Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi
Bab 5 Dasar-Dasar Neraca Energi “You're going to see new processes that utilize waste as the source of energy, so there's no petroleum consumed in the process -- that makes the energy balance uniformly positive” Al Gore,
Salah satu aspek penting yang perlu diketahui oleh seorang insinyur kimia yang bekerja di industri adalah mengetahui perubahan energi yang terjadi pada suatu proses kimia. Perubahan energi dan aliran energi dapat ditentukan menggunakan neraca energi. Neraca energi pada prinsipnya sama dengan neraca massa karena sama-sama didasarkan pada hukum kekekalan. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak bisa diciptakan dan juga tidak bisa dimusnakan, namun hanya mengalami perubahan bentuk.
Energi dapat muncul dalam berbagai bentuk seperti energi kinetik, energi potensial, panas, kerja, energi listrik dll. Namun karena bentuk-bentuk energi ini saling berkonversi, tidaklah mudah untuk mengisolasi masing-masing masing-masing komponen energi ini pada neraca massa.
Akan
tetapi, pada sejumlah sejumlah situasi aspek-aspek tertentu mendominasi. Sebagai contoh, pada neraca panas bentuk-bentuk energi lain tidak signifikan; pada situasi reaksi kimia energi mekanis sama sekali tidak berperan, dan pada beberapa situasi energi mekanis seperti aliran fluida melalui pipa, kehilangan karena gesekan muncul dalam bentuk panas tetapi tetapi berapa panas yang diperlukan tidak perlu dipertimbangkan. dipertimbangkan. Oleh karena itu, penerapan neraca energi cenderung untuk memusatkan pada aspek yang dominan.
86
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi 5.1 Tujuan Pembelajaran
Setelah menyelesaikan bab ini, anda akan mampu melakukan hal-hal berikut: 1. Mampu menjelaskan dalam bahasa sendiri apa yang dimaksud dengan proses fisika dan proses kimia. 2. Mampu menjelaskan dalam bahasa sendiri apa yang dimaksud dengan proses batch (tumpak), kontinu (berkesinambungan) atau semi-batch 3. Mampu menjelaskan dalam dalam bahasa sendiri apa yang yang dimaksud dengan proses tunak dan transien. 5. Ketika dideskripsikan suatu proses, anda akan mampu (a) (a) menggambarkannya dalam bentuk diagram balok yang dilengkapi dengan komponen-komponen aliran masuk dan keluar, (b) memilih basis perhitungan yang sesuai dan (c) menyelesaikan persoalan neraca massa sederhana tanpa reaksi kimia.
5.2 Klasifikasi Proses 5.2.1 Proses Fisika dan Kimia
Proses merupakan perhatian utama bagi insinyur kimia. Suatu proses merupakan sebuah sistem yang mengubah bahan baku (umpan) yang bernilai rendah secara ekonomi menjadi suatu produk yang mempunyai nilai tinggi.
Proses pada sebuah industri kimia pada umumnya
merupakan gabungan dari proses fisika dan proses kimia. Pada bagian awal persiapan bahan baku, perlakuan terhadap bahan baku biasanya merupakan proses fisika.
Inti dari proses
industri tersebut biasanya berupa proses kimia, misalnya reaksi bahan baku di dalam reaktor. Di bagian akhir proses tersebut, produk reaksi perlu dimurnikan melalui berbagai operasi pemisahan yang merupakan proses fisika. Dalam bentuk diagram balok kejadian mulai dari bahan baku sehingga menjadi produk ditunjukkan pada Gambar 5.1.
Bahan Baku
Persiapan Bahan Baku (Proses Fisika)
Reaksi Kimia
Pemurnian Produk
(Proses Kimia)
(Proses Fisika)
Produk
87
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi
Gambar 5.1 Diagram balok proses industri secara umum
Dari penjelasan di atas dapat dikatakan bahwa proses fisika merupakan suatu proses yang tidak melibatkan perubahan molekuler sehingga tidak ada spesies baru yang terbentuk atau terkonsumsi. Contoh proses fisika seperti pencampuran, pertukaran panas (pemanasan atau pendinginan), kondensasi, penguapan dan proses pemurnian (distilasi, ekstraksi dan absorpsi). Sebaliknya pada proses kimia, terjadi pembentukan molekul atau senyawa baru melalui penyusunan atau pendistribusian kembali molekul-molekul semula sehingga sebagian atau seluruh reaktan/pereaksi terkonsumsi.
5.2.2 Proses Tumpak, Kontinu atau Semi-Tumpak
Suatu proses dapat dijalankan secara tumpak (batch), berkesinambungan (kontinu) atau semitumpak. Sebelum melaksanakan perhitungan neraca massa terhadap suatu sistem, anda harus tahu terlebih dahulu termasuk ke dalam katagori mana proses yang anda hitung. Masingmasing proses tersebut diatas memiliki karakteristik yang berbeda seperti yang dijelaskan berikut ini. 1. Proses Batch. Umpan masuk ke dalam sistem/alat pada saat dimulainya proses dan kemudian isi dikeluarkan dari alat/sistem setelah selesai reaksi/proses.
