Soal Neraca Massa

Pengenalan Teknik Kimia J urusan Teknik Kimia – Fakultas Teknik Universitas Syiah Kuala

Neraca Massa(Review)


Bagian ini akan mendiskusikan

• Klasifikasi Proses• Neraca• Perhitungan Neraca Massa• Neraca massa pada multi-unit• Recycle dan bypass• Stoikiometri Reaksi Kimia• Neraca Massa yg melibatkan reaksi kimia• Reaksi Pembakaran (jika waktu memungkinkan)


Pada akhir kuliah bagian ini, diharapkan anda mampu:

• Menjelasakan proses batch, semibatch, dan kontinu serta proses steadi (mantap) dan transien (tak-mantap)

• Menganalisa, menggambarkan, dan memberi label pada bagan alir yang menggambarkan proses kimia pada unit tunggal.

• Memilih basis perhitungan yang sesuai untuk suatu proses kimia

• Menurunkan persamaan neraca untuk sistem proses kimia

• Melakukan analisa derajad kebebasan untuk mengevaluasi cukup tidaknya informasi yang diberikan pada proses tanpa reaksi kimia

• Menyelesaikan permasalahan neraca massa tanpa reaksi kimia untuk sistem satu unit menurut prosedur perhitiungan neraca massa.

• Menganalisa, menggambarkan dan memberi label pada bagan alir yang menggambarkan proses kimia pada multi unit ( multi proses)

• Menurunkan persamaan neraca massa untuk multi proses dan menyelesaikan persoalan yang berhubungan dengan neraca massa pada multi unit


Klasifikasi ProsesDikenal ada tiga jenis proses kimia:1. Proses Batch

– Umpan dimasukkan ke proses dan produk dikeluarkan ketika proses telah selesai.

– Tidak ada massa yang diumpankan atau dikeluarkan selama berlangsungnya operasi

– Digunakan untuk produksi skala kecil– Atas dasar sifatnya, maka proses batch beroperasi secara tak –steadi (transien)– Coba sebutkan contoh proses batch

2. Proses kontinu– Input dan output secara kontinu diumpankan dan dikeluyarkan dari proses– Atas dasar sifatnya, maka proses ini beroperasi secara steadi-state– Digunakan untuk produksi skala besar

– Coba sebutkan contoh proses kontinu3. Proses Semi-Batch

– Bukan proses batch maupun proses kontinu– Selama proses sebagian reaktan dapat dimasukkan dan sebagian produk dapat

dikeluarkan– Coba sebutkan contoh proses Semi-batch


Kelebihan proses batch

• Mudah dikembangkan dari skala laboratorium• Fleksibel

– Memungkinkan menggunakan pabrik yang sama untuk menghasilkan berbagai produk

– Mampu menyesuaikan produksi sesuai dengan permintaan

• Biaya operasional yang efektif untuk skala kecil• Dapat menggunakan peralatan serba-guna standar• Integritas produk yang tinggi – setiap batch dapat

diketahui secara jelas


• Biasanya melibatkan reaksi yang kompleks• Sulit menjaga kondisi optimum• Terjadi kehilangan pada saat start-up dan shut-down• Penggunaan material yang berlebihan karena tidak

dirancang untuk daur ulang (recycle) • Memerlukan pembersiahan setiap selesai satu batch• Menyebabkan tidak efisien terhadap sistem utilitas

disebabkan oleh berbagai kondisi

Kekurangan proses batch


Kelebihan proses kontinu

• Biasanya melibatkan reaksi kimia sederhana• Mudah mengendalikan dan menjaga pada kondisi

optimum• Memberikan produksi yang lebih besar dibandingkan

dengan proses batch• Mudah melakukan daur-ulang atau recycle• Biaya operasional lebih murah untuk skala besar• Operasionalnya lebih aman


Kekurangan proses kontinu

• Tidak fleksibel untuk menyesuaikan dengan permintaan• Tidak mungkin menggunakan peralatan yang sama untuk

menghasilkan berbagai produk• Sulit melakukan pembersihan dan sterilisasi alat secara

reguler.


Cara pengoperasian suatu proses

• Steadi state– Seluruh variabel proses (misalnya; temperatur,

tekanan, volume, laju alir dll) tidak berubah terhadap waktu

– Fluktuasi kecil masih dapat diterima

• Tak-steadi atau transien– Variabel proses berubah terhadap waktu, terutama,

laju alir.


