BAB III NERACA MASSA (MATERIAL (MATERIAL BALANCE) BALAN CE) Capaian Pembelajaran secara Umum
Sete Setela lah h meng mengik ikut utii mate materi ri kuli kuliah ah Nera Neraca ca Mass Massa, a, maha mahasi sisw swaa akan akan dapa dapatt menghitung neraca massa dalam suatu alat dan dalam rangkaian alat di Industri kimia baik dengan/ tanpa reaksi kimia. Capaian Pembelajaran secara Khusus
Setelah mengikuti materi kuliah neraca massa, mahasiswa jurusan teknik kimia semester I: -
Jika Jika diberi diberi data data alir aliran an-al -alira iran n masu masuk k dan dan kelu keluar ar dalam dalam suatu suatu alat, alat, komp kompos osisi isi bahan masuk, dan konersi bahan menjadi produk, akan dapat menghitung dan men!usun neraca massa dalam alat tersebut dengan/tanpa reaksi kimia dalam proses batch maupun kontin!u dengan benar. Jika Jika diberi diberi soal soal tentan tentang g permas permasalah alahan an nerac neracaa massa massa dalam dalam suatu suatu alat alat dengan dengan
-
sistem rec!cle, b!pass dan purge stream, baik !ang melibatkan reaksi kimia atau tidak, akan dapat menghitung dan men!usun Neraca Massa dalam alat tersebut dengan benar. !" PERMASALA#AN NERACA MASSA
"ada "ada
umum umumn! n!aa
mate materi rial al
bala balanc ncee
prob proble lem m
#per #perma masa sala laha han n
nera neraca ca
mass massa$ a$
dikelompokkan sebagai berikut :
Permasalahan Neraca Massa
Proses tanpa melibatkan Reaksi kimia Steady state operation
(nstead! State
Proses dengan reaksi kimia
Unsteady state operation Steady state operation
%ambar &.'. Skema "roses "ermasalahan Neraca Massa
Modul Ajar ATK-1 ATK-1
38
!$ PRINSIP %ASAR NERACA MASSA
"rinsip )asar dari neraca massa #bahan$ adalah *ukum +ekalan Massa : ang prinsipn!a, bahwa didalam suatu proses !ang dilakukan dengan cara apapun tidak ada massa !ang hilang percuma. Jadi total massa bahan !ang masuk kedalam suatu proses itu harus total massa !ang !ang keluar keluar dari dari proses proses ditamb ditambah ah akumul akumulasi asi di dalam dalam proses proses #apabi #apabila la terdapat terdapat akumulasi$ "ersamaan neraca massa secara umum : Input massa dalamOutput batasan sistem yang terakumulasi dalam sistem massa dalam batasan sistem i dalam terregenerasi terregeneras sistem terkonsumsi dalam sistem
-
=
+
-
#&.'$ +eterangan: Sistem adalah sebagian atau seluruh dari proses !ang dipilih untuk analisa. dapun sistem ini dapat dibedakan menjadi : a. Sistem Sistem terbuka terbuka dimana dimana bahan-b bahan-baha ahan n berpin berpindah dah melewati melewati sistem, sistem, maksud maksudn! n!aa bahan- bahan masuk kedalam sistem meninggalkan sistem atau kedua-duan!a kedua-duan!a b.
Sistem tertutup, !aitu sistem dimana tak ada perpindahan melewati sistem selama interal waktu tertentu #!ang diambil$
0ahwa persamaan umum neraca massa di atas berlaku untuk setiap bahan baik !ang mengalami reaksi kimia ataupun !ang tidak. )an persam persamaan aan terseb tersebut ut berlak berlaku u untuk untuk suatu suatu inter interal al waktu waktu !ang !ang diingi diinginka nkan n termasuk : tahun, jam, detik atau bisa juga waktu de1erensial. ang dimaksu dimaksud d dengan dengan generas generasii dan konsum konsumsi si dalam dalam persam persamaan aan diatas diatas adalah adalah terbentukn!a atau terpakain!a bahan karena reaksi kimia. *al-hal !ang khusus: '. (ntuk (ntuk bahanbahan-bah bahan an !ang !ang tidak tidak mengal mengalami ami generas generasii dan konsumsi dalam sistem maka
generasi dan
konsumsi 2 "ersamaan di atas menjadi: akumulasi input 3output ................................. ................................. *al ini terjadi dalam neraca massa : Modul Ajar ATK-1 ATK-1
39
#&.4$
a$ (ntuk bahan-bahan !ang tidak mengalami reaksi kimia di dalam sistem !ang diambil. b$ (ntuk semua unsur-unsur kimia #misaln!a S, *, 5, dan sebagain!a$ baik didalam sistem terjadi reaksi kimia maupun tidak. 4.
0ila didalam sistem tidak terjadi akumulasi, akumulasi, persamaan berubah menjadi: Input
5ut put put ..#&.&$ ..#&.&$
&. (ntuk sistem tertutup, tertutup, !ang mana tidak ada aliran bahan masuk dan keluar sistem, maka persamaan menjadi : kumulasi
generasi
-
konsumsi...........................#&.6$ konsumsi ...........................#&.6$
*al ini terjadi misaln!a jika mengisi reaktor dengan reaktan-reaktan dan mengambil produk dari reaktor, setelah sete lah reaksi selesai. Maka bila reaktor dipilih sebagai sistem dan bila interal waktu !ang diambil adalah setelah pengisian selesai dan sebelum produk dikeluarkan, maka sistem seperti ini adalah sistem tertutup. "erhitungan neraca massa selalu dilakukan didalam industri kimia baik didalam perancangan suatu proses maupun untuk merancang alat, juga dalam operasi pabrik !ang sudah sudah berjalan. berjalan. Neraca massa #bahan$ #bahan$ dibuat dibuat dengan tujuan tujuan untuk mencari mencari kondisi optimum dari proses. )idalam pabrik !ang sudah berjalan, neraca massa digunakan untuk menguji apakah pabrik atau proses masih dalam kondisi optimum. +ead +eadaa aan n stead stead!!-sta state te #kead #keadaa aan n mapan mapan$$ !aitu !aitu kead keadaan aan atau atau kond kondisi isi dimana dimana akumulasi 2. )isini semua aliran laju dan kondisi tetap, tidak tergantung waktu lagi. Jadi untuk keadaan stead! state, neraca massa dapat dituliskan. Input 5ut put..#&.7$ ! LAN&KA#'LAN&KA# %ALAM MEN&ERAKAN NERACA MASSA
8angka 8angkah-I h-Iang angkah kah #9ah #9ahapa apan$ n$ dalam dalam penger pengerjaan jaan neraca neraca massa massa adalah adalah sebagai berikut: '. 0aca 0aca soa soall deng dengan an sek seksam sama. a. 4. %ambar %ambar diagram diagram proses proses dengan dengan aliran-aliran aliran-aliran !ang diperlukan diperlukan.. &. 9uli 9ulisk skan an besa besaran ran.. data data !ang !ang diket diketah ahui ui dan dan dipe diperl rluk ukan an pada pada diag diagram ram tersebut. Modul Ajar ATK-1 ATK-1
40
6. 0erikan apakah ada komposisi atau massa pada tiap aliran !ang langsung dapat diketahui atau dihitung. 7. 9entukan batasan sistem # system boundaris$. . 9entukan dasar perhitungan #basis perhitungan$. ;. Jumlah besaran !ang tidak diketahui !ang harus dihitung, tidak boleh melebihi jumlah persamaan neraca massa !ang ada. <. 0uat neraca massa komponen #bila perlu$. =. 0uat neraca massa total. '2. Selesaikan persamaan-persamaan tersebut.
