NERACA MASSA A. Pend nda ahulu uluan
Desain Desain suatu suatu proses proses dimulai dimulai dengan dengan pengem pengembang bangan an dari dari diagra diagram m alir alir proses proses.. Untuk pengembangan diagram alir proses, perhitungan neraca massa sangat dibutuhkan. Neraca massa ini mengikuti hukum kekekalan massa atau the law of conservation of mass, mass, bahwa massa sebenarnya tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan begitu saja. Artinya total massa tidak akan berubah selama proses. Dari hukum kekekalan massa dapat dituliskan persamaan neraca massa suatu proses: assa masuk dalam suatu proses
=
assa keluar dari suatu proses
=
$utput
+
assa terakumulasi
!"
+ atau: #nput
+
Accumulation
%"
&ika akumulasi akumulasi nol, misalnya misalnya untuk proses yang yang steady steady state, persamaan neraca massa menjadi: #nput
= $utput
'"
Neraca yang biasa dipakai adalah: •
Neraca massa total
•
Neraca komponen
•
Neraca atom
B. Metode Analisis Neraca Massa
(trate (trategi gi analis analisis is neraca neraca massa massa yaitu yaitu,, pertam pertama, a, bagaim bagaimana ana persam persamaann aannya, ya, dan kedua kedua,, bagai bagaima mana na cara cara meny menyel eles esai aika kanny nnya. a. Untu Untuk k bebe bebera rapa pa tipe tipe prob proble lem m meto metode de pendekatan relati) lebih mudah, tetapi untuk problem yang lainnya mungkin menjadi lebih sulit. *ada dasarnya untuk menyelesaikan problem destilasi, kristalisasi, eaporasi, pembakaran, pencampuran, absorpsi gas, atau pengeringan tidak berbeda satu sama
!
lainny lainnya, a, tetapi tetapi harus harus diliha dilihatt sudut sudut pandang pandang bagaim bagaimana ana proses proses penyele penyelesai saian an proble problem m tersebut. *ada analisis neraca massa pertama-tama kita harus menentukan berapa banyak persamaan neraca massa yang bisa ditulis, apakah melibatkan reaksi kimia atau tidak, dan buat batasan sistem neraca massa tersebut. ¨ah persamaan tak bebas dengan jumlah ariabel yang tidak diketahui harus sama.
=/
omposisi: 5t$6 / 6%$ / e$6 /
omposisi: 71; 5t$6 91; 6%$
0 =!11 kg
* = 21 kg
!1; e$6
omposisi: 81; 5t$6 7; 6%$ !7; e$6
3atasan sistem 4ambar !. (kema proses destilasi etanol, komposisi tidak lengkap lengkap Sumber: Himmelblau 1992, 1992 , hal.118
Dari ilustrasi pada gambar ! bisa dibuat persamaan neraca massa dari ketiga komponen komponen yang terlibat terlibat dalam batasan sistem. sistem. Dengan asumsi prosesnya prosesnya steady steady state, state, maka maka persam persamaan aan '" kita gunakan gunakan.. isal isal diguna digunakan kan
ϖ
sebagai sebagai simbol simbol )raksi )raksi massa massa
komponen dalam da lam aliran 0, , , dan *, maka setiap persamaan mempunyai bentuk: ϖ#,0 0
= ϖ#,* * + ϖ#,
Neraca massa komponen: masuk
keluar
5t$6:
1,71"!11"
=
1 1,81"21"
+
ϖ5t$6,"
9a"
6%$:
1,91"!11"
=
1,17"21"
+
ϖ6%$,"
9b"
e$6:
1,!1"!11"
=
1,!7"21"
+
ϖe$6,"
9c"
%
Neraca massa total: masuk
keluar
!,11"!11" = !,11"21" + ϖ5t$6," +
ϖ6%$,"
+ ϖe$6,"
9d"
¨ah )raksi untuk setiap aliran sama dengan satu: ϖ5t$6, + ϖ6%$, + ϖe$6, =
!
7"
Ada empat persamaan tak bebas yaitu persamaan 9a", 9b", 9c", dan 7". ariabel yang tidak diketahui ada empat yaitu , ϖ5t$6, ,
ϖ6%$,,
dan ϖe$6,.