Neraca

Kalau laju alir massa metana pada suatu proses kontinu seperti di atas tidak seimbang atau balance, maka kemungkinan:

i) Metana terkonsumsi sebagai reaktan atau terbangkitakan sebagai produk di dalam unit

ii) Metana terakumulasi di dalam unit, karena kemungkinan teradsorbsi pada permukaan dinding

iii) Terjadi kebocoran pada unit

iv) Pengukuran yang salah


Neraca Umum

Neraca suatu kuantitas kekal (seperti massa total, massa spesies tertentu, energi, momentum) pada suatu sistem ( unit proses tunggal, sekumpulan unit proses atauy keseluruhan proses) dapat ditulis:

INPUT +PEMBANGKITAN – OUTPUT – KONSUMSI= AKUMULASI


• Dua jenis neraca dapat ditulis:

Neraca differensial– Neraca yang menunjukkan apa yang terjadi di dalam sistem untuk

waktu sesaat.– Persamaan neraca merupakan suatu laju (laju pemasukan, laju

pembangkitan, dll) dan mempunyai satuan kuantitas yang dineracakan dibagi satuan waktu (penduduk/tahun, g SO2/detik).

– Biasanya dipakai untuk proses kontinu

Neraca Integral– Neraca yang menggambarkan apa yang terjadi antara dua kejadian

pada waktu yang berbeda– Persamaan neraca merupakan jumlah kuantitas yang dineracakan

dan mempunyai satuan kuantitas yang dimaksud ( penduduk, gr SO2)– Biasanya diterapkan untuk proses BATCH, dengan dua kejadian

antara selang waktu yaitu setelah umpan dimasukkan dan sesaat sebelum produk dikeluarkan.


Penyederhanaan Persamaan Neraca Massa

• Jika kuantitas yang dineracakan adalah MASSA TOTAL, tetapkan pembangkitan = 0 dan konsumsi = 0. Ingat massa tidak dapat diciptakan dan juga tidak dapat dimusnahkan

• Jika sistem pemrosesnya tidak melibatkan reaksi kimia, tetapkan pembangkitan = 0 dan konsumsi = 0.

• Jika sistemnya berada dalam keadaan steadi, tetapkan akumulasi = 0, tidak peduli apa yang dineracakan.


Neraca untuk proses kontinu dan steadi

• Steadi state: akumulasi = 0

INPUT + PEMBANGKITAN – OUTPUT – KONSUMSI= 0

• Jika neraca terhadap spesies tak bereaksi atau massa total:

INPUT = OUTPUT

Mari kita pelajari Contoh 4.2-2 pada halaman 86, Felder


Sebanyak 1000 kg/jam suatu campuran benzen (B) dan toluen (T) dengan kandungan benzen 50% massa dipisahkan secara distilasi menjadi dua fraksi. Laju alir massa benzen di dalam aliran puncak 450 kg B/jam dan laju alir massa toluen di produk bawah 475 kg T/jam. Operasi berjalan secara steadi state. Tulislah neraca benzen dan toluen untuk menghitung laju alir komponen yang belum diketahui pada aliran keluar.

Secara skematis diagram/bagan alirnya dapat digambarkan sbb:


Karena prosesnya berlangsung steadi, maka tidak akan ada massa yang akan muncul/bertambah di dalam sistem, sehingga suku akumulasi = 0 untuk seluruh bahan yang dineracakan. Selain itu, karena tidak ada reaksi kimia, maka tidak mungkin ada pembangkitan dan kosumsi. Sehingga persamaan neraca massa menjadi; input = output

Neraca Benzen 500 kg B/jam = 400 kg B/jam +

= 50 kg B/jam

Neraca Toluen 500 kg T/jam = + 475 kg T/jam

= 25 kg T/jam

Periksa hasil perhitungan: 1000 kg/jam = 450 + + + 475

1000 kg/jam = 450 + 50 + 25 + 475 kg/jam1000 kg/jam = 1000 kg/jam

2m

2m

1m

1m

1m 2m


Bagan Alir (Flowchart)

• Ketika anda diberikan informasi mengenai proses dan diminta untuk menentukan sesuatu, maka informasi itu harus disusun sedemikian rupa sehingga dapat dengan dengan mudah dimanfaatkan untuk melakukan perhitungan.

• Cara yang paling baik adalah menggambarkannya pada sebuah bagan alir (flowchart)– Gunakan kotak atau simbol lain untuk menggambarkan

unit proses (reaktor, pencampur, alat pemisah, dll)– Buat garis dengan tanda panah untuk menunjukkan

masukan dan keluaran


• Berikan label sejak mulai digambarkan, dengan nilai-nilai variabel proses yang diketahui dan simbol untuk yang belum diketahui baik pada input maupun output.

