10 0 161 KB
BAB V NERACA MASSA DAN ENERGI
Penentuan kapasitas peralatan pabrik serta kebutuhan energi suatu pabrik, diperlukan perhitungan terhadap neraca massa dan neraca energi yang masuk dan keluar dari suatu peralatan. Kedua neraca ini sangat diperlukan dalam penentuan spesifikasi setiap peralatan proses. Jumlah panas yang dibutuhkan sesuai dengan jumlah massa yang diproses. Demikian juga ukuran peralatan ditentukan oleh jumlah massa yang harus ditangani. 5.1 Neraca Massa Neraca massa merupakan penerapan dari pada prinsip kekekalan massa pada satuan proses. Hukum kekekalan massa menyatakan bahwa ”massa tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi dapat dirubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain”. Perubahan dapat terjadi bila terjadi perubahan energi, tetapi dalam reaksi kimia perubahan massa kecil sekali sehingga prinsip kekekalan massa dapat diberlakukan. Hukum kekekalan massa tidak berlaku pada reaksireaksi fusi dan fisi dimana perubahan massa jauh lebih besar dari pada reaksi kimia biasa. 5.1.1 Persamaan Neraca Massa Dalam penentuan neraca massa dari suatu sistem atau peralatan diperlukan adanya batasan-batasan dari sistem yang ditinjau. Perhitungan neraca massa pada sistem kontinyu dianggap dalam keadaan tunak (steady state). Aliran proses yang mempunyai lebih dari satu komponen, perhitungan neraca masanya dilakukan pada masing-masing komponen disamping perhitungan neraca massa total. Persamaan umum untuk setiap sistem proses yang terjadi dapat ditulis : Massa keluar = massa masuk + generasi – konsumsi – akumulasi
(5.1)
Untuk proses steady state dan tidak terjadi reaksi kimia maka akumulasi, generasi dan konsumsi adalah nol. Sehingga persamaan neraca massanya dapat dituliskan : Massa keluar = Massa masuk
V-1
(5.2)
V-2
5.1.2 Langkah-langkah Pembuatan Neraca Massa Menurut Himmeblau (2004) langkah-langkah yang ditempuh dalam pembuatan neraca massa adalah sebagai berikut : 1. Menggambarkan diagram proses dengan aliran-aliran yang diperlukan; 2. Menuliskan besaran, data yang diketahui, dan data yang diperlukan pada diagram tersebut; 3. Memeriksa apakah ada komposisi atau massa pada setiap aliran yang langsung dapat diketahui atau dihitung; 4. Menetapkan dasar perhitungan, semua perhitungan bahan atau komponen harus didasarkan pada dasar yang sama; 5. Jumlah besaran yang diketahui harus dihitung tidak boleh melebihi jumlah persamaan neraca bahan independen yang ada; 6. Jika jumlah persamaan neraca massa bahan yang diketahui melebihi, perlu dipilih
persamaan-persamaan
yang
digunakan
untuk
menyelesaikan
persoalan; 7. Membuat persamaan sesuai dengan jumlah yang tidak diketahui; 8. Menyelesaikan persamaan untuk mendapatkan yang belum diketahui. Disamping itu juga dikenal cara perhitungan neraca massa menurut Reklaitis (1983), yaitu dengan langkah-langkah sebagai berikut : 1. Menggambarkan diagram proses dengan aliran-aliran yang diperlukan; 2. Menuliskan besaran, data yang diketahui, dan data yang diperlukan dalam diagram tersebut; 3. Menentukan derajat kebebasan atau degree of freedom dari masing-masing proses dan proses secara keseluruhan; 4. Menyusun persamaan untuk menyelesaikan persoalan; 5.
Menyelesaikan persamaan yang dimulai dari proses yang derajat kebebasannya sama dengan 0 (nol);
6.
Selanjutnya disusun tabel derajat kebebasan yang baru untuk menyelesaikan persamaan yang derajat kebebasannya sama dengan nol, begitu seterusnya sehingga semua persamaan dapat diselesaikan.