*roblem ini secara spesi)ikasi bisa diselesaikan karena jumlah persamaan tak bebas sama dengan dengan jumlah jumlah ariab ariabel el yang yang tidak tidak diketa diketahui hui.. >arany >aranyaa substi substitus tusii persam persamaan aan 7" ke persamaan 9d", maka bisa dihitung. (elanjutnya masukkan nilai ke dalam persamaan 9a", 9b", dan 9c", maka akan diperoleh nilai ϖ5t$6, ,
ϖ6%$,,
dan ϖe$6,
#lustrasi pada gambar %, ada berapa persamaan neraca massa komponen dapat dibuat/ &awabannya adalah tiga, yaitu: 71 = 1,81* + 1,17 91 = 1,17* + 1,?%7 !1 = 1,!7* + 1,1%7 ¨ah ariabel yang tidak diketahui dua yaitu * dan . &elas problem ini overspecified dan tidak mempunyai keunikan, sehingga perlu dikurangi satu persamaan. omposisi: 7.1; 5t$6 =/ ?%,7; 6%$ %,71; e$6 omposisi: 71; 5t$6 91; 6%$
0 = !11 kg
*=/
!1; e$6
omposisi: 81; 5t$6 7; 6%$ !7; e$6
3atasan sistem 4ambar %. (kema proses proses destilasi destilasi etanol, komposisi lengkap
'
Sumber: Himmelblau 1992, hal.119
0=!2lb
>$% = /
*=/
N%
>69=!11;
=/
6%$ = / 3atasan sistem Udara = '11lb
;mol $% %!; 29lb"
%$=/
N% @?; %!1lb"
4ambar '. (kema proses pembakaran metana Sumber: Himmelblau 1992, hal.120 Dari gambar @.' terlihat jumlah ariabel yang tidak diketahui nilainya ada empat yaitu n>$%, n N%, n6%$, dan n$%, dengan n jumlah mol setiap komponen di *, sehingga: * = n>$% + n N% + n6%$ + n
%$
2a"
2b"
Neraca komponen dengan basis !2 lb >69 = ! lb mol : '11 lb udara
! lb mol udara = !1,'7 lb mol udara
%? lb udara Neraca >:
>69 masuk
udara masuk
! 6%
%
* keluar =
n>
%$=
n6%$
2c"
%$!1,'71,%!" = %,!@ = 1,7 n>$% + n6%$ + n$%
N%
!1,'71,@?" = 8,!@ = n N%
2d" 2e"
*ersamaan reaksi kimia: >69 + %
%$ →
>$% + %6%$
Dengan mengasumsi reaksi pembakaran sempurna, maka n>$% = ! dan n6%$ = %, persamaan neraca komponen menjadi: >:
!!,1"
= *>$%"
@a"
9
6%:
!%,1"
= *6%$"
@b"
$%:
%,!@
= *1,7>$% + 6%$ + $%"
@c"
N%
8,!@
= * N%"
@d"
=!
@e"
>$% + 6%$ + $% + N%
Untuk menyelesaikan problem ini, anda bandingkan antara persamaan 2a" dan @e" dan apakah bila persamaan @e" dikalikan dengan * menjadikan *# =n#/ (ilahkan dicobaB. C. Neraca Massa tanpa Reaksi Kimia
Ada tiga cara yang umum digunakan dalam penyelesaian problem neraca massa tanpa reaksi kimia. i!
"ie material, yaitu material yang selama proses tidak berubah jumlahnya. >ontoh: dalam proses pemekatan larutan dengan eaporasi, padatan terlarut jumlahnya tidak berubah selama proses.
ii!
#nert, yaitu komponen atau bahan yang tidak ikut ambil bagian dalam operasi. >ontoh: proses leachin$ >u dari bijih logam tidak dipengaruhi oleh Cat pengotor, Cat pengotor ini sebagai Cat inert. Dalam proses pembakaran N% merupakan inert.
iii!
*ersamaan simultan. 3iasanya ada dua atau lebih komponen yang ada dalam sistem dan jika semua komponen berpengaruh secara simultan maka persamaan neraca massa dapat diselesaikan dengan persamaan simultan.
Contoh 1: Drying
*ulp basah dengan kandungan air @!;, setelah dilakukan proses pengeringan dengan dryer diperoleh 21; air yang ada diuapkan. 6itunglah: a"
komposisi pulp kering
b"
massa air yang diuapkan per kilogram pulp basah
Penyelesaian:
Asumsi proses steady state 6%$ !11;" pulp basah:
- pulp = %?; - 6%$ = @!;
0
D
Dryer
pulp kering:
- pulp = / *,D - 6%$ = /
6%$,*
7
batasan sistem 3asis: ! kg pulp basah 6%$ yang teruapkan = = 1,2"1,@!" kg = 1,9%2 kg *erlu diingat bahwa: *,D + 6%$,* = ! m p,D + m6%$,D = D Neraca massa komponen dan neraca massa total
Neraca
0
1,%?
=
1
+
6%$
1,@!
=
1,9%2 +
=
1,9%2 +
*ulp
D m p,D m6%$,D
D
Dengan neraca komponen 6%$, m6%$ dapat dihitung, 1,@!
