20 61 1 SM [PDF]

Citation preview

MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA I MODUL KULIAH



Ir. HERLIATI, M.T, Ph.D Copyright FTI-UJ



MODUL 1



MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA 1 PENDAHULUAN VARIABEL PROSES



Ir. HERLIATI, M.T, Ph.D Copyright FTI-UJ



Penjelasan Tentang Mata Kuliah ATK I • Mata kuliah ini merupakan mata kuliah wajib di program studi Teknik Kimia. Mata kuliah ini mengkaji tentang persamaan kimia dan stoikhiometri. Mengkaji dan memahami konsep neraca masa secara umum. Mengkaji dan mempelajari perhitungan neraca mas secara rinci dalam unit peralatan baik ada reaksi kimia maupun tanpa reaksi kimia. • Metode pembelajaran yang digunakan meliputi teori yang disampaikan dengan ceramah, diskusi/Tanya jawab, serta latihan menyelesaikan soal.Tugas yang diberikan kepada mahasiswa berupa latihan soal.



Pokok Bahasan 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.



Persamaan kimia dan stoikhiometri Konsep neraca masa Metode penyelesaian neraca masa Neraca masa pada system sederhana (1 alat) Neraca masa pada system kompleks (multiple alat) Neraca masa tanpa reaksi kimia dengan recycle Neraca masa dengan reaksi kimia dengan recycle Neraca masa dengan “by pass” Neraca masa dengan reaksi kimia dengan recycle dan purging.



SISTEM NERACA MASA REAKSI SINGLE DENGANREAKSI REAKSI GANDA NERACA MASSA SINGLE UNIT TANPAREAKSI MULTI UNIT



Variabel Proses



Copyright FTI-UJ



Massa dan Volume • Massa dari sejumlah volume senyawa/campuran senyawa dapat ditentukan jika diketahui densitas () dari senyawa/campuran tersebut Contoh: Tentukan massa (g) dari 20 cm3 CCl4. jika diketahui densitasnya 1,595 g/cm3. Jawab: 31,9 g



SOAL: Tentukan volume (cm3) dari 6,2 lbm CCl4 tersebut di atas jika 1lbm = 454 g. Jawab: Bagaimana jika data yang diketahui bukan  melainkan Spesific Gravity (SG). SG = /ref. ref adalah air pada suhu 4oC dimana nilainya: = 1 g/cm3 atau 62,43 lbm/ft3.



SOAL: Tentukan volume merkuri (ft3) yang memiliki massa sebesar 210 kg. diketahui SG dari merkuri adalah 13,125. dimana 1kg =2,2 lbm. Penyelesaian:



Laju Alir (Flow Rate) Dapat berupa - Laju alir massa (Mass Flow rate) - Laju alir volume (Volum flow rate) Contoh: Diketahui laju alir volum CCl4 dalam sebuah pipa adalah 100 cm3/menit.Tentukan massa (kg) CCl4 yang mengalir dalam pipa tersebut selama 1 jam.



Penyelesaian: MFR CCl4 = VFR x  = 100 (cm3/menit) x 1,595 (g/cm3) = 159,5 g/menit Untuk 1 jam operasi maka: Massa CCl4 = 159,5 (g/menit) x (60 menit/jam) = 9.570 g/jam. = 9,57 kg/jam



SOAL: Diketahui Laju alir massa n-hexana di dalam pipa adalah 6,59 g/detik. Tentukan volume (liter) n-hexana tersebut yang mengalir di dalam pipa selama 1 hari. Jika diketahui  nhexana adalah 0,659 g/cm3. dimana 1 L = 1000 cm3.



PENYELESAIAN:



Berat densitas rata-rata n



1



 mix



=  xi / i i =1



= x A /  A + xB /  B + xC / C + ...



CONTOH: Tentukan densitas rata-rata larutan etanol 30 % (w/w). Jika persen densitas masing komponen air = 1 g/ml dan etanol = 0,789 g/ml



Penyelesaian: 1



 mix



0,3 0,7 = + 0,789 1 = 1,08  mix = 0,926 g/ml



Merubah dari komposisi massa menjadi komposisi mol



Copyright FTI-UJ



Contoh: Suatu campuran gas diketahui persen massa nya (persen berat) sebagai berikut: O2 = 16 % CO = 4 % CO2 = 17 % N2 = 63 % Tentukan persen mol masing-masing senyawa dalam (komposisi molar) campuran tersebut.



Merubah dari komposisi massa menjadi komposisi mol Prosedur merubah persen massa (persen berat) menjadi persen mol: 1. Ambil basis 100 g campuran yang diketahui 2. Hitung massa masing-masing komponen dalam campuran tersebut 3. Cari mol masing-masing senyawa dengan membagi massanya dengan BM nya 4. Hitung total mol dari campuran tersebut 5. Hitung persen mol dari masing-masing senyawa dengancara membagi mol masing-masing dengan mol total yang dihitung pada point 4.



Penyelesaian: 1. Basis : 100 g campuran, sehingga: 2. Menghitung massa masing-masing komponen O2 = 0,16 x 100 = 16 g CO = 0,04 x 100 = 4 g CO2 = 0,17 x 100 = 17 g N2 = 0,63 x 100 =63 g 3. Menghitung mol masing-masing komponen: O2 = 16 g / 32 (g/mol) = 0,5 mol CO = 4 g/ 28 (g/mol) = 0,143 mol CO2 = 17 g / 44 (g/mol) = 0,386 mol N2 = 63 g/ 28 (g/mol) = 2,25 mol 4. Total mol campuran = 3,279 mol



5. Menghitung persen mol masing-masing komponen O2 = 0,5 mol / 3,279 mol x 100 = 15,25 % CO = 0,143 mol / 3,279 mol x 100 = 4,36 % CO2 = 0,386 mol / 3,279 mol x 100 = 11,78 % N2 = 2,25 mol / 3,279 mol x 100 = 68,61 % Total persen = 100 %



SOAL • Sebuah larutan NaCl (dimana pelarutnya adalah air) dengan komposisi (% massa) adalah 20 %. Tentukan komposisi NaCl dalam persen mol.



MODUL 2 MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA 1 REAKSI KIMIA DAN STOIKIOMETRI REAKSI TUNGGAL



Ir. HERLIATI, M.T, Ph.D Copyright FTI-UJ



✓ Stoichiometry ✓ Limiting Reactant ✓ Excess Reactant Input + generation = output + consumption



Copyright FTI-UJ



Stoikiometri ✓ Adalah teori yang membahas tentang senyawasenyawa yang bereaksi secara proporsional yang dituangkan dalam persamaan reaksi kimia. Contoh : Sulfurdioksida dan Oksigen bereaksi menghasilkan Sulfurtrioksida Persamaan reaksi stoikiometri dari contoh di atas adalah: 2 SO2 + O2 → 2 SO3



Limiting dan Excess Reactan ✓ Jika bahan kimia (reaktan-reaktan) diumpankan ke reaktor pada rasio stoikiometri , maka jumlah mol masing-masing senyawa yang menjadi umpan reactor sesuai dengan koefisien persamaan stoikiometri. ✓ Jika ada 2 reaktan yang diumpankan, maka senyawa yang akan habis pertama kali pada akhir reaksi sempurna disebut dengan limiting reactant ✓ Reaktan selain limiting reaktan disebut excess reactants.



Fraksi dan Persen excess Fraksi Excess =



𝑛−𝑛𝑠 𝑛𝑠



𝑛 − 𝑛𝑠 Persen Excess = x100 𝑛𝑠 dimana n = jumlah mol umpan (aktual) ns = jumlah mol stoikiometri (mol teoritis).



Contoh soal : menentukan limiting dan excess reaktan 100 mol SO2 and 100 mol O2 diumpankan ke sebuah reaktor dan bereaksi sbb: 2SO2+O2→ 2SO3. Tentukan ✓ limiting reactant dan excess reactant, ✓ Fraksi dan persen excess? n = 100 mol ns = 50 mol



• rasio aktual SO2 / O2 umpan = 100/100 = 1 • Rasio stoichiometric SO2/O2 = 2/1=2 Artinya: ✓ SO2 umpan kurang dari stoikiometri → SO2 sebagai limiting reactant. ✓ O2 sebagai excess reactant.



Fraksi Excess = (100 -50)/50 = 1 Persen Excess = (100 -50)/50 x 100= 100 %



Latihan Soal Acrylonitrile dihasilkan dengan mereaksikan propylene, ammonia, dan oxygen. C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O Umpan reaktor mengandung 10 % mol propylene, 12% ammonia, dan 78% udara. Untuk basis 100 mol umpan reactor Tentukan: ✓Mana yang bertindak sebagai limiting reactan ✓Persen excess untuk excess reactan.