V-3
5.2 Neraca Energi Neraca energi merupakan persamaan matematika yang menyatakan hubungan antara energi masuk dan energi keluar sistem. Prinsip dasar yang digunakan sesuai dengan prinsip dasar kekekalan energi, yaitu ”energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Konsep neraca energi menurut Himmeblau (2004) pada dasarnya sama dengan konsep neraca massa, yaitu : E = E1 – E0
(5.3)
Keterangan : E = akumulasi energi E1 = energi masuk E0 = energi keluar Persamaan
energi
pada
proses-proses
industri
biasanya
dapat
disederhanakan untuk proses-proses tanpa akumulasi (steady state), sehingga Persamaan 5.3 diatas menjadi lebih sederhana, yaitu : E1 = E0
(5.4)
Istilah-istilah yang sering dijumpai pada perhitungan neraca energi adalah : 1. Entalpi (H), merupakan jumlah energi dalam dan perkalian antara tekanan dan volume, perubahan entalpi merupakan panas yang diserap atau panas yang dikeluarkan oleh dan dari sistem; 2. Kapasitas panas (Cp), merupakan energi yang dibutuhkan oleh suatu zat untuk menaikkan suhu 1oC, energi ini dapat diberikan dengan cara pemindahan panas dalam suatu proses tertentu; 3. Panas reaksi dan panas standar, merupakan perubahan entalpi sebelum dan sesudah reaksi terjadi, panas reaksi terjadi pada tekanan 1 atm dan temperatur 25oC; 4. P anas pembentukan standar, merupakan panas reaksi yang khusus, panas yang diperlukan untuk pembentukan senyawa dari unsurnya;
V-4
5. Panas sensibel, merupakan panas yang dibutuhkan untuk menaikkan atau menurunkan temperatur suatu zat tanpa merubah fasanya; 6. Panas laten, merupakan panas yang dibutuhkan untuk merubah fasa suatu zat tanpa menaikkan atau menurunkan temperaturnya. Untuk hasil perhitungan neraca massa dan energi pada tiap alat dapat dilihat pada Tabel 5.1 sampai Tabel 5.12, sedangkan contoh perhitungan neraca massa dan energi untuk masing-masing peralatan disajikan pada Lampiran A dan Lampiran B. 5.3 Hasil Perhitungan Neraca Massa Perhitungan neraca massa pada perencanaan pabrik susu kedelai bubuk seperti dibawah ini: Basis Perhitungan
: 1 Jam
Satuan
: kilogram (kg)
Waktu Operasi
: 330 hari
Jam Operasi
: 24 Jam/Hari
Kapasitas Produksi
: 10.000 Ton/Tahun
5.3.1 Pengupas (PE-101) Fungsi : untuk memisahkan jagung dari kulit jagung
Jagung + kulit
F1
BP - 101
F2
F3
Jagung segar
Kulit Jagung
Gambar 5.1 Blok Diagram Alat Pengupas (PE – 101)
V-5
Tabel 5.1 Neraca Massa pada Bak Pencucian (BP-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Jagung Kulit Jagung Total
Laju alir kg/jam
4500
F2
Kulit Jagung
150
150 4650
F3
Jagung Segar Total
4500 4650
5.3.2 Pemipilan (P-101) Fungsi : untuk memisahkan jagung dari tongkolnya
Jagung Segar
F1
F3
BP - 101
F2
Biji Jagung
Tongkol
Gambar 5.2 Blok Diagram Pemipilan (P – 101) Tabel 5.1 Neraca Massa pada Pemipilan (P-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Jagung
2100
F2
Tongkol
Tongkol Total
2400 4500
F3
Biji Jagung Total
5.3.3 Bak Pencucian (BP-101) Fungsi : Untuk membersihkan biji jagung dari pengotor
Laju alir kg/jam 2400 2100 4500
V-6
F2
Biji Jagung
F1
Air Pencuci
F3
BP - 101
F4
Biji Jagung
Air Pencuci + Pengotor
Gambar 5.3 Blok Diagram pada Bak Pencucian (BP – 101) Tabel 5.3 Neraca Massa pada Bak Pencucian (BP-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1 F2