= 1,9%2 + m6%$
m6%$
= 1,@! 1,9%2 = 1,%89 kg
a" omposisi pulp kering: komponen *ulp 6%$
3erat, kg 1,%? 1,%89
omposisi, ; 71,7 9?,7
total
1,7@9
!11,1
b" assa air yang diuapkan per kg pulp basah = 1,9%2 kg Contoh : Mixing
(uatu tangki berisi asam baterai air aki" lemah mengandung !%,9'; 6%($9. &ika %11 kg larutan @@,@@; 6%($9 ditambahkan ke dalam tangki tersebut akan dihasilkan larutan !8,2'; 6%($9. 3erapa kg asam baterai yang dihasilkan/ Penyelesaian:
Asam yang ditambahkan %11 kg A" 6%($9 @@,@@; 6%$
%%,';
6%($9 !%,9';
6%($9 !8,2';
6%$
6%$
8@,7@;
8!,'@; 2
Earutan awal 0"
larutan akhir *"
3asis: %11 kg A Neraca massa komponen dan neraca massa total dalam kg: Neraca 6%($9
Akumulasi dalam tangki Akhir Awal *1,!82'" - 01,!%9'"
=
%111,@@@@"
6%$
*1,8!'@" -
01,8@7@"
=
%111,%%%'"
0
=
*
-
A
%11
Dari persamaan neraca massa total diperoleh 0 = * %11 *ersamaan 0 ini disubstitusi ke persamaan neraca komponen, maka * bisa dihitung. *1,!82'" *-%11"1,!%9'" = %111,@@@@"
* = %!1@,@9 kg 0 = !?1@,@9 kg Contoh !: Kristalisasi
(uatu tangki berisi !1.111 kg larutanjenuh Na6>$' pada 21o>. &ika diinginkan 711 kg kristal Na6>$' dari larutan tersebut, pada suhu berapa larutan harus didinginkan/ Data kelarutan: (uhu o>"
elarutan g Na6>$'F!11 g 6%$"
21
!2,9
71
!9,97
91
!%,@
'1
!!,!
%1
?,2
!1
8,!7
Penyelesaian:
Earutan jenuh pada 21o>
Earutan jenuh pada
@
Na6>$'
Na6>$'
6%$
6%$
0
Na6>$'
*
711 kg kristal !11; Na6>$'"
omposisi larutan jenuh Na6>$' pada suhu 21o>: !2,9 Na6>$'
=
=
1,!9!
=
1,87?
!2,9 + !11 6%$
=
! - 1,!9!
3asis: !1.111 kg larutan jenuh Na6>$' pada suhu 21o> Neraca massa komponen dan neraca massa total dalam kg: Akumulasi dalam tangki
Neraca
Akhir *"
Na6>$'
Na6>$'*
6%$
6%$*
*
-
Awal 0"
>
- 1,!9!"!1.111"
=
711
- 1,87?"!1.111"
=
1
=
711
!1.111
Dari persamaan neraca total diperoleh * = ?711 kg (ubstitusi nilai * ke dalam persamaan neraca komponen Na6>$' akan diperoleh nilai Na6>$' = 1,1?2 isal Na6>$' dalam * = y gram, maka: 1,1?2 y
=
y $
( y + !11 ) $
=
!1,2 $
Dengan cara interpolasi data kelarutan antara suhu %1 dan '1o> akan diperoleh < " ( °% ) =
!1,2 −!!,! ?,2 −!!,!
( %1 − '1) + '1 = %2,@°%
8
". Neraca Massa den#an Reaksi Kimia
Dalam reaktor-reaktor industri hampir tidak pernah menggunakan bahan yang stoikhiometris. Untuk mencapai reaksi yang sesuai dengan yang diinginkan biasanya menggunakan bahan atau pereaksi berlebih.
a. Pereaksi ter$atas:
*ereaksi terbatas adalah pereaksi yang jumlahnya paling sedikit menurut stoikhiometri. Contoh: reaksi antara 1 mol C %&1' den#an 1 mol (
Geaksi yang terjadi: >@6!2 + !! mol
%$ →
@ >$% + 8 6%$ *erbandingan dalam umpan dalam persamaan kimia
$%
!% =
>@6!2 >%6!2 merupakan perekasi terbatas
= !%
H
!
!! = !! !
>ontoh lain: !,! mol A, ',% mol 3, dan %,9 mol > direaksikan dalm suatu reaktor A + ' 3 + % >
3
=
A >
→
produk *erbandingan dalam umpan dalam persamaan kimia ',% ' = %,?! I = ' !,! ! %,9
=
A
% = %,!8
H
!,
= %
!
3 merupakan pereaksi terbatas relati) terhadap A dan A merupakan pereaksi terbatas relati) terhadap >, sehingga 3 adalah pereaksi terbatas pada reaksi tersebut. &ika ditulis dengan simbol: 3 I A, A I >, sehingga 3 I A I >. $. Pereaksi $erle$ih:
?
