Handout Pengantar Teknik Kimia 1 [PDF]

Citation preview

/2013



SURYA UNIVERSITY



PENGANTAR TEKNIK KIMIA



Program studi Teknik Kimia – Biochemical Energy Engineering | Yalun Arifin, PhD



Chemical industries



II



Table of Contents TABLE OF CONTENTS ........................................................................................... III CHAPTER 1: 1.1



PROFESI TEKNIK KIMIA ............................................................ 1 DEFINISI DAN SEJARAH TEKNIK KIMIA ................................................ 1



1.1.1



Definisi ........................................................................................................ 1



1.1.2



Sejarah Teknik Kimia .................................................................................. 1



1.2



JENIS PEKERJAAN SARJANA TEKNIK KIMIA .......................................... 2



CHAPTER 2:



PENGANTAR PERHITUNGAN KETEKNIKAN ........................ 6



2.1



JENIS-JENIS SATUAN ............................................................................ 6



2.2



SISTEM SATUAN ................................................................................... 7



2.3



KONVERSI SATUAN .............................................................................. 7



2.4



CONTOH ANALISIS SATUAN: GAYA DAN BERAT................................... 9



2.5



PERHITUNGAN DAN ESTIMASI NUMERIC ............................................. 10



2.5.1



Notasi ilmiah, simbol ilmiah, dan ketelitian ............................................. 10



2.5.2



Rata-rata dan standar deviasi .................................................................. 14



2.6



DIMENSIONAL HOMOGENEITY AND DIMENSIONLESS QUANTITIES ...... 16



2.7



ANALISA DATA PROSES ...................................................................... 16



2.7.1



Interpolasi dan ekstrapolasi ..................................................................... 17



CHAPTER 3: 3.1



NERACA MASSA .......................................................................... 18 JENIS-JENIS PROSES ............................................................................ 18



3.1.1



Batch, continuous, semi-batch .................................................................. 18



3.1.2



Steady state and transient ......................................................................... 19



3.2



NERACA MASSA ................................................................................. 20



3.2.1



Neraca massa proses kontinu ................................................................... 21



3.2.2



Neraca massa proses batch ...................................................................... 22



3.3



PERHITUNGAN NERACA MASSA .......................................................... 23



3.3.1



Flowchart .................................................................................................. 23



3.3.2



Degree of freedom..................................................................................... 28



3.3.3



Tahap-tahap dalam perhitungan neraca massa (single unit) ................... 30



3.4



NERACA MASSA DI MULTIPLE UNIT .................................................... 33



3.5



RECYCLE AND BYPASS ...................................................................... 34 III



REFERENCES ............................................................................................................ 40 APPENDIX A: ............................................................................................................. 41



IV



Chapter 1: Profesi Teknik Kimia 1.1



Definisi dan sejarah Teknik Kimia



1.1.1



Definisi



Teknik Kimia adalah ilmu keteknikan (engineering) yang mengaplikasikan ilmu fisik (Fisika dan Kimia) dan/atau Ilmu Hayati (misalnya Biologi, Mikrobiologi, Biokimia) bersama dengan Matematika dan Ekonomi untuk melakukan proses konversi bahan baku menjadi produk yang bernilai lebih tinggi.



1.1.2



Sejarah Teknik Kimia



Teknik Kimia muncul pada akhir abad ke-19 pada saat revolusi industri. Proses kimia sebenarnya sudah dilakukan sejak lama namun masih dalam skala kecil dan butuh waktu yang lama. Proses pada saat itu bersifat batch (tidak kontinu). Seiring dengan kebutuhan produk kimia yang semakin tinggi (misalnya Na2CO3, H2SO4), maka skala proses produksi harus diperbesar dan jenis operasi harus berkesinambungan (kontinu) sebagai suatu assembly line. Program studi Teknik Kimia pertama kali didirikan di Inggris tepatnya di University of Manchester tahun 1887. Dosen pertama adalah George E. Davis yang menjadi ahli Teknik Kimia pertama di dunia yang memperkenalkan istilah Unit Operasi (Unit Operations). Setahun kemudian Lewis M.Norton mengajar Teknik Kimia pertama kalinya di Massachussetts Institute of Technology (MIT). Pada tahun 1908 berdiri American Institute of Chemical Engineers (AIChE) dan tahun 1922 berdiri Institution of Chemical Engineers di Inggris. Sepanjang tahun 1940an sampai 1960an Teknik Kimia berkembang dengan adanya konsep Transport Phenomena dan Process System Engineering. Motor dari Teknik Kimia adalah industri perminyakan di mana sebagian besar bahan baku industri kimia berasal dari minyak bumi dan gas alam. Pengaruh dari ilmu Biologi sejak tahun



1



1940an merintis Teknik Biokimia yang mengarah ke industi Bioteknologi, sedangkan perkembangan ilmu polimer pada tahun 1950an merintis industri plastik.



Gambar 1.1 George E. Davis



Teknik Kimia juga berhubungan erat dengan lingkungan hidup mengingat banyak bahan-bahan Kimia yang bisa berdampak negatif terhadap lingkungan. Pada era saat ini, perkembangan Teknik Kimia ditunjang pula oleh ilmu komputasi dan rekayasa genetika.



1.2 



Jenis pekerjaan sarjana Teknik Kimia Engineer di industri Kimia, kertas, perminyakan, pertambangan, plastic, tekstil, pengolahan limbah, Bioteknologi, makanan dan lain-lain







Pegawai pemerintahan, konsultan







Dosen, peneliti







Wiraswasta di bidang Teknik Kimia dan bidang-bidang lain yang berhubungan.



Chapter 1: Profesi Teknik Kimia



2



Gambar 1.2 Chemical engineers



Chapter 1: Profesi Teknik Kimia



3



Tabel 1.1 10 besar perusahaan dunia berdasarkan pemasukan



No



Perusahaan



Jenis



Pemasukan (milyar USD)



1



Wal-Mart Stores, Inc.



