Diktat 1 NME 2020 [PDF]

Citation preview

Buku Ajar Pegangan Mahasiswa



AZAS TEKNIK KIMIA (Bagian I NERACA MASSA)



Oleh:



Dr. ELIDA PURBA, S.T., M.Sc.



JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS LAMPUNG 2019



i



HALAMAN PENGESAHAN



AZAS TEKNIK KIMIA (Bagian I NERACA MASSA) 1. Judul 2. Ketua Penulis a. Nama lengkap dan gelar b. Jenis Kelamin c. Golongan, Pangkat dan NIP d. Jabatan Fungsional e. Jabatan Struktural f. Fakultas/Jurusan 3. Anggota Penulis 4. Alamat a. Alamat Kantor b. Alamat Rumah c. Email/hp



: Azas Teknik Kimia : Dr. Elida Purba, S.T., M.Sc. : Perempuan : IIId, Penata Tk. I/ 132 170387 : Lektor Kepala :: Teknik/Teknik Kimia : Yuli Darni, S.T., M.T. : Jurusan Teknik Kimia-Fakultas Teknik Universitas Lampung : Jl. Turi Raya Gg. Kelapa Warna No. 84 Tanjung Senang, B Lampung : [email protected]/0813 7974 5320 Bandar Lampung, 3 Agustus 2020



Penulis



Elida Purba, S.T., M.Sc, Ph.D. NIP 1968 0902 1997 02 2005



ii



KATA PENGANTAR



Buku ini dibuat untuk memberikan sebuah pengenalan tentang prinsip-prinsip dan teknik perhitungan dasar dalam bidang proses-proses kimia yang melibatkann konversi bahan baku menjadi bahan jadi dengan proses kimia, fisika, dan biologi atau gabungan dari ketiganya. Buku ini akan menjelaskan tentang konsep dasar perhitungan dengan menggunakan diagram dan skema proses, contoh-contoh permasalahan dan penyelesainnya, dan soal-soal latihan untuk mengevaluasi pemahaman mahasiswa tentang konsep. Kompetensi umum yang harus dicapai termasuk kompetensi tersembunyi mata kuliah ini adalah: 1. mengembangkan penalaran dan “problem solving skill”, dan melatih kebiasaankebiasaan menjadi lebih teliti. 2. mempelajari cara memformulasikan neraca massa dan energi dalam suatu sistem proses, menyelesaikan persoalan teknik kimia. Mahasiswa tidak akan mampu memahami isi buku ini tanpa berlatih yang banyak dan rutin berbagai contoh soal dan soal yang disajikan dalam buku ini. Langkahlangkah penyelesaian soal tidak dapat dihafalkan atau dicarikan formula baku, melainkan setiap soal harus diidentifikasi dan diformulasikan sesuai dengan data yang tersedia. Logika berfikir tidak cukup hanya dengan menggunakan kemampuan matematika yang kuat, tetapi juga harus menggunakan pertimbangan-pertimbangan engineering atau “engineering judgement”. Contoh, secara matematika, apabila satu orang dapat mendirikan 10 m2 dinding bata dalam 10 hari, maka 10 orang dapat menyelesaikannya dalam 1 hari. Oleh karena itu, 240 orang dapat menyelesaikannya dalam 1 jam, dan 14.400 orang dapat menyelesaikannya dalam 1 menit, hal ini tidak mungkin karena (1) tempat berdiri 14.400 orang ini saja sudah tidak cukup membuat dinding tersebut, dan baru mulai berdiri saja, waktu sudah habis. Jadi perhitunganperhitungan yang dilakukan dalam Azas Teknik Kimia harus benar secara engineering dengan menggunakan ilmu pengetahuan metematika. Inilah yang membuat mata kuliah ini menjadi menarik sekaligus menantang. Logika dan nalar lebih dikedepankan daripada hitungan matematis.



iii



Cakupan buku ini yaitu Bagian I meliputi dimensi dan satuan serta konversi berbagai satuan. Pada bagian II akan dibahas cara menyatakan konsentrasi gas, cair dan padat, konsep suhu dan tekanan, penentuan basis, konsep mol, persamaan kimia dan stoikiometri. Pada bagian III akan dibahas neraca massa tanpa reaksi dalam satu sistem dan multi sistem, neraca massa tanpa dan melibatkan reaksi dengan Recycle, Bypass dan Purging. Pada Bagian IV akan dibahas neraca energi pada system tanpa reaksi dengan satu sistem dan multi sistem, serta neraca energi yang meibatkan reaksi pada satu system dan multi sistem. Hampir semua isi diktat ini dikembangkan dan dijelaskan lebih lanjut dari penjelasan contoh soal yang ada pada buku referensi mahasiswa Himmelblau, D.M, 1996. Langkah-langkah dalam diktat ini lebih detail, sehingga mahasiswa diharapkan lebih mudah memahami metodologi penyusunan dan penyelesaian neraca massa dan energi. Semoga tulisan ini bermanfaat bagi pembacanya. Selamat belajar dan berlatih ! Penulis



iv



DAFTAR ISI



Halaman Pengesahan Kata Pengantar Daftar Isi Bab I Dimensi dan Satuan 1.1 Pendahuluan 1.2 Defenisi Dimensi dan Satuan 1.3 Sistem Internasional dan Amerika 1.4 Konversi Satuan 1.5 Evaluasi Bab II Perhitungan Dasar dalam Teknik Kimia 2.1 Kompetensi 2.2 Densitas 2.3 Gravitas Spesifik (specific gravity) 2.4 Volume Spesifik 2.5 Fraksi Massa dan Mol 2.6 Penentuan Basis Perhitungan 2.7 Temperatur 2.8 Tekanan 2.9 Persamaan Reaksi dan Stoikiometri 2.9.1 Reaktan Pembatas dan Berlebih 2.9.2 Konversi 2.9.3 Yield dan Selektivitas 2.10Evaluasi Bab III Neraca Massa 3.1 Pendahuluan 3.2 Strategi Menganalisis Neraca Massa 3.3 Neraca Massa pada Sistem Tanpa Reaksi 3.4 Neraca Massa pada Sistem Dengan Reaksi 3.5 Neraca Massa Dengan Recycle 3.6 Neraca Massa Dengan Bypas dan Purge 3.7 Neraca Massa Dengan Bypas dan Purge 3.8 Evaluasi DAFTAR PUSTAKA



v



1 1 3 3 5 7 8 10 10 10 11 14 18 17 23 24 24 27 28 28 30 33 39 42 46 48 50



vi



BAB I DIMENSI DAN SATUAN



1.1 Pendahuluan Pada bagian ini kita akan melihat ulang sistem Satuan Indonesia (SI) dan Sistem British atau Amerika dan cara mengkonversi dari satu satuan ke satuan



lainnya.



Kemampuan



mengkonversi



ini



perlu



dimiliki



untuk



memudahkan kita pada perhitungan-perhitungan Teknik Kimia yang lebih kompleks. Pengalaman menunjukkan bahwa konversi satuan sering membuat rasa jenuh dan frustasi ketika seorang sarjana Teknik Kimia menyelesaikan persoalan-persoalan proses kimia. Pada sub-bab berikut akan diuraikan tips mempermudah kita dalam menyelesaikan soal-soal yang melibatkan perlunya konversi satuan.



1.2 Kompetensi Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa harus mampu : 1. menjelaskan perbedaan satuan Sistem Internasional dan British atau Amerika. 2. menjelaskan definisi dimensi dan satuan. 3. mengkonversi suatu satuan menjadi satuan lainnya.



1.3 Definisi Dimensi dan Satuan Dimensi adalah konsep dasar dari pengukuran, seperti panjang, waktu, massa, suhu, tekanan, dan yang lainnya; sedangkan satuan adalah cara mengekspresikan nilai dari dimensi itu seperti feet atau meter untuk panjang,



1



detik atau menit untuk waktu, kilogram atau gram untuk massa, celsius untuk suhu dan atmosfir untuk tekanan. Pernyataan sebuah satuan dalam mengukur dimensi sangat diperlukan agar perhitungan menjadi logis dan benar. Jadi hanya dimensi dan satuan yang sama daoat ditambah atau dikurangi. Kita tidak dapat menambahkan, mengurangkan atau menyamakan secara numeris satuan dari dimensi yang berbeda. Jadi 10 cm + 2 detik tidak dapat dijumlahkan atau dikurangkan atau disamakan karena dimensi dan satuannya berbeda. Satuan yang dapat dijumlahkan adalah 10 cm dengan 2 m yaitu 10 cm + 200cm sama dengan 210 cm atau 2,1 m, karena dimensinya sama yaitu panjang. Contoh Soal 1.1 Jumlahkanlah satuan berikut ini : a. 2 ft + 3 menit b. 1 hp + 373 wat c. 2 kg + 1,1 lb d. 50 gr + 5 m Penyelesaian a. Tidak dapat dijumlahkan karena dimensinya berbeda yaitu panjang dan waktu b. 1 hp = 764 watt, jadi 1 hp + 0.5 hp = 1.5 hp atau 764 wat + 373 wat = 1.119 wat c. 1 kg = 2,2 lb, jadi 2 kg + 1,1 lb = 2,5 kg atau 4,4 lb + 1,1 lb = 5,5 lb d. Tidak dapat dijumlahkan karena dimensinya berbeda yaitu massa dan panjang TIPS : Ada beberapa satuan yang sering dipergunakan dalam Teknik Kimia, di mana bila kita dapat menghafalkannya, waktu mengerjakan soal dalam latihan dan ujian akan dapat dihemat secara signifikan. Satuan tersebut dapat dilihat pada kolom di bawah ini.