Tidak ada
perpindahan massa ke luar dari sistem antara saat pemasukkan umpan dengan saat produk dikeluarkan. Atas dasar informasi di atas, langkah-langkah pelaksanaan proses batch adalah sebagai berikut: a. Masukkan umpan ke dalam sistem (misalnya, reaktor) b. Jalankan proses c. Tidak
ada
penambahan
umpan
atau
pengambilan
produk
selama
berlangsungnya proses d. Pada waktu tertentu, setelah proses selesai, produk dikeluarkan. 2. Proses kontinu.
Masukan dan keluaran mengalir secara kontinu (terus menerus)
selama proses dijalankan.
Contoh, campuran cairan dipompakan ke dalam kolom
88
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi distilasi dengan laju konstan dan produk dikeluarkan secara steadi dari atas maupun dari bawah kolom. 3. Proses semibatch . Setiap proses yang bukan batch dan juga bukan kontinu. Misalnya, kita biarkan gas keluar ke atmosfir dari reaktor bertekanan, sementara cairan yang ada di dalam reaktor tersebut terus diaduk tanpa dikeluarkan sampai prosesnya selesai. Proses seperti ini juga disebut semi-kontinu.
5.2.3 Proses Tunak dan Transien
Suatu proses dikatakan tunak atau steadi atau mantap, jika nilai-nilai seluruh variabel dalam suatu proses (seperti temperatur, tekanan, volume, laju alir) tidak berubah terhadap waktu, kecuali kemungkinan fluktuasi minor terhadap nilai rata-rata. Sebaliknya jika variabel proses berubah terhadap waktu, maka operasi tersebut dikatakan sebagai transien atau tidak steadi atau tak-tunak atau tak-mantap.
Atas dasar sifatnya, maka proses batch dan proses semibatch
merupakan operasi tak mantap atau transien (mengapa?), sedangkan proses kontinu dapat berada dalam keadaan tunak atau tak-tunak. Namun biasanya industri dengan proses kontinu dioperasikan pada keadaan tunak. Keadaan tak tunak pada industri tersebut terjadi pada saat pemulaan ( start-up) atau penghentian ( shut-down) proses, dan juga terjadi jika proses mengalami gangguan. Proses batch biasanya dilakukan jika ingin dihasilkan produk dalam jumlah kecil, sementara proses kontinu cocok untuk laju produksi besar.
5.3 Persamaan Neraca Umum
Pembangkit listrik tenaga uap biasanya mengunakan batu bara sebagai bahan bakar untuk menghasilkan uap guna menggerakkan turbin uap. Jika saudara ketahui bahwa batu bara yang dibakar setiap hari pada pembangkit tersebut mengandung 1500 lbm sulfur, maka anda tidak perlu membuang waktu menganalisa abu dan gas yang keluar dari cerobong untuk mencari tahu berapa banyak sulfur yang keluar dari pembangkit listrik tersebut. Pasti rata-rata sulfur dalam berbagai bentuk yang keluar setiap hari : 1500 lbm !!!!! Dasar dari observasi di atas adalah hukum konservasi (kekekalan) massa, yang menyatakan bahwa massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi berubah bentuk. Pernyataan atas
89
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi dasar hukum konservasi massa ini memberi arti bahwa ”total massa masuk = total massa keluar” atau (lbm sulfur/hari)
masuk =
(lbm sulfur/hari)
keluar .
Ini merupakan contoh neraca
massa atau neraca material. Perancangan suatu proses baru atau analisa terhadap proses yang ada tidak akan lengkap kalau neraca massa tidak dibuat sedemikian rupa sehingga masukan (input ) dan keluaran (output ) keseluruhan proses dan unit individu memenuhi persamaan neraca. Andaikan gas alam cair ( Liquid Natuaral Gas, LNG) seperti yang diproses di Arun, Aceh dan Bontang, Kaltim menggunakan metana, CH5 sebagai bahan baku utama. Hasil pengukuran menunjukkan bahwa laju alir massa metana yang masuk ke unit proses seperti pada gambar di bawah ini tidak sama dengan laju alir massa metana pada keluaran (min ≠ mout).
Bahan Baku
UNIT PROSES
(min = kg CH5/jam)
Produk (mout = kg CH5/jam)
Ada beberapa penjelasan terhadap perbedaan laju alir metana antara masukan dan keluaran: 1. Metana dikonsumsi sebagai reaktan atau dihasilkan sebagai produk di dalam unit tersebut. 2. Metana terakumulasi di dalam unit, mungkin teradsorbsi oleh dinding 3. Adanya kebocoran pada unit 4. Pengukuran yang salah
Kalau pengukuran benar dan tidak ada kebocoran, maka kemungkinan yang lain, seperti produksi atau konsumsi akibat reaksi dan akumulasi di dalam unit proses yang menyebabkan terjadinya perbedaan antara laju alir masukan dan laju alir keluaran.