! ENIS PR*SES %ALAM IN%USTRI KIMIA
)alam lndustri kimia, jenis proses dibedakan menjadi:
!!"
"roses 0atch. "roses +ontin!u. Pr+ses Ba,ch "roses 0atch adalah suatu proses !ang mana bahan masuk proses, kemudian proses berlangsung, dalam waktu tertentu proses selesai, proses dihentikan, kemudian produk diambil. (ntuk proses berikutn!a sama seperti proses sebelumn!a berlangsung,
!aitu
sekali
setelah
jadi
bahan
masuk
produk,
diproses,
produk
diambil.
kemudian
proses
Selama
proses
berlangsung tidak ada aliran bahan masuk ataupun produk keluar proses. (ntuk proses batch sering dikatakan dengan istilah s!stem tertutup. 0iasan!a untuk pen!elesaian soal, basis !ang diambil adalah kapasitas sekali operasi #satu batch operasi$. !!$
Pr+ses K+n,in-u
"roses kontin!u adalah suatu proses dimana bahan masuk proses secara kontinue #terus - menerus$ begitu juga proses dan produkn!a berlangsung secara kontin!u. pabila keadaan sudah mencapai stead! state, maka baik input #bahan masuk$ maupun out put #produk keluar$ akan berlangsung konstan sesuai dengan kapasitas !ang diingikan. (ntuk pen!elesaian soal biasan!a basis !ang digunakan adalah satuan-waktu atau laju alir per satuan waktu.
Modul Ajar ATK-1
41
!. PEN/ELESAIAN NERACA MASSA TERA%IN/A REAKSI KIMIA
PA%A
PR*SES
TANPA
"ada proses dimana tidak terjadi reaksi kimia, perhitungan neraca massan!a lebih sederhana karena tidak terjadi reaksi kimia. Sebagai contoh perhitungan neraca massa pada proses 1iltrasi #pen!aringan$, destilasi, penguapan #eaporasi$, kristalisasi dan pada proses !ang lain !ang tidak terjadi reaksi kimia. C+n,+h s+al "0
Suatu lumpur #slurr!$ mengandung 47 > massa padatan diumpankan ke dalam suatu 1ilter. ?ilter cake mengandung =2 > padatan dan 1iltratn!a mengandung ' > padatan. '$ 0uat neraca massa disekitar 1ilter, jika laju air umpan 4222 kg/jam. 4$ )engan laju alir umpan diatas, berapa laju alir 1iltrat dan cake n!a @ "en!elesaiann!a: 0asis perhitungan : karena proses kontin!u kita ambil basis: ' jam operasi. A adalah laju alir massa 1ilter cake dan ? adalah laju alir massa 1iltrat. +arena sistem beroperasi pada keadaan mantap #stead! state$, maka tidak terjadi akumulasi, sehingga jumlah massa !ang masuk sama dengan jumlah massa !ang keluar. +arena ada dua 1aktor !ang tidak diketahui #A dan ?$, maka dibutuhkan dua persamaan independent, dalam hal ini dipilih neraca massa total dan neraca massa cairan. Neraca total:
?iltrat keluar B Aake keluar 8umpur masuk ? B A 4222 +g/j ..# l $
Slurr! 4222 kg/j
ilter ?ilter
ilter !ake "!#$ %&' solid( )& ' li*uid
;7 > 8iEiud 47 > Solid
iltrat "#$ ) ' solid( %% ' li*uid atasan Sistem %ambar &.4. Skema "roses ?iltrasi Neraca Aairan : Ccairan dlm 1iltratDB C cairan dlm cakeD C cairan dlm lumpur D 2,== ? B 5,' A 2,;7 #4222$ ..# 4 $ Modul Ajar ATK-1
42
)engan menggunakan pers. #'$ dan #4$ diperoleh ? '62,; kg/j A 7&=,& kg/j C+n,+h s+al $0 Kris,alisasi
Suatu tangki penampung '2.222 kg larutan jenuh Na*A2 & pada 2 oA. Ingin dibuat 722 kg kristal Na*A5 & dari larutan tersebut. "ada suhu berapakah pendinginan harus dilakukan @ . )ata kelarutan Na*A5 & sebagai 1ungsi suhu sebagai berikut : 9abel &.'. )ata +elarutan Na*A5 & sebagai ?ungsi Suhu 9emperature #oA$
+elarutan gram NaHC O 3 100 gram H 2 O
2 72 62 &2 42 '2 "en!elesaian .