Penyelesaian



Menentukan Limiting Reaktan



Umpan: C3H6 = 10 mol; NH3 = 12 mol ; O2 = 16,4 mol



Reaksi: C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O



(NH3 /C3H6 )input = 12/10 = 1,2 NH3 /C3H6 )stoik = 1/1 = 1



excess



(O2 /C3H6 )input = 16,4/10 = 1,64 (O2 /C3H6 )stoik = 1,5/1 = 1,5



Karena Propylene umpan lebih Kecil dibandingkan dengan stoikiometri dibandingkan dua reaktan lainnya, Maka propylene adalah limiting reactant.



excess



Latihan Soal Acrylonitrile dihasilkan dengan mereaksikan propylene, ammonia, dan oxygen. C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O Umpan reaktor mengandung 10 % mol propylene, 12% ammonia, dan 78% udara. Untuk basis 100 mol umpan reactor jika Propilene bertindak sebagai limiting reactan dan habis bereaksi, Tentukan: ✓Mol Propilene, Amoniak, Oksigen, Akrilonitril dan H2O yang terdapat pada output reaktor



REAKSI SINGLE: Fraksi Konversi Reaksi/ Persen Konversi Reaksi



Fraksi Konversi Umumnya, reaksi-reaksi kimia tidak berlangsung sempurna melainkan ada reaktan yang tidak bereaksi. Fraksi dan Persen Konversi dinyatakan sbb: 𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 𝐹𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 (𝐹) = 𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛 𝑃𝑒𝑟𝑠𝑒𝑛 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 =



𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛



✓ Fraksi reaktan yang tdk bereaksi = (1-F)



x 100



Contoh soal:



𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 𝐹= 𝑚𝑜𝑙𝑆𝑂2 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛



200 mol SO2 dan 100 mol O2 diumpankan ke reaktor. Hanya 100 100 mol SO2 bereaksi 𝐹= = 0,5 200 berdasarkan reaksi 2SO2+O2→2SO3 % 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 = F x 100% Tentukan: = 0,5 𝑥 100% = 50 % ✓ fraksi konversi (F) ✓ Percentage konversi dan ✓ Fraksi yang tidak bereaksi? Fraksi yang tidak bereaksi =1-F = 1-0,5 = 0,5



Untuk reaksi tidak sempurna ✓ Reaksi dikatakan tidak sempurna jika tidak semua reaktan habis bereaksi. Reaktan sisa dan produk yang dihasilkan pada akhir reaksi dapat dihitung dengan formula sebagai berikut:



ni = nio + βi 



Dimana:  = extent of reaction i = Komponen i yang terlibat dalam reaksi (baik reaktan maupun produk) ni = mol reaktan sisa atau mol produk hasil nio = mol senyawa mula-mula βi = +νi, untuk koefisien stoikiometri produk = -νi , untuk koefisien stoikiometri reaktan = 0, jika senyawa bersifat inert



Contoh Soal Acrylonitrile dihasilkan dengan mereaksikan propylene, ammonia, dan oxygen sbb: C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O Umpan reaktor mengandung 10 % mol propylene, 12% ammonia, dan 78% udara. Fraksi konversi 30% dari propilen. Tentukan:



✓Molar flow rates semua produk untuk 30% konversi terhadap limiting reaktan. Gunakan basis 100 mol umpan reaktor



Penyelesaian Reaksi: C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O



Diagram Proses 100 mol 0,1 C3H6 0,12 NH3 0,78 udara 0,21 O2 0,79 N2



Q1 mol C3H6 Q2 mol NH3 Q3 mol O2 Q4 mol 0,79 N2 Q5 mol C3H3N Q6 mol H2O



Menentukan Mol Umpan masing-masing C3H6 = 0,1 x 100 = 10 mol NH3 = 0,12 x 100 = 12 mol O2 = 0,21 x 0,78 x 100 = 16,4 mol N2 = 0,79 x 0,78 x 100 = 61,6 mol



Penyelesaian



n C3H6 = Q1 = 10 -



(1)



Diagram Proses



n NH3 = Q2 = 12 -



(2)



n O2 = Q3 = 16,4 – 1,5



(3)



C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O



n N2 = Q4 = 61,6 mol



100 mol 0,1 C3H6 0,12 NH3 0,78 udara 0,21 O2 0,79 N2



Q1 mol C3H6 Q2 mol NH3 Q3 mol O2 Q4 mol 0,79 N2 Q5 mol C3H3N Q6 mol H2O



n C3H3 N = Q5 = 



(4)



n H2O = Q6 = 3



(5)



Menentukan Flow Rate Produk jika Konv 30 % thd Propylene



propylene sisa = mula-mula - bereaksi = 10 – 0,3 x 10 = 7 mol = Q1



Subtitusikan Q1 ke pers (1) 7 = 10 -  maka  = 3 Masukkan nilai  ke persamaan 2 sampai 5 sehingga Q1 = 7; Q2 = 9; Q3 = 11,9; Q5 = 3; Q6 = 9



Penyelesaian



Diagram Proses C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O



10 mol C3H6 12 mol NH3 78 mol udara 16,4 mol O2 61,6 mol N2



7 mol C3H6 9 mol NH3 11,9 mol O2 61,6 mol 0,79 N2 3 mol C3H3N 9 mol H2O



NERACA MASSA Input



Output



Senyawa



BM



C3H6



42



10



420



7



294



NH3



17



12



204



9



153



O2



32



16,4



524,8



11,9



380,8



N2



28



61,6



1724,8



61,6



1.724,8



C3H3N



53



-



-



3



159



H2O



18



-



-



9



162



100



2.873,6



101,5



2.873,6



TOTAL



mol



gram



mol



gram



Soal • Dietil eter dihasilkan dengan dehidrasi etil alkohol di dalam asam sulfat. Reaksi yang terjadi sbb: 2C2H5OH → C2H5OC2H5 + H2O. • Jika konversi alkohol 87%, dengan basis 100 mol umpan per jam, tentukan: a. Molar flow rate semua output reaktor b. Buat tabel neraca massa



Latihan Soal: Pembakaran Metana Metana dibakar dengan oksigen menghasilkan karbondioksida dan air. Umpan terdiri dari 20 mole% CH4, 60% oksigen, dan 20% CO2. Konversi terhadap limiting reaktan adalah 90%. Tentukan: a. Komposisi molar aliran produk dengan basis perhitungan 100 mol campuran umpan. b. Extent of reaction (). c. Tabel neraca massa



Kesetimbangan Reaksi ✓ Ketika reaksi kimia berjalan dalam satu arah saja, maka kita sebut irreversible. ✓ Tetapi jika reaksi berlangsung dalam arah ke kanan dan kekiri , maka kita sebut reversible. ✓ Jika laju reaksi ke kanan dan laju reaksi ke kiri sama, maka reaksi ini disebut dalam equilibrium atau kesetimbangan. ✓ Konstanta kesetimbangan (K) untuk fase gas utk reaksi A(gas) + B(gas) C(gas) + D (gas) Adalah:



𝐾=



𝑌𝐶 𝑌𝐷 𝑌𝐴 𝑌𝐵



; Y = fraksi mol



Contoh Soal: Perhitungan reaksi kesetimbangan Perhatikan reaksi kesetimbangan berikut: CO(g) + H2O(g) ⇔ CO2 (g) + H2 (g) Proses berlangsung pada temperatur K Persamaan kesetimbangan reaksi di atas adalah: 𝑦𝐶𝑂2 𝑦𝐻2 𝐾 𝑇 = 𝑦𝐶𝑂 𝑦𝐻2𝑂 K(T): konstanta kesetimbangan fungsi dari T



SOAL Pada T = 1105 K (832°C), K = 1.00. Jika umpan reaktor terdiri dari: 1.00 mol CO, 2.00 mol H2O, dan tidak ada CO2 maupun H2 Campuran reaksi mencapai kesetimbangan pada T 1105 K. Tentukan: ✓ Komposisi kesetimbangan ✓ fraksi konversi dari LR.