90
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi Suatu neraca terhadap kuantitas kekal (massa total, massa spesies tertentu, energi, momentum) di dalam suatu sistem (unit proses tunggal, kumpulan sejumlah unit proses, atau proses keseluruhan) dapat ditulis menurut persamaan 5.1. Masukan + Pembangkitan - Keluaran - Konsumsi = Akumulasi
[5-1]
dimana (i)
Masukan: merupakan material atau massa yang masuk ke dalam sistem
(ii)
Pembangkitan: adalah bahan yang dihasilkan di dalam sistem, misalnya produk
reaksi di dalam sebuah reaktor (iii)
Keluaran: bahan yang meninggalkan (keluar dari) batas sistem. Ini biasanya berupa
aliran produk dari suatu proses. (iv)
Konsumsi: bahan yang dikonsumsi di dalam sistem, misalnya reaktan di dalam
reaktor. (v)
Akumulasi: jumlah bahan yang menumpuk di dalam sistem.
Untuk mendapat gambaran yang jelas terhadap arti masing-masing suku dari persamaan 5.1, beberapa ilustrasi dibawah ini diharapkan dapat meningkatkan pemahaman anda tentang konsep neraca massa. Contoh 5.1; Populasi Kota Banda Aceh Setiap tahun sebanyak 50.000 penduduk baru masuk ke kota Banda Aceh dan 75.000 orang keluar dari kota ini. Sebanyak 22.000 bayi dilahirkan dan 19.000 orang meninggal setiap tahun di Banda Aceh. Tulislah neraca populasi kota Banda Aceh. Penyelesaian: Misalkan P menyatakan penduduk (orang) Masukan + Pembangkitan - Keluaran - Konsumsi = Akumulasi Atau persamaan neraca massa ditulis sebagai berikut: Penduduk baru + Bayi yang lahir – Penduduk keluar – Penduduk meninggal = Laju pertumbuhan penduduk
91
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi Sehingga,, 50.000 P/tahun + 22.000 P/tahun – 75.000 P/tahun – 19.000 P/tahun = A (P/tahun) Diperoleh A = - 22000 P/tahun Tanda minus dari hasil di atas menunjukkan bahwa terjadi pengurangan penduduk Banda Aceh sebanyak 22.000 orang per tahun. Seandainya hasil di atas positif, maka terjadi penambahan penduduk Banda Aceh sebanyak 22.000 orang per tahun. Tentu saja dari contoh kasus di atas kita dapat menerapkannya untuk menghitung laju populasi suatu negara. Untuk tinjauan sebuah negara, maka suku-suku pada persamaan persamaan 5.1 dapat diuraikan sebagai berikut: suku masukan sama dengan Imigrasi, suku keluaran sama dengan Emigrasi, suku pembangkitan sama dengan Kelahiran dan suku konsumsi sama dengan Kematian. Sehingga persamaan 5.1 dapat dirubah menjadi persamaan 5.2 untuk menyatakan neraca populasi suatu negara. dPop dt
Imigrasi - Emigrasi + Kelahiran - Kematian
[5-2]
Sebagai mahasiswa/i tentu anda memiliki tabungan di salah satu bank yang tersedia di kampus saudara. Laju tabungan saudara tentu tergantung dengan banyaknya jumlah uang yang dikirim oleh orang tua saudara atau dari sumber pemasukan lainnya yang anda setor sebagai tabungan. Selain itu juga tergantung pada berapa banyak yang uang yang anda tarik dan besar bunga bank yang diberikan terhadap tabungan saudara. Atas dasar informasi di atas maka persamaan 5.1 kini bisa anda rubah menjadi persamaan 5.3 untuk menetukan laju tabungan anda. dTab dt
Aturan-aturan
berikut
dapat
Setoran - Penarikan + Bunga - 0
digunakan
untuk
menyederhanakan
[5-3]
persamaan
neraca
material/bahan/massa.
92
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi Jika proses yang ditinjau berada pada keadaan tunak (mantap, steadi), maka tidak terjadi akumulasi, sehingga akumulasi dinyatakan akumulasi = 0. Atas dasar ini, maka persamaan 5.1 berubah menjadi persamaan 5.5. Masukan + Pembangkitan = Keluaran + Konsumsi
Jika
[5-5]
sistem tidak melibatkan reaksi kimia, maka tidak massa yang dibangkitkan dan
dikonsumsikan, sehingga suku pembangkitan dan konsumsi pada persamaan 5.5 sama dengan nol. Dengan demikian, persamaan 5.5 dapat disederhanakan menjadi persamaan 5.5. Masukan = Keluaran
[5-5]
Prinsip ini tidak berlaku bagi proses yang menyangkut reaksi-reaksi inti (nuklir). Pada reaksi ini terjadi pemusnahan massa dan berubah menjadi energi.
5.5 Strategi Penyelesaian Neraca Massa
Penyelesaian persoalan neraca massa dilakukan dengan membuat anggapan suatu unit proses atau operasi sebagai ’kotak hitam’. Ini berarti kita melihat unit proses itu dari luar, melihat apa yang masuk ke dalam sistem dan apa yang keluar dari sistem, dan dari informasi ini kita melakukan perhitungan neraca massa dengan memanfaatkan data sifat-sifat fiskia dan kimia komponen-komponen yang masuk ke dalam dan keluar dari sistem. Sistem yang dimaksud disini dapat ditinjuau sebagai satu alat (misalnya seperti pada Gambar 5.2), suatu bagian proses produksi atau seluruh proses produksi (seperti pada Gambar 5.1). Gambar 5.1 memperlihatkan diagram alir proses produksi etanol (etil alkohol) dari etilen. Garis putus-putus menunjukan batas sistem keseluruhan proses produksi.