',62 '6,67 '4,;2 '','2 =,2 <,'7
0asis '2.222 kg larutan jenuh pada 2 oA. Na*A5& ',6 gr/'22 g * 45
arutan .enuh Na/!O0
,angki
Na*A5& +ristal 722 kg
%ambar &.&. Skema proses kristalisasi )ari data kelarutan pada suhu 2FA. )iketahui : #',6 g Na*A5 &/ #',6 g Na*A5 &B '22 g * 45$ 2,'6' atau '6,' > Na*A5 & sehingga kandungan air dalam larutan '22 -'6.' <7,= > Na*A5& 2,'6' G '2222 kg '6'2 kg. *45 2,<7= G '2.222 kg <7=2 kg. Neraca total : 8arutan jenuh mula-mula - kristal larutan jenuh sisa. '2.222 3 722 =.722
Modul Ajar ATK-1
43
Na*A5& : '6'2 - 722 ='2 *45
: <7=2 - 2 <7=2 =722
+emudian dicari komposisi sisa dalam g Na*A5 &/'22 g *45 ='2 gram Na*A5 & / <7=2 gram * 45 '2, gram Na*A5 &/ '22 gram *45 (ntuk mencari temperatur pendinginan digunakan interpolasi antara suhu &2 oA dan 42 oA pada data kelarutan Na*A5 & dengan cara sebagai berikut: 30 30
o
o
C − x
o C −20 C
11,1 −10,6 11,1 −9,6
Setelah dihitung diperoleh G 4,; oA, sehingga supa!a diperoleh +ristal seberat 722 kg, maka larutan jenuh tersebut harus didinginkan sampai suhu 4,; oA. C+n,+h s+al 0 %es,ilasi
Suatu tipe kolom destilasi seperti tampak pada gambar dibawah ini, dengan hal-hal !ang diketahui untuk tiap-tiap arus. *itunglah kg destilat per kg 1eed dan per kg waste. 0uat neraca massa untuk kolom destilasi tersebut a$ kg )estilat per kg 1eed #)/?$ b$ )/H c$ Neraca massa "en!elesaian : 0asis '222 kg 1eed. Neraca total ? ) B H #&$ '222 ) B H
) '222 3 H
..... 5ondensor
6=7 6 = destilat 1tanol 82' 5olom distilasi /3O )2 '
eed = )&&& kg 1tanol = 02 ' /3O = 42 '
ottom 9aste : =7 atasan sistem 1tanol= &(&2' ;tau 2 ' /3O %2 ' %ambar &.6. Skema proses destilasi
Modul Ajar ATK-1
44
#6$
Neraca komponen #ethanol$ 2,&7 ? 2,<7 ) B 2,27 H #7$ Subsitusi # I$ dan #4$ 2.&7 #'222$ 2.<7 #'222- H$ B 2, 27 H. &72
<72 B 2,27 H
2.< H 722 sehingga H 722/2,< 47 kg. #I$ ? ) B H ) ? - H '222 - 47
&;7 kg.
a$ )/? &;7 / '222 2,&;7 b$ )/H &;7 / 47 2, Neraca massa. Massa masu1
Massa 1eluar
? thanol &72 kg
) thanol
&'<,;7 kg
*45
72 kg
* 45
7,47 kg
'222 kg
H tanol
&',47 kg
* 45
7&=,;7 kg '222 kg
C+n,+h s+al 0 Pencampuran!
Sejumlah asam aki !ang sudah lemah #'4,6& > * 4S56$ akan dibuat asam aki !ang mempun!ai konsentrasi '<,& > * 4S56 dengan jalan menambahkan 422 kg sam Sul1at ;;,; >. 0erapa asam lemah !ang diproses dan berapa hasil asam aki !ang baru @ "en!elesaian. 0asis: 422 kg asam Sul1at ;;,; > Neraca total: input out put. 3&& kg
=> > kg /3SO< )3(<0 ' /3O 8(2 '
/3SO< = ( ' /3O = 33(0'
P=y atas sistem ;sam aki yang baru y kg /3SO< )8(40 ' /3O8)(0 '
%ambar &.7. Skema "roses "encampuran
Modul Ajar ATK-1
45
Neraca 9otal : Input 5utput ? B 422 " atau G B 422 !
#'$
Neraca *4S56 : G #2,'46&$ B 422 #2, ;;;$ ! #2,'<&$ #4$ Neraca *45 : G #2,<;7;$ B 422 #2,44&$ ! #2,<'&;$
. #&$
)engan substitusi persamaan #'$ dan #4$ atau #'$ dan #&$ atau #4$ dan #&$ pilih !ang paling mudah. #! - 422$ #2,'46&$ B 422 #2,;;;$ ! #2, '<&$ sehingga didapat " ! 4''2 kg. dan ? G '='2 kg. C+n,+h s+al . 0 Pencampuran
sam bekas dari suatu proses nitrasi mengandung 4& > *N5 &, 7; > *4S26 dan 42 > *42 #prosen massa$. sam ini akan dipekatkan lagi menjadi 4; > *N5 & dan 2 > * 4S56 dengan cara menambahkan asam sul1at pekat =&> * 4S26 dan asam nitrat pekat =2> *N5 &. 0erapa asam bekas dan asam pekat diperlukan untuk mendapatkan '222 kg asam !ang diinginkan. "en!elesaian : Jumlah besaran !ang ditan!akan ( G , !, $ dapat dicari dengan neraca massa. da & harga !ang tidak diketahui, G , ! dan . (ntuk men!elesaikann!a diperlukan & persamaan. "ersamaan neraca massan!a adalah : '. Neraca massa total. 4. Neraca massa asam sul1at. &. Neraca massa asam nitrat. ;sam nitrat Pekat ? kg /NO0 %& ' /3O )& '
;sam sulAat pekat B kg /3SO< %0 ' /3O '
Pencampuran
;sam baru ( )&&& kg /3SO<4& ' /NO03' /3O)0'
;sam bekas @ kg /3SO< 2 ' /3O 3& ' /NO030 '
%ambar &.. Skema "roses "encampuran
Modul Ajar ATK-1
4
0asis '222 kg hasil/batch. Neraca massa total G B ! B '222 #'$ Neraca *4S56
2,7;G B 2,=& 2, G '222 #4$
Neraca *N5&
2,4& G B 2,= ! 2,4; G '222 ..#&$
Subsitusi persamaan #4$ dan #&$ menghasilkan : #4$.
G
B
l,&'
'274,&'
#&$.
G
B
&,='&!
'';&,='&
#'$.
',&' -
&,='& !
-'4',4<'6
&,='& y
−
'4',&&4<
',:&': #'$.
4,&=< ! 3 ;6,&&4<
G B ! B '222
G '222 - ! - K .......#6$
Subsitusi persamaan #4$, #'$ dan #6$ menghasi'kan : #4$.
2,7; #'222 - ! - $ B 2,=& 22
#'$.
