NME 2003
SATUAN, DIMENSI, DAN FAKTOR KONVERSI Sasaran Pengajaran : • menjumlahkan, mengurangi, mengalikan dan membagi satuan • mengubah satuan-satuan dan fungsi persamaan dalam massa, panjang, gaya, dll. • mendefinisikan dan menggunakan factor konversi Gc Permasalahan: dapatkah anda menetukan hasil dari operasi matematika di bawah ini : 1. 10 kg + 400 meter = 2. 200 feet + 21 cm = 3. 500 meter × 2 sekon = 4. 2 joule / 4 meter = Untuk menentukan hasil dari operasi diatas kita harus mengetahui terlebih dahulu pengertian dari satuan, dimensi, dan faktor konversi • satuan : sesuatu yang digunakan untuk menyatakan ukuran besaran contoh: meter, feet, mile(panjang) ; gram, pound, slug(massa) • dimensi : satuan yang dinyatalkan secara umum dalam besaran primer contoh : massa(M), panjang(L) • faktor konversi: angka tak berdimensi yang merupakan ekivalensi satuan yang bersangkutan Dalam kehidupan kita sehari-hari ada 4 sistem satuan yang dikenal, yaitu : • absolute dynamic system : (cgs : cm, gram, sec) • English absolute system : (fps : ft, pound, sec) • SI ( System International) : (mks : meter, kg, sec) • Gravitational system. • British Eng’ng (BE) : ft, sec, slug • American Eng’ng (AE) : ft, sec, lbm , lbf Pada operasi penambahan dan penguragan dimensi dari bilangan yang dioperasikan harus sama, sedangkan dalam perkalian dan pembagian tidak ada syarat dalam operasinya. Contoh soal : Selesaikanlah perhitungan dibawah ini : (a) 20 jam + 4 meter = (b) 2 joule + 50 Btu = Eva/Bayu/Sisil
1
NME 2003
Jawaban : Pada soal (a) dapat kita lihat bahwa satuan dan dimensi yang digunakan berbeda, 20 jam berdimensi waktu sedangkan 4 meter berdimensi panjang, maka operasi tersebut tidak dapat diselesaikan. Pada soal (b) satuan yang digunakan berbeda namun dimensinya sama, keduanya sama-sama dimensi energi, maka operasi dapat dilakukan dengan mengubah satuannya menjadi sama ( konversi ), baik itu dalam joule atau Btu. karena 1 joule = 9,484.10-4 Btu maka 2 ( 9,484.10-4 ) Btu + 50 Btu = 50,00189 Btu Dalam contoh soal diatas kita melihat adanya perubahan satuan dari joule ke Btu hal inilah yang disebut dengan konversi. Konversi sering dilakukan apabila data yang tersedia dinyatakan dalam satuan yang berbeda. Contoh Soal : Jika sebuah mobil menepuh jarak Jakarta bandung dengan kecepatan 10m/s dan sebuah bus melaju dengan kecepatan 150% dari kecepatan mobil tersebut, berapakah kecepatan bus tersebut dalam kilometer perjam? Jawaban : kecepatan bus 150% × 10m/s = 15 m/s 15 meter × 1 kilometer × 3600 sekon = 54 kilometer sekon 1000 meter 1 jam jam SOal-SOal Latihan….. 1. Ubahlah 3785 m3/jam menjadi gal/min 2. Di suatu tempat dengan percepatan grafitasi 4,5 ft/sec2 seseorang mempunyai berat 100 lbf . Berapa Lbf kah berat orang itu di bumi?? 3. Kapasitas panas spesifik untuk toluene diberikan olaeh persamaan berikut : Cp = 20,869 + 5,239.10-2 T dimana Cp dalam Btu/(lbmol)(0F) dan T(0F) nyatakan persamaan dalam cal/(gmol)(K) dengan T(K)
Eva/Bayu/Sisil
2
NME 2003
BEBERAPA BESARAN PENTING Pada perhitungan yang menyangkut reaksi kimia sering dijumpai besaranbesaran kuantitatif dengan berbagai treminologi yang mempunyai pengertian khusus. Besaran tersebut antara lain : a. MOL mol adalah hasil bagi massa suatu zat dengan berat molekulnya. b. Densitas (ρ) densitas atau kerapatan adalah massa persatuan volum c. Volum spesifik (Vs) volum spesifik adalah kebalikan dari densitas, yaitu volum persatuan massa d. Spesifik gravity / berat jenis (b.j. atau s.g.) berat jenis adalah perbandingan kerapatan zat tsb dengan zat pembanding (standar) *berat jenis tidak mempunyai dimensi. *sebagai pembanding biasanya digunakan air dalam suhu 40C *berat jenis zat cair atau padat tidak bergantung kepada tekanan tetapi bergantung kepada suhu, oleh karena itu dalam menyatakan berat jenis harus disebutkan suhunya. e.Komposisi Merupakan perbandingan antara suatu zat dengan komposisi dapat dinyatakan dalam : o fraksi massa atau persen berat Fraksi massa A = WA/WTOTAL % berat A = WA/WTOTAL × 100%
seluruh campuran,
o fraksi volum atau persen volum Fraksi volum A = VA/VTOTAL % volum A = VA/VTOTAL × 100% o fraksi mol atau persen mol Fraksi mol A = mol A / mol total campuran % mol A = mol A / mol total campuran × 100% f. Konsentrasi Merupakan jumlah zat tersebut yang terlarut dalam sejumlah pelarut. Konsentrasi dapat dinyatakan sebagai : o berat / volum = gram / cm3, gram / liter dll. o mol / volum = mol / liter, lbmol / ft3 o parts per million (ppm) Eva/Bayu/Sisil
3
NME 2003
*dalam gas ppm dinyatakan dalam mol. contoh : o 100 ppm CO2 dalam udara berarti terdapat 100 mol CO2 dalam 106 mol udara o 20 ppm besi dalam air berarti terdapat 20 gram besi setiap 106 gram air. o Molaritas : mol / liter larutan o Normalitas : gram ekivalen / liter larutan o Molalitas : mol / 1000 gram pelarut g.Temperatur ( Suhu ) Suhu ditetapkan dari titik tripel air, yaitu 00C atau 273,15 K Terdapat 4 skala suhu yang biasa dipakai dalam perhitungan, yaitu : skala suhu nol mutlak celcius - 273, 15 0C Kelvin 0K Fahrenheit - 459,67 0F Renkine 0 0R
ttk beku normal air 0 0C 273,15 K 32 0F 492 0R
ttk didih normal air 100 0C 373,15 K 212 0F 672 0R
Hubungan antara keempat skala suhu tersebut adalah sbb: TC = 5/9(TF - 32) TK = TC + 273,15 TR = TF + 459,67 Hubungan selisih suhu : 1,8 Δ TC = Δ TF Δ TC = Δ TK Δ TF = Δ TR 1,8 Δ TK= Δ TR h.Tekanan Tekanan merupakan gaya persatuan luas yang tegak lurus gaya tersebut. P = gaya / luas = F / A ( Pascal, Psi, Atm, Bar, Torr ) 1 atm = 760 mmHg 1 bar = 100 kPa 1 torr = 1 mmHg 1 Psi = 1 lbf / in2 COnToH SoAl : o Hitunglah densitas merkuri dalam lbm/ft3 jika diketahui spesifik grafity merkuri pada 200C adalah 13,546 dan hitunglah volume dalam ft3 jika diketahui massa merkuri 215 kg ???? Eva/Bayu/Sisil
4
NME 2003
