Dengan cara eliminasi dan substitusi variabel dari satu set sistem persamaan linier.
Metode Modular BerurutanMerupakan metode iterasi numerik. Dimulai dengan memberi nilai awal (initial guess value) kemudian dilakukan perhitungan berulang-ulang hingga konvergen.
Metode Orientasi PersamaanIni adalah metode aljabar eksak. Buat sistem persamaan linier dalam bentuk matriks. Inversi koefisien matriks dan kalikan dengan vektor konstan yang ada.
KONVENSI
Soal-9Proses Kristalisasi Evaporatif
Soal-9 (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
SolusiAnalisis Variabel dan Persamaan yang tak
diketahuiJumlah komponen = 3Jumlah aliran = 8Jumlah maksimum variabel yang tak diketahui = (3 + 1) 8Jumlah variabel yang diketahui = 16Jumlah variabel yang tak diketahui = (3 + 1)8 – 16 = 16
Jadi dibutuhkan 16 persamaanJumlah nodus = 4 (tiga kolom dan satu titik pencampuran)Jumlah persamaan neraca massa = 4(3) = 12
SolusiPersamaan
Persamaan neraca massa dan persamaan lain, dapat dibuat untuk:1) Tiap komponen, atau2) 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 Berurutan1. Tidak ada jaminan iterasi dapat konvergen.
2. Membutuhkan perencanaan dan pengetahuan yang dalam agar penyusunan persamaan dapat konvergen.
Metode Orientasi Persamaan Persamaan
Tulis 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 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 EksesReaktan Pembatas
Reaktan yang memiliki jumlah stoikhiometrik terkecil
Reaktan EksesReaktan yang memiliki jumlah stoikhiometrik lebih besar
Extent of ReactionMol yang bereaksi atau produk reaksi
dibagi koefisien reaksiJika reaksi tidak sempurna, keluaran
reaktor berisi komponen-i, sebanyak
Dengan:
Konversi, Selektivitas, dan YieldConversion (X)
Selectivity (S)
Yield (Y)
Qc = jumlah mol yang bereaksiQR = jumlah mol produkQF = jumlah mol umpan reaktan
Soal-10Umpan sebanyak 200 mol/h SO2 dan 100 mol/h O2 diumpankan ke reaktor. Hanya 50 mol/h O2 yang bereaksi menurut,
2SO2 + O2 2SO3
Tentukan:a) Reaktan pembatasb) Persen eksesc) Extent of reactionb) Komposisi aliran keluar reaktor
Soal-11Reaksi pembentukan etanol dari etilen dan
airDalam hidrasi etilen dengan katalitis asam, 6 mol etilen dan 10 mol air dialirkan ke dalam reaktor. Keluaran reaktor mengandung 0,244 mol etanol; 9,75 mol air; dan 5,748 mol etilen.
Tentukan:a) Konversi (reaktan pembatas)b) Selektivitas (etanol)c) Yield (etanol)
Soal-11Reaksi pembentukan etanol dari etilen dan
airEtilen sebagai reaktan pembatas, etanol sebagai produk.
Konversi etilen
Selektivitas etanol
Yield (berdasar etilen terkonversi)
Yield (berdasar etilen umpan)
TUGAS-3Akrilonitril diproduksi melalui reaksi antara propilene, 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 reaktanc) laju alir molar seluruh komponen yang
keluar reaktor (basis 100 mol/h umpan)
SoalPurge and Recycle
Dehidrasi 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.`
Latihan-1 (lanjutan)
LATIHAN
Latihan-1Recycle and Purge in the Synthesis of Ammonia
The 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 same species, 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 gas/mole of gas leaving the condenser), and the ratio (moles fresh feed/mole fed to the reactor).
Latihan-1 (lanjutan)
Latihan-2Recycle 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.
Latihan-2 (lanjutan)To avoid build-up of the inerts in the system, a purge 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 to the reactor, and the purge stream for methanol production rate of 1000 mol/h.
Latihan-3 (lanjutan)
Related Documents