Penyelesaian: Analogi dengan persamaan reaksi irreversible: CO(g) + H2O(g) ⇔ CO2 (g) + H2 (g) 1 mol 2 mol Mol senyawa-senyawa pada kesetimbangan adalah: Dimana: e = extent of reaction pada kesetimbangan



nCO = 1 - e nH2O = 2 -  e nCO2 =  e nH2 =  e + n Total = 3 Sehingga fraksi mol masing-masing senyawa, yi adalah: 1 − 𝑒 𝑦𝐶𝑂 = 3 2 − 𝑒 𝑦𝐻2𝑂 = 3 𝑒 𝑦𝐶𝑂2 = 3 𝑒 𝑦𝐻2 = 3



Penyelesaian: 1 − 𝑒 𝑦𝐶𝑂 = 3 2 − 𝑒 𝑦𝐻2𝑂 = 3 𝑒 𝑦𝐶𝑂2 = 3 𝑒 𝑦𝐻2 = 3



Subtitusikan nilai-nilai ini ke persamaan kesetimbangan: 𝑦𝐶𝑂2 𝑦𝐻2 𝐾 𝑇 = 𝑦𝐶𝑂 𝑦𝐻2𝑂



𝑒 𝑒 .3 3 𝐾= 1 − 𝑒 2 − 𝑒 3 3 Sehingga: 𝑒 𝐾= =1 (1−𝑒 )(2−𝑒 ) 2



Nilai e diperoleh = 0,667, subtitusikan nilai tersebut ke dalam persamaan fraksi masingmasing senyawa: 𝑦𝐶𝑂 = 0,111 ; 𝑦𝐻2 𝑂 = 0,444; 𝑦𝐶𝑂2 = 0,222; 𝑦𝐻2 = 0,222



Jawaban pertanyaan: ✓ Limiting Reaktan ✓ Fraksi konversi LR 𝑦𝐶𝑂 = 0,111 ; 𝑦𝐻2 𝑂 = 0,444; 𝑦𝐶𝑂2 = 0,222; 𝑦𝐻2 = 0,222



Limiting reaktan adalah CO Fraksi konversi CO adalah F = mol CO bereaksi/mol CO awal CO sisa = 1 – 0,667 = 0,333 CO bereaksi = 1-0,333 = 0,667 F = 0,667/1 = 0,667



MODUL 3 MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA 1 REVIEW REAKSI KIMIA TUNGGAL REAKSI GANDA



Ir. HERLIATI, M.T, Ph.D Copyright FTI-UJ



REVIEW Reaksi Single dimana umpan tidak murni



Copyright FTI-UJ



Contoh Soal: Pembuatan Heksamin Heksamin diproduksi dengan mereaksikan formaldehid dengan amoniak sbb: 6CH2O + 4NH3 → C6H12N4 + 6H2O Reaksi berlangsung dalam fase cair. Amoniak umpan mengandung 0,5%(w/w) H2O sementara formaldehid umpan terdiri dari 37 % formaldehid, 62,5 % H2O dan 0,5% CH3OH (w/w). Perbandingan mol amoniak terhadap formaldehid umpan adalah 2:3. konversi terhadap formaldehid adalah 98%. Jika ingin diproduksi heksamin sebesar 9.504 ton/tahun. Tentukan perhitungan neraca massa untuk kasus di atas dimana kemurnian heksamin adalah 99,9 % berat ( terdapat air 0,1%) . Note: 1 tahun = 330 hari; 1 hari 24 jam.



ubah % massa masing-masing umpan menjadi % mol



Ambil 100g umpan amoniak NH3 =



99.5g =



5.85



mol =



99.53



% mol



H2O =



0.5g =



0.03



mol =



0.47



% mol



100



%



5.88



Ambil 100g umpan Formaldehid



CH2O =



37g =



1.23



mol =



26.12



% mol



H2O =



62.5g =



3.47



mol =



73.55



% mol



CH3OH =



0.5g =



0.02



mol =



0.33



% mol



100



4.72



100



%



Basis perhitungan: 100 kmol umpan reactor; dimana rasio mol NH3:CH2O = 2:3 Maka: NH3 umpan = 40 kmol (murni) dan CH2O umpan = 60 kmol (murni)



F1 kmol 40 NH3 0,19 H2O F2 kmol 60 CH2O 168,92 H2O 0,76 CH3OH



F3 kmol F3CH2O F3NH3 F3CH3OH F3C6H12N4 F3H2O



Susun Persamaan-persamaan aljabar sebagai berikut: F3CH2O = 60 – 6  1 (1) F3NH3 = 40 – 41 (2) F3CH3OH = 0,76 (inert tidak ikut bereaksi) F3C6H12O4 = 1 (3) F3H2O = 0,19+168,92+6 1 (4) Selanjutnya akan ditentukan nilai  1 menggunakan informasi konversi 98 % terhadap CH2O



Fraksi konversi = kmol CH2O bereaksi/kmol CH2O umpan 0,98 = kmol CH2O bereaksi/60; maka kmol CH2O bereaksi = 58,8 dengan kata lain CH2O sisa = 1,2 kmol = F3CH2O Subtitusikan nilai F3CH2O ke persamaan 1



1,2 = 60 – 6  1; maka  1 = 9,8 Subtitusikan nilai 1 ke persamaan 2 – 4 akan diperoleh hasil sebagai berikut: F3NH3 = 0,8 kmol amoniak sisa F3CH3OH = 0,76 (inert tidak ikut bereaksi) F3C6H12O4 = 9,8 kmol hexamine yang dihasilkan = 1.372 kg/jam F3H2O =227,91 kmol air yang dihasilkan Selanjutnya akan ditentukan factor pengali untuk memperoleh input dan output actual jika kapasitas 9.504 ton/tahun C6H12O4 = 9.504 ton/tahun x 1000 kg/ton x 1 tahun/330 hari x 1 hari/24 jam = 1200 kg/jam Faktor pengali = 1200 kg jam-1/ 1.372 kg jam-1 =0,8746 (buat 4 desimal)



DIAGRAM PROSES DENGAN KAPASITAS 1200 kg/jam Hexamin F1 kg 594,728 NH3 2,991 H2O F2 kg 1.574,28 CH2O 2.659,274 H2O 21,270 CH3OH 4.852,543 kg



F3 kg



31,486 CH2O 11,895 NH3 21,270 CH3OH 1200 C6H12N4 3.587,942 H2O 4.852,543 kg



TABEL NERACA MASSA DENGAN KAPASITAS 1200 kg/jam Hexamin Input, F1 Senyawa



BM



CH2O



30



NH3



17



H2O



18



CH3OH



32



C6H12O4



140



SUB TOTAL TOTAL



kmol



Input, F2



kg



kmol



kg



kmol



52,476 1.574.28 34,984 594,728



0,166



2,991



147,737 2.659.274 0,665



0



21.270



0 597,719



Output, F3 kg 1,0495



31,486



0,6997



11,895



199,330 3587,942 0,665



21,270



8,571



1200



4254.824



4.852,543 kg



4.852,543 kg



Reaksi Ganda: Yield Selectivitas



Copyright FTI-UJ



Definisi ✓ Dalam proses kimia, tujuannya adalah untuk menghasilkan produk tertentu (desired product), tetapi mungkin saja terjadi reaksi samping yang kemudian menghasilkan produk yang tidak diharapkan (undesired product). ✓ Lalu, harus diupayakan agar memaksimalkan desired product dalam proses tersebut. ✓ Dua terminologi selain Konversi yaitu: yield dan selectivity, akan digunakan.



Definisi 𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 moles of desired product formed = moles of desired product formed if there were no side reactions and the limiting reactant reacts completely moles of desired product formed 𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 = moles of undesired product formed



aA + B → cC



( 1)



B+C→ D



( 2)



asumsi C = Desired ; D undesired moles of C



𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 = 𝑐 ( ) . 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑜𝑓 𝐴 𝑓𝑒𝑒𝑑 𝑎 Dimana: asumsi A sebagai Limiting Reactant moles of C 𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 = moles of D



Karena yang dibahas multi reaksi maka berlaku formula extent of reaction sbb:



ni = nio + βij j Dimana:  = extent of reaction untuk reaksi ke j i = Komponen yang terlibat dalam reaksi ni = mol reaktan sisa atau mol produk hasil nio = mol senyawa mula-mula βij = +νi, jika produk i pd reaksi j = -νi , jika reaktan i pd reaksi j = 0, jika inert



Prosedur penyelesaian 1. Beri notasi untuk setiap reaksi seperti berikut: A+B→ C+D ( 1) B+C→ D ( 2) 2. Susun persamaan aljabar guna menentukan mol masing-masing senyawa pada akhir reaksi dengan persamaan: ni = nio + βij j 3. Selesaikan persamaan aljabar dengan Informasi, Konversi, yield dan selektivity (paling tidak harus ada 2 informasi yang diketahui).



Contoh menentukan % yield Perhatikan reaksi berikut: A + B → 2C (desired) A + C→ D (undesired) A dan B diumpankan masingmasing 100 mol menuju batch reactor dimana produk akhir mengandung 160 mol C dan 10 mol D. Tentukan: ✓ Persen yield produk C, ✓ Selectivity produk C relatif terhadap produk D ✓ extents of the reactions.



• mol dari desired product (C) terbentuk = 160 • mol desired product terbentuk jika tidak ada reaksi samping dan LR bereaksi sempurna = 2/1 x 100 mol = 200 mol Maka: yield (%) = 160/200 x 100 = 80% Selectivity: C terhadap D = 160/10 = 16



Contoh Soal: untuk reaksi berikut, dimana setiap 3 mol etilen umpan maka 1 mol juga oksigen diumpankan menurut reaksi sbb: 2C2H4 + O2 → 2C2H4O C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O



( 1) ( 2)



Jika etilen terkoversi sebanyak 20% dan etilen oksida dihasilkan dengan yield 16 %. Tentukan a. komposisi masing-masing senyawa pada akhir reaksi. b. Umpan etilen dan oksigen jika kapasitas etilen oksida 1500 kg



Reaksi: 2C2H4 + O2 → 2C2H4O C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O



Basis perhitungan umpan : 3 kmol C2H4 1 kmol O2



Proses Diagram 3 kmol C2H4 1 kmol O2



Dari Informasi soal: FK = 0,2 FY = 0,16



( 1) ( 2)



REAKTOR



P1 kmol C2H4 P2 kmol O2 P3 kmol C2H4O P4 kmol CO2 P5 kmol H2O



Susun persamaan aljabar untuk menentukan Mol masing-masing senyawa pada akhir reaksi sbb: P1 = nC2H4 = 3 – 2  1 – 2 P2 = nO2 = 1 – 1 – 3  2 P3 = nC2H4O = 2  1 P4 = nCO2 = 2  2 P5 = nH2O = 2  2 Gunakan informasi yang diketahui dari soal untuk menyederhanakan persamaan2 yang dibuat.