Biji Jagung
2100
Pengotor Air Pencuci Total
10 1000 3110
F3 F4
Biji Jagung Air Pencuci Pengotor Total
Laju alir kg/jam 2100 1000 10 3110
5.3.4 Tangki Penghancuran/ Blending (B-101) Fungsi : Untuk Menghancurkan biji jagung
F2
Biji Jagung
F1
BP - 101
Air
F3
Slury jagung
Gambar 5.4 Blok Diagram pada Tangki Penghancuran/ Blending (BP – 101)
V-7
Tabel 5.4 Neraca Massa pada Tangki Penghancuran/ Blending (B-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Biji jagung
2100
F2
Air
16800
Total
18900
F3
Slury Jagung Total
Laju alir kg/jam 18900 18900
5.3.5 Tangki Perebusan (Co-101) Fungsi : Untuk merebus /memasak Slurry Jagung
Slury Jagung
F1
F3
BP - 101
F2
Slury Jagung
Air
Gambar 5.5 Blok Diagram Tangki Perebusan (Co-101) Tabel 5.5 Neraca Massa pada Tangki Perebusan (Co-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Slury Jagung Total
18900 18900
F2 F3
Air Slury Jagung Total
5.3.6 Vibrating Screen Filter (VSF-101) Fungsi : Untuk memisahkan antara susu dan ampas jagung
Laju alir kg/jam 10 18890 18900
V-8
F1
Slury Jagung
F3
F2
Susu Jagung
Ampas
Gambar 5.6 Blok Diagram Vibrating Screen Filter (VSF-101) Tabel 5.6 Neraca Massa pada Vibrating Screen Filter (VSF-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Slury Jagung
F2
18890
F3
18890
Total
Ampas Susu Jagung Total
Laju alir kg/jam 800 18090 18890
5.3.7 Tangki Pencampuran/ Mixer (M-101) Fungsi : Untuk Mencampurkan bahan aditif (gula dan susu skim) ke dalam susu jagung F2
Susu jagung
1
F
Gula
F3
Susu Jagung (Produk)
BP - 101
F3
Susu Skim
Gambar 5.7 Blok Diagram Tangki Pencampuran/ Mixer (M-101)
V-9
Tabel 5.7 Neraca Massa pada Tangki Pencampuran/ Mixer (M-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Susu jagung
F2
Gula
F3
Susu skim
18090 2713.5
F3
Susu Jagung
24421,5
3618 24421,5
Total
Laju alir kg/jam
Total
24421,5
5.3.8 Tangki Pemanasan/ Pasteurisasi (TP-101) Fungsi : Untuk mensterilkan susu dari bakteri dan mengawetkan susu
F1
Susu jagung
F3
F2
Susu Jagung
Air
Gambar 5.8 Blok Diagram Tangki Pemanasan/ Pasteurisasi (TP-101) Tabel 5.8 Neraca Massa pada Tangki Pemanasan/ Pasteurisasi (TP-101) Masuk Laju alir Keluar Laju alir kg/jam kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Susu jagung Total
24421.5 24421,5
F2 F3
Air Susu Jagung Total
5,5 24416 24421,5
5.3.9 Tangki Evaporator (TE-101) Fungsi : Untuk menguapkan kadar air di dalam susu cair sehingga menjadi Mother liquor
V-10
F1
Susu jagung
F3 Mother liquor
F2
Air
Gambar 5.9 Blok Diagram Tangki Evaporator (TE-101) Tabel 5.9 Neraca Massa pada Tangki Evaporator (TE-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Susu jagung
F2
24416
F3
24416
Total
Air Susu Jagung Total
Laju alir kg/jam 13916 10500 24416
3.5.10 Spray dryer (SP-101) Fungsi : Untuk merubah susu cair menjadi susu bubuk F3 Susu Bubuk
F1
Susu jagung
F2
Air
Gambar 5.10 Blok Diagram Spray dryer (SP-101) Tabel 5.10 Neraca Massa pada Spray dryer (SP-101) Masuk Laju alir Keluar kg/jam Aliran Komponen Aliran Komponen F1
Susu jagung Total
10500 10500
F2 F3
Air Susu Jagung Total
Laju alir kg/jam 500 10000 10500
V-11
Sarah nadia. https://www.academia.edu/4508781/BAB_V_INTI_susu_jagung