2,7; C '222- ! -#4,&=< !- ;6,&&4<$D B 2,=& #4,&=< !- ;6,&&4<$ 22 7;2- 2,7; ! -',&;! B 64,&=; B 4,4&2 ! - =,'4=7 22 76&,4626 B 2,4=& ! 22 . ! '=&,;4 kg
Subsitusi ke persamaan #6$ diperoleh : &=2,4' kg. Subsitusi ke persamaan #'$ diperoleh : G 6',2; kg. )ari komposisi !ang diketahui, bisa dicari jumlah masing-masing at dalam masingmasing aliran. C+n,+h s+al 20 (Abs+rbsi 3an S,ripin4)
+arbon dioksida dalam suatu aliran gas dapat diambil dengan cara absorbsi menggunakan
larutan
monoetanolamina
#M$,
absorsi
dilakukan
secara
berlawanan di dalam sebuah kolom berisi LpackingL. +emudian larutan M dapat diperoleh kembali dengan cara memanaskann!a dalam kolom .stripingL operasi ini diperlihatkan pada diagram aliran sebagai berikut . )ari data diatas. hitunglah laju alir #dalam kg/j$ hasil A54 dan larutan M #$. da 4 aliran masuk dan & aliran keluar. )ari 7 aliran ini !ang tidak diketahui & aliran #*, A dan $ . "en!elesaian :
Modul Ajar ATK-1
4!
/3 sa.a ( /
/asil $ ! !O3 %8(2 ' arutan M1; )' /3 &(2 '
arutan M1; = M )&& kg C. ; S O R 1 R
S , R I P 1 R
Pemanas Das umpan( D= )& kg /3 = 3& '
arutan M1; = R !O3= 0 ' arutan M1; = %'
%ambar &.;. Skema proses absorber dan striper Neraca total
% B M * B A B ..#'$ '2 B '22 * B A B
Neraca h!drogen
#2,4$ #%$ * B 2,227 A .#4$ 4 * B 2,227 A
Neraca A54 #2,<$ #%$ #2,=<7$ #A$ B #2,2&$ #$
.#&$
< 2,=<7 A B 2,2& Neraca M M 2,'A B 2,=; .#6$ Subsitusi #'$ dan #4$ : ''2 * B A B . #7$ 4 * B 2,227 A '2< 2,==7 A B Subsitusi ke persamaan #&$. < 2,=<7 A B 2,2& #'2<- 2,==7 A$ < 2,=< A B &,46- 2,24=< A A #<- &.46$/2, =7; 6,=;6 .. * . Modul Ajar ATK-1
)ari persamaan di atas
48
!2 PEN/ELESAIAN NERACA MASSA PA%A PR*SES %EN&AN REAKSI KIMIA
"erhitungan neraca massa pada proses !ang didalamn!a melibatkan reaksi kimia #dalam reactor terjadi reaksi kimia$, perhitungann!a lebih komplek bila dibandingkan
dengan
!ang
tanpa
terjadi
reaksi
kimia
karena
harus
memperhitungkan reaksi !ang terjadi termasuk konersi, e"#ses rea#tant, limitin$ rea#tant, sisa !ang tidak bereaksi, dan sebagain!a !ang men!angkut prinsip dasar stoichiometri. Sebagai contoh dalam reaksi pembakaran, produksi asam sul1at, asam clorida, amonia, reaksi kalsinasi dan sebagain!a. )alam permasalahan reaksi pembakaran terdapat istilah-istilah !ang harus dimengerti dan dipahami !aitu: a% Flue gas or stack gas (4as hasil pemba1aran) adalah semua gas-gas hasil dari proses pembakaran termasuk uap air !ang sering disebut sebagai &et basis #basis basah$. b. Orsat analysis or dry basis (basis 1erin4) adalah semua gas-gas hasil proses pembakaran tidak termasuk uap air. ?lue gas, Stack gas 5r Het basis
A54 )r! 1lue gas on 5rsat anal!sis A5 S54 1ree basis or dr! basis 54 N4 S54 %ambar &.<. "erbandingan analisa gas pada basis !ang berbeda *45
#% Theoretical air (or theoretical oxygen) 5u3ara ,e+ri,is (+1si4en ,e+ri,is) adalah jumlah udara #oksigen$ !ang dibutuhkan untuk proses pembakaran secara sempurna #secara teoritis$. d% Excess air (or excess oxygen)/ 1elebihan u3ara (1elebihan +1si4en) adalah kelebihan udara #oksigen$ terhadap kebutuhan untuk proses pembakaran sempurna atau kebutuhan secara teoritis. ang dimaksud pembakaran sempurna adalah pembakaran secara teoritis artin!a pembakaran !ang diharapkan sesuai dengan kebutuhan secara stoichiometri, bukan reaksi samping atau pembakaran tidak sempurna. Sebagai contoh untuk pembakaran Aarbon dengan 5ksigen akan menghasilkan A5 dan A5 4. "ada kasus tersebut !ang dimaksud pembakaran sempurna adalah apabila semua A terbakar menjadi A5 4 bukan menjadi A5 sehingga untuk menghitung eGcessn!a dihitung apabila semua A terbakar menjadi A54 walaupun ken!ataann!a dalam reaksi ada !ang membentuk A5. Modul Ajar ATK-1
49
C+n,+h s+al 6! Pr+ses Pemba1aran
)alam suatu proses pembakaran gas etana dicampur dengan oksigen dalam perbandingan <2> mol etana dengan 42 > oksigen. Aampuran ini dibakar dengan udara e"#ess #kelebihan$ 422>. <2 > gas etana menjadi A5 4 .'2> menjadi A5 dan '2 > tidak terbakar . "en!elesaian: eaksi !ang terjadi: '. A4* B ;/4 54
4 A54 B &*45
4. A4* B 7/4 54 .
4 A5 B &*45
0asis. '22 kgmol campuran bahan bakar masuk proses !O3 !O Das hasil pembakaran !3/4 O3 /3O N3
Mesin Pembakar
ahan akar 8& ' etana 3& ' o>igen
Udara e>cess "berlebihan# 3&&'
%ambar.&.=. Skema proses pembakaran 54 !ang masuk & kali !ang dibutuhkan teoritis #eGcess 422 >$ oksigen !ang dibutuhkan untuk pembakaran sempuma : &,7 )$mole *4 ' )$mole ( 4 ' :
<2 kgmole A 4* G
4<2 mole 5 4.