Jawab : a. ρHg = spesifik gravity × massa jenis air pada suhu 200C = 13,546 × 62,43 lbm/ft3 = 845,7 lbm/ft3 b. V = 215 kg × 1lbm / 0,454 kg × 1 ft3 / 845,7 lbm = 0,56 ft3 o Hitunglah mol glukosa yag terkandung dalam 10 kg gula jika fraksi berat glukosa dalam gula 16 % !!!! Jawab : berat glukosa dalam gula = 16 % × 10 kg = 1,6 kg mol glukosa = berat glukosa / Mr glukosa = 1600 gram / 160 gram/mol = 10 mol o Jika suatu larutan NaOH pada pabrik sabun mengalir dengan laju alir 240 liter per menit, maka berapa mol kah NaOH yang mengalir tiap detiknya jika diketahui konsentrasi NaOH adalah 0,02 M Jawab : jumlah NaOH yang mengalir tiap detik = 240 liter/min × 1 min/60det = 4 liter/det mol NaOH tiap detik = 4 liter/det × 0,02 mol/liter = 0,08 mol/det o Hitunglah perbedaan suhu dalam 0C jika sebuah konduktor mengalami pemanasan dari 800F menjadi 1400F !!!! Jawab : cara 1. 800F = 5/9 (80 – 32) = 26,6 0C 1400F = 5/9 (140 – 32) = 59,90C ΔT = 33,3 0C cara 2. 1,8 ΔTc = ΔTf = (120 – 80) / 1,8 = 33,3 0C
Eva/Bayu/Sisil
5
NME 2003
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------SOAL LATIHAN : 1. Jika suatu pabrik gula dalam sehari dapat menghasilkan gula sebanyak 100 kg, maka berapa % mol glukosa yang terkandung dalam gula tersebut jika diketahui komposisi gula tersebut adalah 20%berat glukosa dan sisanya adalah air !!! diketahui : Mr H2O = 18 dan glukosa = 160 2. Jika suatu alat pemanas air dapat memanaskan air dengan laju pemanasan 100C/menit maka berapakah suhu akhir dalam 0R jika air dengan suhu 293 K dipanaskan selama 2 jam ????? 3. Suatu dongkrak hidrolik mempunyai luas penampang 250 cm2, jika pada pompa tersebut diberikan gaya sebesar 200 Newton maka berapa Psi kah tekanan yang diterima pompa tersebut ???? 4. Suatu campuran hidrokarbon mempunyai komposisi berikut (% berat): 50 n-C4H10 30 n-C5H12 20 n-C6H14 Hitunglah: (a) Fraksi mol setiap komponen (b) Berat molekul rata-rata campuran 5. Suatu larutan mengandung 25% berat garam dalam air. Jika densitas larutan tersebut adalah 1,2 g/cm3. Nyatakan komposisinya dalam: (a) Kilogram garam per kilogram air (b) lb garam per ft3 larutan 6. Campuran gas terdiri dari 3 komponen: argon, B dan C. Komposisi campuran adalah sebagai berikut: 40% (mol) argon 18,75% (massa) B 20% (mol) C Berat molekul argon adalah 40 dan berat molekul C 50. Hitunglah: (a) Berat molekul B (b) Berat molekul rata-rata campuran 7. Suatu manometer menggunakan kerosene (berat jenis = 0,82) sebagai fluidanya. Jika terbaca beda tinggi manometer 5 in, berapa beda tingginya dalam mm jika digunakan air raksa? --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Eva/Bayu/Sisil
6
NME 2003
PERSAMAAN KIMIA dan STOIKHIOMETRI ________________________________________________________________ ____________________________________________________________ o Suatu pabrik DRY ICE ingin menghasilkan 500kg/jam dry ice dari proses pembakaran heptana. Jika hanya 50 % CO2 yang dapat diubah menjadi dry ice maka berapa kg hepatana yang harus dibakar setiap jamnya????? o Apakah yang dimaksud dengan basis dan reaktan pembatas? Pada saat bagaimana basis dan reaktan pembatas digunakan?? --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Persamaan kimia merupakan suatu gambaran atau data yang memuat data kualitatif dan kuantitatif dalam suatu reaksi kimia. Gambaran kualitatif dapat berupa : o zat pereaksi (reaktan) o zat hasil reaksi (produk) o efek panas (endoterm/eksoterm) sedangkan gambaran kuantitatif dapat berupa : o komposisi o hubungan kuantitatif o jumlah contoh : N2
+ 3 H2 Æ 2 NH3
kualitatif reaktan N2 & H2 produk NH3 reaksi eksotermis
ΔHf = - 1230 kj
kuantitatif 1 mol N2 bereaksi dengan 3 mol H2 menghasilkan 2 mol NH3
Reaksi kimia adalah perubahan yang terjadi saat satu atau lebih zat terkonversi menjadi zat lain, dinyatakan dengan persamaan reaksi yang menunjukkan hubungan molar antara reaktan dan produk. Contoh: Jika kita meniup menggunakan sedotan ke dalam larutan yang mengandung Ca(OH)2, terjadi reaksi berikut: Ca 2+ + H 2O + CO 2 → CaCO 3 + 2H +
Eva/Bayu/Sisil
7
NME 2003
Persamaan di atas menunjukkan bahwa satu mol Ca2+ membutuhkan satu mol CO2 untuk bereaksi yang menghasilkan produk satu mol padatan CaCO3 dan 2 mol ion H+. Jika diketahui larutan mengandung 0,10 gram ion Ca2+, maka jumlah CO2 yang dibutuhkan dapat dihitung dengan cara berikut: Ca 2+ + H 2O + CO 2 → CaCO 3 + 2H + 0,10
x
1 mol Ca2+ ≅ 1 mol CO2 Jadi CO2 yang dibutuhkan: 0,1 gr = × 44 gr = 0,11 gr mol gr 40 mol
CO2
Jenis-Jenis Reaksi Kimia: 1. Reaksi penggabungan: dua reaktan bergabung membentuk senyawa baru. Contoh: H 2 + Cl2 → 2 HCl 2. Reaksi pertukaran: dua rekatan saling mempertukarkan ionnya. Contoh: NaCl + AgNO3 → AgCl + NaNO3 3. Reaksi pembakaran: reaksi yang melibatkan oksigen atau udara sebagai reaktan. Contoh: C2 H 5OH + O2 → 2CO2 + 3H 2O 4. Reaksi oksidasi dan reduksi (redoks): reaksi yang mengoksidasi dan atau mereduksi suatu zat. Contoh: reaksi pembakaran. 5. Reaksi penggantian: reaksi dimana suatu komponen menggantikan komponen lainnya. Contoh: reaksi redoks berikut: 2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3 dimana Al menggantikan Fe di dalam oksida.
Stoikiometri kimia: hubungan kuantitatif antara reaktan dan produk, didasarkan pada kenyataan bahwa materi tersusun atas atom dan molekul. Karena atom dari berbagai unsur dan molekul-molekul dari berbagai zat mempunyai berat berbeda, hubungan kuantitas yang digunakan dinyatakan dalam mol. Eva/Bayu/Sisil
8
NME 2003
Stoikhiometri merupakan perhitungan yang berhubungan dengan reaksi kimia dan proporsional dengan koefisien reaksi kimia. Contoh: 2 H 2 + O2 → 2 H 2O
Artinya 2 mol hidrogen bereaksi dengan 1 mol oksigen menghasilkan 2 mol air. Kemampuan yang harus dipelajari dalam stoikiometri: - kemampuan mengubah banyaknya zat dari satuan massa ke dalam mol, atau sebaliknya. - Kemampuan untuk mengerti perubahan atau reaksi kimia (mengetahui reaktan dan produk yang dihasilkan, serta .menuliskan persamaan reaksi (balance) *Untuk mempermudah perhitungan dalam stoikhiometri menggunakan basis *Basis adalah acuan yang dipilih sebagai dasar perhitungan.
kita
sering
contoh soal : Dalam pembakaran pentana ingin dihasilkan 440 kg gas CO2, berapa kg kah pentana yang harus digunakan untuk reaksi tersebut jika 50% CO2 menyublim menjadi dry ice??? Jawab : basis : 440 kg gas CO2 berarti CO2 yang harus dihasilkan dalam proses pembakaran : 440 kg / 0,5 = 880 kg mol CO2 = 880 kg/ 44 gram/mol = 20 kmol reaksi yang terjadi (stoikhiometri): C5H12 + 8 O2 4 kmol
Æ
5 CO2 20 kmol
+
6 H2O
berat pentana yang harus dibakar : 4 kmol × 72 gram/mol = 288 kg.