Retail



469



2



Royal Dutch Shell



Oil and gas



467



3



Exxon Mobil Corporation



Oil and gas



428



4



China National Petroleum



Oil and gas



425



Corporation 5



Sinopec Group



Oil and gas



411



6



BP



Oil and gas



370



7



Saudi Aramco



Oil and gas



311



8



Vitol



Commodities



$303



9



State Grid Corporation of China



Electric utility



$290



10



Volkswagen Group



Automotive



$254



Industri Kimia sendiri pada tahun 2012-2013 bernilai sekitar USD 5 trilliun yang didominasi perusahaan dari USA, EU, Japan, China, Brazil, Korea. Tabel 1.2 20 besar perusahaan Kimia dunia berdasarkan penjualan



COMPANY, HEADQUARTERS



2007 Chemical Sales, billions



Rank Country



BASF SE, Ludwigshafen, Germany



$65.3



1



Dow Chemical, Midland, Michigan, United States



$53.5



2



INEOS, Lyndhurst, UK



$43.6



3



LyondellBasell, Houston, Texas, United States



$42.8



4



Formosa Plastics, Taiwan



$31.9



5



DuPont, Wilmington, Delaware, United States



$28.5



6



Saudi Basic Industries Corporation, Riyadh, Saudi Arabia



$26.4



7



Bayer, AG, Leverkusen, Germany



$24.2



8



Mitsubishi Chemical, Tokyo, Japan



$22.2



9



Akzo Nobel/Imperial Chemical Industries(ICI), Amsterdam/London



$19.9



10



Air Liquide, Paris, France



$16.3



11



Chapter 1: Profesi Teknik Kimia



4



Sumitomo Chemical, Tokyo, Japan



$15.2



12



Evonik Industries, AG, Essen, Germany



$15.0



13



Mitsui Chemicals, Tokyo, Japan



$14.3



14



Asahi Kasei, Tokyo, Japan



$13.8



15



Toray Industries, Tokyo, Japan



$13.1



16



Chevron Phillips, The Woodlands, Texas, United States



$12.5



17



DSM NV, Heerlen, Netherlands



$12.1



18



PPG Industries, Pittsburgh, Pennsylvania, United States



$11.2



19



Shin-Etsu Chemical Co., Ltd., Tokyo, Japan



$11.1



20



Chapter 1: Profesi Teknik Kimia



5



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan 2.1



Jenis-jenis satuan



Dimensi adalah besaran yang dapat diukur dengan alat ukur. Besaran dapat dibagi menjadi besaran primer atau pokok dan besaran sekunder atau turunan. Contohnya besaran primer adalah panjang, massa, waktu, temperature, mol, arus listrik, dan intensitas cahaya. Sedangkan contoh besaran sekunder adalah kecepatan (panjang dibagi waktu), volume (panjang3), energi, gaya, densitas, viskositas, dan panas jenis. Dalam sistem The International System of Units (SI), 7 SI base unit diberikan di Tabel 2.1. Tabel 2.1 Tujuh base unit dalam sistem SI



Nama / Name



Simbol



Untuk pengukuran



Meter / meter



m



panjang



Kilogram / kilogram



kg



massa



Detik / second



s



waktu



Ampere / ampere



A



Arus listrik



Kelvin / kelvin



K



temperatur



Mol / mole



mol



Jumlah zat



Kandela / candela



cd



Intensitas cahaya



Suatu besaran baru memiliki arti jika memiliki nilai (value) dan satuan (unit). Misalnya, panjang 2 meter, berat 100 kg, gaya 50 Newton (N), konsentrasi H 2SO4 0.5 N dan sebagainya. Operasi matematika dalam bentuk penjumlahan atau pengurangan dari suatu besaran bisa dilakukan jika memiliki satuan yang sama. Syarat ini tidak berlaku dalam operasi perkalian dan pembagian besaran-besaran. Contoh penambahan dan pengurangan besaran: 



Panjang: 10 m – 5 m = 5 m



6







Volume: 20 liter + 14 liter = 34 liter



Contoh perkalian dan pembagian besaran: 



Gaya: 50 kg x 9.81 m/s2 = 490 kg.m/s2 atau 490 N.







Densitas: 2500 kg / 1.25 = 2000 kg/m3.



Satuan juga bisa dibagi menjadi satuan dasar (base unit), satuan kelipatan (multiple unit), dan satuan turunan (derived unit). Base unit digunakan untuk besaran primer. Contoh dari multiple unit adalah mm (bagian dari m), ton (kelipatan dari kg), hari, dan kmol. Satuan turunan diperoleh dari perkalian atau pembagian satuan dasar. Contoh dari satuan turunan misalnya konsentrasi sel dan oksigen di fermentor (g/l), kecepatan (m/s), gaya (kg.m/s2 atau Newton).



2.2



Sistem satuan



1. Sistem internasional atau SI dari French: Le Système international d'unités yang terdiri dari satuan dasar seperti kg, m, s, mol 2. Sistem cgs (centimetre–gram–second) 3. Sistem American Engineering / British, terdiri atas satuan lbm, ft, s



2.3



Konversi satuan



Sistem satuan lain yang umum digunakan di dunia keteknikan adalah sistem BritishAmerican. Untuk massa, sistem ini menggunakan pound (lb). Panjang ditulis dalam



1



Dalam Teknik Kimia, penulisan tanda decimal umumnya diawali dengan tanda titik mengikuti aturan English,



bukan tanda koma di tata bahasa Indonesia.



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



7



feet (ft), energi dalam British thermal unit (Btu), dan lain-lain. Informasi lebih detil diberikan di tabel 1.2 yang memuat sebagian besar konversi satuan yang umum.



