Modul Praktikum OTK 2 - Dinamika Proses

MODUL PRAKTIKUM OPERASI TEKNIK KIMIA 2 DINAMIKA PROSES

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA FAKULTAS FAKULTAS TEKNIK TE KNIK SURYA SURYA UNIVERSITY UNIVERSI TY 2016

OPERASI TEKNIK KIMIA : Dinamika Proses

I. Tujuan Praktku! a. Mampu Mampu mengena mengenali, li, membed membedaka akan n dan mendefin mendefinisik isikan an keadaan keadaan tunak tunak ( steady ( steady state) state) dan tidak tunak pada sistem-sistem fisik sederhana. b. Membuat pemodelan matematika untuk sistem-sistem fisik sederhana yang berada dalam keadaan tidak tunak. c. Menent Menentuk ukan an parame parameter ter-pa -parame rameter ter model matematik matematikaa dari dari rangka rangkaian ian data data percob percobaan aan,, seperti efek yang terjadi pada sistem apabila diberi gangguan. II. P"n#a$u%uan Sifat-sifat suatu elemen proses dalam pabrik kimia perlu diketahui dan diperhatikan karena susunan unit pengolahann pengolahannya ya terintegrasi terintegrasi satu sama lain. Mengubah Mengubah atau mengoversi mengoversi bahan baku menjadi suatu produk yang lebih memiliki nilai guna merupakan suatu tujuan dari dari peng pengop opera erasia sian n pabr pabrik ik.. Selam Selamaa peng pengop opera erasia sian n berla berlang ngsu sung ng,, suat suatu u pabr pabrik ik haru haruss mempertimbangkan berbagai aspek seperti aspek ekonomi, aspek teknik, dan aspek sosial agar tidak terganggu oleh gangguan dari lingkungan eksternal, di mana suatu pabrik akan mengalami hal tersebut. Selama proses pengolahan di pabrik, gangguan dari lingkungan akan dialami sehingga diperlu diperlukan kan suatu suatu pemode pemodelan lan yang yang menggu menggunak nakan an prinsip prinsip reaksi reaksi kimia, kimia, proses proses fisika fisika dan matematika untuk dapat memperkirakan suatu kejadian pada suatu produk dengan mengubah suhu, suhu, tekana tekanan, n, ukura ukuran n alat, alat, dan lainny lainnya. a. Proses Proses peruba perubahan han ini dilaku dilakukan kan analis analisaa dengan dengan dinamika proses. inamika proses diperlukan bagi sarjana teknik kimia karena berkaitan dengan proses suatu sistem untuk mengelola kinerja di dalam pabrik. inamika proses merupakan suatu perubahan kerja proses terhadap !aktu yang terjadi selama sistem belum mencapai kondisi tunak ( steady state). state). Selain itu, dinamika proses dilakukan untuk dapat mengetahui perilaku saat proses batch serta untuk memahami memahami dinamika dari proses (analisa) dalam hal ini !aktu yang konstan. "eadaan tidak tunak terjadi karena adanya gangguan terhadap kondisi proses yang tunak. #gar proses di dalam pabrik dapat berjalan secara tunak ( steady ( steady state), state), maka proses pada sistem tersebut harus diberikan sifat khusus dan sistem pemrosesan harus dapat diidentifikasi diidentifikasikan. kan. #pabila #pabila karakteristik karakteristik dinamika dari suatu sistem pemrosesan pemrosesan sudah dapat dipahami, pengendalian proses akan lebih mudah dilakukan, pencegahan kerusakan alat dapat diminim diminimalis alisir ir serta serta penga! penga!asan asan proses proses akan akan lebih lebih mudah mudah dilaku dilakukan kan apabil apabilaa tidak tidak sesuai sesuai dengan spesifikasi cara operasinya. III. Da&ar Da &ar T"'r T"'r

$$$.% inamika Proses inami inamika ka Proses Proses adalah adalah suatu suatu proses proses yang yang memilik memilikii sistem sistem yang yang dinami dinamik k dimana dimana sifatny sifatnyaa akan akan selalu selalu mengal mengalami ami peruba perubahan han terhada terhadap p !aktu. !aktu. Secara Secara matemat matematis, is, dinami dinamika ka proses dapat dideskripsikan sebagai persamaan diferensial. &erdasarkan kondisi dan keadaa keadaanny nnyaa terdap terdapat at dua proses proses yaitu, yaitu, unstea unsteady dy state state (transi (transient ent state) dan steady state ('itonga ).