Dari batas
keseluruhan ini kita bisa mengetahui bahwa komponen yang masuk ke dalam sistem terdiri dari etilen, air, dan natrium hidroksida, sedangkan keluarannya terdiri dari gas buang, impurities, etanol 95% dan etanol murni. Pada Gambar 5.2 ditunjukkan cuplikan satu alat dari proses tersebut, yaitu Scrubber. Jika kita ingin melakukan kalkulasi neraca massa pada alat Scrubber saja, maka masukan ke alat Scrubber terdiri dari gas hasil olahan dari alat Quencher dan air,
93
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi sedangkan keluarannya berupa gas dari bagian atas kolom dan cairan etanol kasar yang memerlukan pemurnian lanjut dari bagian bawah kolom.
Etilen Etilen Daur Ulang
R E A K T O R
C O N T A C T O R
Q U E N C H E R
Ethanol Murni
S C R U B B E R
Sistem Pemisah
Sistem Dehidrasi
Ethanol 95%
Natrium Klorida
Air Daur Ulang
Air Umpan Boiler
Gambar 5.1. Diagram alir proses produksi etanol dari etilen
Etilen Etilen Daur Ulang
R E A K T O R
Natrium Klorida
Q U E N C H E R
C O N T A C T O R
S C R U B B E R
Ethanol Murni Sistem Pemisah
Sistem Dehidrasi
Ethanol 95%
Air Daur Ulang
Air Umpan Boiler
Gambar 5.2. Analisa neraca massa pada satu alat di dalam proses
94
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi Pada soal-soal neraca massa, anda biasanya akan diberikan informasi mengenai deskripsi proses, nilai-nilai beberapa variabel proses, dan kuantitas yang ingin ditentukan. Agar anda terlatih mengunakan prosedur sistematis untuk menyelesaikan persoalan neraca massa, sebaiknya mengikuti langkah-langkah yang disarankan berikut ini. 1.
Gambarkan persoalan dalam bentuk diagram balok, yang memuat aliran masukan dan keluaran. Tuliskan nilai aliran-aliran yang diketahui dan tuliskan notasi/simbol untuk aliran yang belum diketahui. Usahakan sedimikian rupa agar jumlah notasi yang tidak diketahui seminimum mungkin.
2.
Pilih dasar/basis perhitungan. Biasanya diambil nilai salah satu aliran proses yang diketahui. Jika hal ini tidak memungkinkan, tentukan nilainya untuk aliran yang komposisinya diketahui.
Pilih angka yang mudah, misalnya 10, 100 atau 1000
dengan satuan yang sesuai seperti pada soal. 3.
Tuliskan persamaan neraca massa. Perlu dicatat bahwa jumlah persamaan independen yang dapat ditulis sama dengan jumlah spesies pada masukan dan keluaran pada sistem yang ditinjau.
4.
Tentukan variabel-variabel yang belum diketahui dengan menyelesaikan langkah 3.
Contoh-contoh berikut memberikan gambaran penyelesaian persoalan neraca massa menurut prosedur di atas. Contoh 5.2, neraca massa distilasi minyak nilam. Minyak nilam (lihat Gambar 5.3a) merupakan salah satu komoditas perdagangan yang ditekuni oleh masyarakat pedesaan di beberapa kabupaten di pantai barat Aceh. Petani minyak nilam melakukan proses distilasi secara tumpak (batch) untuk mendapatkan minyak nilam. Daun nilam (lihat Gambar 5.3b) yang layak panen dimasukkan ke dalam tangki uap (lihat Gambar 5.3c), kemudian uap yang dihasilkan dialirkan melalui pipa yang didinginkan. Hasil yang keluar berupa campuran antara air dan minyak nilam. Andaikan produksi minyak nilam di Aceh cukup besar untuk skala industri, maka campuran minyak nilam-air tadi akan lebih mudah dipisahkan secara distiilasi kontinu. Andaikan di dalam campuran air-minyak nilam terdapat sebanyak 60% massa air dan agar minyak nilam bernilai tinggi, maka air yang ada di dalam campuran tadi harus dihilangkan sehingga diperoleh minyak nilam dengan kemurnian 96%. Karena minyak nilam mempunyai titik didih (280 oC) jauh lebih tinggi dari titik didik air
95
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi (100 oC), maka minyak akan keluar dari bawah kolom distilasi, sedangkan air akan menguap dan keluar dari atas kolom distilasi. Hasil analisa produk atas kolom distilasi menunjukkan terdapat 1% massa minyak nilam. Jika setiap jam ingin dipisahkan sebanyak 100 kg campuran minyak nilam-air, tentukan laju produksi minyak nilam dan tentukan komponen-komponen lain yang tidak diketahui.