2



Panjang 1 m = 100 cm 1 m = 3.2808 ft 1 in = 2.54 cm 1 ft = 12 in 1 mil =1.6 km



Massa 1 kg = 2,2 lb 1 ton = 1000 kg 1 kg = 1000 gr



Lainnya 1 jam = 3600 detik 1 galon = 3.75 liter 0 °C = 273 K 1 atm = 760 mmHg 1 atm = 101,5 kPa 0 °F = 460 °R °F = (°C x 1.8) + 32 °C = (°F - 32)/1.8



1.4 SI dan Sistem British/ Amerika Tabel di bawah ini menunjukan SI dan Sistem Amerika untuk dimensi yang sama



Dimensi Panjang Massa



Suhu



SI Meter, m Kilogram, kg; ton, gram Detik, menit, jam, hari, tahun Kelvin, K; Celsius, C;



Energi Gaya Daya Kecepatan Tekanan



Joule, J Newton, N Watt m/s Pascal, N/m2



Waktu



Amerika/British Feet, ft Pound, lbm Detik, jam Rankine, R Fahrenheit, F Btu lbf Horsepower, hp Ft/s Lbf/in2



atau



1.5 Konversi Satuan Untuk memudahkan kita menyelesaikan konversi satuan, format di bawah ini disarankan untuk menggunkan dalam perhitungan. Kita harus



3



menuslikan angka dan satuan nya secara jelas. Konsep dari konversi ini adalah mengalikan sesuatu dengan angka satu, dimana apabila suatu harga atau angka di kalikan dengan satu, maka nilainya tidak berubah. Suatu bilangan akan bernilai satu pembilang dan penyebutnya sama Misalnya: 60 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 1 𝑗𝑎𝑚



,



1𝑘𝑔 2,2𝑙𝑏



Contoh Soal 1.2 Jika sebuah mobil melau dengan kecepatan 60 km/jam, maka berapa kecepatannya dalam ft/s ?



Penyelesaian: 60𝑘𝑚 1 𝑗𝑎𝑚 1 𝑗𝑎𝑚 3600𝑠 A



B



1000𝑚 1𝑘𝑚



3,2808𝑓𝑡 𝑓𝑡 = 54,68 1𝑚 𝑠



C



D



Jadi secara prinsip B, C, dan D adalah bilangan 1,0 karena penyebut dan pembilangnya sama, dan A dikalikan dengan 1 sehingga



60km/jam = 56,84 ft/s Kesalahan yang sering terjadi pada konversi di atas adalah mengalikannya dengan angka satu, tetapi mahasiswa menuliskannya terbalik yaitu mengalikan dengan 3600 detik/1 jam atau 1 km/1000 m yang juga angka 1,0; tetapi aplikasinya tidak tepat untuk soal di atas, karena yang akan diganti adalah km dan jam menjadi masing-masing ft dan s. Waspadalah!!!!.



4



1.5. Evaluasi: 1. Sebuah tangki akan diisi dengan air melalui sebuah pipa dengan diameter 3 4 in. Kecepatan air dalam pipa tersebut 3ft/det. Skema bentuk tangki ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Diameter tangki = 0,5 meter, dan tingginya 3 ft. Tinggi kerucut tangki bagian bawah 15 cm. Tentukanlah lamanya waktu yang dibutuhkan untuk mengisi tangki tersebut sampai penuh dalam menit.



2. Konversilah (a) 12 gal/jam ke m^3/det, (b) 12 lbf/in2 ke N/m2 3. Konversilah (a) 3 l/det ke ft3/hari; (b) 10 (in)(cm2)/(tahun)(lbm)(ft2) ke SI 4. Konduktivitas termal, k, sebuah cairan logam dapat diprediksi dari sebuah persamaan empiris, k=A exp (B/T), dimana k dalam J/(s)(m)(K), A dan B konstanta. Apakah satuan A dan B.



5



6



BAB II PERHITUNGAN DASAR DALAM TEKNIK KIMIA



Pada bab ini kita akan mengkaji ulang beberapa ketetapan umum yang digunakan dalam menyatakan sifat-sifat fisik dari suatu bahan termasuk densitas, gravitasi spesifik,



dan cara menyatakan konsentrasi atau



kandungan suatu fluida atau padatan. Anda juga mempelajari penentuan basis perhitungan, temperatur, tekanan, serta persamaan reaksi dan konsep mol. Pemaham yang mendalam tentang bab ini akan memudahkan anda dalam mempelajari bab-bab berikutnya, karena banyak konsep dasar pada bab ini akan digunakan dalam perhitungan-perhitungan dasar teknik kimia, baik neraca energi maupun neraca panas dalam sistem proses.



2.1 Kompetensi Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa mampu: 1. menjelaskan dan menentukan densitas specific gravity, specific volume, suatu zat atau campuran. 2. menentukan fraksi mol dan fraksi berat suatu zat 3. menentukan basis dan menentukan fraksi mol atau fraksi berat dari basis tersebut 4. menjelaskan tentang temperatur, satuannya, skalanya, dan menghitung konversi suatu satuan menjadi satuan lainnya



7



5. menjelaskan tentang tekanan, satuannya, skalanya, dan menghitung konversi suatu satuan ke satuan lainnya 6. menjelaskan persamaan reaksi dan stoikiometri untuk menentukan konversi, yield, selektivitas, reaktan pembatas dan reaktan berlebih.



2.2 Densitas Densitas (ρ) adalah rasio satuan massa per satuan volume, misalnya kg/m3, lb/ft3. Densitas cairan dan padatan tidak berubah secara signifikan pada tekanan atmosfir, tetapi berubah sedikit apabila suhu berubah. Densitas akan menurun dengan kenaikan suhu.



2.3 Gravitasi Spesifik (Specific gravity) Specific gravity (s.g.) merupakan rasio yang tak berdimensi, karena merupakan perbandingan antara dua densitas. Kedua densitas ini adalah densitas sesuatu yang ingin dianalisis. A, dibandingkan dengan densitas suatu zat referensi, yang biasanya densitas air pada 4ºC. Jadi, sg = (ρA)/(ρref) . Ini berarti bahwa apabila diketahui s.g. suatu bahan, maka densitasnya dapat ditentukan. Contoh soal 2.1 Diketahui bahwa s.g. Dibrompentana (DBP) adalah 1,54, berapakah densitasnya dalam (a) g/cm3 ,(b) lb/ft3 ,(c) kg/m3?



Penyelesaian: (a) ρDBP = sg x ρair maka ρDBP = 1,54 x 1,0 g/cm3 = 1,54 g/cm3 (b) ρDBP = sg x ρair maka : ρDBP = 1.54 x 62.4 lb/ft3 = 97.97 lb/ft3 (c) ρDBP = sg x ρair maka : ρDBP = 1.54 x 1000 kg/m3 = 1570 kg/m3



8



Contoh Soal 2.2 Produk herbal memiliki berat molekul (BM) 192, yang mengalir dari sebuah reactor dengan laju alir volume 10.3 l/min. Konsentrasi obat dalam keluaran tersebut adalah 41.2% dalam air, dengan s.g. 1.025. Hitung konsentrasi obat dalam kg/l dalam aliran keluar tersebut, dan tentukan laju alir obat dalam kmol/min. 0.412 kg obat



REAKTOR



0.588 kg air Penyelesaian: Perlu digarisbawahi bahwa apabila konsentrasi larutan diberikan dalam persentase (%), tanpa ada informasi mol atau berat, maka dianggap informasi tersebut adalah dalam % berat. Jadi persen berat obat sebesar 41.2% akan rubah menjadi massa per liter seperti diminta soal di atas. Bagaimana caranya? Kita andaikan ada 1000 kg larutan obat keluar reaktor, maka ada 412 kg obat dan ada 588 kg air. Untuk mendapatkan konsentrasi dalam massa per volume (densitas), maka kita dapat menggunakan informasi s.g larutan tersebut.



ρlarutan = sg larutan x ρair = 1.025 x 1.0 g/cm3 = 1.025 g larutan/cm3 Maka konsentrasi obat dalam larutan:



9



412𝑘𝑔𝑜𝑏𝑎𝑡 1000 𝑘𝑔𝑙𝑎𝑟



1,025 𝑔𝑙𝑎𝑟 𝑐𝑚



1 𝑘𝑔 1000 𝑔



1000 𝑐𝑚 1 𝑙𝑖𝑡𝑒𝑟



= 0,422



𝑘𝑔𝑜𝑏𝑎𝑡 𝐿𝑙𝑎𝑟



Untuk menentukan laju alir, kita hanya perlu mengkonversi laju alir volume menjadi laju alir masa dengan mengalikan laju alir volume dengan densitas larutan dan membaginya dengan BM. 10,3 𝐿𝑙𝑎𝑟 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡



0,422 𝑘𝑔𝑜𝑏𝑎𝑡 𝐿𝑙𝑎𝑟



1 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙𝑜𝑏𝑎𝑡 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙 = 0,226 192 𝑘𝑔𝑜𝑏𝑎𝑡 𝑚𝑖𝑛



2.4 Volume Spesifik Volume spesifik adalah kebalikan dari densitas atau 1/𝜌, sehingga satuannya juga merupakan kebalikan dari densitas yaitu satuan volume per satuan massa. Parameter ini sering digunakan untuk menyatakan sifat gas atau uap pada tekanan tertentu. Hal ini berhubungan dengan sifat gas atau uap yang dapat dikompres atau ditekan. Jadi pada volume tabung tertentu, massa gas atau massa uap dapat ditambah atau dikurang (berbeda dengan larutan atau padatan).