Eva/Bayu/Sisil
9
NME 2003
REAKSI KIMIA DALAM INDUSTRI Pada kenyataan di dalam industri meskipun reaktan yang dipakai tepat stoikiometris tetapi reaksi yang terjadi tidak sempurna, yang dimaksud tidak sempurna disini adalah ada reaktan yang tidak terpakai atau bersisa. Karena ketidaksempurnaan inilah maka ada beberapa pengertian yang berhubungan dengan reaksi: ¾ Reaktan pembatas (limitting reactant): Reaktan yang perbandingan stoikiometriknya paling kecil/ sedikit ¾ Reaktan berlebih (excess reactan): Reaktan yang melebihi reaktan pembatas. mol kelebihan % kelebihan (excess) = X100% mol yang stoikiometrik dengan reaktan pembatas misalnya kelebihan udara (excess air): udara berlebih terhadap kebutuhan teoritis untuk pembakaran sempurna pada proses pembakaran ¾ Konversi (tingkat kesempurnaan reaksi): Bagian dari umpan/reaktan yang berubah menjadi hasil/produk. jumlah mol zat yang bereaksi % Konversi =
X 100% jumlah mol zat mula-mula
¾ Selektivitas (selectivity) : Perbandingan (%) mol produk tertentu (biasanya yang diinginkan) dengan mol produk lainnya (biasanya sampingan) yang dihasilkan ¾ Yield : Untuk reaktan dan produk tunggal adalah berat/mol produk akhir dibagi dengan berat/mol reaktan awal, sedangkan untuk reaktan & produk yang lebih dari 1 harus dijelaskan reaktan yang menjadi dasar yield. Eva/Bayu/Sisil
10
NME 2003
berat atau mol produk % Yield =
X 100% berat atau mol reaktan awal
MACAM-MACAM LAJU ALIR 1. Point linear velocity (Laju alir linear titik): laju alir ditinjau pada satu titik. V [=]
l t
[=]
m ft m , , , dan lain sebagainya. det det jam
2. Average linear velocity (Laju alir linear rata-rata) : laju alir linear rata-rata pada seluruh penampang l3
t = l t l2
v =
Q debit = [ =] A luas
[=]
m ft , , dan lain sebagainya det det
3. Volumetric flow rate (laju alir volum) : sejumlah volum yang mengalir per satuan waktu (debit = Q) volum l3 m 3 gallon liter = A⋅v = [ =] , , Q= , dan lain sebagainya waktu t menit menit detik
4. Mass flow rate (laju alir massa) : sejumlah massa yang mengalir per satuan waktu =
kg massa m ton lb [ =] [ =] , , , dan lain sebagainya waktu t menit jam detik
5. Molal flow rate (laju alir molal) : sejumlah mol yang mengalir per satuan waktu =
gmol ton mol lbmol mol m / BM [ =] [ =] , , , dan lain sebagainya. waktu t menit jam detik
Eva/Bayu/Sisil
11
NME 2003
Contoh soal 1 : Antimon dibuat dengan cara memanaskan stibnit (Sb2S3) dengan serpihan besi,
lelehan antimon dikeluarkan dari bawah reaktor. Sebanyak 0,6 kg stibnit dan 0,25 kg serpihan besi dipanaskan bersama-sama ternyata dihasilkan 0,2 kg antimon. Rx :
Sb2S3 + 3Fe
→
2 Sb + 3 FeS
Hitunglah: a. reaktan pembatas
b. reaktan berlebih
c. tingkat kesempurnaan reaksi
d. % konversi
e. selektivitas
f. Yield
Jawab: Reaktan
Zat
BM
Massa (g)
mol
Sb2S3
339.7
600
1.77
Fe
55.8
250
4.48
Sb
121.8
200
1.64
FeS
87.9
?
?
Produk
Rx : Sb2S3 + 3Fe
→
2 Sb + 3 FeS
a & b. Menentukan reaktan pembatas dan berlebih: untuk bereaksi dengan 1,77 mol Sb2S3 membutuhkan 3 X 1,77 mol = 5,31 mol Fe sedangkan Fe yang tersedia hanyalah 4,48 mol. Disini terlihat bahwa Fe stiokiometrik terkecil jumlahnya maka Fe merupakan reaktan pembatas, dan Sb2S3 adalah reaktan berlebih.
Eva/Bayu/Sisil
12
NME 2003
c. Walaupun Fe adalah reaktan pembatas tetapi tidak semua Fe habis bereaksi, jika dilihat dari produk Sb yang dihasilkan hanya 1,64 mol ini berarti Fe yang bereaksi sebanyak: 3 mol Fe 2 mol Sb
X 1,64 mol Sb = 2,46 mol Fe
maka tingkat kesempurnaan reaksi Fe menjadi FeS =
2.46 X 100% = 55% 1.77
sedangkan unuk 1.64 mol Sb maka Sb2S3 yang bereaksi sebanyak: 1 mol Sb2S3
X 1,64 mol Sb = 0,82 mol Sb2S3
2 mol Sb
maka tingkat kesempurnaan reaksi Sb2S3 menjadi Sb =
0.82 X 100% = 46,3% 1.77
e. Selektivitas didasarkan pada Sb2S3 yang seharusnya dapat dikonversikan dengan Fe yang ada : selektivitas =
0.82 X 100% = 55% 1.49
f.
kg Sb terbentuk
Yield =
kg Sb2S3 mula-mula
=
0,2 kg 0,6 kg
X 100% = 33,5% (Sb/ Sb2S3)
Contoh soal 2: Alumunium sulfat dapat dibuat dengan mereaksikan pecahan biji bauksit dengan
asam sulfat menurut reaksi : Al2O3 + 3 H2SO4
→
Al2(SO4)3 + 3 H2O
Biji bauksit mengandung 55,4% alumuniumoksida dan sisanya pengotor. Sedangkan asam sulfat berkadar 77,7% H2SO4 (sisanya air). Untuk menghasilkan 800 kg alumunium sulfat dipergunakan 480 kg biji bauksit dan 1200 kg asam sulfat. Pertanyaan: Eva/Bayu/Sisil
13
NME 2003
a. zat manakah yang berlebih dan berapa % b. berapa % reaktan berlebih yang terpakai c. Berapa tingkat kesempurnaan reaksi d. Berapa yield alumunium sulfat Jawab : 55,4% Al2O3
H2O REAKTOR
77,7% H2SO4
Reaktan Produk
Al2(SO4)3 zat
BM
Massa (kg)
mol (kgmol)
Al2O3
101.9
0,554 x 480
2,61
H2SO4
98.1
0,777 x 1200
9,50
Al2(SO4)3
342,1
800
2,33
Rx: Al2O3 + 3 H2SO4
→
Al2(SO4)3 + 3 H2O
a. Menentukan reaktan berlebih : Untuk bereaksi dengan 2,61kgmol Al2O3 membutuhkan 3 x 2,61 = 7,83 kgmol H2SO4 sedangkan H2SO4 yang tersedia 9,505 kgmol jadi H2SO4 lebih maka rekatan berlebihnya adalah H2SO4 sedangkan reaktan pembatasnya adalah Al2O3 % H2SO4 berlebih =
9,505 − 7,83 X 100% = 21,39 % 9,505
b. Menghitung reaktan berlebih yang terpakai : Produk Al2(SO4)3 2,338 kgmol ini memerlukan: 2,338 kgmol Al2(SO4)3 X Eva/Bayu/Sisil
3kgmolH 2 SO 4 = 7,014 kgmol H2SO4 1kgmolAl 2 (SO 4 ) 3 14
NME 2003
% H2SO4 terpakai =
7,014kgmol X 100% = 73,79% 9,505kgmol
c. Tingkat kesempunaan reaksi : (dipandang atas dasar Al2O3 yang bereaksi) 2,333 X 100% = 89% 2,61
d. Yield =
kg Al 2 (SO 4 ) 3 800 = = 1,66 (Al2(SO4)3/ Al2O3) 480 kg Al 2 O 3
dalam hal ini yield lebih dari satu karena perhitungan dalam berat padahal BM produk jauh lebih besar dari pada reaktan.