)alam bahan bakar telah ada 42 kgmole. )iperlukan lagi dari udara 4<2-42 42 kgmole. 5 4 masuk &G 42 ;<2 kgmole. N4 masuk #;= mol N 4/4' mol 54$G ;<2 kgmole 5 4 4=&2 kgmole. Menghitung hasil-hasil pembakaran #secara stiochiometri$. A54 dari reaksi #'$ 2,< G <2 kgmole A 4* G #4 mol A5 4 /' mol A 4 *$ '4< kgmole A5 4. *42 dari reaksi #'$ 2,< G <2 kgmole A 4* G #& mol * 45/' mol A4*$ '=4 kgmole * 45.
Modul Ajar ATK-1
50
A5 dari reaksi #4$ 2.' G <2 kgmole A4* G #4 mol A5/mol A 4*$ ' kgmole A5 *42 dari reaksi #4$ 2.' G <2 kgmole A 4* G #& mol * 45/mol A4*$ 46 kgmole *42. 9ota' *45 !ang terbentuk #'=4 B 46$ kgmole 4' kgmole. Menghitung kebutuhan 5 4 !ang dipakai : )ari reaksi # '$ :
<2 )$mol ( 4 ' :
&,7 )$mole *4 ' )$mole ( 4 ' : G 2,< 446 kgmole
)ari reaksi #4$ :
<2 )$mol ( 4 ' :
4,7 )$mole *4 ' )$mole ( 4 ' : G 2,'
42 kgmole
9otal 466 kgmole 54 !ang keluar bersama gas hasil pembakaran : ;<2 B 42 - 446 77 kgmole. A4* sisa <2 G 2.' < kgmole. 9ota' gas keluar pembakaran : 0asis basah : A54
l4< kgmole komposisi :
A5 4
A5
A5
#'/&<76$ G l22 >
*45
4l kgmole
* 45
#4'/&<76$G I22>
7,'2>
54
77 kgmole
54
A4*
N4
4=&2 kgmole
l kgmole
< kgmole
#'4
&,&4 > 2,64 >
#77/&<76$ G l22 > '6,6& >
A4* #
2.4' >
N 4 #4=&2/&<76$ G '22 > ;,24 >
Jumlah &<76 kgmole
jumlah '22 >
0asis +ering #untuk gas umumn!a dengan basis kering #*45 tidak diikutkan$. A54
'4< kgmole
A5
l
54
77 kgmole
54
A4
<
A4* #
kgmole
kgmole
Modul Ajar ATK-1
+omposisi :A5 4 #'4 &,74 > A5 #'/&&<$G '22 >
51
2,66 >
#77/&&<$G '22 > '7,4< >
2,44 >
N4
4=&2 kgmole
N 4 #4=&2/&&<$G l22 > <2,76 >
jumlah &&< kgmole
jumlah '22 >
Neraca massa 0 Massa masu1
A4*
<2 kgmole G &2 kg/kgmole
4622 kg.
54 #42 B ;<2$ kgmole <22 kgmole <22 G &4 kg/kgmole 4722 kg. N4
4=&2 kgmole 4=&2 kgmole G 4< kg/kgmole <4262 kg umlah
Massa 1eluar A54 l4< kgmole l4< kgmole G 66 kg/kgmole
' kgmole G 4< kg/kgmole
7 ""888 14
7&4 kg
A5
l kgmole
66< kg
*45
4l kgmole 4' kgmole G '< kg/kgmole
&<<< kg
54
77 kgmole 77 kgmole G &4 kg/kgmole
';;=4 kg
A4*
< kgmole
N4
4=&2 kgmole 4=&2 kgmole G 4< kg/kgmole <4262 kg
< kgmole G &2 kg/kgmole
Jumlah &<76 kgmole
umlah
462 kg
7 ""888 14
!6 PEN/ELESAIAN NERACA MASSA %EN&AN MEN&&UNAKAN 9TIE C*MP*NENT (TIE ELEMENT):
9ie component atau tie element adalah element atau material !ang dari aliran !ang satu ke a'iran !ang lain tidak mengalami perubahan #tidak bertambah atau berkurang$, ada kemungkinan lebih dari satu element !ang tidak mengalami perubahan. "ilih salah satu !ang paling memudahkan perhitungan. C+n,+h s+al ;! Pen-elesaian 3en4an me,+3e ,ie elemen,
Suatu pulp kertas basah mengandung ;' > air. 2> dari air !ang ada dapat teruapkan dalam proses pengeringan *itunglah :
;ir teruapkan = &(4 > &E) kg = &(<34 kg
a$. +omposisi pulp !ang sudah dikeringkan b$. ir !ang menguap tiap pengeringan ' kg pulp basah.
