ATK Neraca Massa 1 (Sdh Print)

NERACA MASSA

A. Pendahuluan

Desain suatu proses dimulai dengan pengembangan dari diagram alir proses.

Untuk pengembangan diagram alir proses, perhitungan neraca massa sangat dibutuhkan.

Neraca massa ini mengikuti hukum kekekalan massa atau the law of conservation of

mass, bahwa massa sebenarnya tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan begitu saja.

Artinya total massa tidak akan berubah selama proses.

Dari hukum kekekalan massa dapat dituliskan persamaan neraca massa suatu proses:

= + (1)

+

atau:

Input = Output + Accumulation (2)

Jika akumulasi nol, misalnya untuk proses yang steady state, persamaan neraca massa

menjadi:

Input = Output (3)

Neraca yang biasa dipakai adalah:

Neraca massa total

Neraca komponen

Neraca atom

B. Metode Analisis Neraca Massa

Strategi analisis neraca massa yaitu, pertama, bagaimana persamaannya, dan

kedua, bagaimana cara menyelesaikannya. Untuk beberapa tipe problem metode

pendekatan relatif lebih mudah, tetapi untuk problem yang lainnya mungkin menjadi

lebih sulit. Pada dasarnya untuk menyelesaikan problem destilasi, kristalisasi, evaporasi,

pembakaran, pencampuran, absorpsi gas, atau pengeringan tidak berbeda satu sama

lainnya, tetapi harus dilihat sudut pandang bagaimana proses penyelesaian problem

tersebut.

1

Massa masuk dalam suatu proses

Massa keluar dari suatu proses

Massa terakumulasi

Pada analisis neraca massa pertama-tama kita harus menentukan berapa banyak

persamaan neraca massa yang bisa ditulis, apakah melibatkan reaksi kimia atau tidak, dan

buat batasan sistem neraca massa tersebut. Jumlah persamaan tak bebas dengan jumlah

variabel yang tidak diketahui harus sama.

W=?

F =100 kg P = 60 kg

Batasan sistem

Gambar 1. Skema proses destilasi etanol, komposisi tidak lengkap

Sumber: Himmelblau 1992, hal.118

Dari ilustrasi pada gambar 1 bisa dibuat persamaan neraca massa dari ketiga

komponen yang terlibat dalam batasan sistem. Dengan asumsi prosesnya steady state,

maka persamaan (3) kita gunakan. Misal digunakan sebagai simbol fraksi massa

komponen dalam aliran F, W, dan P, maka setiap persamaan mempunyai bentuk:

I,F F = I,P P + I,W W

Neraca massa komponen:

masuk keluar

EtOH: (0,50)(100) = (0,80)(60) + EtOH,W(W) (4a)

H2O: (0,40)(100) = (0,05)(60) + H2O,W(W) (4b)

MeOH: (0,10)(100) = (0,15)(60) + MeOH,W(W) (4c)

2

Komposisi: EtOH ? H2O ? MeOH ?

Komposisi:50% EtOH40% H2O10% MeOH


Neraca massa total:

masuk keluar

Total: (1,00)(100) = (1,00)(60) + EtOH,W(W) + H2O,W(W) + MeOH,W(W) (4d)

Jumlah fraksi untuk setiap aliran sama dengan satu:

EtOH,W + H2O,W + MeOH,W = 1 (5)

Ada empat persamaan tak bebas yaitu persamaan (4a), (4b), (4c), dan (5). Variabel yang

tidak diketahui ada empat yaitu W, EtOH,W , H2O,W, dan MeOH,W.

Problem ini secara spesifikasi bisa diselesaikan karena jumlah persamaan tak bebas sama

dengan jumlah variabel yang tidak diketahui. Caranya substitusi persamaan (5) ke

persamaan (4d), maka W bisa dihitung. Selanjutnya masukkan nilai W ke dalam

persamaan (4a), (4b), dan (4c), maka akan diperoleh nilai EtOH,W , H2O,W, dan MeOH,W

Ilustrasi pada gambar 2, ada berapa persamaan neraca massa komponen dapat

dibuat? Jawabannya adalah tiga, yaitu:

50 = 0,80P + 0,05W

40 = 0,05P + 0,925W

10 = 0,15P + 0,025W

Jumlah variabel yang tidak diketahui dua yaitu P dan W. Jelas problem ini overspecified

dan tidak mempunyai keunikan, sehingga perlu dikurangi satu persamaan.

W = ?

F = 100 kg P = ?