Table 2.2 Faktor konversi yang umum di ilmu Teknik



Satuan



Nilai-nilai yang ekuivalen



Massa (mass)



1 kg = 1000 g = 0.001 metric ton = 2.20462 lbm = 35.27392 oz 1 lbm = 16 oz = 5 x 10-4 short ton = 453.593 g = 0.453593 kg



Panjang



1 m = 100 cm = 1000 mm = 106 micron (m) =1010 angstroms (Å)



(length)



= 39.37 in. = 3.2808 ft = 1.0936 yd = 0.0006214 mile 1 ft = 12 in. = 1/3 yd = 0.3048 m = 30.48 cm



Volume



1 m3 = 1000 l = 106 cm3 = 106 ml = 35.3145 ft3 = 219.97 imperial gallons = 264.17 gal = 1056.68 qt 1 ft3 = 1728 in.3 = 7.4805 gal = 0.028317 m3 = 28.317 l = 28,317 cm3



Gaya (force)



1 N = 1 kg.m/s2 = 105 dynes = 105 g.cm/s2 = 0.22481 lbf 1 lbf = 32.174 lbm.ft/s2 = 4.4482 N = 4.4482 x 105 dynes



Tekanan (pressure)



1 atm = 1.01325 x 105 N/m2 (Pa) = 101.325 kPa = 1.01325 bar = 1.01325 X 106 dynes/cm2 = 760 mm Hg at 0C (torr) = 10.333 m H2O at 4C = 14.696 lbf/in.2 (psi) = 33.9 ft H2O at 4C = 29.921 in. Hg at 0C



Energi (energy)



1 J = 1 N.m = 107 ergs = 107 dyne.cm = 2.778 x 10-7 kW.h = 0.23901 cal = 0.7376 ft-lbf = 9.486 x 10-4 Btu



Daya (power)



1 W = 1 J/s = 0.23901 cal/s = 0.7376 ft.lbf/s = 9.486 x 10-4 Btu/s = 1.341 x 10-3 hp



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



8



2.4



Contoh analisis satuan: Gaya dan Berat



Gaya adalah massa dikali percepatan. Satuan gaya adalah kg m/s2 (SI), g cm/s2 (cgs), atau lbm ft/s2 (American Eng). Untuk mempermudah pemahaman dan penulisan, satuan gaya di SI disederhanakan menjadi N (newton) dan dyne, sedangkan di American Eng menjadi lbf (pound force). Konversi yang digunakan adalah: 



1 N (newton) = 1 kg m/s2







1 dyne = 1 g cm/s2







1 lbf = 32.174 lbm ft/s2



Faktor konversi gc adalah =



1 kg .m/s 2 1N



=



32.174 lb m .ft/s 2 1 lb f



Contoh soal 1. 500 W = …….. hp 1.341 x 10-3



500 W



hp 1W



= 0.6705 hp 2. Konstanta gas ideal R dalam satuan SI = 0.08206 liter.atm/mol.K, berapa nilai R dalam Joule/mol.K 3. Air memiliki massa jenis 62.4 lbm/ft3. Berapa berat 2000 ft3 air pada permukaan laut, lintang 45 dan di pegunungan setinggi 5374 ft (g = 32.139 ft/s2) Latihan soal konversi satuan



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



9



1. 1000 m/s = ______miles/h 2. 57.5 lbm/ft3 = ______kg/m3. 3. 20 cm4/min2g = ______m4/day2kg. 4. 500 N/m2 = ______ mm Hg 5. 10000 Btu = ______ kW.h 6. 1 cm/s2 = ______ km/year2. 7. 3 weeks =_______ ms 8. 554 m4/(day.kg) = cm4/(min.g) 9. 980 kg/m3 =______ lbm/ft3. 10. 5.37 x 103 kJ/min =______ hp



2.5



Perhitungan dan estimasi numeric



2.5.1



Notasi ilmiah, simbol ilmiah, dan ketelitian



Penulisan bilangan yang baku untuk bilangan yang amat besar atau amat kecil disebut scientific notation. Perlu dipahami dalam Teknik Kimia, berlaku sistem international di mana angka ribuan, jutaan, miliaran, dst dipisahkan oleh tanda koma (,) bukan titik (.) seperti di Bahasa Indonesia. Sedangkan bilangan pecahan desimal diawali dengan tanda titik (.) bukan koma (,) Contoh: 



458,000,000 = 4.58 x 108



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



10







0.0000092 = 9.2 x 10-6







2,013 = 2.013 x 103



Dalam pengukuran di keteknikan dikenal istilah angka penting (significant figures). Angka penting adalah digit bukan nol pertama dari kiri ke kanan sampai ke digit terakhir (bisa nol atau tidak) jika ada titik desimal (.) atau bilangan bukan nol jika tidak ada titik decimal (.) Contoh: 



52500 = 5.25 x 104 (3 angka penting)







25000. = 2.5000 x 104 (5 angka penting)







25000.0 = 2.50000 x 104 (6 angka penting)







8,410 = 8.41 x 103 (3 angka penting)







50,250 = 5.025 x 104 (4 angka penting)







0.0062 = 6.2 x 10-3 (2 angka penting)







0.002970 = 2.970 x 10-3 (4 angka penting)



Angka penting dalam hasil perhitungan atau pengukuran menunjukan ketelitian dalam pengukuran. Jika kita menimbang kurang lebih 1 gram garam dengan neraca analitik berketelitian dua digit dan empat digit, maka hasil pengukurangan bisa berbeda. Misalnya dengan neraca ketelitian dua digit didapat 1.01 g (3 angka penting), dengan empat digit didapat 1.0075 g (5 angka penting). Bagaimana dengan operasi matematik berdasarkan prinsip angka penting? 



Perkalian dan pembagian.



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



11



Hasil operasi perkalian atau pembagian memiliki jumlah angka penting sama dengan yang terkecil dari bilangan-bilangan dalam operasi tersebut. Contoh: 4.25 (3 angka penting) x 5 (1 angka penting) = 21.25  2 x 102 (1 angka penting) 30.8 (3 angka penting) / 2.0 (2 angka penting) = 15.4  1.5 x 101 (2 angka penting) 



Penjumlahan dan pengurangan Berdasarkan perbandingan posisi angka penting terakhir dari bilangan-bilangan dalam operasi tersebut relatif terhadap titik desimal di mana yang dipilih adalah yang paling kiri dari bilangan-bilangan dalam operasi matematika ini. Contoh: 2854 + 3.85 = 2857.85  2858 karena angka penting di bilangan pertama lebih ke kiri relatif terhadap titik desimal. 3420 – 1300 + 25 = 2145  2100 karena angka penting di bilangan kedua terletak paling kiri relative terhadap titik desimal.