(a)
(b)
(c)
Gambar 5.3. (a) minyak nilam; (b) daun nilam; (c) distilasi minyak nilam tradisional
Penyelesaian:
Gambar 5.5. Diagram alir distilasi minyak nilam
96
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi 1. Gambarkan diagram balok proses distilasi minyak nilam dan tuliskan komponenkomponen yang diketahui dan komponen-komponen tak diketahui, seperti pada Gambar 5.5. 2. Pilih basis perhitungan Karena sudah diketahui umpan sebesar 100 kg/jam, maka kita ambil saja nilai ini sebagai basis perhitungan. Basis: 100 kg/jam umpan 3. Tuliskan persamaan neraca massa. Dari Gambar 5.2 dapat diketahui komponen-komponen yang masuk ke dalam dan keluar dari sistem (kolom distilasi). Menggunakan persamaan 5.5, dapat ditulis: Neraca total : F = D + B
[5-6]
Neraca minyak nilam : XMN(F) F = XMN(D) D + XMN(B) B
[5-7]
Neraca air : XA(F) F = XA(D) D + XA(B) B
[5-8]
Substitusikan nilai-nilai yang diketahui ke dalam persamaan 5.6 – 5.8, sehingga diperoleh: 100 = D + B
[5-9]
0,5 (100) = 0,01 (D) + 0,96 (B)
[5-10]
0,6 (100) = 0,99 (D) + 0,05 (B)
[5-11]
5. Tentukan variabel-varibel yang belum diketahui dengan menyelesaikan persamaan 5.9 – 5.11. Bila persamaan 5.9 – 5.11 anda diselesaikan, maka akan diperoleh: D = 58,95 dan B = 51,05 Sehingga dapat disusun:
97
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi Pada Umpan: Minyak nilam = 0,5 (100) = 50 kg/jam Air
= 0,6 (100) = 60 kg/jam
Pada Produk Atas Minyak nilam = 0,01 (58,95) = 0,5895 kg/jam Air
= 0,99 (58,95) = 58,3605 kg/jam
Pada Produk bawah Minyak nilam = 0,96 (51,05) = 39,5105 kg/jam Air
= 0,05 (51,05) = 1,6395 kg/jam
Contoh 5.3, Pengeringan padi Padi yang baru dipanen (gabah) memiliki kadar air rata-rata 35 %. Peraturan Menteri Pertanian No: 25/Permentan/PP.330/5/2008 Tanggal
29 April 2008 menyatakan bahwa Pemerintah
hanya akan membeli gabah petani yang mempunyai kadar air maksimum 25%. Di sisi lain, hasil penelitian menunjukkan bahwa jika padi ingin digiling untuk dijadikan beras, maka kadar air gabah yang paling baik adalah 13 %. Pada kondisi kadar air seperti ini, resiko beras patah sangat kecil. Sudah lazim petani hanya mengandalkan panas matahari untuk mengeringkan gabah. Cara seperti ini tentu sulit sekali mengatur kadar air sedemikian rupa sehingga bisa diperoleh gabah dengan kadar air <25%, atau gabah dengan kadar air 13%. Andaikan di daerah sentra pertanian tersedia alat pengering kontinu sehingga memungkinkan menghasilkan gabah dengan kadar air 13 % dan jika setiap kali panen seorang petani menghasilkan 5 ton gabah segar dengan kadar air 35%, berapa banyak air yang harus dihilangkan dari gabah segar sehingga diperoleh gabah dengan kadar air 13%. Penyelesaian:
98
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi 1. Gambarkan diagram balok yang menggambarkan proses pengeringan padi segar dan tuliskan komponen-komponen yang diketahui dan yang tak diketahui, seperti ditunjukkan pada Gambar 5.5.
Gambar 5.5 Diagram alir proses pengeringan gabah segar
2. Basis Perhitungan. Karena besaran umpan sudah diketahui, maka basis perhitungan diambil langsung sebesar 5000 kg umpan gabah segar 3. Tuliskan persamaan neraca massa. Dari Gambar 5.5 dapat diketahui komponen-komponen yang masuk ke dalam dan keluar dari sistem pengering kontinu. Menggunakan persamaan 5.5, dapat ditulis: Neraca total : F = W+ P
[5-12]
Neraca gabah : XF(gabah) F = XW(gabah) W + XP (gabah) P
[5-13]
Neraca air : XF(air) F = XW(air) D + XP(air) P
[5-15]
Substitusikan nilai-nilai yang diketahui ke dalam persamaan 5.12 – 5.15, sehingga diperoleh: 5000 = W+ P
[5-15]
99
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi 0,65 (5000) = 0,0 (W) + 0,85 (P)
[5-16]
0,35 (5000) = 1.0 (W) + 0,15 (P)
[5-17]
5. Tentukan variabel-variabel yang belum diketahui dengan menyelesaikan persamaan 5.15-5.17. Bila persamaan-persamaan ini diselesaikan, maka akan diperoleh: Gabah kering, P = 3823,5 kg Air yang dihilangkan dari gabah segar, W = 1176,5 kg
5.5 Rangkuman
