Azas Teknik Kimia I [PDF]

Citation preview

AZAS TEKNIK KIMIA I RULE:  1. Kehadiran minimal 75% 2. Komponen Penilaian: Tugas (30%), Quis (30%) dan Ujian tengah semester dan akhir(40%)



Marcelina. S.T., M.Sc



Pendahuluan: * satuan dan dimensi, satuan mol, definisi dan makna specific gravity; * Neraca massa: peneraan, analisis neraca massa, Penyelesaian tanpa dan dengan persamaan simultan dengan persamaan neraca energi, peneraan rangkaian sistem pemroses, * Perhitungan dengan sistem daur ulang, by-pass, recycle dan purge, penyelesaian dengan bantuan komputer.



Pustaka:



* Felder, R.M., dan Rousseau, R.W., 2005, “Elementary



Principles of Chemical Processess”, 3rd ed., John Wiley & Sons, New York. * Chopey, N.P. (editor), dan Hicks, T.G., PE. (series editor), 2003, “Handbook of Chemical Engineering Calculations”, 3rd ed., Mc Graw-ahill Book Co., New York. * Himmelblau, D.M., 1999, “Prinsip Dasar dan Kalkulasi dalam Teknik Kimia”, terjemahan dari “Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering”, P.T. Prinhallindo, Jakarta. * Reklaitis, G.V., 1983, “Introduction to Material and Energy Balance”, John Wiley & Sons, New York.



Satuan dan Dimensi Suatu besaran yang diukur atau dihitung harus memiliki nilai (value) dan satuan 5 ….. 1000 ….. Dimensi :  konsep dasar tentang pengukuran  Sifat-sifat fisik dari objek-objek atau bahan-bahan engineering. Contoh: panjang, waktu, massa, temperatur, dll.



Tidak memiliki dimensi dalam beberapa kuantitas-kuantitas yaitu π (rasio dari kelling lingkaran terhadap diameternya.



Satuan : sebagai kuantitas yang dinyakan secara tepat dalam bentuk di mana kuantias-kuantitas yang lain yang sejenis dapat dinyatakan. cara untuk menyatakan dimensi.



Contoh: meter atau feet untuk panjang jam atau detik untuk waktu gram atau pound untuk massa



Contoh: Jumlahkanlah soal berikut ini: a. 1 kaki + 3 sekon b. 1 tenaga kuda + 300 watt



Jawaban: Operasi yang ditunjukkan oleh: 1 ft + 3 s Tidak memiliki arti karena dimensi dari dua unsur tersebut tidak sama. Satu kaki berdimensi panjang sedangkan 3 s berdimensi waktu



1 tenaga kuda (hp) + 300 watt Dimensi sama (energi per satuan waktu) tetapi satuannya berbeda. ( I hp=746 watt)



Tujuan membubuhkan satuan pada semua angka yang pada dasarnya berdimensi: 1. Menghilangkan kemungkinan terbalik yang tidak disengaja dalam bagian-bagian perhitungan 2. Mengurangi perhitungan tengah (intermediate) dan waktu dalam memecahkan soal 3. Pendekatan logis kepada soal bukannya menghafal rumus dan memasukkan angka-angka ke dalamnya. 4. Penafsiran yang mudah terhadap arti fisis dari angka-angka yang digunakan.



Sistem pengukuran



Sistem inggris American Engineering



Sistem ini biasa digunaan di Amerika Serikat



Sistem metrik



Sistem ini digunakan di Eropa (Jerman, prancis,Itali dan beberapa negara industri lain)



Sistem Satuan Internasional (SI) Sistem satuan pengukuran lengkap yang menggunakan nama-nama dan simbol-simbol untuk satuan-satuan dasar dan turunannya agar dapat digunakan untuk menyatakan setiap kuantitas fisik. Dilengkapi dengan prefiks-frefiks untuk satuan-satuan dasar dan turunan yang akan mempermudah penulisan untuk ukuran yang sangat besar maupun yang sangat kecil. Direkomendasi oleh SAE, ASTM,ASME dan banyak organisasi lainnya.



