LK 1 Asas Dan Operasi Teknik Kimia [PDF]

Citation preview

Nama



: Bonaventura Pura Teviriani



Kelas



: Teknik Kimia



LK 1



: Lembar Kerja Belajar Mandiri



Judul Modul Judul Kegiatan Belajar (KB)



N o 1



Butir Refleksi Daftar peta konsep (istilah dan definisi) di modul ini



Modul 1 Asas Dan Operasi Teknik Kimia 1. Asas Teknik Kimia 1 2. Asas Teknik Kimia 2 3. Operasi Teknik Kimia 1 4. Operasi Teknik Kimia 2 Respon/Jawaban



KB 1 : Asas Teknik Kimia 1 (Neraca Massa dan Neraca Energi) Neraca massa adalah neraca materi dari bahan masuk, bahan keluar, dan bahan tersimpan. Neraca massa sangat penting dalam pengendalian suatu proses (proses batch dan kontinyu), khususnya dalam mengendalikan jumlah produk yang dihasilkan. Prinsip dasar : hukum kekekalan massa. Massa masuk = Massa keluar + Massa yang tersimpan Bahan baku = Produk + Limbah + Bahan yang tersimpan. mR = mP + mW + mS Terbagi 2 : 1. Neraca massa dengan reaksi kimia 2. Neraca massa tanpa reaksi kimia Urutan kerja dalam Neraca massa : 1. Pilih dan tentukan basis perhitungan. 2. Buat diagram alir sederhana sistem proses yang ditinjau. 3. Perhitungan Neraca massa. Neraca energi adalah persamaan matematis yang menyatakan hubungan antara energi masuk dan energi keluar suatu sistem pada tahap-tahap proses maupun seluruh proses (proses batch dan kontinyu) berdasarkan pada satuan waktu operasi. Prinsip dasar : hukum kekekalan energi. Ein + Q = E + Eout + Euse Bentuk energi yang seringkali ditemukan dalam suatu proses teknik kimia adalah : 1. Energi dalam (U) 2. Kerja (W) 3. Energi potensial (EP) 4. Energi kinetik (Ek) Terbagi 2 : 1. Neraca energi dengan reaksi kimia 2. Neraca energi tanpa reaksi kimia Peta Konsep KB 1 : Asas Teknik Kimia 1 (Neraca Massa dan Neraca Energi)



KB 1 : Asas Teknik Kimia 1



Neraca Massa (NM)



Neraca Energi (NE)



Terbagi 2 : 1. NM dengan reaksi kimia 2. NM tanpa reaksi kimia



Pengetian NM



Terbagi 2 : 1. NE dengan reaksi kimia 2. NE tanpa reaksi kimia



Pengertian NE



Urutan kerja NM : 1. Basis perhitungan 2. Diagram alir sederhana 3. Perhitungan NM



Prinsip Dasar NM



Bentuk Energi



Prinsip dasar NE



KB 2 : Asas Teknik Kimia 2 (Fenomena Transpor) FENOMENA TRANSPOR Fenomena transpor adalah studi mengenai ketiga proses transfer yang terdapat dalam teknik kimia. Proses transpor ada 3 yaitu : 1. Transfer momentum (disebut juga aliran fluida). Transfer berkaitan dengan perpindahan momentum yang terjadi pada media yang bergerak, seperti dalam unit operasi aliran fluida, pengendapan (sedimentasi), dan pencampuran. 2. Transfer panas. Perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain, hal ini terjadi pada unit operasi perpindahan panas, pengeringan (drying), penguapan (evaporation), distilasi, dan lain-lain. 3. Transfer massa. Masssa dipindahkan dari satu jenis fasa ke jenis fasa lainnya, terjadi pada unit operasi distilasi, penyerapan (absorption), ekstraksi cair-cair, pemisahan membran, penjerapan (adsorption), dan pelindian (leaching). Transfer momentum (aliran fluida) Fluida dapat didefinisikan sebagai zat yang tidak tahan distorsi secara permanen sehingga akan berubah bentuknya. Studi tentang transfer momentum disebut dengan mekanika fluida, dibagi menjadi dua cabang: fluida statis (fluide at rest) dan fluida dinamis (fluida in motion). Transfer panas Transfer panas terjadi karena perbedaan tenaga pendorong dan aliran panas dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu lebih rendah, dapat melalui tiga mekanisme dasar transfer panas yaitu konduksi, konveksi, atau radiasi. Dalam mekanisme konduksi, panas dapat dialirkan melalui padatan, cairan, dan gas. Dalam konduksi, energi juga dapat ditransfer oleh elektron bebas, yang umumnya terjadi dalam padatan logam. Dalam mekanisme radiasi tidak memerlukan