Pulp &(3% kg "en!elesaian :
Pengeringan
@ = Pulp kering kkkekering k5ering
;ir &() kg
Modul Ajar ATK-1
52
atasan sistem
%ambar &.'2. Skema "roses "engeringan 0asis ' kg pulp basah )alam permasalahan ini air keluar ada 4 aliran #dalam aliran air menguap dan dalam aliran campuran pulp kering$, sedangkan untuk pulp kering tanpa kandungan air han!a dalam ' aliran bahan masuk dan ' aliran produk keluar
dalam ini
walaupun pulp kering berada dalam ' aliran produk keluar tapi karena tidak diketahui jumlah bahan keluar dalam produk atau komposisin!a maka pulp kering tidak bisa dijadikan sebagai elemen 1unci a,au ,ie elemen a,au ,ie 1+mp+nen sehingga !ang dijadikan elemen kunci adalah air. +arena air walaupun dalam 4 aliran produk tapi salah satu aliran diketahui dengan jelas jumlahn!a !ang menguap. "ulp kering masuk 2,4= kg pulp kering keluar dalam produk 2,4= kg ir !ang menguap 2 > 2. G 2.;' 2,64 +g )engan diketahuin!a jumlah air !ang menguap maka jumlah produk !ang keluar akan langsung bisa diketahui. ir masuk sistem air keluar sistem 2, ;' 2,64 B O O 2,;' - 2,64 2,4<6 +g a$ +omposisi pulp kering 2,4<6 2,7;6 air 2,4<6 kg
6=,7> 2,4= 2,7;6
"ulp 2,4= kg
" '22 >
" '22 > 72,7 >
9otal 2,7;6 kg b$ ir !ang menguap tiap pengeringan ' kg pulp basah : 2, G 5,;' 2,64 +g
Modul Ajar ATK-1
53
!; NERACA MASSA %EN&AN SISTEM %AUR ULAN& (REC/CLE) %AN ALIRAN PINTAS (B/ PASS)
(ntuk menaikkan e11isien proses, menaikkan Loerall !ieldL, pada proses proses dalam industri sering dilakukan sistem Prec!cleQ dan Lb! passL misaln!a dalam industri ammonia, min!ak bumi dan sebagain!a . "roses-proses !ang men!angkut sistem Lrec!cleL, Lb! passL dapat dilihat pada gambar dibawah ini. Seringkali terjadi bahwa sistem Lrec!cleL disertai dengan aliran buangan. ec!cle
Produk
Proses Proses eed ahan masukC reesh Aeed
%ambar.&.''. Sistem dengan "roses ec!cle
ypass
Proses "roses
Produk
ahan masukCProses eed reesh Aeed
%ambar &.'4 . Sistem dengan "roses 0!pass
Recycle ec!cle uangan "purged# Proses "roses ahan eed 0ahan masukC masuk/ Proses "roses ?eed ?reesh 1eed reesh Aeed
Produk Pemisah
%ambar &.'& . S!stem rec!cle disertai dengan aliran buangan #purged$ C+n,+h ' c+n,+h 3alam in3us,ri0
Modul Ajar ATK-1
54
'. "roses dengan rec!cle. "ada proses pengeringan, untuk mendapatkan perpindahan massa dan panas !ang baik, diperlukan aliran udara dengan kecepatan tinggi, hingga sebagian udara panas perlu di rec!cle. "roses ini juga memberikan penghematan panas. )an masih ban!ak contoh !ang lain !ang menggunakan rec!cle. 4. "roses dengan b! pass digunakan untuk : a. Mengurangi, jumlah umpan !ang perlu diproses. b. Supa!a aliran keluar mempun!ai komposisi !ang tetap. &. "roses dengan rec!cle dengan disertai purging. "ada sintesa amonia. rec!cle N4 dan * 4 !ang tidak bereaksi, akan membawa argon #inert- gas$ ke dalam reactor, sehingga kadar argon didalam reaktor makin lama rnakin tinggi. Supa!a kadar argon tidak melebihi batas toleransi terhadap katalis, sebagian dari aliran rec!cle harus dibuang. "en!elesaian soal dengan sistem rec!cle )
3
0 Proses <
%ambar &.'6. 0atasan s!stem pada proses rec!cle
(ntuk men!elesaikan soal dengan rec!cle. diperlukan beberapa neraca massa pada : '. Seluruh proses. termasuk rec!cle. 4
9itik pencampuran antara umpan masuk dengan rec!cle.
&
Sistem disekitar proses.
6. 9itik pemisahan produk dengan aliran rec!cle. Neraca massa seluruh proses tidak dipengaruhi aliran rec!cle, sehingga neraca ini merupakan neraca !ang sangat penting. (ntuk analisa proses !ang lengkap, seluruh neraca massa harus diselesaikan
Modul Ajar ATK-1
55
C+n,+h S+al !""0
Suatu kolom destilasi digunakan untuk memisahkan '2.222 kg/jam campuran benena-toluena #72 > - 72>$ "roduk atas mempun!ai komposisi =7 > benana dan 7 > toluena. "roduk bawah mempun!ai komposisi => toluena dan 6> benena. (ap masuk kondensor #hasil atas$ dengan kecepatan <.222 kg/jam. Sebagian dari produk dikembalikan ke dalam kolom sebagai re1luks. 9entukan perbandingan antara jumlah !ang di re1 luks dengan produk. Pen-elesaian s+al 0
-Menentukan harga ) dan H - (ntuk s!stem ', diperlukan 4 neraca !ang saling tidak bergantungan - (ntuk menentukan , dibutuhkan satu neraca !aitu disekitar kondensor
Basis 0 " jam +perasi atasan system untuk neraca massa di sekitar kondensor
G =8E&&& kgC.
&(%2 enFena &(&2 toluen R atasan system untuk neraca massa keseluruhan &(&2 toluen R
)&&&& kgC. &(2 benFena &(2 toluena &(&< benFena &(%4 toluena
%ambar &.'7. "roses destilasi dengan s!stem rec!cle #re1luG$ Neraca 9otal ? ) B H '2.222
) B H.. #'$
) '2222 - H Neraca komponen #benena$: Modul Ajar ATK-1
5
?O1
) O) B H OH..#4$
Subsitusi persamaan #'$ dan #4$ : '2.222 .#2,7$
# 2,=7 $ #'2222 - H$ B 2,26 H H 67=2 kg/j dan ) 7272 kg/j
Neraca disekitar kondensor : R
B )
<222
B 7272
4=72 kg/j
/ )
4=72/7272 2,7<6
C+n,+h S+al "$! Pen-elesaian 3en4an rec-cle -an4 3iser,ai 3en4an aliran buan4an
Suatu proses pembuatan amonia, campuran nitrogen-h!drogen dengan perbandingan ':&. direaksikan dalam reaktor dengan konersi 47 > menjadi produk amonia. monia !ang terbentuk dipisahkan dengan cara kondensasi, dan gas !ang tidak terkonersi di rec!cle ke dalam reactor. Aampuran nitrogen-hidrogen mula-mula mengandung 2,42 bagian argon untuk '22 bagian campuran N 4 3 *4 . 9oleransi limit argon masuk reactor 7 bagian olume terhadap '22 bagian campuran N 4 - *4 "erkirakan 1raksi rec!cle !ang harus dibuang #purged$ secara kontin!u. "en!elesaian:
!ondensor
Reaktor ress eed )&& lb mole N3 + /3 &(3 lbmole argon
N/0 li*uid
ec!cle G lbmole N 4 B *4
led stream "aliran buangan# y lbmole N3 + /3
%ambar &. '. Skema proses perhitungan neraca massa !ang disertai dengan aliran buangan Modul Ajar ATK-1
5!