Satuan sistem American Enginering



Hubungan antara dimensi (kotak) dan rived dimension (ellipses)



Konversi Satuan Suatu besaran yang terukur dapat dinyatakan



dalam satuan yang sesuai, misalnya massa bisa dinyatakan dalam gr atau kg



Untuk mengubah suatu besaran yang



dinyatakan dalam suatu satuan menjadi satuan lain yang ekivalen : kalikanlah dengan faktor konversi (rasio nilai yang baru terhadap nilai yang lama)



Contoh:



1 in³= 16,387 cm³ 1 hari = 24 jam 1 jam = 60 menit



Jika sebuah pesawat terbang dengan kecepatan dua kali kecepatan suara (asumsikan kecepatan suara adalah 1100 ft/s), berapa kecepatannya dalam mil/jam?



1 mil = 5280 ft 1 menit = 60 sekon 1 jam = 60 menit



Konversi satuan lebih sederhana daripada konversi dalam sistem American Engineering. misalnya: Hukum newton : F = Cma dengan F = gaya (force) C= sebuah konstanta yang nilai dan satuannya tergantung pada nilai dan satuan yang dipilih untuk F, m, dan a m = massa a = perceatan



* SI → satuan gaya didefenisikan sebagai Newton (N), jika C = 1 N/(kg)(m)/s², kemudian jika I kg dipercepat pada m/ s²



* Sistem American Engineering → nilai numerik gaya dan massa sama di seluruh permukaan bumi jika: m = 1 lb a = g ft/s² → g ≈ 32,2 ft/s² F = 1 lb



Satuan C harus C



Soal:



1. 2.



Konversikan 1 kW ke h.p Konversikan 1 poise a. British Engineering units b. SI units



Konversikan: a. 1 mi³ = m³ b. 1 ft³/s = gal/min c. 400 in³/hari = cm³/min



Konsistensi Dimensional Ada prinsip dasar bahwa persamaan harus konsisten secara dimensional yaitu persamaan harus memiliki dimensi dan satuan bersih yang sama dengan unsur yang lain yang ditambahkan atau disamakan. Contoh: t < 200 Dengan d adalah kedalam goresan mikron (micrometer, μm) dan t adala waktu pengoresan dalam sekon. Apa satuan untuk/yang berkaitan dengan angka 16,2 dan 0021? Konversikan hubungannya sehingga d menjadi dinyatakan dalam inci dan t dapat digunakan dalam menit



Kedua nilai 16,2 harus memiliki satuan mikron. Pangkat harus tanpa dimensi sehingga 0,021 harus mempunyai satuan 1/sekon



Dengan: D adalah diameter pipa (cm) ʋ adalah kecepatan fluida (cm/s) ρ adalah densitas fluida (g/cm³) ρ adalah viskositas (centipoise → g/(cm)(s)



Tugas: 1. Konversikan a. 0,05 g/(min)(m³) ke lbm/(hr)(ft³) b. 5L/s ke ft³/hari c. ke m/(kg)(m²) 2. Dalam satuan sistem America Engineering, viskositas dapat memiliki satuan (lbf)(hr)/ft², sedangkan dalam sistem SI satuan tersebut adalah (g)/(cm)(s). Ubalah viskositas sebesar 20 (g)/(m)(s) menjadi satuan satuan America Engineering.



3. Bilangan tanpa dimensi yang berguna yang disebut bilangan Reynolds adalah Duρ/μ untuk D = diameter atau panjang U = kecepatan ρ = densitas fluida μ = viskostas fluida Hitunglah bilangan Reynold untuk beberapa soal dibawah ini:



Satuan Mol Mol (mole) adalah jumlah tertentu dari molekul, atom, elekton atau partikel spesifik lainnya. nilai 1 mol = jumlah molekul menurut bilangan Avogadro * 1 mol = 6,02 1023 molekul * 1 lb mol = 6,02.1023 x 453,6 molekul→spesifikasi tdk stdr * 1 kmol = 1000 mol Untuk mengubah jumlah mol ke massa:



massa ( g ) g mol  berat molekul



massa ( pon) pon mol  berat molekul



Massa (g) = (BM) (g mol) Massa (lb) = (BM) (lb mol)



Jika sebuah ember berisi 2,00 lb NaOH (BM = 40,0), berapa (a) Lb mol NaOH terdapat di dalamnya? (b) Gram mol NaOH terdapat di dalamnya?



a.



b.



atau



Berapa lb NaOH terdapat dalam 7,5 g mol NaOH? Basis 7,5 g mol NaOH



vensi dalam Metode Analisa dan Pengukura Densitas (density) : rasio massa per satuan volume Seperti g/m³ atau lb/ft³ Berat jenis (specific gravity) : rasio densitas zat yang ditanyakan terhadap terhadap densitas air. Misalnya → densitas zat A, terhadap densitas zat referensi.