Batasan sistem

Gambar 2. Skema proses destilasi etanol, komposisi lengkap


3



Komposisi:5.0% EtOH92,5% H2O2,50% MeOH

F=16lb P=?CH4=100%

Batasan sistem

Udara = 300lb

Gambar 3. Skema proses pembakaran metana


Dari gambar 7.3 terlihat jumlah variabel yang tidak diketahui nilainya ada empat

yaitu nCO2, nN2, nH2O, dan nO2, dengan n jumlah mol setiap komponen di P, sehingga:

P = nCO2 + nN2 + nH2O + nO2 (6a)

Neraca komponen dengan basis 16 lb CH4 = 1 lb mol :

300 lb udara 1 lb mol udara

= 10,35 lb mol udara

29 lb udara

Neraca CH4 masuk udara masuk P keluar

C: 1 = nCO2 (6b)

H2 2 = nH2O (6c)

O2 10,35(0,21) = 2,17 = 0,5 nCO2 + nH2O + nO2 (6d)

N2 10,35(0,79) = 8,17 = nN2 (6e)

Persamaan reaksi kimia:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Dengan mengasumsi reaksi pembakaran sempurna, maka nCO2 = 1 dan nH2O = 2, persamaan

neraca komponen menjadi:

C: 1(1,0) = P(xCO2) (7a)

H2: 1(2,0) = P(xH2O) (7b)

O2: 2,17 = P(0,5xCO2 + xH2O + xO2) (7c)

N2 8,17 = P(xN2) (7d)

xCO2 + xH2O + xO2 + xN2 = 1 (7e)

4

%molO2 21% (64lb)N2 79% (210lb)

CO2 = ?N2 = ?H2O = ?O2 = ?

Untuk menyelesaikan problem ini, anda bandingkan antara persamaan (6a) dan (7e) dan

apakah bila persamaan (7e) dikalikan dengan P menjadikan PxI =nI? Silahkan dicoba!.

C. Neraca Massa tanpa Reaksi Kimia

Ada tiga cara yang umum digunakan dalam penyelesaian problem neraca massa

tanpa reaksi kimia.

(i) Tie material, yaitu material yang selama proses tidak berubah jumlahnya. Contoh:

dalam proses pemekatan larutan dengan evaporasi, padatan terlarut jumlahnya

tidak berubah selama proses.

(ii) Inert, yaitu komponen atau bahan yang tidak ikut ambil bagian dalam operasi.

Contoh: proses leaching Cu dari bijih logam tidak dipengaruhi oleh zat pengotor,

zat pengotor ini sebagai zat inert. Dalam proses pembakaran N2 merupakan inert.

(iii) Persamaan simultan. Biasanya ada dua atau lebih komponen yang ada dalam

sistem dan jika semua komponen berpengaruh secara simultan maka persamaan

neraca massa dapat diselesaikan dengan persamaan simultan.

Contoh 1: Drying

Pulp basah dengan kandungan air 71%, setelah dilakukan proses pengeringan dengan

dryer diperoleh 60% air yang ada diuapkan. Hitunglah:

(a) komposisi pulp kering

(b) massa air yang diuapkan per kilogram pulp basah

Penyelesaian:

Asumsi proses steady state

W (H2O 100%)

pulp basah: F D pulp kering:

- pulp = 29% - pulp = ? xP,D

- H2O = 71% - H2O = ? xH2O,P

batasan sistem

Basis: 1 kg pulp basah

H2O yang teruapkan = W = (0,6)(0,71) kg = 0,426 kg

5

Dryer

Perlu diingat bahwa: xP,D + xH2O,P = 1

mp,D + mH2O,D = D

Neraca massa komponen dan neraca massa total

Neraca F W D

Pulp 0,29 = 0 + mp,D

H2O 0,71 = 0,426 + mH2O,D

Total 1 = 0,426 + D

Dengan neraca komponen H2O, mH2O dapat dihitung,

0,71 = 0,426 + mH2O

mH2O = 0,71 – 0,426 = 0,284 kg

a) Komposisi pulp kering:

komponen Berat, kg Komposisi, %

PulpH2O

0,290,284

50,549,5

total 0,574 100,0

b) Massa air yang diuapkan per kg pulp basah = 0,426 kg

Contoh 2: Mixing

Suatu tangki berisi asam baterai (air aki) lemah mengandung 12,43% H2SO4. Jika 200 kg

larutan 77,77% H2SO4 ditambahkan ke dalam tangki tersebut akan dihasilkan larutan

18,63% H2SO4. Berapa kg asam baterai yang dihasilkan?

Penyelesaian:

Asam yang ditambahkan 200 kg (A)

Larutan awal (F) larutan akhir (P)

6

H2SO4 77,77%H2O 22,3%

H2SO4 12,43%H2O 87,57%

H2SO4 18,63%H2O 81,37%

Basis: 200 kg A

Neraca massa komponen dan neraca massa total dalam kg:

Neraca Akumulasi dalam tangki A Akhir Awal

H2SO4 P(0,1863) - F(0,1243) = 200(0,7777)

H2O P(0,8137) - F(0,8757) = 200(0,2223)

Total P - F = 200

Dari persamaan neraca massa total diperoleh F = P – 200

Persamaan F ini disubstitusi ke persamaan neraca komponen, maka P bisa dihitung.