medium fisik untuk proses perambatannya, merupakan transfer energi melalui ruang melalui gelombang elektromagnetik dengan cara yang sama seperti gelombang cahaya elektromagnetik mentransfer cahaya. Transfer massa Transfer massa terjadi ketika komponen dalam campuran bermigrasi dalam fasa yang sama atau dari satu fasa tertentu ke fasa lain karena perbedaan konsentrasi antara dua titik. Pengukuran aliran fluida Alat pengukur aliran fluida yang sangat banyak digunakan adalah tabung pitot dan venturi meter. Tabung pitot digunakan untuk mengukur kecepatan lokal pada titik tertentu dalam suatu arus aliran dan bukan kecepatan ratarata arus aliran dalam pipa atau saluran. Venturi meter umumnya langsung dimasukkan ke dalam pipa yang berisi fluida, manometer atau perangkat lain terhubung pada dua keran tekanan untuk mengukur perbedaan tekanan p1 − p2 antara 2 titik tersebut. PENGADUKAN & PENCAMPURAN FLUIDA Pengertian Pengadukan merupakan suatu usaha secara cara mekanis pada suatu fluida agar mengalir dalam suatu sirkulasi di dalam suatu bejana. Peralatan pengadukan Beberapa jenis pengaduk/agitator yang biasa digunakan : 1. Jenis baling-baling laut berbilah tiga (three-blade propeller agitator) 2. Jenis dayung (paddle agitator) 3. Jenis jangkar (anchor paddle agitator) 4. Jenis turbin (turbine agitator) 5. Jenis pita heliks (helicalribbon agitator) Pencampuran Pencampuran adalah pendistribusian dua zat atau lebih sehingga dapat tersebar secara homogen. Agar proses pencampuran dapat bersifat homogen, diperlukan suatu pengaduk (agitator). Terbagi 3 jenis pencampuran : 1. Serbuk Jenis alat paling sederhana yang cocok untuk pencampuran ini adalah tumbler. Jenis tumbler yang umum digunakan adalah blender kerucut ganda (doublecone blender). 2. Bahan kental 3. Pasta Pengaduk dapat berupa pengaduk jangkar (Gate impeller). Mixer yang paling umum digunakan untuk pasta yang sangat kental dan adonan adalah mixer kneader lengan ganda. UNIT OPERASI TEKNIK KIMIA Proses pemisahan (unit operasi) yang penting dapat digolongkan sebagai berikut :



1. Penguapan (evaporation). Proses perpindahan panas yang berhubungan dengan penguapan pelarut yang volatile (seperti air) dari zat terlarut yang nonvolatile (seperti garam atau zat lain) dalam larutan. 2. Pengeringan (drying). Dalam Unit operasi ini, cairan yang mudah menguap (umumnya air) dikeluarkan dari zat padat. 3. Penyulingan (distillation). Pada unit operasi ini komponen campuran cair dipisahkan dengan mendidihkannya, pemisahan terjadi karena perbedaan tekanan uap zat-zat cair dalam campuran. 4. Pemisahan dengan membran (membrane separation). Unit operasi ini melibatkan pemisahan zat terlarut dari suatu fluida melalui difusi zat terlarut dari cairan atau gas melewati suatu penghalang yang terbuat dari membran semipermeabel ke fluida lain. 5. Penjerapan (adsorpsi). Pada unit operasi ini komponen suatu aliran gas atau cairan dihilangkan dengan cara dijerap oleh padatan adsorben. 6. Pertukaran ion (ion exchange). Ion-ion tertentu dalam larutan dipindahkan dari cairan melalui padatan penukar ion. 7. Pelindian cair-padat (liquid-solid leaching). Unit operasi ini melibatkan perlakuan pemisahan padatan dan cairan yang larut dan menghilangkan zat terlarut yang terkandung dalam padatan. 8. Kristalisasi (crystallization). Unit operasi ini menyangkut pemisahan zat terlarut (seperti garam) dari larutan dengan mengendapkan zat terlarut dari larutan. 9. Pemisahan mekanik-fisik (mechanical-physical separations). Unit operasi ini melibatkan pemisahan padatan, cairan, atau gas dengan cara mekanik seperti penyaringan, pengendapan, sentrifugasi, dan reduksi ukuran. 10.Penyerapan (absorption). Pada unit operasi ini komponen dikeluarkan dari aliran gas melalui perlakuan dengan suatu cairan. Peralatan untuk absorpsi umumnya menggunakan suatu tray, yang dapat berupa sieve-tray, valve-tray, atau bubble-cup tray. 11.Ekstraksi cair-cair (liquid-liquid extraction). Pada unit operasi ini zat terlarut dalam larutan cair dihilangkan dengan cara menghubungkan dengan cairan pelarut lain yang relatif tidak dapat larut dengan larutan tersebut. Peralatan ekstraksi pelarut sistem batch biasanya menggunakan mixer-settlers, sedangkan pada sistem kontinu proses ekstraksi menggunakan menara ekstraksi (extraction tower). Peta Konsep