*ereaksi berlebih adalah pereaksi yang jumlahnya lebih dari pereaksi terbatas menurut stoikhiometri. &elebihan mol ' &elebihan ( ) 100 mol yan$ dibutuh&an untu& berea&si den$an perea&si terbatas
c. Kon)ersi reaksi:
onersi reaksi adalah )raksi umpan atau komponen dalam umpan yang terkonersi menjadi produk.
mol &omponen yan$ berea&si ' &onversi ( ) 100 mol &omponen yan$ tersedia
*enyelesaian neraca massa yang melibatkan reaksi kimia menggunakan penyelesaian persamaan simultan.
*roblem yang melibatkan reaksi pembakaran, ada beberapa istilah yang umum: a. 4as hasil pembakaran flue $as atau stac& $as" yaitu semua gas hasil dari pembakaran termasuk uap air, dikenal dengan Jbasis basahK atau wet basis. b. Analisis orsat yang dikenal dengan Jbasis keringK atau dry basis yaitu semua gas hasil dari pembakaran tidak termasuk uap air. >$% >$ $% 3asis basah
N%
3asis kering bebas (
%$3asis kering
($% 6%$ c. Udara teoritis oksigen teoritis" yaitu jumlah udara oksigen" yang dibutuhkan untuk reaksi pembakaran sempurna.
!1
d. elebihan udara oksigen" yaitu kelebihan jumlah udara oksigen" dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna. *erhitungan jumlah kelebihan udara tidak tergantung pada berapa banyak bahan yang terbakar tetapi apa yang dibakar, misalnya > dibakar sempurna akan menjadi >$%, tetapi jika reaksi pembakarannya tidak sempurna akan menjadi >$% dan >$. elebihan udara oksigen" bisa dihitung dengan rumus: &elebihan udara &elebihaan * 2 +0,21 ' &elebihan udara ( ) 100 ( ) 100 &ebutuhan udara &ebutuhan * 2 +0,21 Atau *2 masu& proses &ebutuhan * 2 ' &elebihan udara (
) 100 &ebutuhan * 2
&elebihan *2 ' &elebihan udara ( *2 masu& - &ebutuhan *2
) 100
$% masuk proses = kebutuhan $% untuk pembakaran sempurna + kelebihan
%$Contoh *: Kelebihaan udara
*ropana >'68" sebanyak %1 lb dibakar dengan 911 lb udara untuk menghasilkan 99 lb >$% dan !% lb >$. 3erapa ; kelebihan udara/ Penyelesaian: Geaksi:
>'68 + 7
%$ →
'>$% + 96%$
3asis: %1 lb >'68 ebutuhan $%: %1 lb >'68
! lb mol >'68
7 lb mol $% = %,%@ lb mol
%$
99 lb >'68
! lb mol >'68
$% masuk: 911 lb udara
! lb mol udara
%! lb mol $% = %,?1 lb mol
%$!!
%? lb udara
!11 lb mol udara
*ersen kelebihan udara: *2 masu& proses &ebutuhan *2 ' &elebihan udara (
) 100 &ebutuhan *2
%,?1 lb mol $% %,%@ lb mol $% =
!11 = %8;
%,%@ lb mol $% Contoh +:
*roses pembakaran gas alam !11; >69" dalam furnace menggunakan udara berlebih !'1;. 3agaimana komposisi gas hasil pembakaran pada basis basah dan basis kering/
Penyelesaian:
Udara berlebih !'1;, berarti udara yang digunakan lebih !'1; dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna atau udara yang digunakan %'1;. Geaksi yang terjadi: >69 + %
%$ →
>$% + %6%$
furnace >69 !11;
4as hasil pembakaran: >$% 6%$ $% N%
Udara %!; $%, @?; N%" !'1; berlebih 3asis: ! mol >69 Asumsi: reaksi pembakaran berjalan sempurna. ebutuhan $%: % !mol = % mol $% dari udara = $% masuk: !,11 + !,'1" % mol = 9,2 mol
!%
Neraca elemen disusun sebagai berikut: Neraca
#nput >69 ! %
>: 6%: $%: N%:
$utput 4as hasil pembakaran n>$% n>$% n$ + n>$%+ n6%$ n N%
Udara
9,21 !@,'%
n>$%, n6%$, dan n N% dapat dihitung secara langsung, n$ dihitung dengan neraca $%. !mol > in Neraca >:
! mol >$% out = ! mol >$% out
! mol >69 in % mol 6% in Neraca 6%:
! mol 6%$ out = ! mol 6%$ out
! mol >69 in
% mol 6% out
9,2 mol $% in Neraca N%:
! mol > out
1,@? mol N% = !@,'% mol N% out
1,%! mol $% Neraca $%:
n$% = 9,2 ! ! = %,2 mol $% out .
omposisi gas hasil pembakaran basis basah: omponen >$% 6%$ $% N% total
mol ! % %,2 !@,'% %%,?%
; 9,9 8,@ !!,' @7,2 !11,1
omposisi gas hasil pembakaran basis kering: omponen >
%$mol !