1


Unsteady Unsteady State (transient ) merupa merupakan kan kondisi kondisi atau proses proses yang yang apabil apabilaa persam persamaan aan diferen diferensia sialny lnyaa dituru diturunka nkan n terhada terhadap p !aktu !aktu akan akan memili memiliki ki nilai nilai tidak tidak nol. nol. Transien Transientt state terjadi pada keadaan keadaan penting yang yang seperti pada saat start-up dan shutdowns dan shutdowns.. &ahkan pada kondis kondisii normal normal,, kondis kondisii steady state sulit dicapai karena memungkinkan adanya variabel eksternal yang akan mengganggu system (M. *elder dan +. 'ousseau 'ousseau ). alam alam konsep konsep fisika, fisika, dinami dinamika ka proses proses berkai berkaitan tan dengan dengan konsep konsep gerak gerak lurus lurus dan mekanika fluida. Pada konsep gerak lurus, dinamika proses ditunjukkan dengan variabel percepatan  2

a=

d s

d. v

2

d . t

d t

=

ika percapatan bernilai sama dengan nol, maka sistem yang berkerja tidak mengalami perubahan ( steady state). state). i lain pihak, apabila percepatan bernilai tidak sama dengan nol, maka maka siste sistem m yang yang berk berker erja ja meng mengala alami mi peru peruba baha han n gerak gerak secar secaraa dina dinami mis. s. Pada Pada flui fluida da,, dinamika proses digunakan dalam penerapan hukum &oyle (/dukasi %). $$$. inamika Proses dalam $ndustri Pada industri kimia, aplikasi dinamika proses digunakan pada saat mereaksikan reaktor dalam dalam reaktor reaktor continue. continue. Pada Pada saat saat pena penamb mbah ahan an reakt reaktor or kond kondis isiny inyaa haru haruss steady state. state. inamika proses juga digunakan pada saat proses pengosongan tangki yang terdapat pada industri kimia, minyak, gas dan lain-lain . Selain itu, aplikasi dinamika proses digunakan sebagai aktuator pada katup dan motor untuk mengendalikan laju aliran dan pompa. Pada pembangkit nuklir, kimia, serta mesin pembuat kertas yang menggunakan sistem proses umpan balik, aplikasi dinamika proses juga dibutuhkan. 0ariabel-variabel yang digunakan pada proses operasi pabrik adalah * (laju alir), 1 (temperatur), P (tekanan), dan 2 (konsentrasi). 0ariabel tersebut diklasifikasikan dalam  kelompok, yaitu variabel input dan variabel output . a. 0ariabel input , merupa merupakan kan variab variabel el lingku lingkunga ngan n pada pada proses proses kimia kimia yang yang dituju dituju.. 0ariabel 0ariabel ini memiliki  kategori, yaitu

− Manipulated (adjustable) variable, dimana dimana operator operator dapat mengatur harga variabel dengan bebas.

− Disturbance variable, variable , dimana harga tidak dapat diatur operator atau sistem pengendali, tetapi merupakan gangguan. b. 0ariabel 0ariabel output , merupakan variabel yang menandakan efek proses kimia terhadap lingkungan (&andung 3).

2


$$$.4 Proses inamik pada 1angki a. Persa Persama maan an dalam dalam tang tangki ki ari pemodelan suatu proses sederhana seperti yang terlihat pada gambar %, yaitu gambar suatu tangki yang memiliki luas penampang # (m ) diisi dengan air sampai dengan ketinggian 5 (m) tertentu. Setelah itu, tangki tersebut dikosongkan dengan cara mengalirkan air dalam tangki keluar melalui lubang kecil yang memiliki luas penampang ao (m ) pada bagian dasar tangki sehingga akan memiliki debit atau laju aliran al iran sebesar sebesa r 6 (m 47s) ("usmara 8).

2


9ambar % Massa fluida yang keluar tangki akan sama dengan perubahan massa di dalam tangki. Massa fluida dapat didefinisikan sebagai Mf = ρAH imana 

Mf : massa fluida (gr,kg,lbs) ; : densitas fluida (kg7<, lb7ft4) # : luas penampang (m, cm,ft) 5 : ketinggian air (m,cm,ft) maka perubahan massa dalam tangki dapat direpresentasikan menjadi d ( ρAH ) =−( =−( ρq ) ............................ (%) dt

ρA

dH =−( ρq ) ............................... () dt

( ) ...................................

dH =− q dt A

(4)