P(0,1863) – (P-200)(0,1243) = 200(0,7777)

P = 2107,74 kg

F = 1907,74 kg

Contoh 3: Kristalisasi

Suatu tangki berisi 10.000 kg larutanjenuh NaHCO3 pada 60oC. Jika diinginkan 500 kg

kristal NaHCO3 dari larutan tersebut, pada suhu berapa larutan harus didinginkan?

Data kelarutan:

Suhu (oC) Kelarutan (g NaHCO3/100 g H2O)

60 16,4

50 14,45

40 12,7

30 11,1

20 9,6

10 8,15

Penyelesaian:

Larutan jenuh pada 60oC Larutan jenuh pada T?

F P

7

NaHCO3

H2O

NaHCO3

H2O

NaHCO3 500 kg kristal (100% NaHCO3)

Komposisi larutan jenuh NaHCO3 pada suhu 60oC:

16,4NaHCO3 = = 0,141

16,4 + 100

H2O = 1 - 0,141 = 0,859

Basis: 10.000 kg larutan jenuh NaHCO3 pada suhu 60oC

Neraca massa komponen dan neraca massa total dalam kg:

Akumulasi dalam tangki

Neraca Akhir (P) Awal (F) C

NaHCO3 xNaHCO3P - (0,141)(10.000) = 500

H2O xH2OP - (0,859)(10.000) = 0

Total P - 10.000 = 500

Dari persamaan neraca total diperoleh P = 9500 kg

Substitusi nilai P ke dalam persamaan neraca komponen NaHCO3 akan diperoleh nilai

xNaHCO3 = 0,096

Misal NaHCO3 dalam P = y gram, maka:

Dengan cara interpolasi data kelarutan antara suhu 20 dan 30oC akan diperoleh T

D. Neraca Massa dengan Reaksi Kimia

8

Dalam reaktor-reaktor industri hampir tidak pernah menggunakan bahan yang

stoikhiometris. Untuk mencapai reaksi yang sesuai dengan yang diinginkan biasanya

menggunakan bahan atau pereaksi berlebih.

a. Pereaksi terbatas:

Pereaksi terbatas adalah pereaksi yang jumlahnya paling sedikit menurut stoikhiometri.

Contoh: reaksi antara 1 mol C7H16 dengan 12 mol O2

Reaksi yang terjadi:

C7H16 + 11 mol O2 7 CO2 + 8 H2O

Perbandingandalam umpan dalam persamaan kimia

O2

=C7H16

12 = 12 > 1

11 = 11 1

C2H16 merupakan perekasi terbatas

Contoh lain: 1,1 mol A, 3,2 mol B, dan 2,4 mol C direaksikan dalm suatu reaktor

A + 3 B + 2 C produk

Perbandingandalam umpan dalam persamaan kimia

B =

A

C =

A

3,2 = 2,91 < 1,1

2,4 = 2,18 > 1,

3 = 3 1

2 = 2 1

B merupakan pereaksi terbatas relatif terhadap A dan A merupakan pereaksi terbatas

relatif terhadap C, sehingga B adalah pereaksi terbatas pada reaksi tersebut.

Jika ditulis dengan simbol: B < A, A < C, sehingga B < A < C.

b. Pereaksi berlebih:

Pereaksi berlebih adalah pereaksi yang jumlahnya lebih dari pereaksi terbatas menurut

stoikhiometri.

9

kelebihan mol % kelebihan = x 100 mol yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan pereaksi terbatas

c. Konversi reaksi:

Konversi reaksi adalah fraksi umpan atau komponen dalam umpan yang terkonversi

menjadi produk.

mol komponen yang bereaksi % konversi = x 100 mol komponen yang tersedia

Penyelesaian neraca massa yang melibatkan reaksi kimia menggunakan

penyelesaian persamaan simultan.

Problem yang melibatkan reaksi pembakaran, ada beberapa istilah yang umum:

a. Gas hasil pembakaran (flue gas atau stack gas) yaitu semua gas hasil dari pembakaran

termasuk uap air, dikenal dengan “basis basah” atau wet basis.

b. Analisis orsat yang dikenal dengan “basis kering” atau dry basis yaitu semua gas

hasil dari pembakaran tidak termasuk uap air.

CO2

CO

O2

N2

SO2

H2O

c. Udara teoritis (oksigen teoritis) yaitu jumlah udara (oksigen) yang dibutuhkan untuk

reaksi pembakaran sempurna.

d. Kelebihan udara (oksigen) yaitu kelebihan jumlah udara (oksigen) dari yang

dibutuhkan untuk pembakaran sempurna.

10

Basis basah

Basis kering bebas SO2

Basis kering

Perhitungan jumlah kelebihan udara tidak tergantung pada berapa banyak bahan yang

terbakar tetapi apa yang dibakar, misalnya C dibakar sempurna akan menjadi CO2, tetapi

jika reaksi pembakarannya tidak sempurna akan menjadi CO2 dan CO.