; 9,8
%$%,2
!%,9
N%
!@,'%
8%,8
!'
total
%1,?%
!11,1
Contoh ':
5tana awalnya dicampur dengan oksigen untuk menghasilkan gas dengan komposisi 81; >%62 dan %1; $% yang akan dibakar dalam mesin pembakaran dengan udara berlebih %11;. Delapan puluh persen etana menjadi >$%, !1; >$, dan !1; tidak terbakar. 6itunglah komposisi gas hasil pembakaran pada basis basahB. Penyelesaian:
3ahan bakar gas: 81; >%62
4as hasil pembakaran: >
%$esin *embakaran
%1;
%$>$ >%62
%$Udara %11; berlebih
N% 6%$
3asis: !11 lb mol bahan bakar gas Geaksi: >%62 + @F%$% > + 7F%
%$ →
%>$% + '6%$
%>$ + '6%$
→
$% untuk pembakaran sempurna: 81 lb mol >%62
',7 lb mol $% = %81 lb mol
%$
! lb mol >%62 ebutuhan $%: %81 %1" lb mol = %21 lb mol $% masuk dalam udara: '%21 lb mol" = @81 lb mol $% total masuk proses:
!9
@81 + %1" lb mol = 811 lb mol N% masuk dalam udara: @81 lb mol
%$@? lb mol N% = %?'9 lb mol N%
%! lb mol $% omponen yang dihasilkan dalaam sistem: 81 lb mol >%62
% lb mol >
%$
1,8 = !%8 lb mol >
%$
! lb mol >%62 81 lb mol >%62
' lb mol 6%$
1,8 = !?% lb mol 6%$
! lb mol >%62 81 lb mol >%62
% lb mol >$
1,! = !2 lb mol >$
! lb mol >%62 81 lb mol >%62
' lb mol 6%$
1,! = %9 lb mol 6%$
! lb mol >%62 untuk menghitung $% sisa dalam gas hasil pembakaran, kita harus menghitung $% yang bereaksi: 81 lb mol >%62
',7 lb mol
%$
1,8 = %%9 lb mol $% >$% dan 6%$"
! lb mol >%62 81 lb mol >%62
%,7 lb mol
%$
1,!
= %1 lb mol $% dalam >$"
! lb mol >%62
$% yang bereaksi = %%9 + %1" lb mol = %99 lb mol Dengan neraca $% kita akan mendapatkan: $% sisa = 811 %99" lb mol = 772 lb mol $% 6%$ yang terbentuk: !?% lb mol + %9 lb mol = %!2 lb mol 6%$
!7
>%62 sisa = >%62 yang tidak terbakar: 1.! 81 lb mol = 8 lb mol
!2
Neraca komponen: lb mol udara
omponen
3ahan bakar
>%62
81
-
%$%1
N%
4as hasil pembakaran
; dalam gas hasil pembakaran
8
1,%!
@81
772
!9,9!
-
%?'9
%?'9
@2,17
>
%$-
-
!%8
','%
>$
-
-
!2
1,9!
6%$
-
-
%!2
7,21
total
!11
'@!9
'878
!11,11
Contoh %:
(ul)ur murni dibakar pada laju alir !111 kgFjam. Udara disuplai pada '1o> dan
@77
mm 6g. 4as keluar burner pada 811o> dan @21 mm 6g mengandung !2,7; ($%, '; $%, dan sisanya N% dalaam basis bebas ($'. 6itunglah: a.
)raksi sul)ur terbakar menjadi ($'
b.
persen kelebihan udara
c.
olume udara m'Fjam"
d.
olume gas hasil pembakaran
Penyelesaian:
(ul)ur: !111 kgFjam
3urner
Udara '1 >, @77 mm 6g o
4as hasil pembakaran: 811o>, @21 mm 6g !2,7; ($% basis ',1;
%$ bebas
81,7 ; N%
($'
($'
3asis: !11 kg mol gas hasil pembakaran basis bebas ($' !@
Geaksi yang terjadi : ( +
%$(
%$ →
( + 'F%
%$ →
($'
$% yang dibutuhkan untuk membentuk ($%: !2,7 kg mol (
%$! kg mol $% = !2,7 kg mol
%$
! kg mol ($%
%! kg mol $% = %!,9 kg mol
%$
@? kg mol N% $% yang dibutuhkaan untuk membentuk ($': %!,9 !2,7 '" = !,? kg mol ($' yang terbentuk: !,? kg mol
%$! kg mol ($' = !,%@ kg mol ($'
!,7 kg mol $% a". enghitung )raksi ( terbakar menjadi ($':
! kg mol $% = !@,@@ kg mol
%$
! kg at ( $% masuk kebutuhan $% ; kelebihan udara =
!11 kebutuhan
%$%!,9 !@,@@ =
!11 = %1,9; !@,@@
!8
c". enghitung olume udara yang disuplai ke burner pada '1o> dan @77 mm 6g !111 kgFjam ( yang dibakar =
= '!,%7 kg atFjam '% kgFkg at
Udara yang disuplai: '!,%7 kg atFjam (
%!,9 kg mol
%$!11 kg mol udara
!@,@@ kg at (
%! kg mol
%$
= !@?,% kg molFjam udara olume udara yang disuplai: %%,9 m'
'1'
@77 mm 6g
! kg mol
%@'
@21 mm 6g
!@?,% kg molFjam udara
= 9.9%7,? m' Fjam udara d" enghitung olume gas hasil pembakaran pada 811o> dan @21 mm 6g: Untuk !11 kg mol gas hasil pembakaran basis ($':
!1!,%@ kg mol = !@8,! kg molFjam !@,@@ kg at (
olume gas hasil pembakaran: %%,9 m'
!1@'
@21 mm 6g
! kg mol
%@'
@21 mm 6g
!@8,! kg molFjam gas
= 9.9%7,? m' Fjam udara
Contoh ,:
Dalam eacon process untuk memproduksi gas khlor, gas asam khlorida dioksidasi dengan udara. Geaksi yang terjadi: 9 6>l +
%$ →
% >l% + % 6%$.