Analisa suatu sistem proses biasanya akan selalu melibatkan perhitungan neraca massa guna menentukan seluruh zat/spesies pada aliran umpan dan produk. Bab ini telah menjelaskan klasifikasi proses yang terlibat pada suatu industri yang meliputi proses fisika dan proses kimia. Proses fisika merupakan suatu proses yang tidak melibatkan perubahan molekul, sehingga tidak menghasilkan senyawa baru. Dengan demikian proses fisika merupakan proses yang dapat balik. Sebagai contoh, misalnya gula dilarutkan ke dalam air panas, sehingga tidak terlihat butir-butir gula. Menggunakan proses pemisahan, misalnya penguapan, maka akan di dapatkan kembali gula dan airnya. Ini yang dimaksud dengan proses dapat balik. Sebaliknya proses kimia merupakan proses yang tidak dapat balik, karena melibatkan perubahan molekul sehingga menghasilkan unsur atau senyawa baru. Misalkan anda menjalankan reaksi netralisasi antar asam dan basa, maka akan terbentuk senyawa baru berupa garam dan air. Produk baru garam dan air ini tidak akan dapat dirubah kembali menjadi asam dan basa, sehingga dikatakan prosesnya tidak dapat balik. Walaupun pada hakikatnya ada reaksi kimia yang dapat bolak balik, tapi hal tersebut di luar lingkup yang kita pelajari di sini. Selain proses fisika dan proses kimia, telah dijelaskan juga perbedaan antara proses tumpak, kontinu dan semi-tumpak. Proses tumpak dicirikan dengan tidak adanya perpindahan massa ke luar dari sistem selama berlangsungnya proses. Artinya, umpan dimasukkan ke dalam unit proses, kemudian proses dijalankan sampai selesai, baru di akhir produk dikeluarkan dari unit
100
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi proses. Proses kontinu sebaliknya berbeda nyata dari proses tumpak, dimana umpan dan produk secara terus menerus dimasukkan dan dikeluarkan dari unit proses. Suatu unit proses yang yang tidak mencirikan proses tumpak dan proses kontinu dikategorikan sebagai proses semi-tumpak atau semi kontinu. Dari segi ketergantungan terhadap waktu, proses dapat diklasifikasikan sebagai proses tunak (mantap, steadi) dan transien (tak-mantap, tak steadi). Jika nilai-nilai seluruh parameter dalam suatu proses seperti temperatur, tekanan, volume, laju alir dll tidak berubah terhadap waktu maka proses tersebut dikatakan memiliki kondisi tunak.
Sebaliknya jika variabel-variabel
proses tersebut berubah terhadap waktu, maka proses demikian disebut dengan proses transien atau tak-steadi. Pengertian neraca massa telah dipaparkan diikuti dengan penjelasan mengenai strategi penyelesaian neraca massa sederhana tanpa melibatkan reaksi kimia. Prosedurnya dimulai dengan menggambarkan proses yang ditinjau ke dalam bentuk diagram balok dan menuliskan komponen-komponen yang diketahui pada diagram tersebut.
Setelah basis perhitungan
ditentukan, persamaan neraca massa disusun berdasarkan persamaan 5.1. Namun, jika proses yang ditinjau mantap (tunak) dan tidak melibatkan reaksi kimia, dengan mudah persamaan 5.5 disederhanakan menjadi persamaan 5.3.
Penyusunan persamaan neraca massa akan
menghasilkan beberapa persamaan aljabar dengan beberapa variabel yang belum diketahui. Langkah
akhir
adalah
menentukan
variabel-variabel
yang
tidak
diketahui
dengan
menyelesaikan persamaan aljabar yang diperoleh dari langkah sebelumnya.
5.6 Latihan
1. Sebuah tangki berukuran 5 m3 diisi dengan air dengan laju 6 kg/det dan dikeluarkan dari dasar tangki dengan laju 3 kg/det. Sebelum diisikan air, pada saat mula-mula separuh tangki telah berisi air. a). Apakah proses ini tumpak, kontinu atau semi-tumpak? Apakah prosesnya tunak atau steadi
101
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi b). Tuliskan neraca massa untuk proses tersebut (lihat contoh 5.1). Berikan padanan suku-suku yang anda tinjau dengan suku-suku pada persamaan 5.1. Berikan alasan jika ada suku-suku yang dihilangkan c). Berapa lama waktu yang diperlukan sehingga air meluap dari permukaan tangki? 2.
Seorang dosen teknik kimia mengadakan pengabdian masyarakat di sentra perkebunan pepaya. Dosen tersebut mengajarkan masyarakat membuat selai pepaya. Pepaya masak yang akan dibuat menjadi selai biasanya mengandung 20% padatan dan 80% air atas dasar massa. Untuk membuat selai pepaya, pepaya yang telah dibersihkan dihancurkan dengan menggunakan blender dan dicampur dengan gula dengan rasio pepaya:gula = 55:55. Campuran pepaya-gula tadi kemudian dimasak guna menguapkan kandungan air yang ada dalam campurannya, sehingga kandungan air akhir sebesar 1/3 dari kandungan air semula. Sisa pemasakan inilah yang akhirnya disebut dengan selai pepaya. a). Gambarkan diagram balok dan beri label untuk proses pembuatan selai pepaya. b). Berapa kg pepaya yang diperlukan untuk membuat 1 kg selai pepaya. c). Seandainya umpan terdiri dari 10 kg pepaya, berapa banyak air harus diuapkan untuk menghasilkan selai pepaya dan berapa banyak selai pepaya yang diperoleh.