KB 2 : Asas Teknik Kimia 2 (Fenomena Transpor) KB 2 : Asas Teknik Kimia 2 (Fenomena Transpor)



Fenomena transpor



Transfer momentum/Mekan ika fluida



abang : 1. Fluida statis 2. Fluida dinamis



Transfer panas 1. Konduski 2. Konveksi 3. Radiasi



Pengukuran aliran fluida : 1. Tabung Pitot 2. Venturi meter



Transfer massa



Pengadukan & Pencampuran



Tujuan pengadukan cairan



Macam pencampuran



Peralatan pengadukan



Unit operasi teknik kimia



Penguapan (Evaporation)



Pengeringan (Drying)



Penyulingan (Distillation)



Pemisahan dengan membran



Penjerapan (Adsorption)



Pertukaran ion



Pelidian cair-padat



Kristalisasi



Pemisahan mekanik fisik



Penyerapan (Absorption)



Ekstraksi cair-cair



KB 3 : Operasi Teknik Kimia 1 Unit Operasi Distilasi Distilasi adalah suatu metode yang digunakan untuk memisahkan komponen-komponen cair dalam suatu larutan, yang tergantung pada distribusi komponen-komponen tersebut antara fasa uap dan fasa cair. Tiga jenis distilasi penting yang terjadi pada metode distilasi satu tahap : 1. distilasi kesetimbangan (flash distillation). Campuran cairan diuapkan secara parsial, uap dibiarkan mencapai kesetimbangan dengan cairan, dan fasa uap dan cair kemudian dipisahkan. Proses distilasi ini dapat dilakukan secara batch atau kontinu. 2. distilasi diferensial (simple batch distillation). Cairan dimasukkan ke dalam ketel atau labu yang dipanaskan. Cairan dalam ketel atau labu dididihkan secara perlahan dan uap yang terbentuk ditarik secepat mungkin ke dalam suatu kondensor, yang mana uap yang terkondensasi (distilat) dikumpulkan. 3. distilasi uap sederhana. Digunakan untuk memisahkan komponen dengan titik didih tinggi dari sejumlah kecil pengotor yang tidak mudah menguap. 4. Distilasi fraksional dengan refluks. Serangkaian tahap flash evaporation yang disusun sedemikian rupa sehingga uap dan produk cair dari masing-masing tahap mengalir dengan arah yang saling berlawanan satu sama lain. Unit Operasi Reduksi Ukuran Secara Mekanik (Mechanical Size Reduction) Penghancuran (crushing) dan penggilingan (grinding), digunakan untuk menunjukkan pembagian partikel padat berukuran besar



menjadi partikel dengan ukuran yang lebih kecil. Penekanan (compression) atau penghancuran (crushing) umumnya digunakan untuk mereduksi ukuran padatan yang bersifat keras menjadi ukuran kasar. Gesekan atau gosokan dapat menghasilkan padatan yang halus. Pemotongan (cutting) digunakan untuk memberikan ukuran yang pasti dan sesuai dengan yang diinginkan. Peralatan Reduksi Ukuran Klasifikasi peralatan reduksi ukuran antara lain crushers (penghancur), grinders (penggiling), fine grinders (penggiling halus), dan cutters (pemotong). Crusher terbagi menjadi Jaw crushers, Gyratory crushers, Roll crusher. Grinder terbagi menjadi Hammer mill grinders, Revolving grinding mills. Peta Konsep KB 3 : Operasi Teknik Kimia 1 1. distilasi kesetimbangan (flash distillation) Distilasi satu tahap



2. distilasi diferensial (simple batch distillation)



KB 3 : Operasi Teknik Kimia 1



Unit Operasi Distilasi



3. distilasi uap sederhana. Distilasi bertingkat/distilasi kolom



Peralatan distilasi : Mrenara distilasi fraksional Penggilingan (grinding) Penghancuran (crushing)



Jenis Umit Operasi



Penekanan (compression) penghancuran (crushing) Gesekan / gosokan



Unit Operasi Reduksi Ukuran Secaea Mekanik (Mechanical Size Reduction)



Pemotongan (cutting) Penghancur (Crusher) Jenis peralatan



Penggiling (Grinder) Penggiling halus (Fine grinder) Pemotong (Cutter)



KB 4 : Operasi Teknik Kimia 2 Unit Operasi Penukar Panas Prinsip kerja Alat Penukar Panas Perpindahan panas berlangsung dari fluida panas ke permukaan dinding atau tabung secara konveksi, menembus dinding tabung atau plat secara konduksi, dan kemudian secara konveksi menuju fluida yang lebih dingin. Dalam suatu proses industri perpindahan panas antara dua fluida pada umumnya dilakukan dalam suatu alat penukar panas.



