ATK I DASAR-DASAR NERACA MASSA

1. ATK I DASAR-DASAR NERACA MASSA ASEP MUHAMAD SAMSUDIN, S.T.,M.T.

2. PembuatanGula • Berapabanyak air yang dihilangkandidalam evaporator (lb/jam) ? • Berapa besar fraksi massa komponen-komponen dalam arus buangan G • Berapabesarlajumasukantebukedalam unit (lb/jam) ?

3. Jenis-Jenis Proses • Berdasarkankejadiannyaproses terbagimenjaditigayaitu proses Batch, Semi-Batchdankontinyu • Proses Batch : Pemasukanreaktandanpengeluaranhasildilakukandalamselangwaktutertentu/ tidakterusmenerus. Contoh : Pemanasan air dengan koil pada teko. • Proses Kontinyu : Pemasukanbahandanpengeluaranprodukdilakukansecaraterusmenerus/ berkesinambungandenganlajutertentu. Contoh : Mengalirkanumpankekolomdistilasidenganlajutetapdanmengambilprodukdaripuncakdandasarkolomdenganlajutetap pula. • Proses Semi-Batch : Proses yang berlangsungtidaksecara batch dankontinyu. Contoh : tangki gas bertekanan yang terbuka, leaching (pelindian)

4. Jenis-Jenis Proses • Berdasarkankeadaannyaproses dibedakanmenjadiduayaitu proses dalamkeadaantunak (steady) dankeadaantaktunak (unsteady) • Proses steady state : Semuaaliran di dalamsistemmempunyailaju, komposisi, massadansuhuyang tetapatautidakberubahterhadapwaktu. Sehinggapadakeadaaninijumlahakumulasi di dalam sistem tetap. • Proses unsteady state (transient) : Terjadiperubahandalamsistemterhadapwaktu. Baikberupa perubahan laju, komposisi, massa maupun suhu. Karena adanya perubahanlajumakaterdapatperubahanakumulasi di dalamsistemsehinggaakumulasimassaharusdiperhitungkan.

5. Jenis-Jenis Proses Latihan • Klasifikasikan proses di bawahinisebagaibatch, continuous, atau semi-batchdantransient atau steady-state • Balon yang diisiudaradengankecepatankonstan 2 g/min. • Sebotolsusudiambildarikulkasdandiletakan di meja. • Air dipanasakandalam Erlenmeyer terbuka • CO2dan steam diumpankanpadareaktor tubular padalajukonstandanbereaksimenjadi CO2dan H2. Produkdanrektan yang tidakbereaksidiambilpada sis reaktor yang lain. Reaktorberisiudarasaat start up. Suhureaktortetapdanlajualirreaktansertakomposisinyatidaktergantungwaktu. Tentukanjenis proses saatawaldansetelahbeberapa lama.

6. Diagram Alir Proses • Diagram Alir Proses adalahgambaran visual yang menunjukkansemuaaliranbahan-bahanbaik yang masukalatmaupun yang keluar, disertai data-data komposisidaricampuranbahan-bahanaliran. • Gambaraninibisabersifatkualitatifdankuantitatif. • Suatuunit proses dapatdigambarkandalamsebuahkotakatausimbolalat, dangarispanahyang menunjukkanarahaliranbahan. • Arusdalam diagram alirharusdiberi label yang menunjukkan: • Variabelproses yang diketahui • Permisalanvariabelyang akandicaridengansImbolvariabel. • Diagram alirberfungsisebagaipapanhitunguntukmenyelesaikanmasalahneraca, baikneracamassamaupunneracapanas.

7. Diagram Alir Proses • Cara memberi label padaarus : • Tulisnilaidansatuansemuavariabel yang diketahui di arusdalamgambar. • Narasi: gas berisi 21% mol O2 dan 79% N2 pada suhu 320 oC dan 1,4 atmmengalirdengankecepatan 400 gmol/jam. • Diagram alir:

8. Diagram Alir Proses • Tandaidengansimboluntukvariabel yang akandicari.

9. Diagram Alir Proses • Contohpenulisan

10. Diagram Alir Proses • Contohpenulisan

11. Scaling Diagram Alirdan Basis Perhitungan • Jika 1 kg benzene dicampurdengan 1 kg toluene. Output dari proses sederhanainiadalah 2 kg campurandengan 50 % wt benzene. • Jikamassasetiaparusdikalikandenganfaktortertentu, sistemakantetapseimbangbaiknilaimaupunkonversisatuan. • Prosedurmenggantinilailajualirsetiaparusdimanakomposisinyatetapsamadinamakanscaling diagram alir. Scaling up jikanilaiakhirlebihtinggidanscaling down jikalebihrendah

12. Scaling Diagram Alirdan Basis Perhitungan • Jika lajualiradalahinginkita scaling menjadi, kitabisa scaling semuaarusdengancaramengalikandengan.