1anda 1anda negatif negatif menand menandaka akan n bah!a bah!a aliran aliran akan akan mengha menghasil silkan kan pengur penguranan anan massa massa di dalam tangki, dimana ; dan # bersifat tetap (konstan).Pada persamaan (4) terdapat dua variab variabel el yang yang tidak tidak diketah diketahui, ui, yaitu yaitu variab variabel el keting ketinggia gian n (h) dan variab variabel el laju aliran aliran (6). (6). "arena terdapat dua variabel yang belum diketahui maka dibutuhkan satu persamaan lagi untuk menyelesaikan persamaan tersebut. *luida dalam tangki dapat mengalir keluar disebabkan perbedaan tekanan dalam tangki dimana dimana tekanan tekanan dalam tangki lebih besar dari tekanan di luar. luar. Penyebab perbedaan perbedaan tekanan tersebut disebabkan adanya perbedaan ketinggian dalam tangki sehingga besarnya laju aliran meru merupak pakan an suat suatu u fung fungsi si dari dari 5. =ntu =ntuk k meny menyede ederh rharn arnak akan an perso persoal alan an terse tersebu butt dapa dapatt diasumsikan bah!a 6 : s. =ntuk 6 : s maka persamaan (4) dapat diubah menjadi dH − S = dt A .................................(>)

3


Persamaan tersebut dapat diintegrasi menjadi −S dH ∫ =∫ dt

t 2 −¿

A

S A

............................()

dt

h2

¿

h1

t 1

∫ dH =∫ ¿

...............................(?)

3


(t 2 ( t 1 )= 2 )− H ( H (

−S A

( t 2−t 1 1 ) ............ (@)

=ntuk memperjelas keadaan pada persamaan tersebut asumsikan bah!a t % :  sehingga h pada t % merupakan ketinggian pada a!al praktikum (ho) sedangkan t  merupakan !aktu pada setiap keadaan (t), maka

( )

h t = ho −

( )

S t

................................ (8)

A

Menurut persamaan diatas hubungan h dengan !aktu t merupakan suatu persamaan line linear ar deng dengan an interc intercept ept tepat pada ho dan gradien gradien atau slope adalah adalah AS7#. AS7#. #kan tetapi, tetapi, persamaan ini hanya berlaku pada titik a!al saja. Pada kenyataannya bah!a pada h hampir mencapai titik  maka 6 juga akan nol sehingga persamaan pada !aktu yang lama adalah 6 : l h sehingga persamaan (8) menjadi  dh −lh = dt A ...................................... (3) h2

dh

∫h

= −l

h1

ln

2 H 2 1 H 1

A

=

t 2 2

∫ dt t 1 1

−l A

.............................. (%)

(t 2 2 −t 1 ) ............................ (%%)

#sumsikan bah!a t % :  dan t  : t ln

( ) −bt =

h t ho

A

................................. (%)

− bt

h ( t ) = ho e

A

................................... (%4)

Persama Persamaan an (%) (%) didapa didapatt bah!a bah!a ho adalah intercept dan Ab7# adalah suatu gradient (slope) (slope).. Persama Persamaan an (%4) (%4) juga juga menunj menunjukk ukkan an bah!a bah!a persam persamaan aan tidak tidak lagi lagi bersifa bersifatt linear linear melainkan bersifat eksponen. Selanjutny Selanjutnyaa perlu dilakukan dilakukan pendekatan pendekatan model yang mempertimban mempertimbangkan gkan hubungan hubungan antara antara 6 dan h dalam bentuk bentuk 6 : k h n dimana k adalah konstanta dan n adalah orde dari h yang nilainya berada dalam rentan  sampai % atau  B n B %. Cleh sebab itu persamaan (4) dapat diubah menjadi

dh − k h = dt A dh

−k

h

A

= n

n

dt

4


h( t )

∫ ho

(

t = t

dh −k = dt n A t =0 h

∫

)

( 1−n )

− h 1 − n ho − = kt 1−n 1−n A Persamaan tersebut kemudian disederhanakan secara aljabar menjadi ht =ho

[

]

1

k ( 1 −n ) ( 1−n) 1− ( 1 − n) A h o

4


b. Menghitung nilai orde n Pada persamaan sebelumnya dijelaskan bah!a nilai n bergantung pada kondisi aliran dan memiliki nilai  sampai %. =ntuk mengetahui nilai dari orde n dapat menggunakan persamaan 6 : k h n . dh − k n = h dt A ln

[ ] dh dt

=− =−ln

k A

+ n ln h

ari persamaan tersebut, dapat dibuat grafik antara lnD-dh7dtE terhadap ln h sehingga akan menghasilkan nilai n sebagai gradien. =ntuk memperoleh nilai dari dh7dt dapat dilakukan pendekatan berupa  dh dt

≅

∆ h ∆ t

Sehingga persamaan akan berubah menjadi k + ¿ n ln h A ∆h =−ln ¿ ln ∆ t

[ ]

IV. Ran(an)an P"r('*aan $0.% #lat dan &ahan 

− − − − − −

% unit perlengkapan praktikum dinamika proses Stopwatch 9elas ukur 9elas kimia Penggaris &eberapa jenis fluida, seperti alcohol, air, minyak atau oli

5


$0. 'ancangan #lat 

(9ambar ) V. M"t'#" P"r('*aan P "r('*aan

0.% Simulasi tanpa gangguan %. $si tangki tangki % dengan dengan fluida fluida (air) hingg hinggaa mencapai mencapai ketinggian ketinggian sekitar sekitar 4-4cm 4-4cm..