2.5 Fraksi Massa dan Mol Fraksi mol merupakan pembagian mol zat tertentu terhadap jumlah mol total dalam suatu campuran, yang berlaku untuk gas, larutan, dan padatan. Frakssi massa juga dengan cara yang sama diperoleh dengan membagi massa zat tertentu dengan massa total dalam campuran. Jadi jumlah fraksi mol atau fraksi massa pasti=1,0. Contoh Soal 2.3 Sebuah container mengandung 2 kg air dan 1 kg NaOH. Tentukan fraksi massa dan fraksi mol masing-masing zat tersebut.



10



Penyelesaian: Fraksi massa air



= 2 kg/ (2 + 1 kg)



= 0,67



Fraksi massa NaOH



= 1 kg/ (2 + 1 kg)



= 0,33



Mol air



= Massa air/ BM air



= 2 kg/ 18 = 0,11 kmol



Mol NaOH



= Massa NaOH/ BM NaOH



= 1 kg/ 40 = 0,025 kmol



Fraksi mol air



= 0,11/ (0,11 + 0,025)



= 0,82



Fraksi mol NaOH



= 0,025/ (0,11 + 0,025)



= 0,18



2.6 Penentuan Basis Perhitungan Penentuan basis pehitungan sangat penting dalam analisis proses kimia. Sub bab ini akan menjelaskan bagaimana cara menentukan basis yang paling sesuai,



dan



menentukan



langkah-langkah



perhitungannya.



Basis



selalu



dimunculkan di awal perhitungan. Pengambilan basis yang tepat dapat memudahkan perhitungan, sebaliknya pengambilan basis yang keliru dapat mengakibatkan perhitungan neraca massa atau analisis suatu proses yang keliru. Basis perhitungan waktu misalnya jam, detik, hari; basis massa misalnya mol, kmol, kg. Pada saat memilih basis, ada tiga pertanyaan yang harus anda tanyakan pada diri sendiri: 1.



Saya memulai dengan apa?



2.



Apa yang diinginkan soal atau apa yang ditanyakan?



3.



Apa basis yang paling sesuai?



11



Umumnya, basis yang anda gunakan 1 atau 10 atau 100 bahkan 1000, misalnya 1 kg, 10 kg, 100 kg, atau 1000 kg, atau dalam mol. Angka – angka tersebut akan memudahkan anda karena fraksi atau persen akan otomatis menjadi jumlah massa atau mol. Misalnya, bila ada sebuah campuran A, B, C yang terdiri dari masing–masing 10%, 25% dan 65% berat secara keseluruhan, maka apabila kita ambil basis 100 kg, massa masing – masing A, B, C adalah 10 kg, 25 kg, dan 65 kg. Contoh Soal Anda memiliki 130 kg gas dengan komposisi sebagai berikut: 40% N2, 30% CO2, dan 30% CH4 dalam sebuah tangki. Berapakah BM rata – rata gas tersebut ? Penyelesaian: Ingat: Apabila komposisi campuran gas diketahui dalam persen tanpa menyebutkan % massa, mol atau volume, maka asumsi yang paling tepat komposisi tersebut dalam % mol. Apabila komposisi campuran sebuah cairan atau padatan diketahui dalam persen tetapi tidak ada informasi apakah % massa, mol, atau volume, maka asumsi yang paling tepat adalah komposisi tersebut dalam % berat. Basis : 100 kmol campuran gas Massa(kg)



Komponen



% mol



kmol



BM



N2



40



40



28



1120



CO2



30



30



44



1320



CH4



30



30



16



480



TOTAL



100



12



(mol x BM)



2920



Berat Molekul (BM) adalah massa total (kg)/mol total (kmol) : 2950 kg/100 kmol= 29,50 kg/kmol Contoh Soal 2.5 Sebuah hasil analisis bitumen batubara sebagai berikut: S 2%, N 1%, O 6 %, Debu 11% dan Air 3 %, sementara sisanya 77% adalah C dan H. Komposisi C dan H tersebut diberikan dalam rasio mol H/C = 9. Hitunglah fraksi berat masing-masing komponen apabila kelembaban dan debu diabaikan.



Penyelesaian: Karena sampel berupa padatan maka asumsi persen komposisi di atas persen berat. Untuk itu anda lebih tepat mengambil basis berat. Basis: 100 kg bitumen batubara Maka S + N + O + Debu + Air = 2 + 1 + 6 + 11 + 3 = 23 kg Maka C + H = 100 kg – 23 kg = 77 kg. Pertanyaannya sekarang dari 77 kg massa total C dan H, berapa kg C dan berapa kg H? Informasi yang ada bahwa rasio mol C dan H adalah 9. Untuk itu anda perlu mengambil basis baru untuk C dan H. Misalkan ada 100 kmol C dan H atau basis 100 kmol C dan H.



13



Basis : 100 kmol C dan H (diketahui H/C = 9 atau bila H = 90 maka C = 10 dengan total 100) Komponen



Fraksi Mol



kmol



BM



Massa (Kg)



% berat



(mol x BM) H



90/(90+10)= 0,90



90



1



90



90/210 = 0,43



C



10/(90+10)= 0,10



10



12



120



120/210 = 0,57



Total



100



210



Jadi, dari 77 Kg C dan H, terdapat 43% H dan 57% C; Sehingga : C = 0,43 x 77 Kg = 33 Kg H = 0,57 x 77 Kg = 44 Kg Jadi, fraksi berat masing-masing komponen tanpa kelembaman (air) dan tanpa debu. Komponen



Massa (kg)



% berat



S



2



0,02



N



1



0,01



O



6



0,07



C



44



51,00



H



33



38,00



Total



86



100,00



2.7 Temperatur Pada sub bab ini anda akan mempelajari skala temperatur absolut dan relatif dan konversi satu suhu ke suhu lainnya. Konsep temperatur adalah dingin atau panasnya suatu bahan atau material. Skala yang digunakan adalah Fahrenheit, Celcius, Rankine dan Kelvin.



14



Skala temperatur absolut didasarkan pada titik nol pada ℃ yang disebut dengan skala Kelvin; skala absolut yang berhubungan dengan derajat Fahrenheit disebut skala Rankine. Jadi hubungan antara temperatur relatif dengan temperatur absolut dapat digambarkan sebagai berikut ini. Dari Gambar 2.1 dapat anda pelajari bahwa satuan derajat pada KelvinCelcius tidak sama dengan ukuran skala pada Rankine-Fahrenheit.



212



627



Titik didih



373



100



180



100 32



492



Titik beku air 273



R a n k i n e



K e l v i n



F a h r e n h e i t



-460



0



Absolute Zero



0



0



C e l c i u s



-273



Gambar 2.1 Skala Temperatur Jika dimisalkan ∆℉ merupakan selisih satuan temperatur dalam Fahrenheit dan ∆°𝑅 merupakan selisih satuan temperatur (T2-T1) Rankine, ∆℃ dan ∆°𝐾 dalam satuan Celcius dan Kelvin, maka:



15



Mengkonversi satuan suatu skala dengan skala lainnya: 1. Kelvin = oC + 273 2. Rankine = oF + 460 3.



oF



= (1,8 x oC) + 32



4.



oC



= (oF-32)/1,8



INGAT : 1. Delta (∆) disini adalah selisih temperatur T 2



–



T1, dalam masing masing



skala di atas. Misalnya: T1 = 212 oF, T2 = 50 oF ; maka ∆ oF = 162 oF Dalam oR : T1 = 212 oF + 460, T2 = 50 oF + 460 ; maka ∆ oF = 162 oF 2. ∆K tidak dituliskan dengan ∆ oK Tips : Hal yang agak membingungkan dalam mengkonversi satuan suatu skala ke skala lainnya terdapat ketika mengkonversi dari Fahreinheit ke Celcius dan sebaliknya (bila anda memiliki karakter yang kurang teliti). Untuk itu anda ditawarkan tips berikut. Bila rumus konversi diatas tidak anda ingat, maka ingatlah bahwa air mendidih pada 100 oC atau 212 oF. Artinya 100 oC = 212 oF. Dari angka ini anda dapat merumuskan bahwa 100 = (212-32)/1,8 atau 212 = (1,8 x 100) + 32. Angka ini akan membantu anda untuk menciptakan rumus dan dapat menghitung berapa oC kah 86 oF dan sebaliknya. Contoh Soal 2.6 Konversikanlah 100 oC menjadi: (a) K, (b) oF, dan (c) oR Penyelesaian: (a) 100 oC = 273 K (b) 100 oC = (100 oC x 1,8) + 32 = 212 oF (c) 100 oC = 100 oC + 460 = 672 oR



16



Contoh soal 2.7 Konversikanlah konduktivitas termal (k) aluminium pada 32OF sebesar 117 Btu /(hr)(ft2)(OF /ft) menjadi Btu /(hr)(ft2)(K/ft) ‘



Penyelesaian: Ingat bahwa ΔOC=ΔK danOF di atas sebenarnya adalah ΔOF, maka: 117 Btu/(hr)ft2)(oF /ft)



. Δ Δ



Δ Δ



= 211Btu/(hr)ft2)(K/ft)



2.8 Tekanan Pada subbab ini anda mempelajari berbagai pengukuran tekanan, untuk tekanan relatif dan tekanan absolut, dan cara mengkonversi suatu satuan ke dalam satuan lainnya. Tekanan adalah gaya normal per satuanluas. Tekanan dapat dinyatakan sebagai tekanan absolut atau tekanan relatif, tergantung cara pengukurannya. Bila tekanan suatu tangki diukur dengan sebuah manometer terbuka ke atsmosfir , maka tekanan yang diukur adalah tekanan relatif, karena referensinya adalah tekanan atmosfir (lihat Gambar 2.2).