Kelebihan udara (oksigen) bisa dihitung dengan rumus:

kelebihan udara kelebihaan O2 /0,21 % kelebihan udara = x 100 = x 100 kebutuhan udara kebutuhan O2 /0,21

Atau

O2 masuk proses – kebutuhan O2

% kelebihan udara = x 100 kebutuhan O2

kelebihan O2 % kelebihan udara = x 100

O2 masuk - kebutuhan O2

O2 masuk proses = kebutuhan O2 untuk pembakaran sempurna + kelebihan O2

Contoh 4: Kelebihaan udara

Propana (C3H8) sebanyak 20 lb dibakar dengan 400 lb udara untuk menghasilkan 44 lb

CO2 dan 12 lb CO. Berapa % kelebihan udara?

Penyelesaian:

Reaksi:

C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2O

Basis: 20 lb C3H8

Kebutuhan O2:

20 lb C3H8 1 lb mol C3H8 5 lb mol O2

= 2,27 lb mol O2

44 lb C3H8 1 lb mol C3H8

O2 masuk:

400 lb udara 1 lb mol udara 21 lb mol O2 = 2,90 lb mol O2

29 lb udara 100 lb mol udara

Persen kelebihan udara:

O2 masuk proses – kebutuhan O2

11


2,90 lb mol O2 – 2,27 lb mol O2

= x 100 = 28% 2,27 lb mol O2

Contoh 5:

Proses pembakaran gas alam (100% CH4) dalam furnace menggunakan udara berlebih

130%. Bagaimana komposisi gas hasil pembakaran pada basis basah dan basis kering?

Penyelesaian:

Udara berlebih 130%, berarti udara yang digunakan lebih 130% dari yang dibutuhkan

untuk pembakaran sempurna atau udara yang digunakan 230%.

Reaksi yang terjadi:

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O

Gas hasil pembakaran:

CH4 CO2

100% H2OO2

N2

Udara (21% O2, 79% N2)130% berlebih

Basis: 1 mol CH4

Asumsi: reaksi pembakaran berjalan sempurna.

Kebutuhan O2:

2 x 1mol = 2 mol

O2 dari udara = O2 masuk:

(1,00 + 1,30) x 2 mol = 4,6 mol

Neraca elemen disusun sebagai berikut:

Neraca Input OutputCH4 Udara Gas hasil pembakaran

C: 1 nCO2

12

furnace

H2:O2:N2:

24,6017,32

nCO2

nO + nCO2+ nH2O

nN2

nCO2, nH2O, dan nN2 dapat dihitung secara langsung, nO dihitung dengan neraca O2.

1mol C in 1 mol CO2 outNeraca C: = 1 mol CO2 out

1 mol CH4 in 1 mol C out

2 mol H2 in 1 mol H2O outNeraca H2: = 1 mol H2O out

1 mol CH4 in 2 mol H2 out

4,6 mol O2 in 0,79 mol N2 Neraca N2: = 17,32 mol N2 out

0,21 mol O2

Neraca O2: nO2 = 4,6 – 1 – 1 = 2,6 mol O2 out.

Komposisi gas hasil pembakaran basis basah:

Komponen mol %CO2

H2OO2

N2

total

1 2

2,6 17,3222,92

4,4 8,711,375,6

100,0

Komposisi gas hasil pembakaran basis kering:

Komponen mol %

CO2

O2

N2

total

1

2,6

17,32

20,92

4,8

12,4

82,8

100,0

Contoh 6:

13

Etana awalnya dicampur dengan oksigen untuk menghasilkan gas dengan komposisi

80% C2H6 dan 20% O2 yang akan dibakar dalam mesin pembakaran dengan udara

berlebih 200%. Delapan puluh persen etana menjadi CO2, 10% CO, dan 10% tidak

terbakar. Hitunglah komposisi gas hasil pembakaran pada basis basah!.

Penyelesaian:

Basis: 100 lb mol bahan bakar gas

Reaksi:

C2H6 + 7/2O2 2CO2 + 3H2O

C + 5/2 O2 2CO + 3H2O

O2 untuk pembakaran sempurna:

80 lb mol C2H6 3,5 lb mol O2 = 280 lb mol O2

1 lb mol C2H6

Kebutuhan O2:

(280 – 20) lb mol = 260 lb mol

O2 masuk dalam udara:

3(260 lb mol) = 780 lb mol

O2 total masuk proses:

(780 + 20) lb mol = 800 lb mol

N2 masuk dalam udara:

780 lb mol O2 79 lb mol N2

= 2934 lb mol N2

21 lb mol O2

14

Mesin Pembakaran

Bahan bakar gas:80% C2H6

20% O2

Udara 200% berlebih

Gas hasil pembakaran:CO2

COC2H6

O2

N2

H2O

Komponen yang dihasilkan dalaam sistem:

80 lb mol C2H6 2 lb mol CO2 0,8 = 128 lb mol CO2

1 lb mol C2H6

80 lb mol C2H6 3 lb mol H2O 0,8 = 192 lb mol H2O

1 lb mol C2H6

80 lb mol C2H6 2 lb mol CO 0,1 = 16 lb mol CO

1 lb mol C2H6

80 lb mol C2H6 3 lb mol H2O 0,1 = 24 lb mol H2O

1 lb mol C2H6

untuk menghitung O2 sisa dalam gas hasil pembakaran, kita harus menghitung O2 yang

bereaksi:

80 lb mol C2H6 3,5 lb mol O2 0,8 = 224 lb mol O2 (CO2 dan H2O)

1 lb mol C2H6

80 lb mol C2H6 2,5 lb mol O2 0,1 = 20 lb mol O2 (dalam CO)

1 lb mol C2H6

O2 yang bereaksi = (224 + 20) lb mol = 244 lb mol

Dengan neraca O2 kita akan mendapatkan:

O2 sisa = (800 – 244) lb mol = 556 lb mol O2

H2O yang terbentuk:

192 lb mol + 24 lb mol = 216 lb mol H2O

C2H6 sisa = C2H6 yang tidak terbakar:

0.1 x 80 lb mol = 8 lb mol

15

Neraca komponen:

Komponenlb mol

% dalam gas hasil pembakaran

Bahan bakar

udara Gas hasil pembakaran

C2H6

O2

N2

CO2

CO

H2O

total

80

20

-

-

-

-

100

-

780

2934

-

-

-

3714

8

556

2934

128

16

216

3858

0,21

14,41

76,05

3,32

0,41

5,60

100,00

Contoh 7:

Sulfur murni dibakar pada laju alir 1000 kg/jam. Udara disuplai pada 30oC dan 755

mm Hg. Gas keluar burner pada 800oC dan 760 mm Hg mengandung 16,5% SO2, 3% O2,

dan sisanya N2 dalaam basis bebas SO3.

Hitunglah:

a. fraksi sulfur terbakar menjadi SO3

b. persen kelebihan udara

c. volume udara (m3/jam)

d. volume gas hasil pembakaran

Penyelesaian:

16

BurnerSulfur:1000 kg/jam

Udara 30oC, 755 mm Hg

Gas hasil pembakaran:(800oC, 760 mm Hg16,5% SO2 basis 3,0% O2 bebas80,5 % N2 SO3

SO3

Basis: 100 kg mol gas hasil pembakaran basis bebas SO3

Reaksi yang terjadi :

S + O2 SO2

S + 3/2 O2 SO3

O2 yang dibutuhkan untuk membentuk SO2:

16,5 kg mol SO2 1 kg mol O2

= 16,5 kg mol O2

1 kg mol SO2

Total O2 masuk burner:

80,5 kg mol N2 21 kg mol O2

= 21,4 kg mol O2

79 kg mol N2

O2 yang dibutuhkaan untuk membentuk SO3:

(21,4 – 16,5 – 3) = 1,9 kg mol

SO3 yang terbentuk:

1,9 kg mol O2 1 kg mol SO3

= 1,27 kg mol SO3

1,5 kg mol O2

a). Menghitung fraksi S terbakar menjadi SO3:

Total S terbakar = (16,5 + 1,27) kg at = 17,77 kg at

1,27Fraksi S menjadi SO3 = = 0,07

17,77

b). Menghitung % kelebihan udara:

Kebutuhan O2 untuk pembakaran sempurna (semua S terbakar menjadi SO2):

17,77 kg at S 1 kg mol O2

= 17,77 kg mol O2

1 kg at S

O2 masuk – kebutuhan O2


21,4 – 17,77= x 100 = 20,4%

17,77

17

c). Menghitung volume udara yang disuplai ke burner pada 30oC dan 755 mm Hg

1000 kg/jam S yang dibakar = = 31,25 kg at/jam

32 kg/kg at

Udara yang disuplai:

31,25 kg at/jam S 21,4 kg mol O2 100 kg mol udara

17,77 kg at S 21 kg mol O2

= 179,2 kg mol/jam udara

Volume udara yang disuplai:

179,2 kg mol/jam udara 22,4 m3 303 K 755 mm Hg

1 kg mol 273 K 760 mm Hg

= 4.425,9 m3 /jam udara

d) Menghitung volume gas hasil pembakaran pada 800oC dan 760 mm Hg:

Untuk 100 kg mol gas hasil pembakaran basis SO3:

Total gas = (100 + 1,27) = 101,27 kg mol

Untuk 31,25 kg at/jam S yang dibakar:

31,25 kg at/jam S 101,27 kg mol Total gas = = 178,1 kg mol/jam 17,77 kg at S

Volume gas hasil pembakaran:

178,1 kg mol/jam gas 22,4 m3 1073 K 760 mm Hg

1 kg mol 273 K 760 mm Hg

= 4.425,9 m3 /jam udara

Contoh 8:

Dalam Deacon process untuk memproduksi gas khlor, gas asam khlorida dioksidasi

dengan udara. Reaksi yang terjadi: 4 HCl + O2 2 Cl2 + 2 H2O.