&ika udara yang digunakan berlebih '1; dari teoritis, dan jika reaksi oksidasi berjalan 81;, hitunglah komposisi gas kering meninggalkan reaktorB.
!?
Penyelesaian:
6>l
4as keluar reaktor: 6>l >l%
Geaktor
$% N% Udara '1; berlebih
6%$
3asis: 9 kg mol gas 6>l Geaksi oksidasi yang terjadi: 9 6>l +
%$ % >l% + % 6%$
→
ebutuhan $% untuk reaksi oksidasi sempurna: 9 kg mol 6>E
! kg mol $% = ! kg mol
%$
9 kg mol 6>l $% masuk proses = !,' ! kg mol = !,' kg mol N% masuk proses: !,' kg mol
%$1,@? kg mol N% = 9,8? kg mol N%
1,%! kg mol $% Neraca mol: Neraca >l%
6>l masuk %
Udara masuk -
4as keluar n6>l + n>l%
6%
%
-
n6%$
%$-
!,'
n6%$ + n
%$ N%
-
9,8?
n N%
>l% yang terbentuk: 9 kg mol 6>l
% kg mol >l%
1,8 = !,2 kg mol >l%
9 kg mol 6>l 6%$ yang terbentuk: 9 kg mol 6>l
% kg mol 6%
1,8 = !,2 kg mol 6%$
%1
9 kg mol 6>l $% sisa = L!,' M!,2" kg mol = 1,7 kg mol 6>l sisa = 1,% 9 kg mol = 1,8 kg mol omposisi gas kering: komponen 6>l
kg mol 1,8
; mol !1,%@
>l%
!,2
%1,79
%$1,7
2,9%
N%
9,8?
2%,@@
total
@,@?
!11,11
E. Neraca Massa meli$atkan Sistem Recycle, Bypass- dan Purge:
(istem recycle adalah suatu sistem yang mana sebagian dari produk dikembalikan ke proses, biasanya bertujuan untuk mendapatkan konersi yang lebih tinggi.
0resh )eed
Gecycle
*rocess
*roduct
ied )eed
(istem bypass adalah suatu sistem yang mana sebagian dari umpan )eed" langsung dicampur dengan produk tidak melalui proses, biasanya bertujuan untuk mengurangi beban proses. 3ypass
0resh )eed
*rocess
*roduct
(istem pur$e adalah suatu sistem yang mana sebagian dari recycle dibuang, tujuannya untuk mengurangi bahan yang keberadaannya pada batas tertentu akan mengganggu proses.
%!