Eva/Bayu/Sisil
15
NME 2003
Soal-soal Latihan o Gypsum (CaSO4.2H2O) dihasilkan dengan mereaksikan kalsium karbonat
dan asam sulfat. Analisa dari batu kapur adalah: CaCO3 96,89%; MgCO3 1,14%; inert 1,7%. Untuk mereaksikan seluruh batu kapur seberat 5 ton tentukan a. berat gypsum anhidrat (CaSO4) yang dihasilkan b. berat larutan asam sulfat (98% berat) yang dibutuhkan c. Berat Karbondioksida yang dihasilkan (BM: CaCO3 100; MgCO3 84,32; H2SO4 98; CaSO4 136; MgSO4 120; H2O 18; CO2 44) o Sintesis amonia menggunakan reaksi berikut:
N2 + 3 H2
2 NH3
→
Pada sebuah pabrik, 4202 lb nitrogen dan 1406 lb hidrogen diumpankan kedalam reaktor perjam. Produk amonia murni yang dihasilkan oleh reaktor ini sebanyak 3060 lb per jam a. tentukan reaktan pembatas b. berapa % excess reaktan c. berapa % konversi yang didapatkan berdasarkan pada reaktan pembatas o 5 lb bismut (BM=209) dipanaskan bersama dengan 1 lb sulfur untuk
membentuk Bi2S3 (BM= 514). Pada akhir reaksi, zat yang dihasilkan mengandung 5% sulfur bebas. Tentukan: Rx : 2 Bi + 3 S
→
Bi2S3
a. reaktan pembatas b. % excess reaktan c. % konversi dari sulfur menjadi Bi2S3
Eva/Bayu/Sisil
16
NME 2003
KESETIMBANGAN MATERI
M Gula 1000lb/jam pengkristal F Tebu Gula 16% Air 25% Pulp 59% penggiling
K Gula 40% penyaring
E Gula 13% Pulp 14% D Bagasse Pulp 80%
L Air
evaporator H Gula 15%
J Air
G Padatan berisi pulp 95%
Gambar di atas adalah lembar alir sederhana untuk pabrik gula. Tebu dimasukan ke dalam sebuah penggilingan dengan sirup diperas keluar dan “bagase” yang dihasilkan mengandung 80% pulp. Sirup E yang mengandung potongan-potongan
halus
pulp
dimasukan
kedalam
saringan
yang
menghilangkan semua pulp dan menghasilkan sirup jernih pada aliran H yang mengandung 5% gula dan 85% air. Evaporator membuat sirup kental dan kristalizer menghasilkan 1000 lb/jam kristal gula. Dari keterangan yang diberikan ini dapatkah anda mencari: Berapa banyak air yang dihilangkan didalam evaporator (lb/jam) Berapa besar fraksi massa komponen-komponen dalam arus buangan G Berapa besar laju masukan tebu kedalam unit (lb/jam) ???????
Eva/Bayu/Sisil
17
NME 2003
NERACA BAHAN
Neraca bahan adalah perincian dari jumlah bahan-bahan yang masuk, keluar dan yang menumpuk di dalam sebuah sistem. Sistem ini dapat berupa satu alat proses maupun rangkaian dari beberapa alat proses, bahkan rangkaian dari banyak alat proses. Prinsip dari neraca bahan itu sendiri adalah: Neraca bahan merupakan penerapan hukum kekekalan massa terhadap
suatu sistem proses atau pabrik. Massa berjumlah tetap, tidak dapat dimusnahkan maupun diciptakan RUMUS UMUM NERACA BAHAN
Input
-
Masukan ke sistem
output
+
Keluaran dari sistem
generate
- Consumption = Acumulation
terbentuk hasil reaksi
digunakan oleh reaksi
terkumpul dalam sistem
generasi dan konsumsi hanya terjadi bila terdapat reaksi di dalam sistem JENIS-JENIS PROSES
Berdasarkan kejadiannya proses terbagi menjadi dua yaitu proses Batch (per-angkatan) dan proses kontinyu (berkesinambungan) A. Proses Batch : Pemasukan reaktan dan pengeluaran hasil dilakukan dalam selang waktu tertentu/ tidak terusmenerus. Contoh: - Proses memasak didalam sebuah panci (panci menjadi alat proses) - Pemanasan air dengan koil pada teko B. Proses Kontinyu: Proses dengan pemasukan bahan dan pengeluaran produk dilakukan secara terus menerus/ berkesinambungan dengan laju tertentu Eva/Bayu/Sisil
18
NME 2003
Bahan masuk dengan laju tetap SISTEM
Produk keluar dengan laju tetap
Berdasarkan keadaannya proses dibedakan menjadi dua yaitu proses dalam keadaan tunak (steady) dan keadaan tak tunak (unsteady) A. Proses steady: Semua aliran di dalam sistem mempunyai laju, komposisi, massa dan suhu yang tetap atau tidak berubah terhadap waktu. Sehingga pada keadaan ini jumlah akumulasi di dalam sistem tetap. Laju alir masuk = Laju alir keluar in
out
B. Proses Unsteady Dalam proses unsteady terjadi perubahan dalam sistem terhadap waktu. Baik berupa perubahan laju, komposisi, massa maupun suhu. Karena adanya perubahan laju maka terdapat perubahan akumulasi di dalam sistem sehingga akumulasi massa harus diperhitungkan. in
out
Eva/Bayu/Sisil
19
NME 2003
PENYUSUNAN PERSAMAAN NERACA BAHAN
Neraca massa dibuat untuk satu alat/unit atau rangkaian alat dengan batasan sistem (system boundary) tertentu/jelas, jumlah bahan yang dihitung adalah hanya bahan-bahan yang masuk dan keluar dari sistem yang telah ditentukan batasnya. Neraca yang dibuat harus berdasarkan Hukum kekekalan massa yaitu massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan; kalaupun berubah hanya bentuk atau tempatnya. Tahap-tahap pembuatan neraca bahan: ¾ Tentukan jenis proses ¾ Jika pada proses tidak menyangkut reaksi kimia, neraca bahan dapat
dibuat dalam satuan massa atau mol untuk satu periode waktu tertentu. ¾ Jika terdapat reaksi kimia , sebaiknya digunakan satuan mol untuk setiap unsur/komponen karena jika disusun neraca molekul harus
diperhatikan senyawa-senyawa yang berkaitan satu sama lain secara stoikiometrik. ¾ Persamaan neraca yang terbentuk akan berupa persamaan linier atau non
linier; baik persamaan-persamaan tersebut tidak tergantung (independent) ataupun saling tergantung (dependent) atau keduanya. Penyelesaian persamaan-persamaan tersebut dapat dilakukan dengan cara eliminasi, substitusi atau jika perlu diselesaikan secara serempak (simultan). Ada satu ukuran yang dapat memberikan indikasi apakah persamaan neraca bahan dapat diselesaikan atau tidak ukuran ini adalah Degree of freedom atau Derajat Kebebasan (DK), DK akan kita bahas setelah contoh2 soal berikut.