Bagaimana dengan aturan pembulatan? Untuk bilangan terakhir berupa 1 s/d 4dibulatkan ke bawah, 6 s/d 9 dibulatkan ke atas, dan 5 dibulatkan ke angka genap terdekat (misalnya 0.145 jika dibulatkan ke dua desimal akan menjadi 0.14).



Latihan soal scientific notation dan angka penting: 1. Tulis bilangan-bilangan di bawah ini dalam scientific notation and berikan berapa angka pentingnya. a. 28,950 b. 0.000714



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



12



c. 3,0182,500 d. 100.470 e. 2,500 2. Tulis bilangan-bilangan di bawah ini dalam scientific notation and berikan berapa angka pentingnya. a. 5.72 x 10-8 b. 0.0185 x 104 c. 2.08 x 1010 d. 4.69 x 103 e. 7.8326 x 10-5 3. Selesaikan operasi matematika di bawah ini dengan prinsip angka penting. a. (6.28)(201.9)/(0.000420) b. (2.54 x 105)/((4.8 x 103)(7.10 x 10-1)) c. 3620 – 648 + 29 d. 525.4 + 1240.32 – 77 4. Nilai pengukuran sebesar 3.8 mengindikasikan bahwa nilai sebenarnya berkisar antara 3.75  3.85. Berapa nilai range sebenarnya dari: a. 42 b. 2500



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



13



c. 6.49 x 10-2 d. 5.778 x 103 e. 1453.5



2.5.2



Rata-rata dan standar deviasi



Dalam suatu pengukuran, kita selalu mendapatkan hasil yang berbeda-beda. Contoh: pengukuran temperature dalam reaktor yang berada pada kondisi konstan dilakukan 5 kali dan dihasilkan sbb: Waktu (jam) 0 250.4



T (C)



0.5



1



2



3



248.7



246.9



254.8



252.5



Mengapa bisa berbeda-beda? Alasan: 



Ketelitian alat ukur mempengaruhi akurasi pengukuran







Faktor manusia







Nilai yang diukur tidak benar-benar konstan karena mempertahankan sistem dalam kondisi konstan tidak mudah



Sehingga perlu adanya satu nilai yang bisa mewakili kondisi sebenarnya yaitu nilai rata-rata. Sedangkan untuk melihat seberapa akurat nilai rata-rata tersebut perlu dihitung sebaran nilai  range, varian dan standar deviasi 1



1



Nilai rata-rata 𝑥 = 𝑁 𝑋1 + 𝑋2 + … . . + 𝑋𝑁 = 𝑁



𝑁 𝑗 =1 𝑥𝑗



Range = 𝑥𝑚𝑎𝑥 − 𝑥𝑚𝑖𝑛 1



Varian = 𝑠𝑥2 = 𝑁−1 𝑥1 − 𝑥



2



+ 𝑥2 − 𝑥



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



2



+ 𝑥3 − 𝑥



2



+ … … . + 𝑥𝑁 − 𝑥



2



14



Standar deviasi = 𝑠𝑥 =



𝑠𝑥2



Cari nilai rata-rata, range, varian, dan standar deviasi dari pengukuran di atas! Contoh soal: Suatu reactor mengkonversi reaktan A menjadi produk P menurut reaksi A P. Temperatur reactor dipertahankan 45C dengan aliran pendingin. Setelah 2 menit sejak reaksi berlangsung, sejumlah sampel diambil untuk analisis nilai X (berapa persen A yang bereaksi menjadi P atau dengan kata lain nilai konversi A menjadi P). Nilai yang didapat dari 10 kali pengambilan sampel adalah sbb:



Cari nilai rata-rata, range, varian, dan standar deviasi dari eksperimen tsb!



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



15



2.6



Dimensional homogeneity and dimensionless quantities



Persamaan dikatakan valid jika homogen secara dimensi yaitu semua bagian yang ditambahkan/dikurangkan memiliki dimensi yang sama. Contoh persamaan kecepatan: u (m/s) = u0 (m/s) + g (m/s2)t(s) Di kedua sisi kanan maupun kiri persamaan memiliki dimensi yang sama, dalam hal ini adalah (panjang/waktu). Contoh:



D(ft) = 3t(s) – 4



a. Jika persamaan ini valid, apa dimensi dan satuan dari konstanta 3 dan 4? b. Ubah persamaan di atas dengan panjang menggunakan satuan meter dan waktu menggunakan satuan menit.



2.7



Analisa data proses



Pengukuran variable proses merupakan hal utama dalam proses kimia. Beberapa variable bisa diukur dengan alat ukur, misalnya pengukuran temperature dengan thermometer, pengukuran tekanan dengan pressure gauge, laju alir dengan flow meter, dan lain-lain. Sebagian variable proses kimia tidak bisa diukur secara langsung sehingga perlu pengukuran tidak langsung yang menggunakan variable lain yang berhubungan dengan variable yang ingin diukur. Misalnya konsentrasi zat kimia C dalam reaktor bergantung pada temperature T. Konsentrasi C tidak bisa diukur secara langsung namun T bisa diukur dengan thermometer. Untuk mencari hubungan matematis antara C dan T perlu dilakukan



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



16



kalibrasi, yaitu mencari nilai C pada berbagai nilai T. Contoh hubungan antara dua variable ditunjukkan di gambar di bawah.



Gambar 2.1 Beberapa jenis hubungan antara 2 variabel (a) linear, (b) bisa linear atau bentuk lainnya, (c) eksponensial.



2.7.1



Interpolasi dan ekstrapolasi



Interpolasi bertujuan mencari nilai suatu variable berdasarkan data kalibrasi di mana nilai tersebut terletak di antara bilangan-bilangan data kalibrasi. Sebaliknya ekstrapolasi mencari nilai suatu variable berdasarkan data kalibrasi di mana nilai tersebut terletak di luar bilangan-bilangan data kalibrasi. Untuk bisa melakukan interpolasi atau ekstrapolasi, perlu adanya curve fitting. Curve fitting adalah pembuatan kurva yang menghubungan suatu variable dengan variable lainnya. Jenis curve fitting bisa linear maupun non-linear dan bisa dilakukan dengan software seperti Microsoft Excel.