3. Pengawetan bahan makanan segar seperti daging dan ikan dapat dilakukan dengan berbagai cara, seperti pengeringan, pendinginan (pembekuan), pengasapan, dan penambahan bahan pengawet. Terkait metoda yang terakhir dapat dilakukan dengan penambahan bahan pengawet kimiawi dan alami. Pengawet kimiawi dapat dikatagorikan lagi menjadi pengawet berbahaya dan aman bagi manusia. Penggunaan cuka, gula dan garam telah lama digunakan untuk mengawetkan bahan pangan, dan sampai sekarang masih tetap digunakan karena faktor keamanannya bagi manusia. Sejumlah asam juga relatif aman sebagai bahan pengawet. Namun penggunaan formalin untuk mengawetkan bahan pangan merupakan sesuatu metoda yang sangat membahayakan bagi konsumen dan dikatagorikan sebagai perbuatan kriminal. Kenyataan ini menginspirasikan Anton seorang alumni teknik kimia untuk memulai wirausaha produksi asap cair sebagai zat pengawet pangan alami. Dasar pemikiran Anton sederhana saja, dia melihat bahwa hampir di seluruh Indonesia terdapat 102
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi sentra-sentra produksi kelapa dimana tempurung kelapa belum banyak dimanfaatkan. Anton mulai memproduksi asap cair dengan metoda pirolisa dalam sebuah reaktor dengan bahan baku 1 ton tempurung kelapa. Asap keluaran dari reaktor pirolisa dikondensasikan sehingga diperoleh 600 L asap cair Grade 3 dan 200 kg arang aktif. Asap cair Grade 3 ini hanya dapat digunakan untuk pengawetan kayu, bukan untuk pengawetan pangan mentah. Oleh karena itu Anton harus merubah asap cair Grade 3 menjadi asap cair Grade 2, yang dapat digunakan untuk mengawetkan pangan mentah, seperti daging dan ikan. Untuk mengubah dari Grade 3 ke Grade 2, kandungan tar yang ada di dalam asap cair harus dipisahkan dengan metoda distilasi. Di dalam 600 L asap cair yang dihasilkan oleh Anton terdapat sebanyak 7% (massa) tar. Ketika asap cair ini dimasukkan ke dalam kolom distilasi, didapati bahwa 97% (massa) asap cair ada di produk atas dan 85% tar terdapat di produk bawah. Tentukan massa asap cair dan tar pada produk atas dan produk bawah kolom distilasi. (Petunjuk: tentukan dulu massa 600 L campuran asap cair + tar, sehingga dari situ dapat diketahui massa asap cair dan tar di dalam umpan kolom distilasi. Anggap bahwa proses berjalan mantap dan tidak ada kebocoran sehingga seluruh asap yang dihasilkan dari proses pirolisa betul-betul mencair). 5. Kadar gula dalam suatu cairan dinyatakan dengan oBrix. Jadi kalau dikatakan jus jeruk memiliki 10 oBrix, berarti di dalam jus tersebut terdapat 10 g (kg, lb m) gula/100 g (kg, lbm). Jika anda masuk ke super market dan membeli jus apel kotak berukuran 1 L, lalu membaca pada kotak tersebut bahwa jus apel tersebut diproduksi oleh perusahaan Indonesia asli. Bagaimana hal itu bisa terjadi padahal Indonesia bukanlah produsen apel. Di negara-negara produsen apel, apel tersebut diperas sehingga diperoleh jus apel dengan nilai brix rendah. Jus tersebut kemudian diproses dan dipekatkan sehingga mencapai 65-70 oBrix. Jus ini kemudian dibekukan dan diekspor ke berbagai negara dalam kondisi beku. Perusahaan Indonesia membeli konsentrat jus beku ini, lalu setiba di pabrik mereka di Indonesia jus tersebut dicairkan dan ditambahkan air sehingga jadilah jus kotak yang anda beli di supermarket tadi. Perusahaan tersebut membeli 5 ton jus apel konsentrat 70 oBrix dari luar negeri seharga US$ 1500/ton dalam tahun 2011. Kemudian memproduksinya menjadi jus apel kotak berukuran 1 L yang memiliki nilai 20 oBrix. Jika diasumsi jus tersebut hanya terdiri dari gula dan air, berapa banyak air yang harus ditambahkan kepada 5 ton jus konsentrat untuk menghasil jus dengan nilai 20 oBrix. Berapa kotak jus apel ukuran 1 L (20
103
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi o
Brix) yang dapat diproduksi dari 5 ton jus konsentrat (70 oBrix). Jika perusahaan tersebut
menjual jus apel kotak 1 L (20 oBrix) kepada distributor dengan harga Rp 12500,- per kotak dan dengan nilai tukar Rp 9600,-/1 US$, apakah perusahaan untuk mendapatkan keuntungan? 5. Gambar 5.6 (a) menunjukkan sebuah siklon yang diinstallasi pada sebuah industri. Siklon merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memisahkan partikel padatan dari aliran gas. Mekanisme pemisahan partikel tersebut akibat adanya gerakan fluida (gas dan partikel) secara spiral karena bentuk dari siklon. Gaya sentrifugal dan gaya inersia menyebabkan partikel terlempar ke arah luar, membentur dinding dan kemudian bergerak turun ke dasar siklon. Dekat dengan bagian dasar siklon, gas bergerak membalik dan bergerak ke atas dalam bentuk spiral yang lebih kecil. Gas yang bersih keluar dari bagian puncak siklon sedangkan partikel keluar dari dasar siklon, seperti yang ditunjukkan dari hasil simulasi pada Gambar 5.6 (b).