Zat ref. untuk zat cair dan padat : air Gas → udara/gas lain



Rapat = berat jenis = densitas =



Pada sistem satuan matrik rapat dinyatakan sebagai gram per sentimeter kubik ( g/cc ) untuk bahan padat dan cair, sedangkan untuk gas dinyatakan dalam gram per liter. Dalam satuan Inggris dinyatakan sebagai pound per kaki kubik (lb/cuft ).



Contoh: * Jika dibomopentana (DBP) mempunyai berat jenis 1,57, berapakah densitasnya dalam (a)g/cm³ (b) lbm/ft³ (c) kg/m³ ? Diasumikan air → densitas air = 1 x 10³ kg/m³ (1,00 g/cm³) (a)



(b)



(C)



atau



Contoh: *Karbon tetraklorida pada suhu 25oC mempunyai rapat 1,5844 g/cc Berapakah beratnya dalam lb/gal ? 1 lb = 453,6 gram 1 in (inchi) = 2,54 cm 1 cu in = 16,3870 cc 1 gallon = 231 cu in



Spesifik gravity (s.g): perbandingan massa satu bahan terhadap massa bahan tertentu untuk satu satuan volum yang sama. *Bahan padat dan cair bahan pembanding yang digunakan adalah air murni pada suhu 4oC *gas yang digunakan sebagai pembanding adalah gas hidrogen murni atau udara kering.



Dalam penulisan s.g sering kali diikuti dengan perbandingan suhu, misalnya: o 20 s.g = 1,43 o Disini menunjukkan bahwa s.g bahan itu berasal 4 dari perbandingan rapat bahan pada suhu 20oC dengan rapat air yang diukur pada suhu 4oC. Air pada suhu ini nilai rapatnya mutlak sama dengan 1 g/cm³.



Rapat besi, Fe₂O₃= 314 lb/cuft Rapat kuarsa SiO₂= 155,7 lb/cuft Rapat air murni, H₂O = 62,437 lb/cuft s.g Fe₂O₃=



= 4,03 dan s.g SiO₂=



= 2,5



dengan s.g, ada beberapa skala spesifik yang dikenal dalam industri, yaitu: 1. Skala Baume, 2. Skala A.P.I, dan 3. Skala Twaddle



1.



Skala Baume, Skala ini terdapat pada alat Baumemeter. Tiap skala pada alat ini dinamakan derajat Baume (oBe). Hubungan oBe dengan s.g adalah: Untuk cairan yang lebih berat daripada air:



Untuk cairan yang lebih ringan daripada air:



2. Skala A.P.I (American Petroleum Instutute) Skala ini digunakan dalam industri minyak bumi. Tiap skala pada alat ini dinamakam derajat API (oAPI). Hubungan oAPI dengan s.g adalah:



3. Skala Twaddle Skala ini banyak digunakan di Inggris. Tiap skala pada alat ini dinamakan derajat Tweddle (oTw). Hubungan oTw dengan s.g adalah: ◦Tw = 200(s.g-1)



* Berapa lb HNO3 murni yang terkandung dalam 1 gallon HNO3 dari 36,5 oBe yang diukur pada 60oF?. Jawab: Data dari ‘Handbook’: untuk larutan HNO3 36,5 oBe mempunyai s.g (60oF/60oF) sebesar 1,3364 dan mengandung 53,32% berat HNO3. Berat 1 gallon air pada 60oF = 8,337 lb. Berat 1 gallon HNO3 36,5 oBe pada 60oF = 8,337. 1,3364 = 11,14 lb Berat HNO3 murni yang terkandung = 0,5332 . 11,14 lb = 5,94 lb.



* Densitas dari suatu larutan tertentu adalah 8,8 lb/gal pada 80oF. Brapa kaki kubik yang akan ditempati oleh 10.010 lb larutan ini pada 80oF?