Gecycle
purge
*rocess
0resh )eed
*roduct
Contohcontoh soal sistem recycle tanpa reaksi kimia. Contoh /:
(uatu kolom destilasi memisahkan !1.111 kgFjam campuran 71; benCen 71; toluen. *roduk D dari kondensor dibagian atas kolom mengandung ?7; benCen, produk bawah mengandung ?2; toluen. Aliran uap masuk ke kondensor dari bagian atas kolom dengan kecepatan 8111 kgFjam. (ebagian produk dikembalikan ke kolom sebagai re)luks, dan sebagian lagi diambil sebagai produk D. Dengan asumsi komposisi di , G, dan D sama, hitunglah perbandingan antara G terhadap DB. Penyelesaian: 8111 kgFjam
batasan sistem ##"
D 1,?7 3C 1,17
kondensor $ E $
0 = !1.111 kgFjam
-
1,7 3C 1,7
D 5 ( < # E A ( #
Neraca massa total batasan sistem #": 0 = D + !1.111
= D +
G
batasan sistem #"
1,19 3C 1,?2
%%
Neraca komponen benCen: 0 ω0"
= DωD" + ω"
!1.1111,7" = D1,?7" + 1,19"
b"
(elesaikan persamaan a" dan b" bersamaan, maka diperoleh: 711
=
1,?7" !1.111 " + 1,19
=
9?71 kgFjam
D
=
7171 kgFjam
Neraca massa di sekitar kondensor batasan sistem ##":
=
D + G
8111
=
7171 + G
G
=
%?71 kgFjam
G
D
= 7171
%?71 = 1,78
Contoh 10:
(uatu bijih logam mengandung @; tembaga >u" akan diekstraksi dengan asam sul)at. (emua tembaga yang ada dalam bijih dipindahkan ke )ase asam, dan kemudian diekstraksi dengan pelarut organik. *elarut keluar ekstraktor mengandung %1; >u ini meupakan keseluruhan >u yang ada". >u ini kemudian diambil dari larutannya, sedangkan pelarut organik didaur ulang recycle! jika Cat pengikut dalam bijih logam keluar proses sebanyak 811 tonFhari, berapa pelarut yang didaur ulang recycle!/ Penyelesaian:
%'
6%($9 3ijih logam: @; >u ?'; Cat pengikut
Acid Eeach
(olent 5traction Gecycle solent
Oat pengikut 811 tonFhari
Asam buangan
81; solent %1; >u >opper recoery
>u Oat pengikut masuk 1,?' 0 0 >u
=
Cat pengikut keluar
=
811
=
821,% tonFhari
= 1,1@821,%" =
Gecycle solent
21,% tonFhari
=
81F%1"21,%"
=
%91,8 tonFhari
%9
Contohcontoh soal sistem recycle den#an reaksi kimia. Contoh 11:
>ampuran 6% - N% ':!" pada umpan unit amonia dipanaskan sampai temperatur reaksi, kemudian dimasukkan ke fi)ed bed reactor. Di sini %1;
dari
pereaksi
terkonersi
menjadi amoniak N6'" per sekali alir. (etelah keluar reaktor, campuran tersebut didinginkan dan N6' diambil dengan kondensasi. >ampuran 6% - N % yang tidak bereaksi di daur ulang dan dicampur dengan umpan segar.
Penyelesaian:
recycle
0resh )eed 6% : N% =
6eater
Geactor
>ondenser
' : ! batasan sistem untuk neraca massa
N6'
3asis:!11 kg mol )resh )eed Geaksi:
N% + '6%
→
%N6'
Neraca massa total pada steady state: 0resh )eed = produk N6'" N6' yang diproduksi: !11 kg mol )eed
% kg mol N6' = 71 kg molFjam N6'
9 kg mol )eed Neraca N6':
71
= 1,%!11 + G"%F9"
G
= 911 kg molFjam
%7
Contoh 1:
#somer glukose digunakan sebagai katalis pada pembuatan )ruktose dari glukose dalam fi)ed bed reactor . (istem ditunjukkan pada gambar berikut, berapa persen konersi per sekali alir ketika perbandingan produk terhadap recycle 8,''/. Geaksi:
>26!%$2
>26!%$2
→
d-glukose
d-)ruktose recycle
)eed 91; glukose dalam air
produk
0ied 3ed Geactor
9; )ruktose
Penyelesaian:
3asis: 0 = !11 lb G ω
G,4
ω
G,0
ω
G,
0 = !11 lb
0P
* Geactor
1,91 ω0,4
ω
!
1,21 ω0,
ω ω
!,11
%
0P,4
ω
*,4
ω
0P,0
*,0
0P,
ω
*,
batasan sistem neraca massa total
Neraca massa total: !11 = * !11 (ehingga:
G
=
= !%,1 lb
8,''
tidak ada air yang terbentuk maupun yang bereaksi
%2
air = !111,21" ω*,
=
*ω*,"
=
1,21
= !11ω*,
Neraca massa di sekitar titik !:
arena
!11 + !%
= 0P
=
!!%
4lukosa:
!111,91" + !%ω*,4"
=
!!%ω0P,4"
0ruktosa:
1 + !%ωG,0"
=
!!%1,19", atau
ωG,4 + ωG,0 + ωG, = ωG,4
ωG,0 =
1,'@'
!, maka:
= ! 1,'@' 1,211 = 1,1%@
Dari neraca massa glukosa: ω0P,4
= 1,'21
Neraca massa di reaktor plus titik %:
0P
= !% + !11 = !!%
4lukosa:
#nput output consumed = 1 0Pω0P,4 G + *"
ωG,4
)0Pω0P,4 = 1
!!%1,'21" !!%1,1%@" ) !!%"1,'21" = 1 ) = 1,?' Contohcontoh soal sistem bypass dan purge: Contoh 1!:
(uatu prroses pengolahan air dilakukan seperti pada gambar berikut. bypass = y /
)
0 = ?1 m'Fjam 1,1% ppm (i
%$*
*rocess !
%
1,117 ppm (i
%$1,1117 ppm (i$% Penyelesaian:
isal: bagian yang masuk proses , dan bypass y.