(a)
(b)
Gambar 5.6 (a) Pemisah siklon pada sebua industri, (b) simulasi gerakan partikel dalam siklon
104
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi Sebuah industri menghasilkan gas buang sebesar 3000 ft3/menit dengan kandungan partikel 8,25 gr/ft3. Seluruh gas buang ini dialirkan ke sebuah siklon untuk memisahkan partikel dari aliran gas. Siklon yang digunakan dikatakan memiliki efisiensi pengumpulan sebesar 90%. Buatlah neraca massa partikel dan tentukan berapa banyak pertikel yang terkumpul dan yang dibuang ke atmosfir setiap jam. 6. Diagram balok di bawah ini menunjukkan operasi pencampuran tiga komponen A, B, dan C yang masing-masing komposisinya dinyatakan dalam persen massa. Operasi berjalan dalam kondisi tunak (mantap, steadi). Dari informasi yang ada tentukan laju alir massa dan komposisi produk yang dihasilkan.
7. Dalam percobaan adsorpsi di laboratorium, seorang mahasiswa teknik kimia diminta untuk menguji kemampuan zeolit alam untuk menyerap phenol. Sebanyak 150 mL larutan phenol dikontakkan dengan 60 gram zeolit alam di dalam Erlenmeyer berpengaduk, sehingga terjadi perpindahan massa phenol ke dalam zeolit alam sedangkan air tidak terjerap. Konsentrasi phenol mula-mula di dalam larutan adalah 0,5 mol/L, namun setelah satu jam pengontakan dengan zeolit alam konsentrasi phenol berkurang menjadi 0,5 mol/L. Tentukan berapa banyak phenol yang terserap untuk setiap gram zeolit alam. 8. Sebanyak 1 L etanol dengan densitas 0,789 gr/cm3 pada 20 oC ingin dicampur dengan 2,5 L air yang memiliki densitas 0,998 gr/cm3. Tentukam massa dan komposisi massa masingmasing komponen dalam campuran air-etanol.
105
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi 9. Seorang mahasiswa teknik kimia yang akan melakukan praktikum di laboratorium kimia dasar diminta untuk membuat 1000 gram larutan H2SO5 (10% massa). Akan tetapi di laboratorium tersebut hanya tersedia larutan H2SO5 (25% massa). Jelaskan apa yang harus dilakukan oleh si mahasiswa agar ia dapat mempersiapkan larutan H2SO5 10 %.
10. Seorang pekerja diminta untuk membuat 2500 kg campuran air dan Ca(OH)2 ( slurry) dengan konsentrasi 5 % massa Ca(OH)2. Hal ini harus dilakukannya dengan mengencerkan dari 1000 kg campuran (slurry) yang mengandung 20% Ca(OH)2. Tentukan berapa banyak air yang harus ditambahkan agar diperoleh slurry dengan konsentrasi Ca(OH)2 5%.
5.7 Glosarium Distilasi
: proses pemisahan komponen-komponen dari campuran atas dasar titik didih
sehingga komponen-komponen yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap sebagai produk atas, sedangkan komponen-komponen dengan titik didih lebih tinggi akan berada dalam fasa cair sebagai produk bawah. Impuritis
:
zat-zat yang tidak memiliki nilai berarti baik dari segi kualitas maupun
kuantitas. Kontaktor
: Sebuah kolom yang dirancang sedemikian rupa untuk mengontakkan dua atau
lebih zat. Quencher
: Sebuah alat yang dirancang untuk menurunkan temperatur fluida secara cepat.
Reaktor
: Sebuah alat yang digunakan untuk menjalankan reaksi kimia.
Scrubber
: Sebuah peralatan yang digunakan untuk menghilangkan impuritis dari aliran
gas. Shut-down
: Di industri istilah ini dimaksudkan penghentian sebagian proses atau seluruh
proses di industri tersebut dikarenakan gangguan atau memang direncanakan untuk perawatan maupun perbaikan.
106
Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi : Suatu campuran antara cairan, biasanya air, dengan bahan padat halus seperti
Slurry
semen, batu kapur, lempung, dll Start-up
: Dalam industri istilah ini didefinisikan sebagai periode waktu antara tahap akhir
konstruksi pabrik dengan tahap operasional pabrik itu sendiri, atau dimaksudkan juga terhadap kegiatan memulai pabrik untuk beroperasi sampai mencapai operasional steadi.
Daftar Pustaka
Felder, R.M dan Rousseau, R.W. (2005) Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd Edition. John Wiley and Son, Inc. USA Himmelblau, D.M dan James Riggs, B. (2005) Basic Principles and Calculations in Chemical th Engineering, 7 Edition, Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ.USA Wikibooks (2010) Introduction to Chemical Engineering Processes. http://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Chemical_Engineering_Processes. Diakses 11 Maret 2010.
107