13. Scaling Diagram Alirdan Basis Perhitungan Contoh • Campuran 60 % mol A dan 40 % B dipisahkanmenjadiduafraksi. Dimana diagram alirdari proses tersebutadalahsbb. • Jikadiinginkanmencapaipemisahan yang samadenganlajualir 1250 lb-mol/jam. UbahSkala diagram alirtersebut.

14. Scaling Diagram Alirdan Basis Perhitungan

15. Neraca Massa • Neracamassa/bahanadalahperinciandarijumlahbahan-bahan yang masuk, keluardan yang terakumulasidi dalamsebuahsistem. • Sisteminidapatberupasatu alat proses maupun rangkaian dari beberapa alat proses, bahkan rangkaian daribanyakalat proses. • Prinsip dari neraca bahan itu sendiri adalah: • Neracabahanmerupakanpenerapanhukumkekekalanmassaterhadapsuatu sistem proses atau pabrik. • Massa berjumlahtetap, tidakdapatdimusnahkanmaupundiciptakan

16. PersamaanNeraca Massa Dimana • Input = Aliranmasukkesistem • Output = Alirankeluarsistem • Consumption = Digunakanolehreaksi • Generation = Terbentukkarenareaksi • Acumulation = Terkumpuldalamsistem Generation Input Output Consumption Accumulation - - + =

17. PersamaanNeraca Massa Contoh Setiaptahun 50.000 orang pindahkekota, 35.000 oramgkeluar, 22.000 lahirdan 19.000 meninggal. Tulisneracapenduduk di kota. Jawab Jika P adalahpenduduk 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

18. TipeNeraca Massa Ada duatipeneracamassa • NeracaDiferensial (differencial balances) : Dinyatakandalamlaju. Mempunyaisatuan, satuankuantitas/waktu. Biasanyauntuk proses kontinyu • Neraca Integral (Integral balances) : Dinyatakandalamjumlah; Mempunyaisatuanberupakuantitas. Biasanyauntuk proses batch.

19. MenyederhanakanPersamaanNeraca Massa • JikamenyatakanNeraca Massa Total Generation = 0 dan Consumption = 0 • Jikatidakadareaksikimiayang terlibat Generation = 0 danConsumption = 0 • Jikasistemdalamkondisisteady state  accumulation = 0 baikuntukNeraca Massa Total maupunKomponen.

20. Neraca Massa non-Reaksi Kimia • Pada kesetimbangan materi tanpa reaksi kimia, rumus umum yang digunakanadalah : Input – output – generasi + konsumsi = akumulasi input – output = akumulasi • karenatidakadanyapembentukanzatataupunreaksikimiayang menggunakanzattersebut.

21. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Kontinyu, Steady State) Contoh • Seribu kg/jam campuranBenzena (B) danToluena (T) dengankomposisi 50 % massaBenzenadipisahkandengandistilasimenjadiduafraksi. LajualirmassaBenzena di puncakkolomsebesar 450 kg B/jam danToluena di dasarkolom 475 kg T/jam. Operasidilakukandalamkondisisteady-state. • Hitunglahlajualirkomponen yang tidakdiketahui di arusproduk.

22. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Kontinyu, Steady State)

23. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Kontinyu, Steady State) Contoh Sebanyak 100 mol/jam larutanetilendiklorida 40% dalamtoluenadimasukkanke sebuah kolom (menara) distilasi. Di dalam menara distilasi proses berlangsungsecarakontinyudantidakterjadiakumulasisehingga 100 mol/jam bahanjugakeluardarikolom. Alirankeluarkolomdibagimenjadiduayaitualirandistilat(D) danalirandasar (B = bottom). Aliranditilatkeluardariataskolommengandung95% moletilendiklorida. Sementaraalirandasarkolommengandung10% moletilendiklorida. Tentukanlajualirmasing-masingalirantersebut.

24. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Kontinyu, Steady State) • Neracamassatotal F = D + B 100 mol/jam = D + B B = 100 mol/jam – D ….. (1) • Neracamassakomponen 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

25. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Batch) Contoh • Duacampuranmetanol-air beradadalam Erlenmeyer terpisah. Campuranpertamaberisi 40 wt % methanol dan yang keduaberisi 70 wt % methanol. Apabila 200 g campuranpertamadikombinasikandengan 150 g campuran yang kedua, berapaberatdankomposisiproduk

26. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Batch)

27. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Batch)

28. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Semi-Batch) Contoh • Udaradipompakanmelaluicairan drum heksanapadalaju 0.1 kmol/min. Arus gas yang keluar drum mengandungmengandung 10 mol % uapheksana. Udaradianggaptidaklarutdalamheksanacair. Gunakanneracamassa integral untukmeperkirakanwaktu yang diperlukanuntukmenguapkan 10 m3cairan. ( Heksana = 0,659 kg/L)

29. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Semi-Batch) Neraca Massa Udara

30. Neraca Massa non-Reaksi Kimia(Proses Semi-Batch) • Neraca Massa Heksana • LajuAlirHeksanameninggalkansistem

31. AnalisisDerajatKebebasan • Degree of freedom atauDerajatKebebasan (DK)adalahsuatuukuran yang dapatmemberikanindikasiapakahpersamaanneracabahandapatdiselesaikanatautidak. • PadasaatmelakukanAnalisis DK, gambardanberikanlahseluruh label dalam diagram alir. Hitungvariabel yang tidakdiketahuidanpersamaan independent yang berhubungan. nDK = nunknown – nind.Eq • JikanDK= 0 Bisadiselesaikan • JikanDK> 0 Beberapavariabelharusdispesifikan. Jikatidak bias, tidak bias diselesaikan. • JikanDK< 0 Diagram alirbisajadibelumdiberikan label sempurna, bias terjadihubungan yang tidakkonsisten.

32. PenyelesainNeraca Massa • Hubungan yang dapatdigunakanuntukmenyusunpersamaanindependenmeliputi : • Neracamassa : Untuk proses non reaksi, jikaada N spesiesdalam proses, dapatdisusun N sampai N+1 neracamassa. • Neracaenergi : Bilaenergi yang ditransferantara system danlingkungantertentu, dapatdisusun 1 persamaannercaenergi. • Spesifikasi Proses : Ada sekurang-kurangnya 3 tipehubungandiantaravariabel proses yang umumdijumpaiyaitu : • Recovery fraksional, • Hubungankomposisi, • Rasiolajualir

33. PenyelesainNeraca Massa • Karakterisasifisikadanhukumfisika : dari 2 variabel yang tidakdiketahui, yang menyangkutmassa, moldan volume darialiran proses, dapatdisusunpersamaandiantaravariabel-variabeltersebutdenganmenggunakanhokum gas ideal atau gas riildankondisikesetimbanganfase. • Batasanfisik: Bilafraksimolkomponenaliran proses secaraterpisahdinyatakan X1, X2, dan X3, dapatdibuatsatupersamaankarenajumlah total adalah 1.

34. Recovery Fraksional Contoh Umpanpadalajualir 1000 mol/jam dengankomposisi propana : 20 % mol i-butane : 30 % mol i-pentane : 25 % mol N-pentane : 25 % mol Akan dipisahkanmenjadi 2 fraksidengandistilasi. Distilatmengandungsemua propane dan 70% i-pentane yang adapadaumpandan 40 % moli-butane. Hasilbawagmengandungsemua n-pentane yang adapadaumpan. Hitunglahkomposisidistilatdanhasilbawah.

35. HubunganKomposisi • Hubungan komposisimerupakankesebandingansederhanaantarakomposisispesiesdarialiranberbeda. • Pada proses pemisahanpadatandanlarutandarislurry dengancarapengendapanataupunsentrifugasi, bilatidakadaadsorpsikimiamakakomposisilarutanjernihsamadengankomposisilarutan yang tertinggalpadapadatan. • dimana1 = endapan, 2 = larutanjernih

36. HubunganKomposisi Contoh • Bilaumpan slurry terdiridari 10% massapadatan, 11% massaNaOH, 16% massa NAlO2dansisanya air dicucidengan air yang mengandungNaOH 2% massamenghasilkanlarutanjernih yang mengandung 95% massa air danendapan yang mengandungpadatan 2 % massa. • Berapabanyak NaAlO2dapatdiperolehkembalipadalarutanjernihbila slurry diumpankanpadalajualir 1000 kg/jam ?

37. RasioLajuAlir Contoh Benzenadipisahkandari output kilangminyak yang mengandung 70 % massa benzene dancampuran paraffin danhidrokarbonnapthenadenganmenggunakanpelarut SO2cair. Bilapelarut yang digunakan 3 kg SO2cair per kg umpanke proses. Rafinatmengandung 1/6 SO2dansisanya benzene. Ekstrakmengandungsemuahidrokarbonnonbenzene, SO2cairdan ¼ kg benzene per kg hidrokarbon non-benzene. Berapakah benzene yang dapatdirecovery (kg benzene padarafinat/kg benzene padaumpan