Jika udara yang digunakan berlebih 30% dari teoritis, dan jika reaksi oksidasi berjalan

80%, hitunglah komposisi gas kering meninggalkan reaktor!.

18

Penyelesaian:

Basis: 4 kg mol gas HCl

Reaksi oksidasi yang terjadi:

4 HCl + O2 2 Cl2 + 2 H2O

Kebutuhan O2 untuk reaksi oksidasi sempurna:

4 kg mol HCL 1 kg mol O2

= 1 kg mol O2

4 kg mol HCl

O2 masuk proses = 1,3 x 1 kg mol = 1,3 kg mol

N2 masuk proses:

1,3 kg mol O2 0,79 kg mol N2

= 4,89 kg mol N2

0,21 kg mol O2

Neraca mol:

Neraca HCl masuk Udara masuk Gas keluar

Cl2

H2

O2

N2

2

2

-

-

-

-

1,3

4,89

nHCl + nCl2

nH2O

nH2O + nO2

nN2

Cl2 yang terbentuk:

4 kg mol HCl 2 kg mol Cl2 0,8 = 1,6 kg mol Cl2

4 kg mol HCl

H2O yang terbentuk:

4 kg mol HCl 2 kg mol H2 0,8 = 1,6 kg mol H2O 4 kg mol HCl

19

Gas keluar reaktor:HClCl2

O2

N2

H2O

ReaktorHCl

Udara 30% berlebih

O2 sisa = {1,3 – ½(1,6)} kg mol = 0,5 kg mol

HCl sisa = 0,2 x 4 kg mol = 0,8 kg mol

Komposisi gas kering:

komponen kg mol % mol

HCl

Cl2

O2

N2

total

0,8

1,6

0,5

4,89

7,79

10,27

20,54

6,42

62,77

100,00

E. Neraca Massa melibatkan Sistem Recycle, Bypass, dan Purge:

Sistem recycle adalah suatu sistem yang mana sebagian dari produk dikembalikan

ke proses, biasanya bertujuan untuk mendapatkan konversi yang lebih tinggi.

Recycle

Fresh feed Product

Mixed feed

Sistem bypass adalah suatu sistem yang mana sebagian dari umpan (feed) langsung

dicampur dengan produk tidak melalui proses, biasanya bertujuan untuk mengurangi

beban proses.

Bypass

Fresh feed Product

Sistem purge adalah suatu sistem yang mana sebagian dari recycle dibuang, tujuannya

untuk mengurangi bahan yang keberadaannya pada batas tertentu akan mengganggu

proses.

20

Process

Process

Recycle purge

Fresh feed Product

Contoh-contoh soal sistem recycle tanpa reaksi kimia.

Contoh 9:

Suatu kolom destilasi memisahkan 10.000 kg/jam campuran 50% benzen – 50% toluen.

Produk D dari kondensor dibagian atas kolom mengandung 95% benzen, produk bawah

W mengandung 96% toluen. Aliran uap V masuk ke kondensor dari bagian atas kolom

dengan kecepatan 8000 kg/jam.

Sebagian produk dikembalikan ke kolom sebagai refluks, dan sebagian lagi diambil

sebagai produk D. Dengan asumsi komposisi di V, R, dan D sama, hitunglah

perbandingan antara R terhadap D!.

Penyelesaian:

8000 kg/jam batasan sistem (II)

Vkondensor R

batasan sistem (I)

F = 10.000 kg/jam

- 0,5 Bz- 0,5 Tol

Neraca massa total (batasan sistem I):

F = D + W

10.000 = D + W (a)

21

Process

KOLOM

DESTILASI

D0,95 Bz0,05 Tol

W0,04 Bz0,96 Tol

Neraca komponen benzen:

F (F) = D(D) + W(W)

10.000(0,5) = D(0,95) + W(0,04) (b)

Selesaikan persamaan (a) dan (b) bersamaan, maka diperoleh:

500 = (0,95) (10.000 – W) + 0,04W

W = 4950 kg/jam

D = 5050 kg/jam

Neraca massa di sekitar kondensor (batasan sistem II):

V = D + R

8000 = 5050 + R

R = 2950 kg/jam

R 2950 = = 0,58D 5050

Contoh 10:

Suatu bijih logam mengandung 7% tembaga (Cu) akan diekstraksi dengan asam sulfat.

Semua tembaga yang ada dalam bijih dipindahkan ke fase asam, dan kemudian

diekstraksi dengan pelarut organik. Pelarut keluar ekstraktor mengandung 20% Cu (ini

meupakan keseluruhan Cu yang ada). Cu ini kemudian diambil dari larutannya,

sedangkan pelarut organik didaur ulang (recycle) jika zat pengikut dalam bijih logam

keluar proses sebanyak 800 ton/hari, berapa pelarut yang didaur ulang (recycle)?