Chapter 2: Pengantar Perhitungan Keteknikan



17



Chapter 3: Neraca Massa



Sistem dan lingkungan Sistem adalah tempat/lokasi/wilayah di mana proses (Fisika/Kimia/Biologi) berlangsung. Di luar sistem  lingkungan. Batas antara sistem dan lingkungan disebut system boundary.



3.1



Jenis-jenis proses



3.1.1



Batch, continuous, semi-batch



Proses batch: umpan (feed) dimasukkan ke dalam vessel lalu mengalami proses, selanjutnya hasilnya diambil. Tidak ada massa yang melewati system boundary saat proses berlangsung. Umumnya skala proses batch kecil atau medium.



Contoh: 



Beberapa jenis proses pembuatan obat-obatan







Fermentasi gula menjadi ethanol







Ekstraksi secara batch



Chapter 3: Neraca Massa



18



Proses kontinu (continuous process): ada aliran masuk (input) dan keluar (output) sepanjang proses berlangsung. Umumnya berskala besar.



Contoh: 



Proses distilasi kontinu







Proses ekstraksi kontinu







Reaktor kontinu



Proses semi-batch: proses di mana ada aliran masuk tapi tidak ada aliran keluar atau sebaliknya.



Contoh: 



Reaktor fed-batch di proses fermentasi







Proses pengosongan isi tangki bahan baku



3.1.2



Steady state and transient



Steady state adalah suatu kondisi di mana tidak ada perubahan sifat-sifat dalam sistem. Misalnya tekanan, temperature, komposisi massa, dan lain-lain konstan sepanjang proses berlangsung. Dalam neraca massa, steady state tercapai pada saat tidak ada akumulasi massa dalam sistem (accumulation = 0).



Chapter 3: Neraca Massa



19



Lawan dari steady state adalah kondisi transient (unsteady state). Pada saat transient, sifat-sifat sistem bisa berubah dan/atau terjadi akumulasi massa baik bertambah (positif) atau berkurang (negatif).



Berdasarkan pernyataan di atas maka proses batch dan semi-batch adalah transient sedangkan proses kontinu bisa bersifat transient atau steady. Perlu diketahui bahwa proses kontinu selalu diawali (start up) dengan proses batch atau semi-batch yang transient lalu mencapai suatu titik kondisi di mana steady state tercapai.



Latihan:



3.2



Neraca massa



Alam memiliki aturan-aturan fisis yang membatasi proses-proses. Salah satu hukum alam yang berlaku adalah Hukum Kekekalan Massa yaitu massa tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan. Neraca massa menjelaskan bahwa massa yang masuk suatu sistem ditambah perubahan massa akibat reaksi dan dikurangi massa yang keluar sistem adalah sama dengan akumulasi massa dalam sistem. Persamaan umum: In – out + (generation – consumption) = accumulation



Chapter 3: Neraca Massa



(3.2-1)



20



Gambar 3.1 Neraca massa







Jika steady state, accumulation = 0







Jika tidak ada reaksi kimia, generation = 0, consumption = 0



3.2.1



Neraca massa proses kontinu



Untuk proses kontinu yang steady maka persamaan neraca massa menjadi: In – out + (generation – consumption) = 0



(3.2-2)



Contoh: 1. Populasi suatu kota ditentukan oleh keluar masuk orang, angka kelahiran, dan angka kematian. Setiap tahun di kota A rata-rata ada 20,000 orang pindah masuk dan 10,000 orang pindah keluar. Angka kelahiran 5,000 per tahun dan kematian 3,000 per tahun. Tuliskan persamaan neraca massa untuk kota A! 2. Seribu kg per jam campuran benzene (B) dan toluene (T) mengandung 50 % massa benzene dipisahkan dengan proses destilasi menjadi dua bagian. Laju alir massa benzene di produk atas sebesar 450 kg/jam dan laju alir toluene di produk bawah sebesar 475 kg/jam. Destilasi beroperasi secara steady state.



Chapter 3: Neraca Massa



21



Buat neraca massa toluene dan benzene untuk mengetahui laju alir komponen di semua aliran!



3. A continuous process is set up for treatment of waste water. Each day, 100,000 kg cellulose and 1,000 kg bacteria enter the feed stream, while 10,000 kg cellulose and 15,000 kg bacteria leave in the effluent. The rate of cellulose digestion by the bacteria is 70,000 kg/day. The rate of bacterial growth is 20,000 kg/day; the rate of cell death by lysis is 500 kg/day. Write balances for cellulose and bacteria in the system. (Example from Doran, P.M (2013), Bioprocess Engineering Principles, page 90).



3.2.2



Neraca massa proses batch



Dalam proses batch neraca massa dinyatakan dengan: Accumulation = final output – initial input



(3.2-3)



Atau Accumulation = generation – consumption



(3.2-4)



Jika dirangkum: Initial input + generation = final output + consumption



(3.2-5)



Persamaan ini mirip dengan persamaan 3.2-2, namun perlu cermat bahwa di persamaan 3.2-2 acuan waktunya sama namun di persamaan 3.2-5 acuan waktunya berbeda antara awal dan akhir.



Chapter 3: Neraca Massa



22



Contoh: 1. Dua campuran air-methanol disimpan dalam dua bejana yang terpisah. Campuran pertama mengandung 40 % methanol dan campuran kedua mengandung 70 % methanol. Jika 200 g campuran I digabung dengan 150 g campuran II, berapa massa dan komposisi campuran akhir?



2. Udara dihembuskan ke drum mengandung cairan hexane dengan laju 0.100 kmol/min. Laju alir gas keluar dari drum mengandung 10.0 % mol uap hexane. Udara tidak larut dalam cairan hexane. Berapa waktu yang diperlukan untuk menguapkan semua cairan hexane di dalam drum jika diketahui volume hexane pada saat awal adalah 10 m3?