6


. &uka keran keran keluaran keluaran (valve) (valve) pada pada tangki tangki % dengan dengan bukaan bukaan yang yang sangat kecil (>F). (>F). 2atat dan amati perubahan ketinggian air dalam tangki tersebut terhadap !aktu. 4. 2atat !aktu !aktu yang yang diperlukan diperlukan setiap perubah perubahan an ketinggian ketinggian cairan cairan setinggi setinggi  cm cm sampai  cm, diusahakan tangki tidak kosong. >. =langi =langi prosedur prosedur % sampai sampai 4 sehingga sehingga didapat didapat data data tiga kali kali percobaan percobaan yang yang sama. sama. . untuk untuk bukaan bukaan keran sekitar @F. 0. Simulasi dengan gangguan %. 1angki 1angki % mula-mu mula-mula la diisi air air setinggi setinggi  cm sampai sampai  cm dengan dengan keadaan keadaan valve valve ditutup. . "emudian "emudian valve valve input (G%) (G%) dan valve output output (G4) (G4) dibuka dibuka secara secara bersamaan bersamaan dengan dengan bukaan tertentu. 4. 2atat ketingg ketinggian ian air setiap setiap rentang rentang !aktu !aktu tertentu. tertentu. Pencatatan Pencatatan dilaku dilakukan kan hingga hingga kondisi tunak. >. Setelah mencapai mencapai keadaan keadaan tunak, tunak, lalu lalu diberi diberi ganggu gangguan. an. . 9angguan 9angguan dapat dapat berupa penamba penambahan han atau pengura pengurangan ngan bukaan bukaan valve valve input atau atau alve output, selain itu gangguan juga dapat berupa penambahan aliran input dengan membuka valve gangguan (G).

6


?. Setelah diberi ganggu gangguan, an, catat keting ketinggian gian air setiap setiap rentang rentang !aktu !aktu tertentu tertentu dan pencatatan dihentikan pada saat sistem mencapai kondisi tunak. 0.4 ata Percobaan %. Penentuan
5 (cm)

1abel % . "alibrasi
1angki ke 

&ukaan H h(cm)

t(s)

&ukaan I 0olume

h(cm)

(m<)

&ukaan J h(cm)

t( s )

t(s)

0olume (m<)

&ukaan % 0olume (m<)

h(cm)

t(s)

0olume (m<)

1abel 

7


0alve ke 

1angki ke  &ukaan H

h(cm)

&ukaan I 0olume

t(s)

h(cm)

(m<)

&ukaan J h(cm)

(m<)

&ukaan % 0olume

t( s )

t(s)

0olume

(m<)

h(cm)

t(s)

0olume (m<)

1abel 4 4. Simulasi gangguan pada tangki 0olume 0olume tangki % 0olume tangki  0olume ta tangki re reservoir

: : :

9angguan F h(cm)

9angguan -F t( s )

h(cm)

t(s)

1abel >

8


Da+tar Pu&taka &andung, $nstitute 1eknologi. 3. Modul Dinamika roses! roses! http77akademik.che.itb.ac.id7labtek7!p-content7uploads7377modul-%%dinamika-proses.pdf (diakses *ebruary %?). /duka dukasi si,, 9en 9enius. ius. "umus #isika #luida Statis dan #luida Dinamis! ? uly uly %. %. http77!!!.geniusedukasi.com7rumus-fisika-fluida-statis-dan-fluida-dinamis7 (diakses *ebruary , %?). "usmara, 1atang. Dinamika 1atang. Dinamika roses! roses! 8. 8. M. *elder, 'ichard, 'ichard, dan 'onald 'onald +. 'ousseau. 'ousseau. alam $lementary rinciples o% &hemical rocesses, rocesses, oleh 'ichard M. *elder dan 'onald +. 'ousseau. . 'itonga, $r. M. Kusuf. en'endalian roses ! ! . http77repos http77repository itory.us .usu.ac.i u.ac.id7bits d7bitstream7% tream7%4> 4>?@83 ?@837%4> 7%4>37%7k 37%7kimia-y imia-yusuf>. usuf>.pdf pdf (diakses (diakses *ebruary , %?).



Modul Praktikum OTK 2 - Dinamika Proses

Recommend Documents