(1) ( 1) (2) 2C2H4 + O2 → 2C2H4O (3) C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O ( 2) (4) (5) Selesaikan persamaan2 yang dibentuk dengan metode eliminasi atau subtitusi.



Selanjutnya akan ditentukan nilai  1 dan  2 dengan menggunakan informasi konversi dan yield



Sesuaikan dengan persamaan aljabar di atas: Yield = P3/3 ; dari basis perhitungan C2H4 umpan = 3 kmol. Subtitusikan nilai FY dan P3 maka: 0,16 = 2  1/3  1 = 0,24



Menentukan  2 : menggunakan informasi konversi Fraksi Konversi = kmol C2H4 bereaksi/3 kmol 0,2 = kmol C2H4 bereaksi/3 kmol C2H4 bereaksi = 0,6 kmol, maka C2H4 sisa = 3 – 0,6 = 2,4 kmol (ini adalah nilai P1) Subtiitusikan nilai  1 dan P1 ke persamaan (1), akan diperoleh:



2,4 = 3 – 2 * 0,24 – 2, Maka,  2 = 0,12 Dari pers (2) P2 = 1 – 0,24 – 3 x 0,12 = 0,4 kmol Oksigen sisa P3 = 2 1 = 2 x 0,24 = 0,48 kmol produk C2H4O P4 = 2 2 = 2 x 0,12 = 0,24 kmol CO2 P5 = 2 2 = 2 x 0,12 = 0,24 kmol H2O



Menentukan angka faktor pengali: Dengan basis 3 kmol umpan C2H4 dihasilkan 0,48 kmol C2H4O Kapasitas yang diinginkan = 1500/44 = 34,01 kmol FP = 34,01 kmol /0,48 kmol = 71,04



Menentukan Feed untuk kedua reaktan: FC2H4 = 3 kmol x 71,04= 213,12 kmol F O2 = 1 kmol x 71,04 = 71,04 kmol



Tabel Neraca Massa Dengan Basis umpan 3 kmol C2H4 Komp



BM



Input kmol



Output



kg



kmol



% massa



kg



C2H4



28



3



84



2,4



67,2



57.93



O2



32



1



32



0,4



12,8



11.03



C2H4O



44



-



-



0,48



21,12



18.20



CO2



44



-



-



0,24



10,56



9.10



H2O



18



-



-



0,24



4,32



3.72



4



116



3,76



116



100



TOTAL



Tabel Neraca Massa Dengan Kapasitas 1500 kg/jam C2H4O Komp



BM



Input kmol



kg



Output kmol



% massa



kg



C2H 4



28



213,12



5.967



170,5



4774



57.93



O2



32



71,04



2273



28,42



909



11.03



C2H4O



44



-



34,1



1.500



18.20



CO2



44



-



17,05



750



9.10



H2O



18



-



17,05



307



3.72



267.12



8240



100



TOTAL



8240



CONTOH SOAL Metana dan oksigen bereaksi untuk membentuk formaldehid dengan bantuan katalis. Reaksi yang terjadi adalah: CH4 + O2 → HCHO + H2O CH4 + 2 O2 → CO2 + 2H2O . Umpan reaktor terdiri dari metana dan oksigen dengan perbandingan yang sama. Fraksi konversi metana 0,95 dan fraksi yield formaldehid adalah 0,9. Tentukan: a. Tabel Neraca Massa dengan basis 1 kmol metana umpan b. Jika ingin dihasilkan 1800 kg formaldehid tentukan kebutuhan umpan c. Buatkan Tabel neraca massa dengan kapasitas aktual seperti pada pertanyaan b.



Diagram Alir



1 kmol CH4 1 kmol O2



REAKTOR



CH4 + O2 → HCHO + H2O CH4 + 2 O2 → CO2 + 2H2O



P1 kmol CH4 P2 kmol O2 P3 kmol HCHO P4 kmol CO2 P5 kmol H2O



(1) (2)



Gunakan Basis perhitungan 1 Kmol CH4 umpan reaktor Maka: Oksigen Umpan = 1 kmol (informasi dari soal) Membuat Persamaan-persamaan aljabar P1 = 1 – 1 – 2 (1) P2 = 1 – 1 – 2  2 (2) P3 =  1 (3) P4 =  2 (4) P5 =  1 + 2  2



(5)



Selanjutnya akan ditentukan nilai  1 dan  2 dengan menggunakan informasi konversi dan yield



Menentukan 1 : Dari soal, Yield HCHO = 0.9 Maka: jika 1mol CH4 umpan Yield = P3/1 P3= 1 x 0.9 = 0,9 Dari persamaan aljabar bahwa: P3 =  1 : maka  1 = 0,9 Menentukan 2 : menggunakan informasi konversi = 0,95 Konversi = CH4 bereaksi/1 0,95 = CH4 bereaksi/1 CH4 bereaksi = 0,95 kmol CH4 sisa = 1 – 0,95 = 0,05 kmol (ini adalah = P1) Subtiitusikan nilai  1 dan P1 ke persamaan (1), diperoleh



0,05 = 1 – 1 – 2, Maka,  2 = 1-0,05 - 0,9 = 0.05 Dari pers (2) P2 = 1 – 0.9 – 2 x 0.05 = 0 kmol Oksigen sisa (tdk ada sisa) P3 =  1 = 0,9 kmol produk HCHO P4 =  2 = 0,05 kmol CO2 P5 = 0,9 + 2 x 0,05 = 1 kmol H2O Menentukan angka faktor pengali: Dengan basis 1 kmol umpan CH4 dihasilkan 0,9 kmol HCHO Kapasitas yang diinginkan = 1800/30 = 60 kmol FP = 60 kmol /0,9 kmol = 66.66667 Menentukan Feed untuk kedua reaktan: FCH4 = 1 kmol x 66.66667 = 66.66667 kmol F O2 = 1 kmol x 66.66667 = 66.66667 kmol



Komposisi dan neraca massa dg basis Komp



BM



Input kmol



Output



kg



kmol



% mol



kg



CH4



16



1



16



0,05



0,8



2,5



O2



32



1



32



0



0



0



HCHO



30



-



-



0,9



27



45



CO2



44



-



-



0,05



2,2



2,5



H2O



18



-



-



1



18



50



2



48



2



48



100



TOTAL



Komposisi dan neraca massa Aktual Komp



BM



Input kmol



Output



kg



kmol



% mol



kg



CH4



16



66,667



1.066,67



3,33



53,28



O2



32



66,667



2.133,34



0



0



HCHO



30



-



-



60



1800



CO2



44



-



-



3,33



146,52



H2O



18



-



-



66,667



1200



TOTAL



3200



3200



Contoh Soal: Pembuatan Etanol Etanol dihasilkan secara komersial dengan hidrasi etilen sbb: C2H4 + H2O → C2H5OH Tetapi beberapa produk dikonversikan menjadi dietileter sbb: 2C2H5OH → (C2H5) 2O + H2O Umpan reaktor mengandung etilen dan steam dalam mol rasio 3:2 dan 10 % mol inert. Fraksi konversi etilen menjadi etano25 % sementara yield produk adalah 20 %. a. Tentukan Komposisi produk keluar reaktor (% mol) dengan basis 100 mol umpan reaktor. b. Tentukan kebutuhan bahan baku etilen (kg/hari) untuk kapasitas produksi 200.000 ton/tahun (1 tahun = 300 hari).