(a)



(b)



Gambar 2.2 (a) tekanan absolut



(b) tekanan relatif



Bila ujung manometer ditutup sehingga tekanan di ujung manometer menjadi vakum, maka tekanan yang diukur adalah tekanan absolut. Beberapa satuan tekanan yang perlu anda ingat: 1 atm=14,7psia ( singkatan dari pounds per square inch absolute)



17



1 atm = 33,91 ft 𝐻 𝑂 = 29,92 in Hg = 760 mm Hg = 101,3 kPa



2.9 Persamaan Reaksi dan Stoikiometri Pada subbab ini anda akan mengkaji ulang konsep-konsep yang berhubungan dengan reaksi kimia, dan konsep reaksi sempurna dan tidak sempurna. Sebuah reaksi



kimia



memberikan



informasi



penting



untuk



perhitungan secara kualitatif dan kuantitatif yang melibatkan mol material yang terlibat dalam suatu proses. Misalkan ada reaksi sebagai berikut



C H



( )



+ 11 O



( )



→ 7 CO



( )



(2.1)



+ 8H O



Apa saja yang dapat anda pelajari dan simpulkan dari reaksi di atas? a. 1 mol C H



akan bereaksi dengan 11 O (bukan berarti bahwa 1 kg atau 1 lb



C H akan bereaksi dengan 11 kg atau 11 lb O b. 1 mol CO dapat dibentuk dari 1/7 C H



Perlu digarisbawahi : informasi yang diberikan adalah dalam mol (lb mol, kmol, gmol, bukan dalam massa tetapi dalam mol maka disebut KONSEP MOL) Lihat kembali Sub-bab 2.4 di atas.



Contoh Soal 2.8



Pada pembakaran heptana, gas 𝐶𝑂



dihasilkan seperti



ditunjukkan pada gambar 2.3. Anggaplah anda akan menghasilkan 500 kg 𝐶𝑂 kering dan hanya 50% dari hasil pembakaran heptana dapat dikonversi menjadi 𝐶𝑂 kering tersebut. Diagram di bawah ini dapat membantu anda mengerti persoalan yang ada. Berapa kg kah heptana yang harus anda umpankan untuk mendapatkan 500 kg 𝐶𝑂 kering tersebut?



18



Produk Lain



CO2 gas 500 kg/jam



C7H16 gas



CO2 kering 500 kg/jam Reaktor Heptana



Gambar 2.3 Pembuatan CO2 cair dan C7H16 Penyelesaian: Reaksi yang terjadi C7H16(g) + 11O2(g)



7 CO2(g) + 8H2O(g)



(2.1)



Dari soal di atas diketahui bahwa CO2 gas yang dihasilkan haruslah minimal 1000 kg/jam agar diperoleh 500 kg/jam kering (karena hanya dapat dikonversi menjadi CO2 kering 50% dari gas produk reaksi). Kalau demikian kita harus menghasilkan 1000 kg CO2 gas. Kita tidak dapat mengkonversi dan menghitung kebutuhan heptana dan kilogram. Hal yang harus dilakukan adalah menghitung 1000 kg tersebut dalam kmol, lalu menghitung mundur kebutuhan reaktan berdasaran koefesien reaksinya. 1. Hitung kmol CO2 yang harus dihasilkan tersebut dengan mengalikan dengan BM CO2: 1000 kg CO2 = 1000 kg/44 = 22,727 kmol CO2 2. Hitung kmol heptana, C7H16, yang dibutuhkan: 22,727 kmol CO2 membutuhkan 1/7 x 22,727 kmol CO2 = 3,247 kmol C7 H16 3. Hitung massa dari C7 H16 tersebut dengan megalikan dengan Bm C7 H16:



19



3,247 kmol = 3,247 x 100.0 = 3,247 kg Jadi anda butuh 324,7 kg 𝐶 𝐻 untuk memperoleh 500 kg 𝐶𝑂 kering. Perhatikan: massa harus dikonversi menjadi mol untuk dapat diaplikasikan dalam persamaan reaksi untuk menghitung jumlah masing-masing reaktan.



Soallatihan Berapa kg kah 𝑂 yang dibutuhkan dan berapa kg 𝐻 𝑂 yang dihasilkan dari reaksi tersebut.



Contoh soal 2.8 Berapa kg heptane yang harus diumpankan apabila reaksi di atas hanya berlangsung pada konversi reaksi 75% Penyelesaian: Bilakonversi reaksi hanya 75%, Anda tetap dapat menghasilkan𝐶𝑂 kering sebanyak 500 kg/jam, tetapi umpan yang harus diumpankan haruslah semakin banyak. Berapa? 1. Hitung kmol 𝐶𝑂 yang harus dihasilkan tersebut dengan mengalikan dengan BM 𝐶𝑂 1000 kg 𝐶𝑂 = 1000/44 = 22,727 kmol𝐶𝑂 2. Hitung kmol heptana𝐶 𝐻



yang dibutuhkan bila konversihanya 75%: 22,727



kmol 𝐶𝑂 membutuhkan [1/7 x 22,727 kmol 𝐶𝑂 ]/0,75 – 4,329 kmol C7H16 3. Hitung massa dari C7H16 tersebut dengan mengalikan dengan BM C7H16: 4,327 kmol = 4,327 x 100,0 = 732,7 kg Jadi anda butuh 432,7 kg C7H16 untuk memperoleh 500 kg CO2 kering.



20



Contoh soal 2.9 sebuah limestone dianalisis dengan data : CaCO3



92,89%



MgCO3



5,41%



Insoluble



1,70%



(a) Berapa lb CaO dapat dibuat dari 5 ton limestone ? (b) Berapa lb CO2 dapat dihasilkan per lb limestone? (c) Berapa lb limestone dibutuhkan per ton lime (CaO + MgO + Insoluble ) ?



Penyelesaian : Reaksi yang terjadi : (1) CaCO3(s)



CaO (s) + CO2(g)



(2.2)



(2) MgCO3(s)



MgO (s) + CO2(g)



(2.3)



Untuk memudahkan perhitungan anda perlu menentukan basis perhitungan dalam massa (karena bahan adalah padatan, maka persen diatas adalah persen berat). Ambil basis dalam massa dengan satuan lb karena dalam soal diminta dalam lb. (a) 1. Basis perhitungan 100 lb limestone (1.s.), maka dalam 100 lb 1s terdapat : CaCO3



= 92,89 lb



MgCO3



= 5,41 lb



Insoluble = 1,70 lb



21



2. Untuk menghitung CaO yang dapat dihasilkan dari CaCO3 maka persamaan reaksi (1) dapat digunakan sesuai dengan perbandingan koefisien, tetapi massa harus diubah lebih dahulu ke dalam mol.



Mol CaCO3 = 92,89 lb/BM CaCO3 = 92,89 lb/ 100 = 0,928 lbmol



Dari persamaan reaksi diketahui bahwa 1 mol CaCO3 dihasilkan dari 1 mol CaO maka , CaO yang dihasilkan adalah 0,928lbmol =0,928 x BMCaO= 0,928x 56 lb/lbmol = 52 lbmol Soal (a) menanyakan jumlah CaO yang dihasilkandari 5 ton I.s. Diketahui bahwa 100 lb I.s dapat menghasilkan 52 lb CaO. Maka kalau ada 5 ton I.s. akan dihasilkan:



52 lb CaO / 100 I.s. (2200 lb/1 ton ) (5 ton ) = 5200 lb CaO



(b) Jumlah lb CO2 per 1 lb I.s. Anda harus menghitung CO2 yang dihasilkan dari reaksi (1) dan (2). Untuk itu, anda perlu menghitung mol masingmasing reaktan dan produk pada reaksi (1) dan (2)



1. Basis yang digunakan sama dengan pada (a). Jadi CO2 yang dihasilkan dari reaksi (1) 0,928 lbmol juga ( karena koefisien reaksinya sama). Jadi, massa CO2 : 0,928 lbmol x BM CO2 = 0,928 x 44 = 40,83 lb 2. Dari reaksi (2) anda perlu menghitung CO2 yang dihasilkan. Dari koefisisen reaksi diketahui bahwa dihasilkan dari mol MgCO 3



22



Jadi anda perlu menentukan lbmol MgCO3 yang ada pada reaktan. MgCO3 = 5,41 lb/BMMgCO3 = 5,41 lb/84 = 0,0642 lbmol Maka CO2 yang terbentuk juga 0,0642 lbmol; massanya = 0,0642 lbmol x 44 lb/lbmol = 2,82 lb CO2 yang dihasilkan per 100 lb l.s = 2.82 lb +40,83 lb = 43,65 lb Atau 0,4365 lb CO2/lb l.s.