eaksi : N4
B & *4
6 mol #N4 B *4$
4 N*& 4 mole N*&
0asis : '22 Ibmole N4 B *4 1resh 1eed. G mole N 4 B *4 !ang di rec!cle ke reaktor. ! mole N4 B *4 !ang dibuang. Mole N4 dan *4 masuk reactor
'22 B G
Mole N4 dan *4 meninggalkan reaktor
2,;7 #'22 B G$
2,47 #'22 + " $ 4 Mole N*& terbentuk
Mole argon dalam 1resh 1eed
2,4
Mole argon dalam total 1eed
2,27 #'22 B G$
Mole argon per mole N4 3 *4 campuran !ang meninggalkan condensor 2,27 2,;7
2,2;
Mole argon !ang dibuang
2,2; !
pabila operasi sudah berjalan stead! state jumlah argon !ang dibuang sama dengan argon !ang masuk mula-mula #dalam 1resh 1eed$. 2,2; ! 2,4 atau ! & Neraca N4 - *4 disekitar titik bleed. 2, ;7 #'22 B G$ G B ! )imana ! & , G 4<< Ibmole. 1ressh N4 dan *4
'22 lbmole . ,
eac!cle N4 *4
4<< lbmole
"urged N4 dan *4
&.2 lbmole
monia !ang terbentuk
6<,7 lbmole
rgon
2,4 lbmole
4<< '22 ec!cle ratio
4,<< 3
"urge ratio
Modul Ajar ATK-1
288
58
2,2'26
Aontoh soal '&: "roses dengan b! pass. Suatu proses mengolah limbah !ang mengandung 722 ppm at pengotor. "roses dapat menurunkan kadar kotoran hingga '2 ppm. Jika limbah dengan kadar kotoran l22 ppm boleh dibuang ke sungai. 0eberapa bagian dari limbah !ang perlu di Lb! passL untuk mengurangi beban proses. "en!elesaian:
ypass
eed
!
6
Proses
;
)& ppm
2&& ppm
%ambar &.';. Skema "roses dengan aliran b!pass .
0uangan !ang diproses
0.
0ahan masuk proses
A.
liran b! pass
).
0ahan keluar proses
.
"roduk akhir
)asar perhitungan : ' kg buangan !ang diproses. , b bagian limbah !ang di Lb! passL l - b bagian limbah !ang masuk poses Neraca di sekitar sistem 4 #lihat gambar$. ) #)$ B A#A$ #$ #l-b$.'2Bb.722 ','22 b 2,'<6 Jadi bagian !ang di Pb! passL '<,6> dari umpan masuk.
Modul Ajar ATK-1
59
1 )&& ppm
LATI#AN S*AL BAB III
'. Jelaskan perbedaan antara analisa 1lue gas, orsat anal!sis, basis basah #wet basis$ dan dr! basis untuk suatu gas. 4. +arbon murni dibakar dengan oksigen dengan hasil analisa 1lue gas sbb : ;7 > A54 , '6 > A5, ''> 5 4. 0erapa > ekses oksigen !ang masuk proses@ &. 9oluena #A;*<$ dibakar dengan udara &2> berlebih. +arena pembakarann!a kurang sempurna men!ebabkan '7> dari karbon terdeposit membentuk kerak #A murni$ pada dinding tungku pembakar. *itung analisas orsat dari gas-gas #1lue gas$ !ang keluar dari tungku pembakar tersebut@ 6. Suatu gas han!a terdiri atas A* 6 dan N4 dibakar dengan udara menghasilkan suatu 1lue gas !ang mempun!ai komposisi analisa orsat sebagai berikut: <,;> A54, '> A5 &,<> 5 4 dan <,7> N 4. *itunglah : -
> ekses udara !ang digunakan dalam pembakaran
-
+omposisi campuran A*6 3 N4
7. Suatu bahan bakar terdiri atas etana dan methana !ang tidak diketahui komposisin!a, dibakar dalam suatu dapur # +urna#e$ dengan udara !ang diperka!a dengan oksigen #72> mole 5 4$. nalisa orsat hasil pembakaran sebagai berukut : 47> A5 4 2> *4 dan '7> 5 4. 9entukan : -
+omposisi bahan bakar dalam > mole -
Mole udara !ang telah diperka!a dengan 5 4 !ang digunakan per mole bahan bakar
. Suatu campuran asam !ang mengandung 7> #> massa$ * 4S56 , 42 > *N5 & dan '7 > * 45 akan dibuat dengan mencampurkan asam-asam sebagai berikut: a.
sam bekas !ang mengandung '2 > *N5 &, 2 > *4S56, dan &2 > *45
b.
sam nitrat pekat !ang mengandung =2 > *N5 & dan '2 > * 45
c.
sam sul1at pekat !ang mengandung =< > * 4S56 dan 4 > *45 0erapa lb masing-masing asam-asam tersebut !ang harus ditambahkan untuk memperoleh '.222 lb asam diatas. Modul Ajar ATK-1
0
;. )ua stage unit pemisahan seperti ditunjukkan pada gambar dibawah ini. )iketahui bahwa aliran input ?' sebesar '.222 lb/jam. *itung harga ?4 dan kompoisisi n!a, serta harga "4) dan "40@ ,oluena &(%% enFena
,oluena &(&2 enFena P36
)
&(< ,oluena &(< enFena &(3 @ylena
P3 3
&() ,oluena &(% enFena %ambar &.8'. Skema dua rangkaian proses destilasi
<. Suatu proses !ang sederhana untuk memproduksi S5 & !ang akan digunakan dalam pabrik asam sul1at digambarkan sebagaimana gambar dibawah ini, dimana sul1ur dibakar dengan udara ekses '22> didalam burner, dengan reaksi. S B 54
S54
konersi !ang dicapai han!a =2>.
)idalam konenter, oksidasi berlanjut dengan konersi S5 4 menjadi S5& sebesar =7>. *itunglah : '.
8b udara !ang dibutuhkan per '22 lb sul1ur !ang dibakar
4.