Diagram Alir



100 mol 54 mol C2H4



REAKTOR



36 mol H2O 10 mol I



P1 mol C2H4 P2 mol H2O P3 mol C2H5OH P4 mol (C2H5)O2



C2H4 + H2O → C2H5OH 2C2H5OH → (C2H5) 2O + H2O



(1) (2)



Membuat Persamaan-persamaan aljabar P1 = 54 – 1 (1) P2 = 36 – 1 +  2 (2) P3 =  1 -2  2 (3) P4 =  2 (4) Selanjutnya akan ditentukan nilai  1 dan  2 dengan menggunakan informasi konversi dan yield



Menentukan  1 dan  2 : Dari soal, Yield Etanol = 0.2 Yield = P3/54 P3= 54 x 0.2 = 10,8 mol Dari persamaan aljabar bahwa: P3 =  1 – 2  2 = 10,8 (5) Menggunakan informasi konversi = 0,25 Konversi = Etilen bereaksi/54 = 0,25 Etilen bereaksi = 13,5 mol Etilen sisa = 54 – 13,5 = 40,5 mol (ini adalah = P1) Subtiitusikan nilai P1 ke persamaan (1), diperoleh



 1 = 13,5 mol; subtitusi  1 ke pers ( 5), diperoleh  1 – 2  2 = 10,8, maka  2 = 1,35



Subtitusi nilai  1 dan  2 ke pers (1) sampai (4) P1 = 40,5 etilen sisa P2 = 23,85 steam sisa P3 = 10,8 etanol (produk utama) P4 = 1,35 dietil eter (produk samping)



Soal: Pembuatan Etanol Etanol dihasilkan secara komersial dengan hidrasi etilen sbb: C2H4 + H2O → C2H5OH Tetapi beberapa produk dikonversikan menjadi dietileter sbb: 2C2H5OH → (C2H5) 2O + H2O Umpan reaktor mengandung etilen dan steam dalam mol rasio 3:2 dan 10 % mol inert. Fraksi konversi etilen menjadi etanol 25 % sementara yield produk adalah 20 %. a. Buat Diagram Proses b. Tentukan Komposisi produk keluar reaktor (w/w) dengan basis 100 kmol/jam umpan reaktor. c. Tentukan kebutuhan bahan baku etilen (kg/jam) untuk kapasitas produksi 200.000 ton/tahun (1 tahun = 300 hari).



Diagram Alir



100 kmol 54 kmol C2H4



REAKTOR



36 kmol H2O 10 kmol I



C2H4 + H2O → C2H5OH 2C2H5OH → (C2H5) 2O + H2O



P1 kmol C2H4 P2 kmol H2O P3 kmol C2H5OH P4 kmol (C2H5) 2O



Membuat Persamaan-persamaan aljabar P1 = 54 – 1 (1) P2 = 36 – 1 +  2 (2) P3 =  1 -2  2 (3) P4 =  2 (4) Selanjutnya akan ditentukan nilai  1 dan  2 dengan menggunakan informasi konversi dan yield



Menentukan  1 dan  2 : Dari soal, Yield Etanol = 0.2 Yield = P3/54 P3= 54 x 0.2 = 10,8 kmol Dari persamaan aljabar bahwa: P3 =  1 – 2  2 = 10,8 (5) Menggunakan informasi konversi = 0,25 Konversi = Etilen bereaksi/54 = 0,25 Etilen bereaksi = 13,5 kmol Etilen sisa = 54 – 13,5 = 40,5 mol (ini adalah = P1) Subtiitusikan nilai P1 ke persamaan (1), diperoleh



 1 = 13,5 kmol; subtitusi  1 ke pers ( 5), diperoleh  1 – 2  2 = 10,8, maka  2 = 1,35



Subtitusi nilai  1 dan  2 ke pers (1) sampai (4) P1 = 40,5 kmol etilen sisa P2 = 23,85 kmol steam sisa P3 = 10,8 kmol etanol (produk utama) P4 = 1,35 kmol dietil eter (produk samping)



Tabel Perhitungan Neraca Massa dengan Basis Komp



BM



Input kmol



Output



kg



mol



% (w/w)



kg



C2H4



28



54



1.512



40,5



1.134



52,5



H2O



18



36



648



23,85



429,3



19,875



C2H5OH



46



-



-



10,8



496,8



23



(C2H5) 2O



74



-



-



1,35



99,9



4,625



90



2.160



76,5



2.160



100%



TOTAL



Menentukan kebutuhan bahan baku untuk kapasitas produksi 200.000 ton/tahun (1 tahun = 300 hari). Etanol = 200.000.000 kg/tahun = 666.666,7 kg/hari = 27.777,8 kg/jam = 603,86 kmol/jam



Menentukan Faktor Pengali Dengan basis etilen 54 kmol dihasilkan etanol 10,8 kmol. Faktor Pengali = nilai kapasitas /nilai basis = 603,86/10,8 = 55,913



Kalikan semua stream dengan faktor pengali, maka Input: Etilen = 54 x 55,913 = 3.019,30 H2O = 2.012,87 kmol Output Etilen = 2.264,48 kmol H2O = 1.333,53 kmol Etanol = 603,86 kmol Dietil Eter = 75,48 kmol



Tabel Perhitungan Neraca Massa Aktual Komp



BM



Input kmol



Output



kg



kmol



C2H4



28



3.019,30



84.540,4



H2O



18



2.012,87



36.231,7



C2H5OH



46



-



(C2H5) 2O



74



TOTAL



2.264,48



%



kg 63.405,4



52,5



1.333,53



24.003,5



19,875



-



603,86



27.777,6



23



-



-



75,48



5.585,5



4,625



5.032,17



120.772



4.277,35



120.772



100%



Soal: Pembuatan Monoklorobenzena Monoklorobenzen dihasilkan dengan proses klorinasi sbb: C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl Benzen dan klorin diumpankan dengan rasio mol 1:1.25. Namun sebagian monoklorobenzen bereaksi membentuk diklorobenzen sbb: C6H5Cl + Cl2 → C6H4Cl2 + HCl Benzen terkonversi sebesar 85 % dan selektifitas benzen klorida terhadap benzen diklorida adalah 15.67 mol/mol. a. Tentukan Komposisi (% mol) produk yang keluar reaktor dengan basis 100 kmol umpan benzen b. Jika kapasitas produk sebesar 45.000 ton/tahun tentukan kebutuhan umpan (kg/jam). Note: 1 tahun = 300 hari Asumsi: Bahan baku dan produk murni



MODUL 4 MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA 1 NERACA MASSA TANPA REAKSI DENGAN METODE ALJABAR



Ir. HERLIATI, M.T, Ph.D Copyright FTI-UJ



DIAGRAM ALIR PROSES



F2 kg/jam A



F3 Kg /jam



F1 kg /jam x1 A (1-x1)B



ALAT PROSES



x3 A (1-x3)B



Copyright FTI-UJ



DIAGRAM ALIR PROSES Basis : 1 jam operasi F2 kg A



F1 kg x1 A (1-x1)B



F3 Kg PROSES



x3 A (1-x3)B



Copyright FTI-UJ



KONSEP NERACA MASSA INPUT = OUTPUT



Basis : 1 jam operasi F2 kg A



F1 kg



F3 Kg



PROSES



x3 A (1- x3)B



x1 A (1- x1) B



INPUT TOTAL = OUTPUT TOTAL



F1+ F2 =



(1)



F3



INPUT KOMPONEN A = OUTPUT KOMPONEN A



x1 x F1 + F2



= x3 x F3



(2) Copyright FTI-UJ



Contoh Soal:



Tentukan F1 dan F2



Copyright FTI-UJ



Penyelesaian •



•



•



Buat Neraca Total F1 + F2 = 2110 kg



(1)



Buat Neraca komponen H2SO4 0,1243 F1 + 0,777F2 = 0,1863 x 2110



(2)



Selesaikan persamaan (1) dan (2) secara subtitusi untuk memperoleh nilai F1 dan F2



dari persamaan (1) F2 = 2110 – F1 , subtitusikan ke pers (2) 0,1243F1 + 0,777 (2110-F1) = 393,093 0,1243F1 + 1.639,47 – 0,777F1 = 393,093 -0,6527 F1 = - 1246,377



F1 = 1909,57 kg H2SO4 lemah subtitusikan nilai F1 ke pers (1) F2 = 200,43 kg H2SO4 pekat



Copyright FTI-UJ



Contoh soal untuk campuran 3 komponen: Neraca massa pada mixer



Tentukan F1, F2 dan F3 Neraca H2SO4 0,23F1 + 0,93F2 = 600



(2)



Neraca HNO3 0,57F1 + 0,9F3 = 270



(3)



Subtitusi persamaan (1) ke persamaan (2) dan persamaan (3) 0,7F2 – 0,23F3 = 370 0,33F3 – 0,57F2 = -300



(4) (5)



Persamaan (5) dirubah menjadi: F3 = (0,57F2 – 300)/0,33 subtitusikan ini ke persamaan (4) NERACA TOTAL F1 + F2 + F3 = 1000 F1 = 1000 – F2 – F3



Maka diperoleh: (1)



F2 = 531,5791 kg; F3 = 9,15378 kg; F1 = 459,2671 kg Copyright FTI-UJ



LATIHAN SOAL Larutan selulosa mengandung 5,2 % selulosa. Berapa kg larutan selulosa 1,2 % yang diperlukan untuk mengencerkan larutan dari 5,2 % menjadi 4,2 % sebanyak 100 kg. Penyelesaian: F1 = 25 kg; F2 = 75 kg