(d) Untuk membentuk 1 ton lime (CaO) dibutuhkan l.s. sebanyak?? Untuk ini, anda perlu mengetahui bahwa lime terdiri dari MgO, CaO dan Insoluble. Diketahui bahwa 100 lb l.s. dapat membentuk 52 lb CaO, 2,59 lb MgO dan 1,7 Insoluble, sehingga totalnya = 56,29 lb. 100 lb l.s./56,29 lime (2200 ton/1 ton) = 3908,33 lb l.s.



Soal latihan Hitunglah (a), (b) dan (c) di atas apabila konversi masing-masing reaksi hanya 80%.



2.9.1 Reaktan Pembatas dan Berlebih Reaktan pembatas merupakan reaktan yang diumpankan terbatas dan jumlahnya paling sedikit secara stoikiometri. Dengan kata lain, bila ada dua atau lebih reaktandiupankan, maka reaktan yang lebih dulu habis secara stoikiometri merupakan reaktan pembatas. Contoh: Kita ambil reaksi 2.1 di atas. 1 kmol C7H16 dan 12 kmol O2dicampur dan direaksikan, sudah pasti reaktan pembatas adalah C7H16.



23



Mengapa? Karena 1 kmol C7H16 secara stoikiometri hanya membutuhkan 11 kmol O2. Dengan kata lain O2 berlebih sebanyak 1 kmol. Apabila diketahui jumlah reaktan yang berlebih aka persen berlebih dapat dihitung:



%berlebih



= 100 x



2.9.2 Konversi Konversi reaksi didefinisikan sebagai mol umpan yang dapat dikonversi menjadi produk atau jumlah umpan yang bereaksi dan berubah menjadi produk. INGAT: konversi selalu ditentukan dalam mol bukan dalam massa. Bila ada reaktan yag berlebih, umumnya konversi dinyatakan terhadap salah satu reaktan dan lebih umum, konversi dinyatakan terhadap reaktan pembatas.



2.9.3 Yield dan Selektivitas Yield, untuk reaksi tunggal, didefinisikan sebagai massa atau mol produk dibagi massa atau mol umpan. Bila reaktan atau produk lebih dari satu, maka harus dinyatakan secara jelasyield tersebut produk apa terhadap reaktan apa. Selektivitas adalah rasio mol produk yang diinginkan terhadapol produk lain yang tidak diinginkan. Contoh: Konversi methanol (CH3OH) menjadi etilena atau propilena dengan reaksi sebagai beriku: CH3OH(l)



C2H4(l) + 2H2O(l)



(2.4)



CH3OH(l)



C3H6(l) + 3H2O(l)



(2.5)



24



Maka akan ada selektivias produk yang diinginkan, etilena (C2H4), terhadap produk yang tidak diinginkan, propilena (C3H6). Bila pada konversi metanol 80% terdapat persen mol etilena sebesar 0,19 dan persen mol propilena 0,08, maka selektivitas etilena sebesar 0,19/0,08 = 2,4 mol etilena per mol propilena. Contoh Soal 2.10 Antimoni (Sb) diperoleh dengan pemanasan Sb2S3dengan besi sehingga diperoleh lelehan Sb dari bagian bawah reaktor. Reaksi berlangsung sebagai berikut ini. Sb2S3(s) + 3Fe(s)



2Sb(s) + 3FeS(s)



(2.6)



Bila sebanyak 0,6 kg Sb2S3 dan 0,25 kg Fe dan diperoleh 0,2 kg Sb. Tentukanlah : (a) reaktan pembatas (b) persen reaktan berlebih (c) derajat kesempurnaan reaksi terhadap reaktan pembatas (d) persen konversi terhadap Sb2S3 (e) yield Penyelesaian : Dari reaksi di atas diketahui bahwa 1 mol Sb2S3membutuhkan 3 mol Fe dan membentuk 2 mol Sb dan 3 mold FeS. Jadi langkah yang harus anda lakukan adalah menghitung mol masing-masing reaktan dan produk berdasarkan informasi di atas 1. mol Sb2S3



= 0,6 kg/339



= 1,77 gmol



2. mol Sb



= 0,2 kg/121,8



= 1,64 gmol



3. mol Fe



= 0,25 kg/56



= 4,48 gmol



25



a) Untuk menentukan reaktan pembatas, maka anda perlu menghitung mol reaktan sesuai stoikiometri dan membandingkannya dengan data aktual diatas. Bila ada 1,77 gmol Sb2S3 maka dibutuhkan 5,31 gmol Fe secara stoikiometri, sementara yang tersedia hanya ada 4,48 gmol. Hal ini berarti Fe tidak cukup. Maka untuk menghabiskan 4,48 Fe yang ada dibutuhkan 1,49 (1/3 dari 4,48 gmol sesuai koefisien reaksi). Jadi reaktan yang terbatas adalah Fe dan yang berlebih adalah Sb2S3. Sb2S3+3 Fe



2 Sb + 3 FeS



1,77



4,48



1,64



1,77



5,31



3,54 (secara stoikiometri 1 dengan konversi 100%)



1,49



4,48



2,98



(data keluaran reaktor) (secara stoikiometri 2 dengan konversi 100%)



b) Persen reaktan berlebih : {(1,77-1,49/1,49) × 100 = 18,8 % c) Walaupun Fe merupakan reaktan pembatas, namun tidak semua Fe bereaksi. Hal ini dapat anda lihat dari produk Sb yang semestinya diperoleh 2,98 gmol sesuai koefisien reaksi. Namun pada kenyataannya hanya ada 1,64 gmol. Jadi 1,64 gmol Sb membutuhkan 3/2 × 1,64 gmol = 2,46 gmol Fe. Jadi derajat kesempurnaan reaksi terhadap Fe: 2,46 gmol Fe yang bereaksi / 4,48 gmol Fe yang tersedia = 0,55 d) Persen konversi terhadap Sb2S3 1,64 Sb membutuhkan 1 2× 1,64 gmol = 0,82 gmol Sb2S3 Jadi persen konversi Sb2S3 menjadi Sb = (0,82⁄1,77) × 100 = 46,3 % e) Yield dapat dinyatakan dalam jumlah massa Sb per massa Sb2S3 Yield = 0,2 kg Sb/ 0,6 kg Sb2S3



26



2.10 Evaluasi 1. Spesifik gravity asam asetat adalah 1,049, tentukan densitasnya dalam lbm/ft3 2. Anda memiliki gas dengan komposisi 40% N2, 30% CO2 dan 30% CH4. Tentukan berat molekul rata-rata campuran gas. 3. Sebuah campuran gas terdiri dari Argon, B dan C dengan komposisi campuran : 40% mol Argon, 20% mol C dan 18,75% berat B. BM Argon 40, BM C 50. Tentukanlah (a) Berat Molekul B, (b) BM rata-rata campuran 4. Konversilah suhu berikut ini (a) 10oC ke oF; (b) 10oC ke oR; (c) -25 oF ke K; (d) 150 K ke oR



27



BAB III NERACA MASSA Pada bab ini anda akan mempelajari neraca massa pada satu sistem atau pada multi sistem baik sistem tanpa reaksi maupun sistem yang melibatkan reaksi kimia.



3.1 Kompetensi Setelah mempelajari bab ini, mahasiswa akan mampu: 1. Menjelaskan konsep dan pentingnya neraca massa 2. Menghitung neraca massa pada sistem yang tanpa melibatkan reaksi pada single system dan multi system 3. Menghitung neraca massa pada sistem yang melibatkan reaksi pada single system dan multi system 4. Menghitung neraca massa pada sistem yang tanpa dan yang melibatkan reaksi pada multi system dengan adanya recycle, bypass, dan purging.



3.2 Konsep Neraca Massa Konsep neraca massa yang akan anda pelajari sebenarnya merupakan aplikasi dari hukum kekekalan massa yaitu “massa tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Jadi neraca massa dalam sistem merupakan akuntansi material masuk dan keluar sistem. Hal ini analogi dengan akuntansi keuangan.