%@
Neraca massa total: 0 = * = ?1 m'Fjam Neraca massa di titik !: ?1 = + y
a"
Neraca massa di tittik %: 1,1117" ) + 1,1%" y = 1,117"*
b"
persamaan a" dan b" diselesaikan bersamaan, maka : 1,1117"?1 y" = 1,1% y + 1,117"?1" y
= %1,@@ m'Fjam
)
= 2?,%' m'Fjam
Contoh 1*:
*ada umpan unit amonia, setiap !11 mol 6%-N% ':!" mengandung 1,'! mol Ar, dimana secara bertahap akan terakumulasi dalam aliran recycle sehingga mengganggu jalannya proses.
Gecycle *urge 6%- N%, Ar 0resh )eed 6%: @7 mol
6%- N%, Ar >ondenser
>onerter
N%: %7 mol
!
Ar: 1,'! mol
ied )eed N6'
Geaksi:
N% + ' 6%
→
% N6'
konersi %1;"
isal jumlah N% dalam mi)ed feed ) mol Neraca mol di converter pada steady state:
%8
Neraca
asuk
yang bereaksi
N%
)
6%
' )
Ar
1,19"9 )" = 1,!2 )
-
N6'
-
-
eluar
1,% ) 1,%"' )" = 1,2 )
1,8 ) 1,8"' )" = %,9 ) 1,!2 ) %F9"1,%"9 )" = 1,9 )
isal bagian pur$e ), sehingga recycle ! )" Neraca mol di titik !: N%:
%7 + ! )"1,8 )" = )
a"
6%:
@7 + ! )"%,9 )" = ' )
b"
Ar:
1,'! + ! )"1,!2 )" = 1,!2 )
c"
etiga persamaan tersebut dikerjakan secara bersama, maka akan diperoleh: ) = !!@,%7 mol ) = 1,1!27 sehingga N6' yang dihasilkan = 1,9"!!@,%7" = 9!2,? mol.
Soal latihan
!. (uatu evaporator digunakan untuk memekatkan larutan 9; Na$6. Earutan yang telah dipekatkan mengandung %7; Na$6. 6itunglah jumlah air yang diuapkan per !11 kg umpan. ,* k#
%. (uspensi dengan kandungan %7; berat padatan diumpankan ke filter . /ilter ca&e mengandung ?1; padatan dan )iltratnya mengandung !; padatan. a. 3uatlah neraca massa jika laju alir umpan %111 kgFjamB b. Dengan laju alir tersebut, berapa laju alir )iltrat dan cake kgFjam"/ $ la2u alir 3iltrat 4 1*'0-% k#52am- 3ilter cake 4 +!/-! k#52am
'. Earutan etanol '7; didestilasi dengan kolom destilasi, hasil atas destilat" mengandung etanol 87; dan hasil bawah mengandung etanol 7;. 6itunglah: a. kg destilat per kg umpan b. kg destilat per kg hasil bawah
%?
a 0-!%+ k#- $ 0-' k#
9. Asam buangan dalam proses nitrasi berisi %'; 6N$', 7@; 6%($9, dan %1; 6%$ persen berat". Asam tersebut akan dipekatkan sehingga diperoleh hasil dengan komposisi %@; 6N$', 21; 6%($9, dan !'; 6%$ dengan jalan menambahkan asam su)at ?@; dan asam nitrat ?1;. 3erapa kg masing-masing asam harus ditambahkan untuk memperoleh !111 kg hasil/. +1/-!+ k# asam $uan#an- !1!-!% k# asam sul3at- 1'%-, k# asam nitrat
7. arbon murni dibakar dengan oksigen. Analisis gas hasil pembakaran: @7; >$%, !9; >$, !!; $% ;mol". 3erapa persen kelebihan oksigen/ *-+6
2. 3agaimana komposisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran pirit murni 0e(%" dengan udara berlebih 21;.
Asumsikan bahwa reaksi yang terjadi sebagai berikut: 9 0e(% + !!
%$ →
% 0e%$' + 8 ($% /-/06 S(- ,-1%6 (- ,1-/!6 N.
@. Analisis sintesa gas: 2,9; >$%, 1,%; $%, 91; >$, 71,8; 6%, dan sisanya N%, gas tersebut dibakar dengan udara 91; berlebih.
8
Earutan Na$6 %9;, yang dibutuhkan dalam indusstri tekstil, dibuat dengan melarutkaan Na$6 padat dengan air. Untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh pelarutan Na$6, maka proses pembuatan dilakukan dua tahap. *ertama, Na$6 padat dilarutkan dengan air dalam tangki pelarutan hingga diperoleh larutan Na$6 71;. (etelah pelarutan sempurna dan dingin, larutan ini diencerkan denngan air dalam tangki pengenceran hingga diperoleh larutan Na$6 %9;.
'1