Jenis-jenis alat penukar Panas 1. Penukar Panas Pipa Ganda (Double Pipe Heat Exchanger) Pada alat penukar panas ini, satu fluida mengalir di dalam satu pipa dan fluida lain menalir di ruang annular antara kedua pipa, aliran fluida bisa mempunyai arah yang sama atau bisa juga berlawanan dan berguna terutama untuk laju aliran kecil. 2. Penukar Panas Cangkang-Tabung (Shell and Tube Heat Exchanger) Fluida dingin masuk dan mengalir melalui bagian dalam semua tabung secara paralel dalam satu lintasan. Fluida panas masuk di ujung lain dan mengalir berlawanan arah di bagian luar tabung, tetapi di dalam cangkang. Arus fluida bersifat kontinu, digunakan untuk aliran yang lebih besar. 3. Penukar panas Aliran Lintang (Cross Flow Heat Exchanger) Dalam alat penukar panas aliran lintang, salah satu fluida (yang merupakan cairan) mengalir di dalam suatu tabung dan gas mengalir secara melintang di luar tabungtabung secara konveksi paksa (diberi suatu gaya) atau alami. Umumnya digunakan untuk mendinginkan atau memanaskan gas, misalnya udara. Unit Operasi Evaporasi Prinsip Evaporasi Perpindahan panas pada cairan mendidih dimana uap yang dihasilkan dari larutan mendidih dihilangkan dan terbentuklan larutan yang lebih pekat. Faktor-faktor yang mempengaruhi proses evaporasi : 1. Konsentrasi larutan 2. Kelarutan 3. Sensitivitas suhu dari material 4. Berbusa atau berbuih 5. Tekanan dan suhu 6. Pengendapan kerak dan bahan konstruksi evaporator Jenis peralatan evaporasi : 1. Ketel terbuka atau panci. 2. Evaporator sirkulasi alami tabung horizontal (horizontaltube natural circulation evaporator). 3. Evaporator sirkulasi alami jenis vertikal (vertical-type natural circulation evaporator). 4. Evaporator tabung panjang jenis vertikal (long-tube verticaltype evaporator). 5. Evaporator jenis film jatuh (falling-film-type evaporator). 6. Evaporator jenis sirkulasi paksa (forced-circulation-type evaporator). 7. Evaporator film teraduk (Agitated-film evaporator). 8. Open-pan solar evaporator. Metode Operasi Evaporator 1. Evaporator satu tahap (single-effect evaporators). Umpan segar masuk ke penukar panas, uap yang terkondensasi menghasilkan kondensat yang menetes. Larutan dalam evaporator diasumsikan sepenuhnya tercampur terdiri dari produk dengan konsentrasi pekat dan



larutan dalam evaporator. 2. Evaporator multi-tahap umpan maju (forward-feed multipleeffect evaporators). Sejumlah panas laten tersebut dapat diambil dan digunakan kembali dengan menggunakan evaporator multi-tahap 3. Evaporator multi-tahap umpan balik (Backward-feed multipleeffect evaporators). Merupakan evaporator tiga tahap, umpan segar dimasukkan pada tahap terakhir dan terdingin dan berlanjut hingga produk pekat meninggalkan tahap pertama. 4. Evaporator multi-tahap umpan paralel (parallel-feed multipleeffect evaporators). Umpan paralel dalam evaporator multi-tahap melibatkan penambahan umpan segar dan pengambilan produk pekat dari masing-masing tahap. Uap dari masing-masing tahap masih digunakan untuk memanaskan tahap berikutnya. Unit Operasi Kristalisasi Prinsip Kristalisasi Kristalisasi merupakan proses pemisahan padat-cair yang mana perpindahan massa terjadi dari zat terlarut dari larutan cair ke fasa kristal padat murni. Preralatan Operasi Kristalisasi Peralatan untuk operasi kristalisasi disebut crystallizer dan diklasifikasikan menurut apakah beroperasi secara batch atau kontinu. Beberapa alat crystallizers : 1. Crystallizers tank Larutan jenuh panas dibiarkan mendingin di dalam tangki terbuka. Setelah periode waktu tertentu, cairan induk dikeringkan dan kristal dipisahkan. 2. Scraped surface crystallizers Salah satu jenis scraped surface crystallizers adalah crystallizer Swenson-Walker. Pengaduk spiral berkecepatan lambat berputar dan mensuspensikan kristal yang tumbuh saat berputar. Bilah pengaduk menyerempet dinding sehingga menghancurkan endapan kristal pada dinding yang didinginkan. 3. Circulating-liquid evaporator-crystallizer Alat ini merupakan kombinasi evaporator dan crystallizer. 4. Circulating-magma crystallizer Pada crystallizer jenis magma-bersirkulasi, magma atau suspensi kristal disirkulasikan keluar dari tubuh utama crystallizer melalui pipa sirkulasi dengan bantuan pompa. Unit Operasi Filtrasi Prinsip Filtrasi Pada proses filtrasi, partikel padat yang tersuspensi dalam fluida cair atau gas dipisahkan secara fisik atau mekanis dengan menggunakan media berpori yang dapat menahan partikel padat dan meneruskan filtrat bening. Jenis-jenis Peralatan Filtrasi :