• Bagan alir berfungsi sebagai papan skor untuk menyelesaikan persoalan. Begitu satu variable yang tak diketahui telah ditentukan, masukkan angkanya ke bagan alir. Sehingga bagan alir akan merekam terus menerus hasil yang diperoleh dan apa yang masih harus dikerjakan.


Pelabelan Bagan Alir

• Tulis nilai-nilai dan satuan seluruh variabel aliran yang diketahui di lokasi aliran pada bagan alir.

• Contohnya, aliran yang mengandung 21% mol O2 dan 79% N2 pada 320˚C dan 1.4 atm mengalir dengan laju 400 mol/jam dapat dilabel sebagai berikut:

400 mol/jam

0.21 mol O2/mol0.79 mol N2/molT = 320˚C, P = 1.4 atm


Pelabelan Bagan Alir• Untuk aliran proses dapat dilakukan dengan dua cara:

– Sebagai jumlah total atau atau laju alir aliran dan fraksi dari masing-masing komponen

– Atau langsung jumlah atau laju alir masing-masing komponen

60 kmol N2/min40 kmol O2/min

0.6 kmol N2/kmol 0.4 kmol O2/kmol

100 kmol/min

3.0 lbm CH4

4.0 lbm C2H4

3.0 lbm C2H6

0.3 lbm CH4/lbm0.4 lbm C2H4/lbm0.3 lbm C2H6/lbm

10 lbm


• Berikan/tuliskan dengan simbol untuk menyatakan variabel aliran yang belum diketahui [ misalnya m (kg larutan/menit), x (lbm N2/lbm), dan n (kmol C3H8)] dan tuliskan variabel ini beserta dengan satuannya pada bagan alir

n mol/jam

0.21 mol O2/mol0.79 mol N2/molT = 320˚C, P = 1.4 atm

400 mol/jam

y mol O2/mol(1-y) mol N2/molT = 320˚C, P = 1.4 atm



• Jika massa aliran 1 setengah dari massa aliran 2, maka beri label masing-masing aliran ini dengan m dan 2m, tidak m1 dan m2.

• Jkika diketahui fraksi massa nitrogen 3 kali daripada massa oksigen, maka beri label fraksi massa masing-masing sebagai y g O2/g dan 3y g N2/g, bukan y1 dan y2.

• Ketika memberi label komponen dengan fraksi massa atau fraksi mol, maka yang terakhir haruslah 1 – jumlah yang lainnya.

• Jika informasi aliran diberikan dalam laju alir volumetris, umumnya akan bermanfaat kalau dilabelkan dalam bentuk laju alir massa atau molar atau dihitung secara langsung, karena neraca massa tidak ditulis dalam kualitas volumetris.Mari pelajari Contoh 4.3-1 pada halaman 92



Sebuah eksperimen mengenai laju pertumbuhan organisme tertentu memerlukan suatu lingkungan yang lembab dan kaya oksigen. Tiga aliran masuk diumpankan ke dalam sebuah kamar penguapan untuk menghasilkan aliran output dengan komposisi yang diinginkan.

A: Air (cair) diumpankan dengan laju 20 cm3/menitB: Udara (21% mol O2, dan N2 mengikuti standar)C: Oksigen murni, dengan laju alir molar 1/5 dari laju alir molar aliran B

Gas output dianalisa dan diperoleh 1,5 % mol air. Gambarkan dan beri label bagan alir proses dan hitunglah seluruh variabel aliran yang tak diketahui


Catatan mengenai pelabelan:1.Karena laju alir yang diketahui (20 cm3 H2O/menit) diberikan atas dasar per menit, maka akan lebih baik seluruh laju alir dibuat dalam basis ini2.Jika nama variabel (ǹ1) dipilih untuk laju alir udatra, informasi yang diberikan mengenai rasio laju alir udara dan O2 dapat digunakan untuk melabelkan laju alir O2 0,200 ǹ1

3.Fraksi mol komponen setiap aliran harus ditambahkan sehingga berjumlah 1. Karena fraksi mol H2O pada keluaran diketahui 0,015, jika fraksi mol O2 dilabelkan dengan y, maka fraksi mol N2 harus 1- (y+0,015) = (0,985-y) mol N2/mol


Kuantitas ǹ2 dapat dihitung dari laju alir volumetris dan densitas air

Masih ada tiga variabel yang belum diketahui yaitu ǹ1, ǹ3 dan y, yang kesemuanya dapat dihitung dengan neraca, atas dasar input = output karena proses tidak melibatkan reaksi kimia.

Neraca H2O


Neraca total mol

Neraca N2

Soal Neraca Massa

Documents