Eva/Bayu/Sisil
20
NME 2003
Contoh soal 1
Suatu bahan dengan kandungan air 60% dikeringkan sampai 75% airnya menguap. Hitunglah : a) Jumlah air yang diuapkan tiap kg bahan basah b) Komposisi bahan akhir jawab: Pertama buatlah diagram alir dan tulis hal-hal yang diketahui (besaran kualitas dan kuantitas) feed
uap air
air 60% padat 40%
produk (air dan padat)
Kemudian tentukan basis basis: 100 kg bahan basah air dalam bahan basah: 0,6 x 100 = 60 kg air yang menguap : 0,75 x 60 = 45 kg padatan yang terdapat dalam bahan basah = 0,4 x 100 = 40kg Buatlah persamaan neraca bahan: air yang tersisa dalam bahan : air dalam bahan – air yang menguap = 60 kg – 45 kg = 15 kg a. jumlah air yang diuapkan tiap kg bahan basah = b. komposisi bahan akhir : air =
45 = 0,45 kg 100
15 x 100% = 27,3% 15 + 40
: padatan = 100% - 27,3% = 72,7%
Eva/Bayu/Sisil
21
NME 2003
KESETIMBANGAN MATERI TANPA REAKSI KIMIA
Pada kesetimbangan materi tanpa reaksi kimia, rumus umum yang digunakan adalah : Laju masuk - laju keluar = akumulasi
hal ini karena tidak adanya pembentukan zat ataupun reaksi kimia yang menggunakan zat tersebut, Contoh soal 2
Sebanyak 100 mol/jam larutan etilen diklorida 40% dalam toluena dimasukkan ke sebuah kolom (menara) distilasi. Di dalam menara distilasi proses berlangsung secara kontinyu dan tidak terjadi akumulasi sehingga 100 mol/jam bahan juga keluar dari kolom. Aliran keluar kolom dibagi menjadi dua yaitu aliran distilat (D) dan aliran dasar (B = bottom) Aliran distilat keluar dari puncak kolom mengandung 10% mol etilen diklorida. Tentukan laju alir masing-masing aliran tersebut. Jawab: Destilat (D) Umpan (F) F= 100 mol/jam XF = 0,4
D = ?mol/jam XD= 0,95
Keadaan proses tunak berarti tidak ada akumulasi
Bottom (B) B = ?mol/jam XB= 0,1
Neraca massa (mol) total :
F = D + B ....................................(1)
Neraca massa (mol) komponen (dalam soal ini hanya satu komponen) : F . XF = D . XD + B . XB .........................(2) (1) 100 mol/jam = D + B B = 100 mol/jam – D Eva/Bayu/Sisil
22
NME 2003
(2) 100 . (0,4) = D . (0,95) + B . (0,1) 40 = 0,95D + (100-D) . (0,1) 40 = 0,95D + 10 - 0,1D 30 = 0,85D D = 35,3 mol/jam B = 100 mol/jam – 35,3 mol/jam B = 64,7 mol/jam Dua buah contoh soal di atas merupakan contoh sederhana dari suatu sistem proses yang tidak melibatkan reaksi kimia. Persamaan-persamaan neraca massa yang terbentuk masing-masing merupakan persamaan linier yang dapat diselesaikan dengan cara eliminasi biasa. Berikut ini adalah contoh sistem proses yang melibatkan reaksi kimia.
KESETIMBANGAN MATERI DENGAN REAKSI KIMIA.
Pada keadaan ini rumus yang digunakan sama dengan rumus umum kesetimbangan materi yaitu: laju alir masuk – laju keluar + pembentukan – konsumsi = akumulasi Contoh soal 3
Pada suatu pembakaran, sebanyak 300 kg udara dan 24 kg karbon diumpankan ke dalam reaktor pada suhu 600oF. Setelah pembakaran sempurna tidak ada bahan tersisa di dalam reaktor. Hitunglah: a. Berapa berat karbon, oksigen & berat total bahan yang keluar dari reaktor? b. Berapa mol karbon & mol oksigen yang masuk dan keluar dari reaktor? c. Berapa mol total yang masuk dan berapa yang keluar reaktor?
Eva/Bayu/Sisil
23
NME 2003
Jawab: C = 24kg
REAKTOR o
?
Sistem: steady, tanpa akumulasi,
600 F
dengan reaksi kimia
Udara = 300kg Neraca massa adalah:
Input - output + generation - consumption = accumulation 0 ⇔
input + generation = output + consumption
Neraca yang digunakan: • Neraca mol total (semua komponen) • Neraca mol komponen : CO2 dan O2 Basis : 24 kg C dan 300 kg udara Komponen yang masuk ke reaktor: O2 (21% dari udara) ⇒
300 kg x 21% = 2,17 kmol O2 29 kg/kmol
N2 (79% dari udara) ⇒
300 kg x 79% = 8,17 kmol N2 29 kg/kmol
C ⇒
24 kg = 2kmol C 12 kg/kmol
Reaksi yang terjadi :
C + O2
→
CO2
Dari stoikiometri diketahui untuk membakar sempurna 2 kmol C dipakai 2 kmol O2 jadi masih terdapat sisa O2 Neraca O2 : O 2 input
+ O2 generate = O2 output + O2 consumption
2,17 kmol +
0
= O2 output +
2 kmol
O2 output = 0,17 kmol Eva/Bayu/Sisil
24
NME 2003
Neraca N2 :
N 2 input + N2 generate = N2 output + N2 consumption 8,17 kmol + 0
= N2 output +
0
N2 output = 8,17 kmol Neraca C :
C input + C generate = C output + C consumption 0
+
2 kmol = C output +
0
C output = 2 kmol Tabulasi perhitungan (neraca komponen dalam mol) Komponen
Masuk
Keluar
kg
kmol
kg
kmol
C
24
2
0
0
O2
69,5
2,17
5,5
0,17
N2
230,5
8,17
230,5
8,17
CO2
0
0
88
2
Total
324
12,34
324
10,34
a. Tidak ada karbon keluar dalam bentuk C, tetapi dalam bentuk CO2 seberat 88 kg dimana dalam CO2 tersebut mengandung C seberat 24 kg. O2 yang keluar 0,17 kmol, sisanya keluar dalam bentuk CO2. Berat bahan total yang keluar sama dengan berat bahan total yang masuk yaitu 324 kg b. 2 kmol C dan 2,17 kmol O2 yang masuk kedalam reaktor, sedangkan yang keluar dari rekator adalah 0 kmol C dan 0,17 kmol O2 c. 2,34 kmol total masuk ke reaktor dan 10,34 kmol keluar dari reaktor.