1. 2. 3. 4.



Bed Filter Plate-and-frame filter presses Leaf filter Continuous rotary filters



Unit Operasi Pengeringan Prinsip Pengeringan Pengeringan (drying) berkaitan dengan penghilangan air dari material yang sedang diproses. Proses pengeringan dapat digolongkan sebagai batch dan kontinu. Jenis-jenis Peralatan Pengeringan : 1. Tray dryers Material yang berupa cairan kental (pasta) atau padatan, disebarkan secara merata pada nampan logam hingga kedalaman 10 hingga 100 mm. 2. Vacuum-shelf indirect dryers merupakan pengering untuk proses batch yang dipanaskan secara tidak langsung dan serupa dengan tray dryers. 3. Continuous tunnel dryers Pengering terowongan kontinu seringkali merupakan suatu truk batch atau kompartemen tray yang dioperasikan secara seri. 4. Rotary dryer Pengering berputar terdiri dari silinder berlubang yang diputar dan biasanya sedikit condong ke arah saluran keluar. 5. Drum dryer Pengering drum terdiri dari gulungan logam yang dipanaskan, di bagian luarnya menempel lapisan tipis cairan atau bubur umpan yang akan diuapkan hingga kering. 6. Spray dryer Pada pengering semprot, umpan berupa larutan atau bubur disemprotkan ke dalam aliran udara panas dalam bentuk kabut tetesan halus. Peta Konsep KB 4 : Operasi Teknik Kimia 2



KB 4 : Operasi Teknik Kimia 2



Unit operasi penukar panas



Unit operasi evaporasi



Unit operasi kristalisasi



Unit operasi filtrasi



Unit operasi pengeringan



Prinsip operasi penukar panas



Prinsip operasi evaporasi



Prinsip operasi kristalisasi



Prinsip operasi filtrasi



Prinsip operasi pengeringan



Jenis peralatan penukar panas



Metode operasi evaporasi



Jenis Peralatan kristalisasi



Jenis peralatan filtrasi



Jenis peralatan pengeringan



Faktor yang mempengaruhi evaporasi



Jenis Peralatan evaporasi



2



Daftar materi yang sulit dipahami di modul ini



KB 1 : Asas Teknik Kimia 1 (Neraca Massa dan Neraca Energi) 1. Neraca massa dengan reaksi kimia dan perhitungannya. 2. Neraca energi dengan reaksi kimia.dan perhitungannya. KB 2 : Asas Teknik Kimia 2 (Fenomena Transpor) 1. Transfer momentum/mekanika fluida KB 3 : Operasi Teknik Kimia 1 1. Perhitungan dalam unit operasi distilasi. KB 4 : Operasi Teknik Kimia 2 1. Metode evaporasi evaporator multi tahap umpan maju, evaporator multi tahap umpan balik dan evaporator multi tahap umpan paralel 2. Kesetimbangan kelarutan dalam kristalisasi.



3



Daftar materi yang sering mengalami miskonsep si



KB 1 : Asas Teknik Kimia 1 (Neraca Massa dan Neraca Energi) 1. Neraca massa dengan reaksi kimia dan tanpa reaksi kimia 2. Neraca energi dengan reaksi kimia dan tanpa reaksi kimia. KB 2 : Asas Teknik Kimia 2 (Fenomena Transpor) 1.Pengadukan dan Pencampuran KB 3 : Operasi Teknik Kimia 1 KB 4 : Operasi Teknik Kimia 2 1. Evaporasi dan pengeringan