+omposisi gas !ang keluar burner dan konenter SO3( O3 N3 Udara URN1R
!ONG1N,1R
S
SO3 SO0 O3 N3
S tidak terbakar S tidak terbakar
%ambar &.84. Skema proses produksi S5 & dalam burner dan konerter =. ?lowsheet !ang sederhana untuk pabrik gula digambarkan sebagaimana gambar dibawah ini. 9ebu dimasukkan kedalam mill dan diperas untuk mengeluarkan niran!a #sirup$ dan menghasilkan bagasse !ang mengandung <2> pulp nira #$,
Modul Ajar ATK-1
1
dimasukkan kedalam screen untuk menghasilkan suatu nira !ang bersih #*$ !ang mengandung '7> gula dan <7> air. aporator untuk memekatkan nira dan kristaliser menghasilkan gula kristal '.222 lb/jam. *itunglah : -
ir !ang diuapkan dalam eaporator
-
+omposisi aliran %
-
ate #laju$ tebu umpan tebu dalam lb/jam
-
)ari kandungan gula dalam tebu, berapa > kehilangan gula dalam bagasse )E&&& lbC . gula M !ane",ebu# )4' Dula 32' ;ir 2%' Pulp MI
!R?S,;IB1RR ( air 5 /
1
S!R11N
<&' gula
1G;POR;,OR ;ir
6 6 aggase 8&' Pulp
)0' gula )<' Pulp
)2' gula Padatan D %2' Pulp
%ambar &. 8&. ?lowsheet sederhana proses pembutan gula
'2.
Natrium hidroksida biasan!a diproduksi dari garam dengan proses elektrolisa. Sistem prosesn!a ditunjukkan dalam gambar di bawah ini. > konersi garam menjadi Sodium *idroksida@ 0erapa jumlah gas khlorine !ang dihasilkan per lb produk @ 0erapa air !ang teruapkan dalam eaporator per lb produk @ /3 !l3
/3O
garam S?S,1M 115,ROISIS
6ISSOG1R /3O
arutan 0&'
1G;POR;,OR
PRO6U5 2&' NaO/ ' Na!l <0' /3O
%ambar &.86. Skema proses elektrolisa untuk produksi natriun hidroksida Modul Ajar ATK-1
2
''. ir laut akan kehilangan garamn!a dengan proses osmose balik #reerse osmosis$ menggunakan skema !ang ditunjukkan dalam gambar berikut. %unakan data !ang diberikan dalam gambar tsb untuk menentukan : 8aju larutan garam buangan 8aju produksi air #air terdesalinasi$ c. ?raksi dari larutan garam !ang meninggalkan sel osmose !ang didaur ulang #rec!cle$ Recycle )E&&& lbC. ;ir aut 0()' garam
R1G1RS1 OSMOSIS !1
;ir garam buangan( 2(32' garam
<' garam ;ir ,erdesalinisasi "Produk#( 2&& ppm garam
%ambar &.87. Skema proses rierse osmosis cell
'4. %as 0oron 9richlorida #0Al&$ diumpankan ke dalam aliran gas dan direaksikan dengan silikon melalui reaksi sbb : 0Al&
B & Si
& SiAl 6
B
60
Jika semua 0Al & !ang tidak bereaksi di rec!cle. 0erapa rasio mol !ang direc!cle terhadap Si Al6 !ang keluar dari separator@
+onersi per satu kali lewatan
reaktor sebesar <;> dari ' mol per jam 0Al & !ang dimasukkan ke reactor.
)&&' !l0 "g# : !l0 R1;5,OR
S1P;R;,OR
eed( )&E&&& Si!l< kgC. arutan 5NO0 3&'
o proses produksi SiAl %ambar &.8.0&& Skema 6
R
arE Henuh )&& o M "&(4 kg 5NO0 Ckg ##/3O# '6. 0erdasarkan gambar di bawah ini, hitunglah H, M, A dan 5NO0 2&'
Modul Ajar ATK-1
!R?S,;IB1R : 3 !
5ristal mengandung <' /3 O "< kg /3OC5ristal total +/3 #O#
1G;POR;, 0&& M 5NO0 2&'
%ambar &.8;. Skema proses kristalier
'7. Suatu material #bahan$ !ang mengandung ;7> air dan 47> padatan diumpankan ke dalam suatu granulator pada rate #laju$ 6.222 kg/jam. (mpan di dalam granulator dicampur dengan rec!cle dari produk untuk pencampuran awal sehingga total material dalam granulator komposisin!a 72> air dan 72> padatan. "roduk !ang meninggalkan dr!er mengandung ',;> air. )i dalam dr!er udara dilewatkan di atas padatan !ang akan dikeringkan. (dara masuk dr!er mengandung &> air #> massa$ dan keluar dr!er mengandung > air. *itunglah laju #rate$ rec!cle ke granulator@ *itunglah laju #rate$ aliran udara ke dr!er pada dr! basis #basis kering$
'. )alam suatu produksi cet!len murni #A4*4$, metana murni #A* 6$ dan oksigen murni direaksikan dalam burner, dimana reaksi !ang terjadi: A*6
B 54
4 *45
B A54
#'$
A*6
B ',7 54
4 *45
B A5
#4$
A4*4
B &*4
#&$
4A*6
%as 3 gas dari burner didinginkan dalam suatu kondensor untuk mengambil semua air n!a. nalisa gas !ang keluar kondensor sebagai berikut. > mole Modul Ajar ATK-1
4
A4 *4
<,7
* 4
47,7
A5
7<,&
A54
&,;
A*6
6,2
9otal
'22
%as 3 gas ini dikirim ke suatu absorber dimana =;> dari A 4*4 dan semua A54 terambil oleh solent. Solent dari absorber dikirim ke A5 4 stipper, dimana semua A54 terambil. nalisa gas !ang meninggalkan stipper bagian puncak atas adalah sebagai berikut. > mole A4*4
;,7
A54
=4,;
9otal
'22
Solent dari A5 4 stipper dipompakan ke A 4*4 stipper, !ang mana semua A 4*4 terambil sebagai produk murni. a. *itung rasio mole 54 terhadap mole A* 6 !ang masuk ke burner b. )engan basis '22 lb mole gas !ang meninggalkan kondensor, *itunglah 8b air !ang terambil #terkondensasi$ oleh kondensor c. *itung > oerall !ield produk murni A 4*4 didasarkan pada karbon dalam gas alam !ang masuk dalam burner.
Das uangan resh Solent
URN1R
/3O
;SOR1R
!3/3 murni
!O3 dan !3/3
S,IPP1R !O3
S,IPP1R !3/3
oiler
oiler
kondensor
Modul Ajar ATK-1 !/<
O3
5
Solent( !O3( dan !3/3 Solent dan !3/3
Solent bekas
%ambar &.8<. Skema proses produksi cet!len
Modul Ajar ATK-1