28



Massa masuk dari suatu lingkungan ke dalam sistem melalui batas, dan keluar dari sistem ke lingkungan lainnya. Jadi secara umum persamaan neraca massa:



Massa terakumulasi = massa masuk-massa keluar+massa terbentuk-massa yang dikonsumsi(3.1)



Mari kita pelajari satu persatu istilah pada Persamaan (3.1) massa terakumulasi artinya jumlah bahan yang bertambah atau berkurang di dalam sistem per satuan waktu. Gambar 3.2 menunjukkan akumulasi massa dalam sebuah vessel bertambah per satuan waktu atau disebut dengan akumulasi positif. Gambar 3.3 menunjukkan akumulasi massa berkurang persatuan waktu yang disebut dengan akumulasi negatif. Aliran Masuk



t0



Aliran Masuk



Aliran Masuk



t1



Aliran Masuk



t2



t4



Gambar 3.2 Akumulasi massa positif



Aliran Keluar t0



Aliran Keluar t2



Aliran Keluar t1



Aliran Keluar t3



Gambar 3.2 Akumulasi massa negatif Apabila proses dalam keadaan steady atau ajeg atau sudah dicapai proses yang kontinyu, dimana massa masuk dan massa keluar sama, maka akumulasi menjadi nol. Hal ini berarti tidak ada lagi perubahan massa dalam sistem per



29



satuan waktu. Umumnya yang akan anda pelajari dalam diktat ini merupakan proses yang tidak ada akumulasi atau steady state processes. Bagian kedua dan ketiga dari Persamaan 3.1 adalah massa masukdan keluar, yaitu semua massa yang masuk ke dalam sistem dari lingkungan dan keluar dari sistem ke lingkungan lainnya. Bagian keempat dan kelima adalah massa yang terbentuk atau dikonsumsi dalam sistem karena adanya proses kimia atau biologi. Umumya bagian ini akan ada kalau suatu sistem melibatkan reaksi kimia, sehingga ada produk yang terbentuk dan ada bahan baku yang dikonsumsi. Jadi, bila proses steady state, dan tidak melibatkan proses kimia atau biologi, maka Pers. (3.1) di atas menjadi:



Massa masuk = massa keluar 3.3



(3.2)



Strategi Menganalisis Neraca Massa Pada sub-bab ini anda akan mempelajari metodologi penyelesaian neraca



massa secara logika (bukan menghafal penyelesaiannya). Ada ungkapan mengatakan “Tidak cukup hanya memiliki inteligensi yang baik, tapi kemampuan menggunakan dan mengaplikasikan intelegensi yang ada jauh lebih penting”. Ada ilustrasi yang penting, dalam menganalisis perhitunganperhitungan dasar dalam Teknik Kimia. Kalau ada 1 orang dapat membangun dinding bata seluas 1 m2 dalam 10 hari, maka 10 orang dapat menyelesaikannya dalam 1 hari, 240 orang dapat membangunnya dalam 1 jam, 14.400 orang dapat membangunnya dalam 1 menit. Apakah masuk akal? Secara matematika benar, tetapi secara rasional. Apakah yang dapat dilakukan dalam 1 menit? Belum berdiri tegak, dan tempat berdiri 14.400 orang tersebut pun tidak ada untuk membangun 1 m2 tersebut. Intinya, perhitungan dalam Azas Teknik Kimia bukan hanya perhitungan matematis tetapi perhitungan matematis yang menggunakan rasionalisasi aplikasi di lapangan.



30



Salah satu hal yang harus anda ketahui bahwa pada saat menghitung neraca massa, hanya ada satu jawaban yang benar (unique solution). Untuk itu ada syarat yang harus dipenuhi untuk mendapatkan unique solution, yaitu Jumlah variable yang tidak diketahui harus sama dengan jumlah persamaan dalam suatu persoalan neraca massa. Satu persamaan yang selalu dapat anda gunakan untuk menambah jumlah persamaan yang ada yaitu jumlah fraksi massa atau fraksi mol dalam jumlah campuran. Jumlah fraksi massa atau fraksi mol pasti selalu = 1. Jadi apabila ada suatu campuran yang terdiri dari bahan A, B, C, maka fraksi masing – masing bahan tersebut sejumlah 1; XA + Xb + XC = 1.



Mari kia lihat contoh dibawah ini untuk mengaplikasikan penjelasan diatas. Sebuah system digunakan untuk meningkatkan konsentrasi etanol dalam air dari 50% etanolmenjadi 80% etanol dengan menguapkan kandungan airnya, seperti ditunjukkan pada skema dibawah ini: W ?? ??% etanol ??% air ??% NaOH



F = 100kg 50% etanol 40% air 10% NaOH



T = 30oC



P = 60kg 80% etanol 5% air 15% NaOH



Gambar 3.3 Proses steady state, pemurnian etanol tanpa reaksi kimia Persamaan (3.1) menjadi pers (3.2) karena prosesnya steady state dan tidak melibatkan reaksi. Massa masuk = massa keluar



31



1. Perhatikan bahwa persentasi diatas adalah persen massa, bukan perse mol. Masih ingat alasannya ?? 2. Tujuan perhitungan adalah menentukan variable yang belum diketahui, yaitu, W, Xetanol,W, XNaOH.W. Ada 4 variable yang tidak diketahui, maka dibutuhkan 4 persamaan. 3. Untuk itu mari kita susun neraca massa untuk setiap komponen etanol, air dan NaOH. Massa masuk = massa keluar a. Neraca massa Total : F = P + W b. Neraca massa komponen Etanol : kita perlu menghitung jumlah etanol masuk dan keluar system yaitu etanol di F = air di P dan etanol di W Air



: Kita perlu menghitung jumlah air masuk dan yaitu air di F =



air di P dan air di W NaOH



: kita perlu menghitung jumlah NaOH masuk dan keluar



sstem yaitu NaOH di F = NaOH di P dan NaOH di W Etanol



: F . Xetanol.F = P.Xetanol.P + W.Xetanol.W



(1)



Air



: F . Xair.F



(2)



NaOH



: F . XNaOH.F = P.XNaOH.P + W.XNaOH.W



= P.Xair.P



+ W.Xair.W



(3)



Dari neraca massa total, F = P + W, kita dapat menentukan W = 40 kg Jadi, Etanol



: 100 x 0,5 = 60 x 0,8 + 40 Xetanol.W



(1’)



Air : 100 x 0,4 = 60 x 0,05 + 40 Xair.W



(2’)



NaOH



(3’)



: 100 x 0,1 = 60 x 0,15 + 40 XNaOH.W



32



X etanol



= 0,050



X air



= 0,925



X NaOH



= 0,025



Ikutilah langkah berikut ini setiap anda bertemu dengan persoalan neraca massa. 1.



Bacalah soal dan pahami benar apa yang ditanyakan; “setengah dari pekerjaan sudah selesai ketika kita sudah memahami soal”



2.



Gambarlah skema dari proses, tentukan system yang akan dianalisis.



3.



Beri symbol dan label setiap aliran yang ada ke dan dari system.



4.



Tuliskan semua data yang diketahui pada skema No. 2, termasuk laju alir massa, komposisi, dll.



5.



Pilih basis perhitungan.



6.



Tuliskan symbol variable yang tidak diketahui pada skema, dan guakan symbol yang mudah diingat, misalnya F untuk umpan (feed), P untuk produk, V untuk uap (vapour), D untuk Distilat, dll.



7.



Susun neraca massa total dan komponen berdasarkan informasi pada soal dan skema yang dibuat.



8.



Hitunglah jumlah persamaan dan jumlah variable yang tidak diketahui.



9.



Selesaikan persamaan dengan eliminasi atau substitusi.



10. Cek jawaban dengan memasukan angka yang sudah diperoleh ke dalam satu atau dua persamaan yang ada pada (7).



3.4



Neraca Massa Pada Sistem Tanpa Reaksi



Pada sub-bab ini anda akan mempelajari beberapa contoh neraca massa tanpa melibatkan reaksi pada satu atau multi system. Cara terbaik untuk memahami penyelesaian neraca massa dengan menutup penyelesaian yang ada, lalu membaca soal, membuat skema, dan selesaikan sesuai langkah – langkah di atas (1-10). Jika anda langsung membaca soal dan penyelesaiannya, pemahaman anda akan soal



33



tersebut akan berkurang dan rasa percaya diri untuk menyelesaikan soal yang lain akan menurun. Contoh Soal 3.1 Sebuah kolom distilasi digunakan untuk meningkatkan konsentrasi etanol dari 10% menjadi 60%. Umpan, F, sebanyak 1000 kg masuk dengan komposisi 10% etanol dan 90% air. Distilat yang diperoleh sebanyak P kg dengan komposisi 60% etanol dan 40% air. Distilat diperoleh sebanyak 10% dari umpan tentukan jumlah massa produk bawah menara distilasi, B, dan tentukan fraksi massa masing-masing etanol dan air. 1. Baca soal di atas dan pahami pertanyaanya. 2. Gambar sketsa proses HE F = 1000 Kg 10% etanol 90% air



M E N A R A



P kg 60% etanol 40% air P = 10% F



D I S T I L A S I



B = ?? kg ??% etanol ??% air



Gambar 3.4 Distilasi Etanol 3 dan 4 sudah diletakkan di sketsa pada gambar 3.4 5. tidak perlu dilakukan 6. sudah dilakukan di sketsa di atas 7. 8 dan 9 Neraca Massa disusun dalam sitem



34



7.1 Neraca massa Total ; F =B + P 7.2 Neraca massa komponen Etanol : F . Xetanol,F = B . Xetanol,B + P . Xetanol,P P = 0.1 (F) maka P = 100 kg, dan B = 900 kg 1000 X 0,1 = 900 . Xetanol,B + 100 . 0.6



(1)



Xetanol = 0,044 Air



: F . Xair,F



= B . Xair,B + P . Xair,P



100 X 0.9



= 900 . Xair,B + 100 X 0.4



(2)



Xair,B = 0,956 10. cek jawaban, F = P + B; 1000 kg = 100 kg + 900 kg Contoh Soal 3.2 Larutan encer dibutuhkan untuk mengaktifkan sebuah baterai pada sebuah bengkel. Anda diminta untuk menyiapkan 18,63% asam sulfat dalam air dengan cara berikut ini. Sebuah tangki lama berisi asam sulfat 12,43% akan dicampurkan dengan 200 kg asam sulfat pekat 77,7% asam sulfat. Berapa kg larutan encer 18,63% yang dapat dibuat dengan penambahan tersebut diatas? Penyelesaian : 1. Lakukan langkah (1) 2. Sketsa soal di atas



H2SO4 77,7% H2 O 22,3% P 200 kg



H2SO4 12,43% H2 O 87,57% A kg



H2SO4 18,63% H2 O 81,36% F kg



Sistem Gambar 3.5 Sketsa penambahan asam sulfat pekat ke dalam asam sulfat encer



35



3,4,5 sudah dilakukan diatas 6,7, dan yang tidak diketahui adalah massa awal larutan encer, A, dan massa akhir larutan sesudah ditambahkan 200 kg larutan pekat, P. komponen hanya 2 yaitu asam sulfat dan air.