3.3



Perhitungan neraca massa



3.3.1



Flowchart



Dalam perhitungan Teknik Kimia, sering dijumpai sistem yang komplek sehingga butuh waktu yang lama untuk memahami persoalan yang ada, bahkan lebih lama dari



Chapter 3: Neraca Massa



23



waktu yang diperlukan untuk melakukan perhitungan penyelesaian soal. Untuk itu diperlukan penyusunan flowchart guna menjelaskan problem. Flowchart bisa berbentuk flow diagram yang menggunakan kotak-kotak atau symbol/gambar peralatan proses operasi (unit operations).



Gambar 3.2 Flowchart sederhana yang menjelaskan proses fermentasi



Contoh flowchart lainnya misalnya pada kasus ada gas mengandung oksigen dan nitrogen dicampur dengan propane di dalam ruang bakar yang beroperasi secara batch. Sebagian oksigen bereaksi dengan propane menghasilkan karbon dioksida dan air. Hasil pembakaran tersebut didinginkan untuk memisahkan air dengan cara kondensasi. Flowchart yang mungkin adalah seperti di gambar 3.3.



Dalam penulisan flowchart perlu diperhatikan label yang dipakai dan data apa saja yang tersedia dan perlu dicantumkan di flowchart.Tahap-tahap penulisan flowchart adalah



Chapter 3: Neraca Massa



24







Tulis nilai data beserta satuannya di aliran masing-masing. Misalnya diketahui ada aliran 400 mol/hour udara pada tekanan 1.4 atm dan temperature 320C masuk ke alat tertentu.



Unit operation X







Gunakan symbol aljabar tertentu untuk menyatakan aliran yang belum diketahui nilainya dan tulis pada aliran tersebut. Misal jika laju alir udara belum diketahui:



Jika komposisi udara belum diketahui:



Contoh: Flowchart proses air humidification dan oxygenation Udara dengan kelembaban dan kadar oksigen tertentu diperlukan dalam proses pertumbuhan organisme tertentu. Tiga aliran input dimasukkan ke dalam ruang evaporator untuk menghasilkan udara yang diinginkan.  Air (cair) dengan laju alir 20 cm3/min.  Udara, 21 % mol oksigen dan 79 % mol nitrogen  Oksigen murni dengan laju alir molar seperlima dari laju alir molar udara masuk



Chapter 3: Neraca Massa



25



Aliran udara keluar mengandung 1.5 % mol air. Gambar flowchart beserta labelnya dan hitung semua variable aliran yang belum diketahui!



Jawaban:



Chapter 3: Neraca Massa



26



Contoh: Balancing the mixing unit Larutan sodium hydroxide mengandung 20 % massa NaOH ingin diencerkan sampai 8.0 % massa NaOH dengan mencampurkan dengan air murni. Hitung berapa liter air murni diperlukan per kg larutan 20 % massa dan berapa rasio massa larutan encer dengan larutan yang lebih pekat!



Jawaban: 



Tentukan basis. Gunakan 100 kg umpan masuk sebagai basis perhitungan. Flowchart:







Jelaskan problem dengan symbol. Tentukan variable apa saja yang harus ditentukan. Dalam soal ini variable tersebut adalah V1 dan m2.







Hitung berapa variable yang belum diketahui dan berapa persamaan yang menghubungkan variable-variabel tersebut. Dalam kasus ini ada 3 variable yang belum diketahui yaitu m1, m2, dan V1. Pada kasus sistem tanpa ada reaksi



kimia,



jumlah



persamaan



independen



maksimum



yang



menghubungkan variable-variable adalah sama dengan jumlah komponen yang terlibat dalam sistem tersebut. Kita bisa menyusun 2 persamaan karena ada 2 komponen yaitu air dan NaOH. Untuk menyelesaikan 3 variable yang belum diketahui diperlukan 3 persamaan independen. Persamaan ketiga didapat dari densitas air yang menghubungkan variable m1 dan V1.



Chapter 3: Neraca Massa



27







3.3.2



Degree of freedom



Analisis degree of freedom (DOF) diperlukan untuk menentukan apakah di flowchart yang ada sudah memiliki informasi yang cukup guna penyelesaian soal. Sebelum melakukan analisis ini, gambar dan lengkapi flowchart sesuai problem. Hitung berapa variable yang tidak diketahui dan berapa persamaan independen yang menghubungkan variable-variable tersebut. DOF = number of unknowns – number of independent equation



(3.3-1)







DOF = 0  problem bisa diselesaikan







DOF > 0  underspecified; perlu ada data/persamaan tambahan agar problem bisa diselesaikan







DOF < 0  bisa jadi ada variable yang belum tertulis di flowchart atau persamaan yang ada terlalu banyak (overspecified).



Chapter 3: Neraca Massa



28



Contoh soal DOF Aliran udara lembab masuk condenser di mana 95 % dari uap air mengembun. Laju alir kondensat adalah 225 l/h. Udara kering mengandung 21 % mol oksigen dan sisanya nitrogen. Hitung laju alir udara keluar dari condenser beserta komposisinya dalam fraksi mol!



Jawab:



Dari flowchart di atas didapat 6 unknown variables 𝑛1 , 𝑛2 , 𝑛3 , 𝑛4 , 𝑛5 , 𝑛6 Tiga persamaan independen bisa dibentuk dari 3 komponen (O2, N2, H2O) dengan menyusun neraca massa komponen masing-masing. Tiga persamaan lainnya harus dicari dengan melihat hubungan antar variable. Persamaan ke-4 diperoleh dari hubungan antara laju alir volumetric dengan laju alir molar air di aliran kondensat. Persamaan ke-5 diperoleh dari data bahwa 95 % dari uap air mengembun dan menjadi aliran kondensat. Persamaan ke-6 tidak diperoleh sehingga DOF = 1 (underspecified) atau kekurangan informasi.



Bagaimana jika diketahui data tambahan bahwa udara masuk mengandung 10 % mol air (H2O)? Maka flowchart menjadi:



Chapter 3: Neraca Massa



29



Dengan ini jumlah variable berkurang menjadi 5 sedangkan sudah ada 5 persamaan independen, sehingga problem bisa diselesaikan.