Copyright FTI-UJ



Neraca Massa Pada Kolom Distilasi



Copyright FTI-UJ



Contoh Kasus Pada Kolom Distilasi Distilat, F2 kg



Basis : 1 kg/jam umpan



Feed , F1 kg



0,85 etanol 0,15 H2O



Distilasi



Tentukan: F2 dan F3



0,35 etanol 0,65 H2O



Waste, F3 kg 0,05 etanol 0,95 H2O



Tentukan: F2, F3 Penyelesaian: Basis : 1 kg/jam umpan Neraca Massa Total: F1 = F2 + F3 1 = F2 + F3 → F3 = 1- F2 (1) Neraca Massa Komponen etanol: (0,35)(1) = (0,85)F2+ (0,05)F3 0,35 = 0,85F2 + 0,05F3 (2)



subtitusi persamaan (1) ke pers (2: 0,35 = 0,85F2 + 0,05 (1-F2) 0,3 = 0,8F2 Diperoleh:



F2 = 0,375 kg distilat dan F3 = 0,625 kg waste Copyright FTI-UJ



CONTOH SOAL: Sebuah campuran mengandung 45 % benzena (B) dan 55 % Toluena (T) dalam % berat. Dipisahkan di dalam sebuah kolom distilasi dimana overhead stream (top produk) terdiri dari 95wt % B, dimana 8 % dari benzen umpan keluar dari bottom kolom. Umpan kolom sebesar 2000 kg/jam campuran. Tentukan: a. Diagram alir proses b. Laju aliran produk overhead (kg/jam) c. Laju aliran benzena dan toluena pada bottom kolom distilasi (kg/jam) Copyright FTI-UJ



Penyelesaian: Basis 1 jam operasi F2 kg



0,95 B 0,05 T F1 = 2000 kg 0,45 B 0,55 T



DISTILASI



F3 kg



XB (1-X)T



Copyright FTI-UJ



Informasi dari soal untuk Benzena:



0,08 x 0,45 x 2000 = x.F3, maka 72 = x.F3 (1) Neraca Total 2000 = F2 + F3 (2) Neraca Benzena: 0,45 x 2000 = 0,95 F2 + xF3 900 = 0,95 F2 + xF3 (3) Subtitusikan pers (1) ke (3) 900 = 0,95F2 + 72 F2 = 871,579 kg subt. ini ke (2) F3 = 2000 – 871,579 = 1.128,421 kg Maka pada bottom: Benzena = 72 kg Toluena = 1.128,421 – 72 = 1.056,421 kg



Kerjakan Sebagai Tugas 10.000 kg/jam campuran benzen (C6H6) dan toluen (C7H8) dengan bagian massa yang sama diumpankan ke dalam kolom distilasi. Flow rate produk atas (overhead) adalah 4500 kg/jam dan aliran bawah (bottom) mengandung 10 % benzen. a.



Buatkan blok diagram beserta label dan simbol yang diperlukan untuk perhitungan



b. Tentukan fraksi massa benzen dan toluen pada produk atas c.



Tentukan mol flow rate benzen dan toluen masing-masing pada produk atas (kmol/jam)



d. Tentukan fraksi mol benzen dan toluen pada produk atas e.



Berapa ton kebutuhan umpan jika ingin diproduksi produk atas 200.000 ton/tahun (1 tahun = 330 hari) Copyright FTI-UJ



MODUL 5 MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA 1 NERACA MASSA DI KOLOM ABSORBER



Ir. HERLIATI, M.T, Ph.D Copyright FTI-UJ



Neraca Massa Pada Kolom Absorber V2 kg/Jam Gas Sisa y2



Lo kg/Jam Solvent xo



Absorber



V1 kg/jam Gas y1



L1 kg/jam (Solven + Solut) x1



Copyright FTI-UJ



Konsep Neraca Massa Pada Kolom Absorber V2 kg/Jam Gas Sisa y2



Lo kg/Jam Solvent xo



Absorber



V1 kg/jam Gas y1



Copyright FTI-UJ



KETERANGAN GAMBAR V1 = aliran gas umpan y1 = fraksi solute yang akan diabsorb yang terdapat dalam V1 V2 = aliran gas yang tdk terserap y2 = fraksi solut yang tdk terserap yang terdapat dalam V2 L1 = aliran solven yang menyerap solute xi = fraksi solute yang terdapat dalam L1 Lo = aliran liquid solvent xo = fraksi solute yang mungkin terdapat dalam solven



L1 kg/jam (Solven + Solut) x1



Konsep Perhitungan Neraca Massa Pada Kolom Absorber V2 kg/Jam Gas Sisa y2



Lo kg/Jam Solvent xo



Absorber



BEBERAPA ASUMSI 1. xo = 0, Untuk proses pemisahan solven dan solute pada alat selanjutnya sempurna 2. Solven hanya menyerap 1 komponen saja dari campuran gas tidak yang lainnya 3. Jika tidak ada informasi, maka rasio massa atau rasio mol antara solven dan gas campuran 2:1



V1 kg/jam Gas y1 L1 kg/jam (Solven + Solut) x1 Copyright FTI-UJ



Contoh: Neraca Massa Pada Absorber Karbondisulfida direcovery dari campuran gas yang terdiri dari 15% mol CS2, 17,8 % O2, dan 67,2 % N2. gas diumpankan secara kontinyu ke dalam menara absorber dari dasar kolom dimana kontak secara berlawanan arah dengan liquid benzen (B) yang hanya menyerap CS2 namun tidak O2 maupun N2. benzen diumpankan ke dalam kolom dengan rasio 2:1 terhadap gas umpan. Sebagian kecil benzen cair yang masuk ke kolom akan menguap dan meninggalkan puncak kolom. Gas yang meninggalkan kolom terdiri dari 2% CS2 dan 2% benzen. Untuk basis 100 mol/jam gas umpan. Tentukan: a. Gambar Diagram proses b. Hitung mol fraksi CS2 pada aliran outlet c. Buatkan tabel neraca massa jika ingin dihasilkan 15 kg/jam CS2 yang keluar dari bottom absorber yang terlarut dalam solven.



V2 mol gas 0.02 CS2 0.02 B



200 mol B



100 mol Gas L 1 mol (Solven + Solut) 0.15 CS2 x1 CS2 0.178 O2 (1-x1) B 0.672 N2



Menghitung Massa Outlet Bottom: Basis 100 mol umpan gas Massa CS2 pada outlet bottom kolom = x 1 .L 1 Maka: Benzen umpan V2 mol gas = 0,0626 x 211,458 = 13.237 mol = 200 mol F2 = 200 mol B 0.02 CS2 = 13,237 mol x 76 g/mol Petunjuk!! 0.02 B = 1.006,012 g = 1 kg 1. Gunakan Neraca Total CS2 yang dapat diabsorb 2. Gunakan neraca udara 3. Gunakan Neraca Benzen Massa Benzen = 211,458 -13,237 =198,221 mol Neraca Total: 200 + 100 = V 2 + L 1 300 = V 2 +L 1 (1)



Absorber



Neraca udara : 0,85 x 100 = 0,96V 2 V 2 = 88,54167 Subtitusikan V 2 ke (1) → L 1 = 211,458



Neraca Benzen: 200 = 0,02V 2 + (1-x 1)L 1 (2) Subtitusikan nilai V 2 dan L 1 ke (2) x 1 = 0,0626 F1 = 100 mol Gas 0,15 CS2 0,178 O2 0,672 N2



Menghitung Mol di puncak kolom CS2 = 15 – x1L1= 0,0626 x 211,458 = 15 - 13,237 = 1,763 mol B = 200 – (1-x1)L1= -200 - 198.22 = 1,78 mol



L 1 mol (Solven + Solut) x1 CS2 (1-x1) B



Tabel Neraca Massa Dengan Basis Umpan Absorber 100 mol Gas/jam Input Senyawa



Output



F1



F2



V2



L1



mol



mol



mol



mol



15.00



0



1.7630



13.237



O2 + N2



85



0



85



0



Benzen



0



200



1.780



198.220



100.00



200.00



88.543



211.4570



CS2



SUB TOTAL TOTAL



F1+F2 =



300.00



V2+L1 =



300.00



Menentukan angka faktor pengali: Dengan basis 100 kmol umpan Gas dihasilkan 13,237 mol x 76 g/mol = 1 kg = CS2 Kapasitas yang diinginkan = 15 kg/jam CS2 FP = 15 kg /1 kg = 15



Tabel Neraca Mol Dengan kapasitas CS2 15 kg /jam yang diserap pada bottom kolom (note: untuk alat tanpa reaksi kimia maka neraca mol = neraca massa)



Input Senyawa



Output



F1



F2



V2



L1



mol



mol



mol



mol



CS2



225



0



26,445



198,555



O2 + N2



1275



0



1275



0



Benzen



0



3000



26,7



2973,3



1500



3000



1328,145



3171,855



SUB TOTAL TOTAL



F1+F2 =



4500



V2+L1 =



4500



Gas Ideal PV = n.R.T Dimana: P = tekanan absolut gas V = volume total gas n = jumlah mol gas R = kosntanta gas ideal T = suhu absolut