Volume Spesifik Volume Spesifik (Specific volume): volume per satuan massa atau satuan jumlah materi. Specific volume = Satuan: ft³/lb massa, ft³/lb mol, cm³/g, bbl/lbm, m³/kg. Contoh: Suatu zat cair memliki densitas sebesar 0,9 pada 25ºC. Berapakah a. Densitasnya pada 25ºC dalam kg/m³ b. Volume spesifiknya pada 25ºC dalam ft³/lbm c. Jika zat cair tersebut dimasukkan ke dalam botol 1,5 L yang mempunyai massa 232 gram. Berapa berat botol penuh tersebut?



si Mol dan Fraksi Massa (Berat) Fraksi mol: mol zat tertentu dibagi dengan jumlah total mol yang ada. (Gas, cair dan padat) Fraksi massa (berat) = massa (berat) zat dibagi dengan massa (berat) total semua zat yang ada.



Komposisi larutan/campuran Kandungan setiap bahan yang ada dalam campuran itu dinyatakan dalam konsentrasi



massa total massa



mol total mol



massa atau mol volum



lb A lb laru tan



gmol A lb lb NaOH gmol campuran cuft lb H 2O



Kandungan bahan itu dapat pula dinyatakan dalam prosentase (%). Dengan memperhatikan satuan yang ada dalam konsentrasi, maka prosentase itu dapat dinyatakan dalam %berat, %volum, %mol.



Sebuah pembersih pipa saluran berskala industri berisi 5,00 kg air dan 5,00 NaOH. Berapakah fraksi massa (berat) dan fraksi mol setiap komponen dalam wadah pembersih pipa saluran tesebut? Basis: 10 kg larutan total komponen



kg



Fraksi berat



Berat mol



Kg mol



Fraksi mol



H₂O



5,00



5/10 =0,5



18,0



0,278



0,278/0,403=0,69



NaOH



5,00



5/10= 0,5



40,0



0,125



0,125/0,403=0,31



Total



10



1,00



0403



1,00



Dalam sebuah tangki mempunyai 130 kg gas dengan komposisi sebagai berikut: 40% N2, 30% CO2, dan 30% CH4. berapa berat molekul rata-rata dari gas tersebut? Basis: 100 kg mol gas komponen



Kg mol



BM



Massa (kg)



N₂



40



28



1120



CO₂



30



44



1320



CH₄



30



16



480



100



2920



BM rata-rata = 2920/100 = 29,2 kg/kg mol



Dua ratus kg zat cair mengandung 40% butana, 40% pentana dan 20% heksana. Tentukanlah komposisi fraksi mol dari zat cair tersebut dan komposisi fraksi massa pada basis bebas heksana? Basis : 200 kg larutan Frak. mas



BM



mol



Frak. mol



mol



Frak. mol



Frak. mas



butana



0,4



58,12



1,376



0,467



1,376



0,5537



0,5



pentana



0,4



72,15



1,109



0,376



1,109



0,4463



0,5



heksana



0,2



86,17



0,464



0,157



-



-



1



2,949



2,485



Tugas 1. Berat jenis minyak bakar adalah 0,82. berapakah densitasnya dalam lb/ft³ 2. Untuk membuat larutan 0,10 molar H2SO4 (0,10 mol H2SO4/L) dari konsentrat H2SO4 (96,0%). Berat jenis H2SO4 96% = 1,585. Hitunglah a. berat asam 96% yang diperlukan per L larutan b. vol. asam 96% yang digunakan per L larutan c. densitas dari 0,1 molar larutan d. ppm H2SO4 dalam 0,1 molar larutan 3. Larutan air yang mengandung 1,704 kg HNO3/kg H2O dan mempunyai berat jenis 1,382 pada 20ºC. Nyatakan komposisi tersebut dalam cara berikut ini: a. Persen berat HNO3 b. Lb HNO3 per kaki kubik larutan pada 20ºC c. Molaritas (gram mol HNO3 per liter larutan pada 20ºC



4. 5000 barel minyak gas 28º API dicampur dengan 20.000 bbl minyak bakar 15º API. Berapa densitas campuran tersebut dalam lb/galon dan lb/ft³? Asumsikan bahwa volumenya dapat dijumlahkan. 1 bbl= 42 galon. Densitas air pada 60ºF = 0,999 g/cm³.



5. Jumlah komposisi gas yaitu 25 lb, yang terdiri dari: CH4 80%, C2H4 10% dan C2H6 10%. Berapakah berat molekul rata-rata dari campuran tersebut? Berapa fraksi berat (massa) dari setiap komponen dalam campuran itu?