Neraca massa : Pada sistem ini, ada yang masuk tetapi ada yang belum keluar. Pada awalnya massa A kg dan setelah ditambahkan massanya menjadi F kg, berarti ada perubahan massa terhadap waktu atau yang disebut akumulasi. Akumulasi adalah massa akhir dikurangi massa awal. Maka persamaannya menjadi : Massa akhir – massa awal = massa yang ditambahkan (massa masuk) Neraca massa total : F–A=P F – A = 200 ; F = 200 + A Neraca massa komponen : H2SO4 ;



F. XH2SO4 – A. XH2SO4 = P. XH2SO4,P F. 0,1863 – A. 0,1234 = 200 . 0,777 (200 + A) (0,1863) – 0,1234 A = 155,4 A = 1906 Kg



Cek : F = 200 + 1906 = 2106 kg Jadi dengan menambahkan 200 kg 77,7% H2SO4 pekat ke dalam tangki yang berisi H2SO4 enver 12,43%, maka massa akhir dalam tangki harus menjadi 2106 kg agar diperoleh H2SO4 dengan konsentrasi 18,63% sesuai dengan permintaan.



36



Ada kalanya anda diminta untuk menganalisis proses yang multisistem. Secara prinsip langkah-langkah di atas tetap berlaku. Contoh soal 3.3. Ambang batas aseton yang dapat dibuang ke atmosfir semakin diperketat pengendaliannya. Untuk itu anda diminta untuk merancang sistem yang dapat menyerap aseton dengan sistem yang ditunjukkan pada Gambar 3.6. Presentase yang ditunjukkan baik gas maupun cairan adalah dalam persen berat. Hitunglah, A, F, W, B, dan D per jam.



Gambar 3.6 Penyerapan aseton pada absorber dan menara distilasi Penyelesaian: 1, 2, 3 dan 4 sudah ada pada gambar 5. basis 1 jam 6. sudah dituliskan di skema 7. menyusun neraca massa Seperti disebutkan pada Sub-bab 3.1, neraca massa adalah perhitungan kekekalan massa pada suatu sistem atau multi sistem. Anda perlu menyusun neraca



37



massa pada tiap-tiap sistem pada multisistem di atas. Susun neraca massa total dan neraca massa komponen pada Absorber, AB, Menara Distilasi, MD. Satu hal yang perlu diingat, variabel yang tidak diketahui harus sama atau lebih sedikit jumlahnya daripada jumlah persamaan. Variabel yang tidak diketahui ada 5 yaitu A, F, W, B, dan D. Pertama : susun neraca massa pada AB Neraca massa total :



W



+



G=



A



+



F



Neraca massa komponen :



Air : Udara :



(1,0) W + (0,02) G 0



= (0,005) A + (0,81) F



+ 0,95 (1400)



= 0,995 (A) + 0



A = 1336.7 kg Aseston :



0



+ 1400 (0,03)



=0



+ 0,19 F



F = 221.05 kg Maka W = 157.7 kg Kedua : Neraca massa di Menara Distilasi, MD Neraca massa total : F = B + D;



221.05 = B + D;



Neraca massa komponen : Aseton :



221,05 (0,19) = B (0,04) + D (0,99) 42.00 = (221,05 – D) (0,04) + 0,99 D 42.00 = 8,842 + 0,95 D D = 34,91 kg B = 186,1 kg



38



221.05 – D = B



3.5 Neraca Massa pada Sistem Dengan Reaksi Pada sub-bab ini anda akan mempelajari beberapa contoh neraca massa yang melibatkan reaksi pada satu atau multi system. Cara terbaik untuk memahami penyelesaian neraca massa juga dengan menutup penyelesaian yang ada, lalu membaca soal, membuat skema, dan selesaikan sesuai langkah-langkah yng sudah dipelajari sebelumnya. Anda masih ingat Pers (3.1), yaitu persamaan neraca massa secara umum. Pada sub-bab 3.3 di atas, anda tidak mengenal massa terbentuk atau massa yang dikonsumsi dalam sistem. Pada sub-bab ini anda akan menghitung jumlah massa yang terbentuk atau terkonsumsi berdasarkan reaksi kimia yang terjadi dalam sistem. Konsepnya masih tetap sama, mssa tetap kekal, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, massa hanya dapat berubah bentuk. Bila 1 mol atom C dan 1 mol Oksigen dibakar, maka akan dihasilkan 1 mol CO 2. C



+



O2



CO2



(3.1)



Bila anda membahas tentang reaksi pembakaran, anda harus familiar dengan istilah-istilah di bawah ini . 1. Flue atau Stack gas; berarti semua gas yang keluar dari proses pembakaran termasuk uap air. 2. Orsat Analysis atau basis kering; berarti semua gas yang dihasilkan dari proses pembakaran kecuali uap air. 3. Udara secara teori atau Oksigen secara teori; berarti jumlah oksigen atau udara



yang



dibutuhkan



secara



stoikiometri



untuk



menghasilkan



pembakaran sempurna. 4. Udara ekses; berarti udara berlebih yang diumpankan ke dalam proses pembakaran. Persen berlebih = 100 (kelebihan udara/udara yang dibutuhkan.



39



Contoh Soal 3.4 ( Self Assesment Test No. 2 hal 204, Himmelblau, 1996 ) Sebuah proses yang disederhanakan ditunjukan pada Gambar 3.7 untuk menghasilkan SO3 yang akan digunakan untuk pembuatan H2SO4. Awalnya Sulfur dibakar dengan udara berlebih 100% di dalam burner, tetapi reaksi pembakaran tersebut hanya berlangsung dengan konversi 90%. Reaksinya : S + O2 SO2



(3.2)



SO2 dibakar di dalam converter dengan konversi 95% ( 2SO2 + O2



2SO3).



Hitunglah jumlah udara yang dibutuhkan per 100 lb Sulfur yang terbakar dan konsentrasi setiap komponen gas keluar burner dan converter dalam % mol.



Gambar 3.7 Proses pembuatan SO3 dari Sulfur



Gambar 3.7 Proses pembuatan SO3 dari Sulfur Penyelesaian : 1.



Pasis 100 lb Sulfur dibakar



2.



Ditentukkan lbmol Sulfur, O2 yang dibutuhkan secara stokiometri dan secara aktualnya, dan jumlah SO2 dengan konversi 90%. Mol S = 100/32 = 3,125 lbmol. Mol O2 yang dibutuhkan secara stokiometri = 3,125 lbmol, tetapi karena diberikan 100% berlebih maka O2 yang diumpankan = 6,25 lbmol. SO2 yang terbentuk adalah 3,125 lbmol dikalikan persen konversi = 3,125 x 0,95 = 2,969 lbmol. Udara terdiri dari 21% O2 dan 79% N2. Jadi N2 = 79/21 x 6,25 = 23,51 lbmol



40



S + O2



SO2



(3.3)



Komponen yang keluar dari burner adalah SO2 yang terbentuk, O2 sisa, Nitrogen sejumlah yang diumpankan, dan S yang tidak terbakar, tetapi S bukan berupa gas (dalam soal yang ditanyakan hanya persen mol gas). S yang bereaksi = 2.969 lbmol, O2 yang bereaksi juga 2,969 lbmol jadi O2 sisa = 6,25 – 2,969 = 3,281 lbmol.