Nilai untuk R: = 1,9872 cal/mol/K = 82,057 cm3.atm/mol/K = 0,082057 liter.atm/mol/K = 10,73 ft3.psi/lbmol/oR



Copyright FTI-UJ



BOYLE-GAY LUSSAC



(n1) (V2 ) (P2) = (n2) (P1)(V1) (T2) (T1)



Copyright FTI-UJ



Latihan Soal Campuran amoniak dan udara dengan kadar amoniak 5 % pada tekanan 730 mmHg dan suhu 30oC dilewatkan ke kolom absorber dengan laju 100 liter/menit dimana seluruh amoniak terserap oleh solven berupa air yang mengalir berlawanan arah dengan campuran amoniak udara. Tentukan a. Diagram Proses b. Laju alir udara keluar dari kolom jika udara pada 725 mmHg dan 20oC (liter/menit) (Gunakan konsep gas ideal V1P1/T1 = V2P2/T2) c. Hitung fraksi massa amoniak pada aliran outlet bottom kolom



Jawaban: V2 = 92,5 liter/menit laju alir udara keluar kolom absorber Copyright FTI-UJ



MODUL 6 MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA 1 NERACA MASSA PADA MULTI UNIT TANPA REAKSI



Dosen: Ir. Herliati, M.T, Ph.D Copyright FTI-UJ



Konsep Penyelesaian Kasus: • • • • •



Susun Neraca Massa Total Overall Susun Neraca Massa Komponen Overall Susun Neraca Massa Total Unit Susun Neraca Massa Komponen Unit Selesaikan persamaan-persamaan yang telah disusun dengan eliminasi atau subtitusi.



Copyright FTI-UJ



Contoh: Dua Unit Alat Process F2 =40 Kg/j 0,9 A 0,1B F1= 100 Kg/j



0,5 A 0,5B



I



F3



F6 = 30 Kg/j 0,6 A 0,4B



F5



II



F7



F4 = 20 Kg/j 0,3 A 0,7B



Tentukan Flow rate pada F3, F5 dan F7 Serta komposisi pada stream F3, F5, dan F7



Copyright FTI-UJ



Diagram Proses dengan label yang lengkap F2 = 40 Kg/j 0,9 A 0,1B



F1=100 Kg/j I 0,5 A 0,5B Neraca Total Overall F1 + F4 = F2 + F6 + F7



F6 = 30 Kg/jam 0,6 A 0,4B



F3 kg/j



F5 kg/j



x3 A (1-x3)B



x5 A (1-x5)B



F4 =30 Kg/j 0,3 A 0,7B



100 + 30 = 40 + 30 + F7 Maka diperoleh: F7 = 60 Neraca komponen A Overall 0,5 x F1 + 0,3 F4 = 0,9 F2 + 0,6F6 + x7.F7



II



F7 kg/j x7 A (1-x7)B



Neraca Total Unit II F5 = F6 + F7 F5 = 30 + 60 = 90 Neraca komponen A di unit II x5.F5 = 0,6F6 + x 7.F7 x5. 90 = 0,6 x 30 + 0,0833 x 60 Maka diperoleh: x5 = 0,2555



0,5 x 100 + 0,3 x 30 = 0,9 x 40 + 0,6 x 30 + x7.60 Maka diperoleh x7 = 0,0833



Copyright FTI-UJ



F6 = 30 Kg/j 0,6 A 0,4B



F2 = 40 Kg/jam 0,9 A 0,1B



F1 =100 Kg/j 0,5 A 0,5B



F3 kg/j



F5 kg/j



I



Neraca Total Unit I F1 = F2 + F3 100 = 40 + F3 ; maka F3 = 60



F7 kg/j II



x3 A (1-x3)B



X5 A (1-x5)B F4 = 30 Kg/jam 0,3 A 0,7B



Neraca komponen A di unit I 0,5F1 = 0,9F2 + x3F3 0,5 x 100 = 0,9 x 40 + x3. 60 maka diperoleh: x3 = 0,233



X7 A (1-x7)B



Resume jawaban F3 = 60, F5 = 90; F7 = 60 x3 = 0,233; x5 = 0,2555; x7 = 0,0833



Copyright FTI-UJ



Diagram Proses Lengkap dengan Hasil Perhitungan 40 Kg/jam 0,9 A 0,1B



100 Kg/jam



0,5 A 0,5B



I



60 kg/j 90 kg/j



0.233 A 0.255 A 0.77B 0.75B



30 Kg/jam 0,6 A 0,4B



II



60 kg/j



0.0833A 0.917B



30 Kg/jam 0,3 A 0,7B



Copyright FTI-UJ



Contoh Soal: Multi Unit (Pembuatan Coffee Instant) F1 kg Roasted ground coffee x1 I (1-x1) S



F2 kg W



Percolator



F5 kg C



Cyclon Separator 20 % I F3 kg 80 % C



F8 kg W



C F4 kg C



Press F7 kg



I = insoluble S = Soluble W = water C = solution containing 35% S and 65 % W by mass



C



Spray Dryer F6 kg



50 % I 50 % C



Dryer 1400 kg/h 70 % I Balance S and W



500 kg S/h ( instant coffee)



Calculate the flow rate (kg/h) stream Copyright FTI-UJ 1 to 8



Neraca Massa Unit Dryer Neraca Total F7 = F8 + 1400 kg/h (1) Neraca Komponen I 0,5F7 = 0,7 x 1400 Maka diperoleh F7 = 1960 kg/j Subtitusikan nilai F7 ke pers (1) 1960 = F8 + 1400 Maka diperoleh F8 = 560 kg/j Neraca Massa Unit Press Neraca Total F3 = F5 + F7 (2) F3 = F5 + 1960 kg/h Neraca Komponen I 0,2F3 = 0,5F7 0,2F3 = 0,5 x1960 Maka diperoleh F3 = 4900 kg/j Subtitusikan nilai F3 dan F7 ke pers (2) Maka diperoleh : F5 = 2940 kg/j



Penyelesaian Neraca Massa Unit Spray Dryer Neraca Total F4 = F6 + 500 (3) Neraca Komponen S 0,35F4 = 500 Maka diperoleh F4 = 1428,571 kg/j Subtitusikan nilai F4 ke pers (3) 1428,571 = F6 + 500 Maka diperoleh F6 = 928,571 kg/j



Copyright FTI-UJ



F2 kg W



F1 kg Roasted ground coffee x1 I (1-x1) S C Percolator



Cyclon Separator F3 kg



20 % I 80 % C



Neraca Massa sekitar Percolator-Cyclon separator Neraca Total Overall F1 + F2 = F3 + F4 (4) F1 + F2 = 4900 + 1428.571 F1 + F2 = 6328.571 kg/h



F4 kg C



C



Neraca Komponen I x1F1 = 0,2F3 x1F1 = 0,2 x 4900 x1F1 = 980 kg/j (5) Neraca Komponen S (1-x1)F1 = 0,35F4 (1-x1)F1 = 0,35 x 1428,571 (1-x)F1 = 500 kg/j (6) Subtitusikan (5) ke pers (6) (1-x)(980/x1) = 500 kg/j Maka x1 = 0,662 (1-x1) = 0,338 Subtitusikan nilai x1 ke pers ((5) Maka diperoleh F1 = 2899,4 kg/j Subtitusikan F1 ke pers (4) akan diperoleh F2 = 3.429,171



Cek dengan Neraca Massa Total Overall F1 + F2 = F5 + F8 + F6 + + 1400 + 500 2899,4 + 3.429,171 = 2940 + 560 + 928.571 + 1400 + 500 6328.571 kg/h = 6328.571 kg/h ceck



Evaporator • Evaporator adalah alat industri yang digunakan untuk memekatkan larutan. • Proses evaporasi banyak dijumpai di industri makanan, farmasi dan industri bahan kimia. • Tujuan utama evaporasi adalah menghilangkan kandungan air/solven yang terdapat di dalam larutan.