Eva/Bayu/Sisil
25
NME 2003
Contoh soal 4:
Dalam suatu proses pembakaran, gas etana dicampur dengan oksigen dengan perbandingan 80% etana dan sisanya oksigen campuran ini dibakar dengan udara berlebih 200%. Pada pembakaran tersebut ternyata 80% gas etana terbakar menjadi CO2, 10% menjadi CO dan 10% tidak terbakar. Hitung komposisi gas hasil bakar (dasar basah) Jawab: bahan bakar
gas hasil pembakaran REAKTOR
C2H6 = 80% O2 = 20%
Udara berlebih 200% O2 = 21% N2 = 79%
CO2 CO C2H6 sisa O2 sisa H2O N2
Basis : 100 mol bahan bakar C2H6 = 80% x 100 mol = 80 mol O2
= 20% x 100 mol = 20 mol
Reaksi: (1) C2H6 +
7 O2 2
→
2 CO2 + 3 H2O ......... ....Pembakaran sempurna
(2) C2H6 +
5 O2 2
→
2 CO + 3 H2O ... ........Pembakaran tak sempurna
(3) Tak bereaksi Oksigen dari udara yang masuk 200% berlebih berarti 3 x dari yang dibutuhkan secara teoritis untuk pembakaran sempurna. Oksigen teoritis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna : 3,5 mol O 2 x 80 mol C 2 H 6 = 280 mol O 2 1 mol C 2 H 6
Oksigen yang terikut dalam bahan bakar = 20 mol Oksigen teoritis yang dibutuhkan dari udara = 280 mol – 20 mol = 260 mol Eva/Bayu/Sisil
26
NME 2003
Oksigen total yang masuk dari udara = 3 x 260 mol = 780 mol Nitrogen yang masuk bersama udara =
79 x 780 mol = 2934,3 mol 21
Menghitung komposisi produk (hasil): Untuk reaksi (1) CO2 : (0,8 x 80 mol) x 2 = 128 mol CO2 H2O : (0,8 x 80 mol) x 3 = 192 mol H2O Untuk reaksi (2) CO : (0,1 x 80 mol) x 2 = 16 mol CO H2O : (0,1 x 80 mol) x 3 = 24 mol H2O Total H2O = 192 + 24 = 216 mol Total O2 terkonsumsi: reaksi (1) : (0,8 x 80 mol) x 3,5 = 224 mol reaksi (2) : (0,1 x 80 mol) x 2,5 = 20 mol total = 224 + 20 = 244 mol O2 O2 yang keluar bersama gas hasil pembakaran = 800 – 244 = 556 mol C2H6 sisa = 0,1 x 80 mol = 8 mol Ringkasan hasil hitungan Komponen
Keluar
% komposisi
(mol)
dalam keluaran
128
3,32
556
14,41
16
0,42
8
0,2
216
5,6
2934,3
2934,3
76,05
3714,3
3858,3
100 (dsr basah)
Masuk (mol) Bahan
Udara
bakar CO2 O2
20
780
CO C2H6
80
H2O N2 Jumlah Eva/Bayu/Sisil
100
27
NME 2003
Jika dianalisis orsat ( dasar kering) H2O tidak dihitung. Jumlah mol total = 3642,3 mol. Komposisi gas kering: CO2 = 3,51% O2
= 15,26%
CO
= 0,45%
C2H6 = 0,22% N2
= 80,56%
Dari penyelesaian soal proses dengan melibatkan reaksi kimia ini dapat disimpulkan:
Walaupun massa total yang masuk sama dengan massa total yang keluar (sesuai dengan hukum kekekalan massa), tetapi jumlah mol yang masuk tidak sama dengan jumlah mol yang keluar. Hal Hal ini disebabkan oleh adanya reaksi kimia pada komponen-komponennya.
NERACA BAHAN DENGAN “tie component” ATAU ”key component”
Banyak persoalan neraca bahan yang seolah-olah rumit tetapi sebenarnya kalau diperhatikan dengan seksama dapat disederhanakan karena terdapat tie component atau key component . Komponen ini adalah komponen yang selama proses dari satu aliran ke aliran lain tidak mengalami perubahan sama sekali (numpang lewat doang). Misalnya pada contoh soal 1, yang menjadi tie component adalah bahan padat (karena tidak mengalami perubahan sama sekali dan jmlahnya tetap) , sedangkan pada contoh soal 3 dan 4 yang menjadi tie component adalah Nitrogen (karena tidak ikut bereaksi/ inert).
Eva/Bayu/Sisil
28
NME 2003
DERAJAT KEBEBASAN ATAU DEGREE OF FREEDOM
Ada suatu ukuran yang dapat memberikan indikasi bahwa suatu persamaan (neraca bahan) mungkin dapat diselesaikan atau tidak. Ukuran ini adalah degree of freedom atau derajat kebebasan dari suatu persoalan. Seharusnya bila ada n besaran yang tidak diketahui maka untuk menyelesaikannya dibutuhkan n buah persamaan yang independen. Bila jumlah persamaan yang tersedia kurang dari n buah maka persoalan tersebut tidak dapat diselesaikan. Sebaliknya jika terdapat lebih dari n buah persamaan maka harus diambil hanya n buah persamaan untuk menyelesaikannya. Itu pun dengan resiko bila persamaan yang kita ambil salah maka dapat terjadi ketidak konsistenan ketentuan di antara persamaanpersamaan yang berlebih tersebut sehingga hasil yang diperoleh salah. Derajat kebebasan adalah ukuran yang sederhana untuk mengetahui hal tersebut. Analisis derajat kebebasan merupakan mekanisme yang sistematis untuk menghitung semua variabel, persamaan-persamaan neraca dan hubungan-hubungan yang terkait dalam permasalahan. Derajat Kebebasan (DK) = Jumlah variabel aliran yang independen - Jumlah persamaan neraca yang independen - Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen - Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman) Jika DK > 0 : Permasalahan tdk dapat diselesaikan (kurang terspesifikasi) Jika DK < 0 : Permasalahan kelebihan spesifikasi dapat menyebabkan inkonsistensi Jika DK = 0 : Permasalahan terspesifikasi dengan benar karena jumlah var yang tidak diketahui sama dengan jumlah persamaan yang ada
Eva/Bayu/Sisil
29
NME 2003
Contoh 1 menghitung DK
Suatu umpan kolom destilasi dengan laju alir 1000 mol/jam mempunyai komposisi sebagai berikut (%mol): 20% propane, 30% isobutane, 20% isopentane dan sisanya normal pentane Destilat yang dihasilkan mengandung semua propane dan 80% isopentane yang masuk kolom, serta mengandung 40% isobutane. Produk bawah (bottom prod) mengandung semua normal pentane yang masuk kolom. Hitung komposisi kedua produk tersebut. Analisis: Terdapat 1 kolom destilasi (1 alat saja) Terdapat 3 aliran (1 masuk, 2 keluar) Anggaplah tiap-tiap aliran mempunyai 4 variabel yaitu 1 var laju alir dan 3
var komposisi. Dengan demikian untuk ketiga aliran tersebut masingmasing terdapat 4 var aliran yang nantinya dapat disusun menjadi 4 persamaan neraca bahan yang independen. Variabel-veriabel aliran yang terspesifikasi (biasanya ditentukan atau