Udara



SO2



Burner



O2



S Komponen



BM



Masuk



Keluar



%mol



lbmol



Lb



lbmol



Lb



O2



32



6,250



200



3,281



105



11



N2



28



23,510



653



23,512



658



79



SO2



64



-



-



2,969



192



10



Total



29,762



Gas keluar dari burner menjadi umpan masuk ke converter. 2 SO2 + O2



2 SO3



(3.4)



Dengan konversi reaksi 95%, jumlah SO2 yang dihasilkan dapat dihitung. Dari koefisien reaksi, maka diketahui jumlah SO3 yang terbentuk adalah jumlah lbmol SO2 dikalikan persen konversi, lbmol SO3 = 2,969 x 0,95 = 2,821 lbmol; sehingga SO2 yang bereaksi = 2,821 lbmol Jadi SO2 sisa = 2,969 – 2,821 lbmol = 0,149 lbmol Oksigen yang bereaksi = ½ x 2,969 x 0,95 = 1,410 lbmol, seingga oksigen sisa = 3,281 – 1,410 = 1,871 lbmol



41



Komponen



BM



Masuk



Keluar



lbmol



lb



lbmol



%mol



O₂



32



3,281



105



1,871



6,60



N₂



28



23,512



658



23,512



82,93



SO₂



64



2,969



192



0,148



0,52



SO₃



80



-



-



2,821



9,95



28,352



100,00



Total



3.6 Neraca Massa Dengan Recycle Pada bagian ini anda mempelajari neraca massa yang melibatkan daur ulang (recycle), di mana sebagian bahan yang dihasilkan dikembalikan ke proses Contoh kasus yang tanpa reaksidan melibatkanreaksi akan dibahas. Daur ulang dilakukan dengan berbagai tujuan antara lain untuk meningkatkan konsentrasi keluaran pada pemurnian dan untuk menghemat bahan baku (untukbahan baku yang mahal dan konversi tidak sempurna). Cara analysisnya tidak berbeda dengan system yang tidak melibatkan recycle. Prinsipnya masih tetap sama yaitu massa tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, jumlah massa sebelum proses = massa setelah proses. Contoh Soal 3.5. Sebuah menara distilasi digunakan untuk memisahkan 10.000 kg/jam larutan yang terdiri dari 50% benzene dan 50% toluene. Produk, D, mengandung 95% benzena, sebagian dikembalikan ke menara disilasi, sebagai refluk, R,. Produk bawah, W, mengandung 95% toluena. Uap, V, dari bagian atas menara distilasi masuk ke kondensor sebanyak 8000 kg/jam. Jika diasumsikan bahwa semua uap yang masuk ke kondensor menjadi cair, tentukan rasio R terhadap D.



42



Gambar 3.8 Pemurnian Benzena pada menara distilasi Basis 1 jam operasi Neraca massa total; F = W + P 10.000 = W + P; P = 10.000 – W Neraca massa komponen: Benzena ; F . xbenzena,F = P . xbenzena,P + W . xbenzena,W 10.000 (0,5)



= P (0,95) + W (0,04)



5000



= (10.000 – W) (0,95) + 0,04W



5000



= 9500 + 0.91W



W



= 4950 Kg



P



= 5050 Kg



Untuk menentukan R/D, maka kita perlu membuat neraca massa di keluarkan kondensor. Neraca massa totalnya :



V



=R+P



8000



= R + 5050; R = 2950



Mari kita pelajari proses yang melibatkan recycle dengan melibatkan reaksi dengan contoh soal.



43



Contoh soal 3.6 Isomer glukosa digunakan sebagai katalis untuk memproduksi fruktosa dari glukosa dalam sebuah fixed-bed-reactor (FBR). Berapakah konversi reaksi pada Gambar 3.8 dibawah ini apabila P/R = 8,33



Fixed-Bed-Reactor Feed



4% Fruktosa



40 % Glukosa Dalam air



Gambar 3.8 Pembentukan glukosa dalam FBR Penyelasaian : Agar dapat menentukan konversi, kita perlu mengetahui jumlah bahan masuk dan keluar FBR. Ketika jumlah bahan (mol) diketahui sebelum dan sesudah masuk FBR, berarti kita dapat menentukan berapa banyak bahan baku (reaktan) yang berubah menjadi produk yang dinamakan dengan konversi R ?? Kg 1



P ? Kg



Fixed-Bed-Reactor Feed, F XG,F = 0,40 XW,F = 0,60



T ?? Kg



X F,P = ????



XF,T = 0,04



XG,P = ????



XG,T = ????



XW,P = ????



XW,T = ????



Langkah pertama adalah menentukan basis perhitungan : 100 kg Feed Neraca massa total pada sistem Massa masuk = massa keluar ;



F = P, jadi P = 100 Kg



Lalu R dapat juga kita hitung dari P/R = 8,33; R = 100/8,33 = 12 Kg



44



Mari kita buat neraca komponen F=P F.Xw,F = P.Xw,P 100 (0,6) = 100 (Xw,P) ; maka Xw,P = 0,6 Perhatian bahwa komposisi di P dan di R adalah sama, yang tidak sama adalah jumlah massanya dalam Kg; sehingga Xw,R = 0,6 juga Untuk menghitung jumlah R dan T, mari kta susun neraca massa pada mixing Point 1 Neraca massanya total : T = F+R;T=100+12=112 Kg Neraca massa komponen : Glukosa : T. XG,T = F.XGF + R.XGR 1112(XGT) = 100 (0,40) + 12.XGR Fruktosa T.xFT = FXF,F + R.XFR 112 (0,04) = 0 + 12 (XFR) XF,F = 373 Fraksi fruktosa di R = fraktosa di P, jadi XF,P = 0,373 karena fraksi air dan fraksi fruktosa di P sudah diketahui, maka fraksi glukosa di P, XG,P dapat kita tentukan, yaitu 1-0,373-0,6=0,027. Karena fraksi glukosa di P dan R sama maka XG,R = 0,027 Akhirnya, fraksi glukosa di T, XGT = 0,36 Maka untuk menuntukan konversi di FBR kita menyusun ceraca massa di FBR tersebut yang mellibatkan reaksi :



45



Massa masuk – massa keluar – massa dikonsumsi = 0 T.XG,T - (R+P) (XG,R) – (%konversi) (T) (XG,T) = 0 112 (0,36) – (112)(0,027) – X (112)(0,36) = 0 X = 0,93 (Konversi di sini didefinisikan dalam massa yang terkonversi, bukan mol terkonversi).



3.7 Neraca Massa Dengan Bypas dan Purge Bypassing adalah proses di mana sebagian material tidak dilewatkan ke dalamsistem tetapi langsung di alirkan ke aliran keluaran sistem tersebut. Purging adalah proses dimana sebagian material dibuang ke luar proses. Mengapa kedua proses ini dilakukan ? Berikut ini merupakan contoh proses mengapa Bypass dilakukan. Bypass dilakukan untuk mengendalikan komposisi aliran akhir suatu unit dengan cara mencampurkan aliran yang di-Bypass dengan aliran keluar sistem untuk memperoleh komposisi akhir yang diinginkan. Gambar 3.9 menunjukkan skema proses bypass.



Bypass B Umpan



Produk Separator



PROSES



Mixer



Gambar 3.9 Aliran umpan proses sebagian dilewatkan ke keluaran proses



46



Contoh Soal 3.7 Isopentana dipisahkan dari gasoline bebas butana, pada sebuah pabrik pembuatan gas alam. Skema proses ditunjukan pada Gambar 3.10. Tentukan fraksi gasoline bebas butana yang dilewatkan sebagai bypass tanpa melalui menara isopentana.



Isopentana buangan 100 % S



Gambar



D E B U T A N I Z E R



M E N A R A A B



I S O P E N T A N A n-C5H12 100%



F 100 kg n-C5H12 80% i-C5H1280%



Penyelesaian: Basis : 100 Kg Feed Neraca massa total : F = S + P; 100 = S + P Neraca massa komponen: n-C5 : F. Xn-C5,F = S.xn-C5,S + P.xn-C5,P 100 (0,8) = S (0) + P (0,9) P = 88,9 kg S = 11,1 kg 47



Batas sistem secara overal 3.10 Peningkatan konsentrasi n-C5H12



Ke pabrik gasoline alam, P n-C5H112 90% i - C5H12 10%



Untuk menentukan fraksi yang di-bypass kita perlu menyusun neraca massa di menara isopentana. Misalkan massa F yang masuk ke menara isopentan = A kg, dan massa yang keluar dari menara B kg, maka neraca massa total: A=B+S A = B + 11,1; B = A – 11,1 Neraca massa komponen: n-C5 :



A. Xn-C5,A = B.Xn-C5,B+ S.Xn-C5,S A (0,8)



= B (1,0)



A (0,8)



= (A-11,1 A = 55,5 kg B = 100 – 55,5 = 44,5 kg



Jadi sejumlah 44,5 kg gasoline bebas buta (umpan, F) harus dibypass untuk memperoleh komposisi akhir sesuai dengan yang diinginkan ). Kita juga dapat menentukan jumlah yang di-purge, S = A–B = 55,5– 44,5 = 10,0 kg



3.8 Evaluasi 1. Karbon murni (C), dibakar dengan oksigen. Gas buangan (Flue gases) mengandung CO2 75% mol, CO 14% mol, O2 11 % mol. Berapa persen berlebih Oksigen yang diumpankan? 2. Jelaskan pengertian recycle dan bypassing dengan kata-kata dan skema proses. Apakah tujuan recycle dan bypassing? 3. Sebuah bahan mengandung 75% air dan 25% padatan yang diumpankan ke dalam granulator dengan laju 4000 kg/jam. Umpan dicampur lebih dahulu dengan produk yang direcycle dari dryer (untuk mengurangi konsentrasi



48



bahan secara overall kedalam granulator 50% air dan 50% padatan). Produk meninggalkan dryer 16.7% air. Dalam dryer, udara di lewatkan untuk merngeringkan padatan. Udara masuk dryer mengandung 3% berat uap air, dan dan keluar dryer mengandung 6% berat uap air. (a) Tentukan Recycle ratio (R) ke granulator; (b) tentukan laju alir udara masuk ke granulator berbasis udara kering.



49



DAFTAR PUSTAKA Himmelblau, D.M., 1996, Basic Principles and Calculation in Chemical Engineering, University of Texas, Prentice Hall PTR, USA.



50