3.3.3



Tahap-tahap dalam perhitungan neraca massa (single unit)



1. Pilih jumlah atau laju alir tertentu di salah satu aliran sebagai basis perhitungan. Jika tidak ada nilai yang diketahui, gunakan basis massa 100 kg/jam jika data fraksi massa tersedia di aliran tersebut atau 100 kmol/jam jika data fraksi mol yang tersedia. 2. Gambar flowchart. Tuliskan semua data (laju alir, fraksi massa atau mol, dll) di aliran masing-masing. Beri label pada variable aliran yang belum diketahui. Gunakan variable sesedikit mungkin (misalnya jika diketahui aliran 2 = 2 kali aliran 1, maka sebaiknya tulis laju aliran 2 sebagai 2n1, bukan n2. 3. Tuliskan problem yang harus diselesaikan dalam bentuk variable-variable yang belum diketahui 4. Jika data yang diberikan masih dalam satuan yang berbeda-beda (misalnya kmol/hour, lb/hour, lbmol/day, kg/s), pastikan melakukan konversi untuk menyamakan satuan massa maupun mol. 5. Lakukan analisis DOF. Cari jumlah variable yang belum diketahui. Susun persamaan-persamaan independen berdasarkan data spesifikasi proses yang ada, stoikiometri reaksi (jika ada reaksi kimia), batasan fisik, hubungan fisika, sifat fisis bahan (densitas, specific gravity, kelarutan, titik didih, titik beku, dll). Chapter 3: Neraca Massa



30



6. Jika DOF = 0, selesaikan persamaan-persamaan tersebut baik secara manual maupun dengan bantuan software. Saat menggunakan cara manual, mulai dengan persamaan yang paling sederhana yang melibatkan sedikit variable. 7. Hitung kuantitas dari variable-variable 8. Gunakan scale up atau scale down jika diperlukan. Scaling diperlukan jika di variable yang sama yang dipilih sebagai basis, basis perhitungan yang dipakai berbeda dengan nilai yang diminta di problem atau spesifikasi proses. Misalnya dalam soal diminta produk akhir P adalah 3250 kg/jam, namun untuk mempermudah perhitungan dipakai basis produk akhir P = 100 kg/jam. Maka hasil perhitungan laju alir massa di semua aliran harus di scale up sebesar 3250/100 kali. Contoh soal: Neraca massa di kolom destilasi Cairan mengandung 45.0% massa benzene (B) dan 55% massa toluene (T) diumpankan ke kolom destilasi. Produk atas yang meninggalkan puncak kolom (overhead product) mengandung 95% mol B dan produk bawah (bottom product) mengandung 8.0 % benzene yang diumpankan ke kolom. Laju alir volumetric umpan masuk adalah 2000 liter/hour dengan specific gravity umpan tersebut sebesar 0.872. Tentukan laju alir produk atas dan komposisi massa produk bawah!



Jawab: 1. Gunakan basis. Dalam soal ini diketahui laju alir umpan masuk / feed (F) = 2000 liter/hour. 2. Gambar flowchart dan beri label sesuai data soal.



Chapter 3: Neraca Massa



31



3. Problem yang diminta adalah mencari laju alir produk atas dan komposisi massa produk bawah. Laju alir produk atas ditulis sebagai 𝑚2 , produk bawah adalah 𝑚3 = 𝑚𝐵3 + 𝑚 𝑇3 , fraksi massa benzene di produk bawah 𝑥𝐵 = 𝑚𝐵3 /𝑚3 , fraksi massa toluene di produk bawah 𝑥𝑇 = 1 − 𝑋𝐵 . 4. Lakukan konversi untuk menyetarakan satuan. Gunakan basis 100 kmol overhead product. 100 kmol overhead product = 95 kmol B dan 5 kmol T  (95 kmol B) × (78.11 kg B/kmol B) = 7420 kg B dan (5 kmol T) × (92.13 kg T/kmol T) = 461 kg T.  7420 kg B + 461 kg T = 7881 kg campuran produk atas 7420



 𝑦𝐵2 = 7881 = 0.942 kg B/kg campuran produk atas 5. Analisis DOF 



4 unknown variables (𝑚1 , 𝑚2 , 𝑚𝐵3 , 𝑚 𝑇3 )







2 neraca massa komponen (karena ada 2 komponen dan tidak ada reaksi kimia)







1 persamaan densitas yang menghubungkan massa dan volume F







1 persamaan pemisahan (split) dari benzene (92 % di overhead, 8 % di bottom) Sehingga DOF = 4 – ( 2 + 1 + 1) = 0 (problem bisa diselesaikan)



6. Mulai dengan persamaan yang sederhana 7. Penyelesaian 



Konversi laju alir volumetric 𝑚1 = (2000 l/h)(0.872 kg/l) =1744 kg/h







Benzene split fraction 𝑚𝐵3 = 0.08(0.45)𝑚1 , 𝑚𝐵3 = 0.036 1744 = 62.8 benzene/h



Chapter 3: Neraca Massa



32







Neraca massa benzene 0.45𝑚1 = 𝑚2 𝑦𝐵2 + 𝑚𝐵3 , 784.8 = 𝑚2 0.942 + 62.8, 𝑚2 = 766 kg/h







Neraca massa toluene 0.55𝑚1 = 𝑚2 (1 − 𝑦𝐵2 ) + 𝑚 𝑇3 , 959.2 = 766(1 − 0.942) + 𝑚 𝑇3 𝑚 𝑇3 = 915 kg T/h







Aliran total bottom 𝑚3 = 𝑚𝐵3 + 𝑚 𝑇3 = 978 kg/h







Fraksi massa di top product 𝑦𝐵3 =



𝑚𝐵3 𝑚3



=



62.8 978



= 0.064 kg B/kg bottom product



𝑦𝑇3 = (1 − 𝑦𝐵3 ) = 0.936 kg T/kg bottom product 



Final check  neraca massa total 𝑚1 = 𝑚2 + 𝑚3 = 1744 = 766 + 978 , kg/h



3.4



Neraca massa di multiple unit



Dalam industri kimia selalu melibatkan lebih dari satu unit operasi Teknik Kimia. Definisi system dalam perhitungan neraca massa tergantung pada batasan (boundary yang dianalisis). Di gambar 3.3 boundary A menjelaskan proses secara overall di mana feed 1 + feed 2 + feed 3 = produk 1 + produk 2 + produk 3. Boundary B meliputi hanya sistem di mixing point antara feed 1 dan 2, boundary C meliputi sistem unit 1, boundary D meliputi sistem pemisahan, dan boundary E meliputi sistem unit 2.