diketahui) sehingga variabel independen dari aliran adalah: a. 3 var indep komposisi umpan = 20% C3, 30% C4, 20% C5 b. 2 var indep komposisi destilat = 0% C5 dan 40% C4 c. 1 var indep komposisi bottom prod = 0% C3 d. 1 var indep laju umpan = 1000 mol/jam Berdasarkan analisis diatas maka dapat dijawab sbb: - jumlah variabel aliran = 3 aliran x 4 var/aliran = 12 var - jumlah persamaan neraca bahan independen = jumlah komponen yang
terdapat dalam sistem yaitu 4 persamaan - jumlah var terspesifikasi ada 2 macam yaitu :
@ komposisi ada 6 (a,b & c) @ aliran ada 1 (d) Eva/Bayu/Sisil
30
NME 2003
- Jumlah hubungan terkait berupa perolehan di destilat (80%)
Maka: Jumlah variabel aliran yang independen
=
12
Jumlah persamaan neraca yang independen
=
4
Komposisi
=
6
Aliran
=
1
Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman)
=
1
Derajat Kebebasan (DK)
=
0
Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen
_
Disini permasalahan terspesifikasi dengan benar sehingga persoalan hanya memiliki satu penyelasaian. Tetapi perhitungan jumlah variabel dan spesifikasi ini sering tidak sama pada berbagai literatur karena adanya penyederhanaan oleh masing-masing analis, meskipun hasil akhirnya (DK) tetap sama. Seperti contoh di atas, bisa saja jumlah variabel aliran hanya 10 karena kita sudah mengetahui bahwa komposisi dari C5 pada produk destilat =
0. Dengan
demikian untuk perhitungan jumlah variabel komposisi aliran yang terspesifikasi juga akan berkurang 2 (kedua komposisi tadi) sehingga menjadi 4 Maka: DK = 10 var aliran - 4 persamaan neraca bahan independen - 4 komposisi - 1 aliran - 1 hub terkait DK = 0
Contoh 2 menghitung DK
Titanium dioksida TiO2 banyak digunakan sebagai zat warna pada industri cat dan kertas. Dalam suatu unit pencuci pada pabrik zat tersebut diinginkan untuk memproduksi 4000 lb/jam TiO2 kering dan maksimum mengandung 100 ppm garam basis kering. Keluar dari alat pembuatnya zat pewarna tersebut (raw pigmen) mengandung 40% TiO2, 20% garam dan sisanya air (% massa). Eva/Bayu/Sisil
31
NME 2003
Pemurnian dilakukan dengan cara pencucian menggunakan air (H2O) kemudian pemisahan dengan pengendapan hingga diperoleh produk pewarna yang bersih (washed product) dan air bekas mencuci yang disebut waste water. Pewarna yang dikehendaki minimal haruslah mengandung 50% TiO2. Karena air buangan bekas cuci tersebut akan dibuang ke sungai maka komposisinya harus diketahui dengan tepat. Hitunglah Analisis: air pencuci H2O Pewarna kotor(F1)
Unit pencuci
TiO2 40% Garam 20% H2O
Air cucian Garam H2O
Pewarna bersih TiO2 Garam H2O
• Dari diagram diatas dapat dilihat bahwa jumlah variabel aliran-aliran tersebut adalah: - Pewarna kotor
3
- Air pencuci
1
- pewarna bersih
3
- Air cucian
2 9
• Jumlah komponen dalam soal ini ada 3, jadi pesamaan neraca independen juga ada 3 • Jumlah komposisi yang terspesifikasi : 2 untuk pewarna kotor, 1 untuk pewarna bersih • Jumlah hubungan tambahan, kapasitas produk dan kandungan garam, ada 2 Eva/Bayu/Sisil
32
NME 2003
Maka: Jumlah variabel aliran yang independen
=
9
Jumlah persamaan neraca yang independen
=
3
Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen
=
3
Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman)
=
2 _
Derajat Kebebasan (DK)
=
1
DK = 1 atau >0 hal ini berarti soal tersebut tidak bisa diselesaikan (kurang terspesifikasi), Ada 3 variabel yang tidak diketahui sedangkan hanya ada 2 persamaan jadi perlu satu persamaan lagi, persaman ini bisa berasal dari komposisi, laju alir atau perbandingan lain yang menyebabkan tambahan hubungan diantara veriabel-variabel yang tidak dketahui tersebut. Sekarang coba selesaikan dengan tambahan keterangan perbandingan penggunaan massa air pencuci/pewarna adalah 6 lb H2O per lb pewarna atau F2/F1 = 6
Eva/Bayu/Sisil
33
NME 2003
Bypass, Recycle, Purge, Spliter & Mixer R
II
P
II Feed III
I
B
Pada diagram di atas dapat dilihat terdapat beberapa aliran dan alat, berikut akan dijelaskan tiap aliran dan alat yang digunakan: I
adalah alat yang disebut dengan separator: alat ini berfungsi untuk
memisahkan komposisi tertentu dari suatu aliran sehingga komposisi pada aliran yang dihasilkan berbeda dengan aliran awal II adalah alat yang disebut dengan spliter: alat ini berfungsi untuk memisahkan
aliran tetapi tanpa mengubah komposisi yang terdapat pada lairan sehingga komposisi aliran yang dihasilkan sama dengan komposisi aliran awal. III adalah alat yang disebut dengan mixer: alat ini berfungsi untuk
mencampurkan aliran. Untuk separator dan spliter bisa terdapat pada aliran yang akan di purge, recycle ataupun yang akan di bypass, tetapi mixer biasanya hanya terdapat pada aliran yang akan dicampur. Aliran R adalah aliran Recycle (Daur ulang), aliran ini berfungsi untuk mengembalikan zat-zat, yang masih dibutuhkan, yang masih terdapat dalam aliran keluar untuk kembali mengalami proses Aliran B adalah aliran Bypass, aliran ini adalah aliran yang melewati satu atau beberapa tahap proses yang langsung menuju pada proses selanjutnya. Aliran P adalah aliran Purge aliran ini adalah aliran pembuangan untuk mengeluarkan akumulasi dari inert atau materi yang tidak diinginkan yang jika tidak dikeluarkan akan tertimbun dalam aliran Recycle Eva/Bayu/Sisil
34
NME 2003
*
Dalam neraca massa dengan reaksi kimia kita akan menemui istilah fraction conversion , fraction conversion yang dimaksud di sini adalah
banyaknya jumlah zat yang digunakan dalam suatu proses dibandingkan dengan jumlah input zat tersebut. Faktor konversi dibedakan menjadi 2 jenis yaitu : 1. Overall fraction conversion (konversi keseluruhan ) massa (mol) reaktan dalam fresh feed – massa (mol) reaktan dalam produk akhir massa ( mol ) reaktan dalam fresh feed
2. Single pass atau once through conversion massa ( mol ) reaktan masukan reaktor – massa ( mol ) reaktan keluaran reaktor massa ( mol ) reaktan masukan reaktor
secara singkat dapat dikatakan bahwa single pass hanya menghitung konversi pada satu alat saja, sedang overall menghitung konversi dalam sistem.