Copyright FTI-UJ



Contoh Soal di Evaporator (double effect) Dalam pembuatan gula tebu, 4000 Kg/j larutan gula 10% (% berat) diumpankan ke evaporator I yang menghasilkan larutan gula 18%. Larutan hasil evaporator I ini diumpankan ke evaporator II sehingga dihasilkan larutan gula 50%. Tentukan : ✓Air yang teruapkan dari masing-masing evaporator. ✓Larutan yang diumpankan ke evaporator II. ✓Produk yang dihasilkan. F5 kg 100% H2O



Basis : 1 Jam Operasi F3 kg



Petunjuk: 1. NM Unit I 2. NM Unit II 3. Cek NM Overall



100% H2O II I F1 = 4000 kg 0,1 Gula 0,9 H2O



Dicari: F3,F5, F4, dan P2



Kondensat H2O = V1



F2 kg 0,18 Gula 0,82 H2O



F4 kg 0,5 Gula 0,5 H2O



Copyright FTI-UJ



Penyelesaian Analisa di sekitar Evaporator I Basis : 1 Jam Operasi



F3 kg



F5 kg 100% H2O



100% H2O I



II



Kondensat H2O = F3



F1= 4000 kg



0,1 Gula 0,9 H2O Neraca Gula 0,1 F1 = 0,18 F2 0,1 x 4000 = 0,18 x F2 F2 = 400/18 = 2222,22 kg



F2 kg 0,18 Gula 0,82 H2O



F4 kg 0,5 Gula 0,5 H2O



Neraca Total : F1 = F2 + F3 4000 = F3 + 2222,22 F3 = 1777,78 kg air yang menguap di Evaporator 1



Copyright FTI-UJ



Analisa di sekitar Evaporator II Basis : 1 Jam Operasi



F5 kg 100% H2O



F3 kg 100% H2O I



II Kondensat H2O = F3



F1= 4000 kg 0,1 Gula 0,9 H2O



F2 = 22222,22kg 0,18 Gula 0,82 H2O



Neraca H2O F3+0,82x2222,22= F5+0,5F4+F3 1822,22 = F5+0,5F4 F5 = 1822,22 – 0,5F4 (1) Subtitusi Persamaan (1) ke (2) →



F4 kg 0,5 Gula 0,5 H2O Neraca Total F2 + 2222,22 = F5 + F4 + F3 2222,22 = F5 + F4 (2) 2222,22 = 1822,22 – 0,5F4 + F4 F4 = 800 kg subtitusi ke (1)



Maka diperoleh F5 = 1422,22 kg air menguap di Evaporator 2



Copyright FTI-UJ



Analisa di keseluruhan sistem F3 =1777,78 kg 100% H2O



Basis : 1 Jam Operasi



F5 =1422,22 kg 100% H2O



II I



Kondensat H2O F3 = 1777,78 kg



F1 =4000 kg 0,1 Gula 0,9 H2O F2 = 2222,22kg 0,18 Gula 0,82 H2O



Neraca Total 4000 = F5 + F4 + F3 4000 = 1422,22 + 800 + 1777,78 4000 = 4000 cek



F4 =800 kg 0,5 Gula 0,5 H2O



Kesimpulan F2 = 2222,22 kg output bottom Evaporator 1 F3 = 1777,78 kg air yang menguap di Evap 1 F4 = 800 kg output bottom Evaporator 2 F5 = 1422,22 kg air yang menguap di Evap 2



Copyright FTI-UJ



Tabel Neraca Massa EVAPORATOR I Senyawa



Input (kg) F1



EVAPORATOR II



Output (kg) F3



Gula



400



F2 0.0



Input (kg) F2



400



Output (kg)



F3



400



F4 0.0



F5



400



F3 0.0



0



H2 O



3600 1777,78 1822,22 1822,22 1777,78



400 1422,22 1777,78



Sub Total



4000 1777,78 2222,22 2222,22 1777,78 4000 4000 4000



800 1422,22 1777,78 4000



Total



OVERALL Senyawa



Input (kg) F1



Output (kg) F4



F5



F3



Gula



400



400



0.0



0



H2 O



3600



400



1422,22



1777,78



Sub Total



4000



800



1422,22



1777,78



Total



4000



4000



Copyright FTI-UJ



Contoh Soal: Dua Kolom Distilasi Campuran liquid yang terdiri dari 30.0 mol % benzene (B), 25 % toluene (T), dan sisanya xylene (X) diumpankan ke kolom distilasi. Produk Bottom mengandung 98 mol % X dan tidak ada B dan 96 % X di dalam umpan terdapat pada bottom. Produk overhead diumpankan ke kolom distilasi ke dua dimana produk overhead kolom ke dua mengandung 97 % B yang diumpankan ke dalam kolom ini. Komposisi dari overhead kolom ke dua adalah 94 mol % B dan sisanya T. Hitung: a. Persentasi benzen (dari umpan kolom pertama) yang keluar sebagai overhead product dari kolom kedua. Jawab: 97% b. Persentasi toluene (dari umpan kolom pertama) yang keluar sebagai bottom product dari kolom kedua. Jawab: 89%



Copyright FTI-UJ



F3 mol



Penyelesaian: Dua Kolom Distilasi



0,94 B 0,06T



Basis: 100 mol umpan



Informasi soal: Xilene: 0,96 x 0,45 x 100 = 0,98 F2 Maka diperoleh F2 = 44,082 Benzen: 0,97 x 0,3 x 100 = 0,94F3 Maka diperoleh F3 = 30,957 kg Neraca Total Overall: 100 = F2 + F3 + F4 → F4 = 24,961 Neraca Benzen Total: 30 = 0,94F3 + y.F4 → y = 0,108 1-y = 0,892



D2



F1 =100 mol D1



0,3 B 0,25 T 0,45 X



F4 mol yX (1-y)T



F2 mol



0,98 X 0,02 T



Jawaban a : = 0,94 x 30,957/30 x 100% = 97% Jawaban b : = 0,892 x 24,961/25 x 100% = 89%



Jawaban b : Copyright FTI-UJ = 0,892 x 24,961/25 x 100% = 89 %



SOAL TUGAS Sebuah double effect evaporator didesain untuk mengurangi air pada larutan garam NaCl dari 50 % (% berat) menjadi 13 %. Larutan garam yang keluar dari evaporator 1 dan 2 adalah 65 %, dan 87 % Jika rangkaian evaporator itu menghasilkan 1000 kg/jam larutan NaCl 87%. Tentukan: a. Gambar diagram proses b. Kecepatan umpan (kg/jam) c. kecepatan air menguap di masing-masing evaporator (kg/jam). d. Buat Tabel Neraca Massa pada sistem ini



Copyright FTI-UJ



MODUL 7 MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA 1 NERACA MASSA TANPA REAKSI DENGAN BY-PASS



Dosen: Ir. Herliati, M.T, Ph.D Copyright FTI-UJ



Sistem by-pass adalah → sebuah sistem yang mempunyai satu aliran dari umpan yang langsung menuju ke akhir proses.



Konsep Penyelesaian Neraca Massa



Persamaan Neraca Massa di splitting point



Aliran By-Pass F2



F1 Splitting point



F3



F1 = F2 + F3



Note: Konsentrasi pada F1, F2 dan F3 sama



Aplikasi di industri Tekstil: Pembuatan larutan NaOH Sebuah industry tekstil, bermaksud untuk membuat larutan kaustik soda 24 % (w/w) untuk keperluan proses mercerisation. Sehubungan dengan tingginya panas pelarutan kaustik soda di dalam air, larutan di atas disiapkan melalui dua tahap proses. Pertama, di dalam sebuah dissolution tank, kaustik soda (padatan) dilarutkan dengan sejumlah air murni sehingga dihasilkan larutan kaustik soda 50 % (w/w). Setelah pelarutan sempurna dan didinginkan kemudian larutan ini diencerkan di dalam sebuah dilution tank dimana sejumlah air ditambahkan melalui aliran by-pass sehingga dihasilkan larutan kaustik soda 24%. Dua tahap proses yang dimaksud digambarkan seperti berikut ini: Tentukan: a. Mass Flow Rate (MFR) solid NaOH (F5) dan Pure Water (F1) agar dihasilkan 1 ton/hari NaOH 24% b. Aliran by-pass (F3) dan aliran umpan dissolution tank(F2)



DIAGRAM PROSES:



F1 kg H2 O



F2 kg H2 O



F3 kg H2O By-pass



Dissolution Tank



F4 kg 0,5 NaOH 0,5 H2O



F6 = 1000 kg DilutionTank



0,24 NaOH 0,76 H2O



F5 kg NaOH



Neraca Total Overall F1 + F5 = F6 F1 + F5 = 1000 (1) Neraca NaOH Overall F5 = 0,24 x F6 F5 = 0,24 x 1000 = 240 kg umpan NaOH Subtitusikan ke pers (1) Maka diperoleh : F1 = 760 kg H2O murni



Neraca Total di splitting point F1 = F2 + F3; subtitusikan nilai F1 760 = F2 + F3 (2) Neraca NaOH di Dissolution Tank F5 = 0,5 F4 ; subtitusikan nilai F5 F4 = 240/0,5 = 480 kg Neraca air di Dilution Tank 0,5 F4 + F3 = 0,76F6 0,5 x 480 + F3 = 760 x 1000 F3 = 520 kg aliran air by-pass Subtitusikan ini ke pers (2) Maka diperoleh F2 = 240 kg aliran air Umpan dissolution tank.



Aplikasi di industri Pengolahan Limbah Sebuah proses pengolahan limbah yang mengandung 500 ppm zat pengotor. Proses dapat menurunkan impuritis sehingga menjadi 10 ppm. Regulasi pemerintah membolehkan limbah dibuang dengan kadar pengotor 100 ppm. Tentukan berapa liter aliran limbah yang perlu di by-pass guna mengurangi beban proses (F2). Basis : 1 Liter umpan Limbah



I = impurities



F2 liter



500 mg I/liter Mixing point F1= 1 liter 500 mg I/liter



F3 liter



UPL



500 mg I/liter



Asumsi: Karena F5