Gambar 3.3 Flowchart multiple unit sederhana yang terdiri dari 2 unit. Boundary yang ada dibuat dengan garis putus-putus di mana dapat dibuat neraca massa.



Chapter 3: Neraca Massa



33



Adapun prosedur perhitungan neraca massa adalah sama seperti di single unit, namun di multiple unit perlu perhitungan per sistem kecil yang merupakan bagian dari sistem overall untuk mempermudah penyelesaian. Analisis DOF dilakukan per sistem kecil dan secara overall jika perlu. Contoh soal: Two unit process



Jawab: Terapkan langkah-langkah seperti dijelaskan di section 3.3.3



3.5



Recycle and Bypass



Pada umumnya proses di unit operasi Teknik Kimia tidak 100 % efisien dalam artian tidak semua feed terkonversi menjadi produk. Ada sebagian kecil yang tidak bereaksi



Chapter 3: Neraca Massa



34



di reactor atau tidak terpisah di separator sehingga harus dimanfaatkan kembali. Maka diperlukan adanya recycle agar sisa feed tersebut bisa dimasukkan kembali ke unit operasi atau reactor.



Gambar 3.4 Contoh aliran proses dengan recycle di mana terjadi reaksi A  B di reactor namun ada sebagian A yang tidak bereaksi. Di separator sebagian besar A yang tidak bereaksi dipisahkan dan direcycle.



Contoh: Recycle di unit air conditioner Udara fresh mengandung 4 % mol uap air diumpankan ke unit AC agar kadar airnya turun menjadi 1.7 %. Sebelum masuk unit AC, udara fresh dicampur dengan aliran recyle yang berasal dari unit AC. Campuran yang dihasilkan mengandung 2.3 % uap air. Di unit AC, sebagian uap air terkondensasi dan dipisahkan sebagai cairan yang dikeluarkan. Sebagian udara yang keluar dari AC direcycle dan sisanya dilepas ke ruangan. Dengan basis 100 mol udara yang lebih kering (keluar dari AC), tentukan jumlah udara fresh, jumlah mol air yang terkondensasi, dan jumlah udara yang direcycle. Jawab:



Chapter 3: Neraca Massa



35



Bypass: adalah jika ada aliran yang tidak masuk ke unit proses namun melewati dan bercampur dengan aliran keluar dari unit proses tersebut.



Gambar 3.5 Bypass



3.6



Stoichiometry reaksi



Dalam reaksi kimia berlaku prinsip-prinsip dasar yang perlu diperhatikan dalam penyusunan neraca massa. Adanya reaksi menyebabkan adanya generasi dan konsumsi di persamaan neraca massa di persamaan 3.1.2 In – out + (generation – consumption) = accumulation Generation ≠ 0, consumption ≠ 0



3.6.1



Stoichiometry



Stoichiometry menjelaskan proporsi dan perbandingan jumlah molekul dari masingmasing zat kimia dalam reaksi berdasarkan hukum neraca massa.



Chapter 3: Neraca Massa



36



Misalnya reaksi N2 (g) + 3 H2 (g) ↔ 2 NH3 (g) Persamaan di atas berarti ada satu molekul nitrogen bereaksi dengan tiga molekul hydrogen untuk membentuk dua molekul amoniak. Massa reaktan adalah massa gas nitrogen (28) dan massa gas hydrogen (3 x 2), harus sama dengan massa produk gas ammonia (2 x 17). Dengan stoichiometry yang tepat maka suatu persamaan reaksi dikatakan seimbang (balanced).



3.6.2



Limiting reactant, excess, fractional conversion



Seringkali dalam reaksi kimia tidak semua reaktan yang ada habis bereaksi untuk membentuk produk. Ada reaktan tersisa yang diakibatkan jumlah reaktan lainnya secara stoichiometry tidak cukup untuk menghabiskan reaktan tersebut atau konversi reaksi yang berlangsung tidak sempurna. Limiting reactant adalah reaktan yang akan habis terlebih dulu sehingga membatasi perjalanan reaksi kimia tersebut. Sedangkan reaktan satunya yang tersisa disebut excess reactant.



Percent excess =



𝑛 𝐴 𝑓𝑒𝑒𝑑 − 𝑛 𝐴 𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐 x 100% 𝑛 𝐴 𝑠𝑡𝑜𝑖𝑐



Fractional conversion = moles reacted / mol feed Latihan: 1. Untuk reaksi pembakaran karbon monoksida yaitu CO (g) + ½ O2 (g)  CO2 (g) a. Tentukan berapa kg gas karbondioksida maksimum yang dihasilkan jika ada 28 kg gas karbonmonoksida yang terbakar. b. Jika jumlah gas oksigen yang ada hanya 4 gram, tentukan mana limiting reactant, excess, dan fractional conversion. Contoh soal: Acrylonitrile diproduksi dari reaksi antara propylene, ammonia, dan oxygen.



Chapter 3: Neraca Massa



37



C3H6 + NH3 + 1.5 O2  C3H3N + 3 H2O Umpan masuk terdiri dari 10.0 % mol propylene, 12 % mol ammonia, dan 78 % mol udara. Fractional conversion berdasarkan limiting reactant adalah sebesar 30 %. Gunakan 100 mol umpan sebagai basis, tentukan mana limiting reactant, persentase excess reaktan-reaktan lainnya, dan jumlah molar setiap komponen di aliran keluar.



Jawaban:



Chapter 3: Neraca Massa



38



Chapter 3: Neraca Massa



39



References



1. Richard M. Felder, Ronald W. Rousseau (2004) Elementary Principles of Chemical Processes, 3rd edition, Wiley 2. David M. Himmelblau, James B. Riggs (2003) Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering (7th Edition), Prentice Hall 3. Doran, P.M (2013), Bioprocess Engineering Principles, 2nd edition, Academic Press



40



Appendix A:



Appendix A:



41