Eva/Bayu/Sisil
35
NME 2003
SOAL 1 Asam asetat dapat diproduksi melalui reaksi berikut: 2C2H5OH + 2Na2Cr2O7 + 8H2SO4 → 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2Na2SO4 + 11H2O Reaksi berlangsung dalam system dengan recycle seperti digambarkan dalam diagram berikut: F2 P H2SO4 CH3COOH S Na2Cr2O7 E F1 C2H5OH
Reaktor
P A R A T O R
W Produk Limbah
Recycle, R H2SO4 C2H5OH Konversi etanol overall sebesar 90% dicapai jika laju alir recycle sama dengan laju umpan segar C2H5OH. Laju umpan segar H2SO4 dan Na2Cr2O7 masingmasing berlebih 20% dan 10% secara stoikiometrik terhadap jumlah umpan segar C2H5OH. Jika aliran recycle mengandung 94% H2SO4 dan sisanya C2H5OH (% dalam mol), hitunglah: a. Laju alir produk (P) b. Laju alir dan komposisi produk limbah (W) c. Konversi single pass reactor etanol SOAL 2 Dalam suatu industri minuman, jus jeruk segar mengandung 12% padatan dan sisanya air; sedangkan produk jus kental mengandung 42% padatan. Jika proses pengentalan dilakukan dengan proses evaporasi tunggal, sebagian kandungan zat-zat volatile ikut teruapkan bersama air dan mengakibatkan rasa yang hambar. Untuk mengatasi masalah ini, sebagian aliran jus jeruk segar di bypass untuk kemudian digabungkan dengan aliran keluaran evaporator. Sementara itu, aliran jus jeruk segar dikentalkan dalam evaporator hingga kandungan padatan menjadi 58%. a. Gambarkan proses yang terjadi! b. Hitunglah julah produk jus kental yang dihasilkan per 100 kg jus jeruk segar yang diumpankan ke proses! c. Hitunglah fraksi jus jeruk segar yang di bypass! Gunakan notasi-notasi berikut: F = Aliran jus jeruk segar; E = aliran keluaran evaporator; B = aliran bypass; P = aliran produk jus kental. Eva/Bayu/Sisil
36
NME 2003
GAS, UAP, CAIRAN DAN PADATAN
4.1 HUKUM GAS IDEAL Gas ideal adalah gas imajiner yang memenuhi persamaan : PV=nRT Dengan : P = tekanan gas V = volum total gas n = jumlah mol gas R = konstanta gas ideal T = Suhu dalam kelvin Persamaan ini dapat diterapkan untuk komponen murni atau campuran. Sejumlah keadaan standar yang ditentukan secara sembarang atau yang dikenal dengan standard condition dari suhu dan tekanan ditentukan untuk mengetahui nilai R, jadi kenyataan bahwa sebuah unsur tdk berwujud gas pada 0oC dan 1 atm (dalam keadaan standar) tidaklah penting. Sebagai contoh uap air pada 0oC tdk dapat berada dalam tekanan yang lebih besar dari 0,61 kPa tanpa terjadi pengembunan. 4.1.1 Penerapan hukum gas ideal: Hk gas ideal dapat digunakan untuk menentukan volume, tekanan, atau suhu suatu zat dalam keadaan tertentu. Contoh: Berapakah densitas O2 pada 27oC dan 250kPa dalam satuan SI ? 27oC = 300 K R = 0,008314 kPa m3/mol K Eva/Bayu/Sisil
37
NME 2003
basis = 1 m3 gas O2 PV = n RT
⇔
RT V = n P
⇔
V kg
=
RT P
kmol 1m3 kg 32kg / kmol
8,314 kPa m3/kmol K . 300 K = 250 kPa
massa O2 = 3,2 kg densitas O2 = 3,2kg/1m3 = 3,2 kg/m3 4.1.2 Campuran gas ideal dan tekanan gas parsial Dalam kehidupan sehari-hari, gas biasanya berada dalam suatu campuran dengan gas lain. Dalam keadaan seperti ini anda tetap dapat menggunakan hukum gas ideal. Biasanya kita menggunakan kuantitas khayalan yang disebut tekanan parsial. Tekanan parsial dari gas i didefinisikan sebagai Pi. Jadi hukum gas idealnya menjadi: Pi Vtotal = ni R T Atau
Pi = Ptotal x
ni = Pi × Yi n total
Dimana Yi = Fraksi mol zat i Contoh soal: Udara di bumi terdiri dari 21% (%V) oksigen dan 79% nitrogen. Tekanan parsial oksigen 21kPa, berapakah tekanan total udara? PO2 = 21kPa YO2 = 0,21 P total =
Eva/Bayu/Sisil
PO2 21kPa = = 100kPa YO2 0,21
38
NME 2003
4.2 KEJENUHAN (SATURATION) Kejenuhan adalah suatu keadaan setimbang daimana saat tekanan persial dalam gas sama dengan tekanan uap cairan tersebut, dalam keadaan ini tidak ada lagi zat cair yang menguap atau gas yang mengembun. Pada saat titik jenuh tercapai kita dapat menyatakan bahwa zat tersebut berada dalam titik embun (dew point). Dengan mengasumsikan bahwa sistem gas ideal berlaku pada saat jenuh maka kita dapat menuliskan hubungan tekanan (P) gas dengan tekanan (P) cairan dalam keadaan jenuh sebagai berikut. Pgas V Pcair V
n gas RT
=
n cair RT
atau Pgas Pcair
=
n gas ncair
=
Pgas Ptotal − Pgas
4.3 KEJENUHAN PARSIAL DAN KELEMBAPAN Kejenuhan parsial adalah kondisi dimana uap tidak berada dalam ekuilibrium dengan fase cair, dan tekanan parsial uap lebih kecil daripada tekanan uap cairan pada suhu tertentu. Ketika uap adalah uap air dan gas adalah udara, berlaku istilah khusus kelembapan (humidity). Untuk gas atau uap lainnya digunakan istilah kejenuhan (saturation). Kejenuhan relatif (relative saturation) didefinisikan sebagai Rs =
Puap kejenuhan relatif Pjenuh
Dengan: Puap = Tekanan parsial uap dalam campuran gas
Eva/Bayu/Sisil
39
NME 2003
Pjenuh = tekanan parsial uap dalam campuran gas jika gas jenuh pada suhu campuran yang diberikan (yaitu tekanan uap dari komponen uap) Untuk ringkasnya : Rs =
Puap Pjenuh
=
Puap / Pt Pjenuh / Pt
=
Vuap / Vt V jenuh / Vt
=
nt n jenuh
=
massai massa jenuh
Kejenuhan molal adalah cara lain untuk menyatakan konsentrasi uap dalam gas adalah menggunakan rasio mol uap terhadap mol gas bebas uap: nuap ngasbebasuap
= kejenuhan molal
untuk suatu sistem biner dimana 1 menunjukan uap dan 2 menunjukkan gas kering: P1 + P2 = Ptot n1 + n2 = ntot n1 P1 V1 n1 P1 V1 = = = = = n2 P2 V2 ntot − n1 Ptot − P1 Vtot − V1
Kelembapan atau Humidity (H) manunjukan massa uap cair per massa udara kering (bonedry air) H=
(nuap )(Mruap ) massauap = (ngas kering )(Mrgas kering ) massagas kering
Kejenuhan (kelembapan) “Absolut”, Presentase Kejenuhan (Kelembapan). Kejenuhan “Absolut” didefinisikan sebagai rasio mol uap per mol gas bebas-uap terhadap mol uap yang akan ada per mol gas bebas-uap jika campuran tersebut jenuh secara sempurna pada suhu dan tekanan total yang ada: Eva/Bayu/Sisil
40
NME 2003
As = “kejenuhan absolut” =
⎛ ⎞ mol uap ⎜⎜ ⎟⎟ mol gas bebas uap ⎝ ⎠ sebenarnya ⎞ ⎛ mol uap ⎟⎟ ⎜⎜ mol gas bebas uap ⎠ jenuh ⎝
Dengan 1 untuk uap dan 2 untuk gas bebas uap Persen kejenuhan absolut = ⎛ n1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ n2 ⎠ sebenarnya ⎛ n1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ n2 ⎠ jenuh
(100) =
⎛ P1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ P2 ⎠ sebenarnya ⎛ P1 ⎞ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ P2 ⎠ jenuh
(100)
Titik Embun. Selama gas yang jenuh secara parsial mendingin pada volume konstan, ataupun pada tekanan total konstan, gas yang takdapat mengembun akhirnya menjadi jenuh dengan uap, dan uap tersebut mulai mengembun. Suhu pengembunan dimulai pada titik embun (dew point)
Eva/Bayu/Sisil
41