Penyelesaian:

22

Zat pengikut masuk = zat pengikut keluar

0,93 F = 800

F = 860,2 ton/hari

Cu = 0,07(860,2) = 60,2 ton/hari

Recycle solvent = (80/20)(60,2)

= 240,8 ton/hari

23

Acid Leach

SolventExtraction

Copper recovery

Bijih logam:7% Cu93% zat pengikut

Zat pengikut800 ton/hari

80% solvent20% Cu

Recycle solvent

Asam buangan

Cu

H2SO4

Contoh-contoh soal sistem recycle dengan reaksi kimia.

Contoh 11:

Campuran H2 - N2 (3:1) pada umpan unit amonia dipanaskan sampai temperatur reaksi,

kemudian dimasukkan ke fixed bed reactor. Di sini 20% dari pereaksi terkonversi

menjadi amoniak (NH3) per sekali alir. Setelah keluar reaktor, campuran tersebut

didinginkan dan NH3 diambil dengan kondensasi. Campuran H2 - N2 yang tidak bereaksi

di daur ulang dan dicampur dengan umpan segar.

Tentukan produk dan recycle per 100 kg mol/jam umpan segar (fresh feed)!.

Penyelesaian:

Basis:100 kg mol fresh feed

Reaksi: N2 + 3H2 2NH3

Neraca massa total pada steady state:

Fresh feed = produk (NH3)

NH3 yang diproduksi:

100 kg mol feed 2 kg mol NH3

= 50 kg mol/jam NH3

4 kg mol feed

Neraca NH3: 50 = 0,2(100 + R)(2/4)

R = 400 kg mol/jam

24

Heater Reactor Condenser

recycle

Fresh feedH2 : N2 = 3 : 1

NH3batasan sistem untukneraca massa

Contoh 12:

Isomer glukose digunakan sebagai katalis pada pembuatan fruktose dari glukose dalam

fixed bed reactor. Sistem ditunjukkan pada gambar berikut, berapa persen konversi per

sekali alir ketika perbandingan produk terhadap recycle 8,33?.

Reaksi: C6H12O6 C6H12O6

d-glukose d-fruktose

recycle

feed produk40% glukose 4% fruktosedalam air

Penyelesaian:

Basis: F = 100 lb

Neraca massa total: 100 = P

100Sehingga: R = = 12,0 lb

8,33

tidak ada air yang terbentuk maupun yang bereaksi

25

Fixed – Bed Reactor

ReactorF’

F’,G

F’,F

F’,W

F = 100 lb

0,40 F,G

0,60 F,W

1,00

P

P,G

P,F

P,W

R

R,G

R,F

R,W

1 2

batasan sistemneraca massa total

air = 100(0,60) = P(P,W) = 100P,W

P,W = 0,60

Neraca massa di sekitar titik 1:

Total: 100 + 12 = F’ = 112

Glukosa: 100(0,40) + 12((P,G) = 112((F’,G)

Fruktosa: 0 + 12((R,F) = 112(0,04), atau R,F = 0,373

Karena R,G + R,F + R,W = 1, maka:

R,G = 1 – 0,373 – 0,600 = 0,027

Dari neraca massa glukosa:

F’,G = 0,360

Neraca massa di reaktor plus titik 2:

Total: F’ = 12 + 100 = 112

Glukosa: Input – output – consumed = 0

F’F’,G – (R + P) R,G – xF’F’,G = 0

112(0,360) – 112(0,027) – x(112)(0,360) = 0

x = 0,93

Contoh-contoh soal sistem bypass dan purge:

Contoh 13:

Suatu prroses pengolahan air dilakukan seperti pada gambar berikut.

Penyelesaian:

Misal: bagian yang masuk proses x , dan bypass y.

Neraca massa total:

26

ProcessF = 90 m3/jam

0,02 ppm SiO2

P

0,005 ppm SiO2

bypass = y ?

x

0,0005 ppm SiO2

1 2

F = P = 90 m3/jam

Neraca massa di titik 1:

90 = x + y (a)

Neraca massa di tittik 2:

(0,0005)x + (0,02)y = (0,005)P (b)

persamaan (a) dan (b) diselesaikan bersamaan, maka :

(0,0005)(90 – y) = 0,02y + (0,005)(90)

y = 20,77 m3/jam

x = 69,23 m3/jam

Contoh 14:

Pada umpan unit amonia, setiap 100 mol H2-N2 (3:1) mengandung 0,31 mol Ar, dimana

secara bertahap akan terakumulasi dalam aliran recycle sehingga mengganggu jalannya

proses. Telah ditentukan bahwa keberadaan Ar dalam reaktor bisa ditolerir jika tidak

lebih dari 4 mol per 100 mol H2-N2.

Jika konversi reaksi per sekali alir 20%, hitunglah recycle, purge, dan produk setiap 100

mol fresh feed (umpan segar)!.

Penyelesaian:

Reaksi: N2 + 3 H2 2 NH3 (konversi 20%)

Misal jumlah N2 dalam mixed feed x mol

Neraca mol di converter pada steady state:

27

NH3

Converter Condenser

Recycle

H2, N2, Ar

Fresh feedH2: 75 molN2: 25 mol Ar: 0,31 mol

Purge

H2, N2, Ar

Mixed feed

1

Neraca Masuk yang bereaksi Keluar

N2 x 0,2x 0,8x

H2 3x (0,2)(3x) = 0,6x (0,8)(3x) = 2,4x

Ar (0,04)(4x) = 0,16x - 0,16x

NH3 - - (2/4)(0,2)(4x) = 0,4x

Misal bagian purge f, sehingga recycle (1 – f)

Neraca mol di titik 1:

N2: 25 + (1 – f)(0,8x) = x (a)

H2: 75 + (1 – f)(2,4x) = 3x (b)

Ar: 0,31 + (1 – f)(0,16x) = 0,16x (c)

Ketiga persamaan tersebut dikerjakan secara bersama, maka akan diperoleh:

x = 117,25 mol

f = 0,0165

sehingga NH3 yang dihasilkan = (0,4)(117,25) = 416,9 mol.

Soal latihan

1. Suatu evaporator digunakan untuk memekatkan larutan 4% NaOH. Larutan yang

telah dipekatkan mengandung 25% NaOH. Hitunglah jumlah air yang diuapkan per

100 kg umpan.

84 kg

2. Suspensi dengan kandungan 25% berat padatan diumpankan ke filter. Filter cake

mengandung 90% padatan dan filtratnya mengandung 1% padatan.

a. Buatlah neraca massa jika laju alir umpan 2000 kg/jam!

b. Dengan laju alir tersebut, berapa laju alir filtrat dan cake (kg/jam)?

b) laju alir filtrat = 1460,7 kg/jam, filter cake = 539,3 kg/jam

3. Larutan etanol 35% didestilasi dengan kolom destilasi, hasil atas (destilat)

mengandung etanol 85% dan hasil bawah mengandung etanol 5%. Hitunglah:

a. kg destilat per kg umpan

b. kg destilat per kg hasil bawah

28

a) 0,375 kg, b) 0,6 kg

4. Asam buangan dalam proses nitrasi berisi 23% HNO3, 57% H2SO4, dan 20% H2O

(persen berat). Asam tersebut akan dipekatkan sehingga diperoleh hasil dengan

komposisi 27% HNO3, 60% H2SO4, dan 13% H2O dengan jalan menambahkan asam

sufat 97% dan asam nitrat 90%. Berapa kg masing-masing asam harus ditambahkan

untuk memperoleh 1000 kg hasil?.

519,35 kg asam buangan, 313,37 kg asam sulfat, 167,28 kg asam nitrat

5. Karbon murni dibakar dengan oksigen. Analisis gas hasil pembakaran: 75% CO2,

14% CO, 11% O2 (%mol). Berapa persen kelebihan oksigen?

4,5%

6. Bagaimana komposisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran pirit murni (FeS2)

dengan udara berlebih 60%.

Asumsikan bahwa reaksi yang terjadi sebagai berikut:

4 FeS2 + 11 O2 2 Fe2O3 + 8 SO2

9,90% SO2, 8,17% O2, 81,93% N2.

7. Analisis sintesa gas: 6,4% CO2, 0,2% O2, 40% CO, 50,8% H2, dan sisanya N2, gas

tersebut dibakar dengan udara 40% berlebih. Tentukan komposisi gas hasil

pembakaran!.

13% CO2, 14,3% H2O, 67,6% N2, 5,1% O2.

8 Larutan NaOH 24%, yang dibutuhkan dalam indusstri tekstil, dibuat dengan

melarutkaan NaOH padat dengan air. Untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh

pelarutan NaOH, maka proses pembuatan dilakukan dua tahap.

Pertama, NaOH padat dilarutkan dengan air dalam tangki pelarutan hingga diperoleh

larutan NaOH 50%. Setelah pelarutan sempurna dan dingin, larutan ini diencerkan

denngan air dalam tangki pengenceran hingga diperoleh larutan NaOH 24%.

29

Asumsi tidak ada penguapan, berapa perbandingan atara x terhadap y?.

0,462

9. Gula murni (sukrosa) dapat diubah menjadi glukosa dan fruktosa dengan proses

inversi.

C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6

d-Glukosa d-Fruktosa

Gabungan glukosa/fruktosa disebut dengan gula invers. Jika konversi 90% per sekali

alir, berapa aliran recycle per 100 lb laruta sukrosa masuk proses seperti yang

digambarkan di bawah?. Berapa konsentrasi gula invers (I) dalam recycle?.

Konsentrasi komponen dalam recycle dan produk sama.

R = 20,9 lb, I,R = I,RP = 0,279

30

Reaktor Separatorproduk

50%gula invers

Feed

Sukrosa30%Air 70%

Recycle

Tangki pelarutan

Tangki pengenceran

Larutan

NaOH 50%

Larutan

NaOH 24%

NaOH padat

Air

Bypass (y)

x

ATK Neraca Massa 1 (Sdh Print)

Documents