Neraca Massa Sistem Tanpa Reaksi [PDF]

Citation preview

Neraca Massa Sistem Tanpa Reaksi Budi Mandra Harahap, STP, MT (BUD) Program Studi Teknologi Industri Pertanian Fakultas Teknologi Industri Pertanian Universitas Padjajaran 2018/2019



Dasar Neraca Massa Apa itu System Boundary? Open/flow system? Closed/batch system? Neraca massa yang dibahas adalah proses-proses dengan kondisi tunak (steady state) yang berarti massa masuk = massa keluar (Hukum kekekalan massa) Input



Proses



Output



Akumulasi dalam sistem = Input – Output + pembentukan (generation) didalam sistem – pemakaian (consumption) di dalam sistem



Awal Steady state system



Positive Accumulation



Negative Accumulation



Unsteady state system (transient)



Sifat Persamaan Neraca Massa • Jika suatu sistem pemroses melibatkan S buah komponen maka persamaan neraca massa yang dapat disusun adalah sebanyak S + 1 buah persamaan • Dari S + 1 buah persamaan tsb. Hanya sebanyak S persamaan yang TTSL (tidak terhubung secara linier/linearly independent) Persamaan Umum Neraca Massa: 𝐹𝑖 𝑤𝑖,𝑗 = 𝑖=𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘



𝐹𝑖 𝑤𝑖,𝑗 𝑖=𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟



Persamaan neraca total sistem 𝐹𝑖 = 𝑖=𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘



i = aliran j = komponen



Jumlah fraksi komponen dalam satu aliran 𝑠



𝐹𝑖 𝑖=𝑎𝑙𝑖𝑟𝑎𝑛 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟



Notasi: Fi = laju alir massa aliran i (massa/waktu) Fi,j = laju massa komponen j dalam aliran I (massa/waktu) Ni = laju alir mol aliran I (mol/waktu)



𝑤𝑖,𝑗 = 1 𝑗=1



Ni,j = laju alir mol komponen j dalam aliran I (mol/waktu) Wi,j = fraksi massa komponen j dalam aliran i Xi,j = fraksi mol komponen j dalam aliran i



Analisis Derajat Kebebasan Analisis derajat kebebasan (ADK) = untuk memeriksa spesifikasi persoalan neraca massa dan energi. Kriteria dalam ADK: DK > 1 = soal kekurangan data (under-specified)  untuk menyelesaikannya dibutuhkan data tambahan/persamaan lain DK = 0 = soal well-specified  dapat diselesaikan dengan baik dan hasilnya tunggal DK < 0 = kelebihan data (over-specified)  dapat diselesaikan tapi menghasilkan lebih dari satu jawaban sehingga data harus disisihkan terlebih dahulu Untuk Sistem Multi Unit: Perhitungan: DK = A – B – C – D – E 1. Masing-masing unit dan sistem overall A = banyaknya variabel dalam aliran ditentukan derajat kebebasannya B = banyaknya persamaan neraca massa TTSL 2. DK sistem overall hanya melibatkan aliran masuk dan keluar tanpa aliran dalam C = banyaknya komposisi yang tidak diketahui proses D = banyaknya laju alir yang diketahui E = banyaknya persamaan hubungan pendukung 3. Banyaknya pers. TTSL dari neraca massa semua unit penyusunnya 4. Overall harus well-specified walaupun masing-masing unit under-specified dan tidak boleh ada yang over-specified



Strategi Penyelesaian Neraca Massa Tunggal Tanpa Reaksi Contoh: Proses distilasi-ekstraktif untuk memisahkan alkohol dan air dilakukan dalam suatu kolom distilasi dengan menggunakan benzen murni. Konsentrasi alkohol dalam umpan sebesar 40%. Distilasi menghasilkan alkohol murni sebagai bottom product sedangkan distilat memiliki komposisi 24% air, 75% benzen, dan sisanya alkohol. Tentukan banyaknya benzen yang harus ditambahkan untuk menghasilkan 1000 kg/jam alkohol murni. F3, Distilat Alkohol = 1% Air = 24% Benzena = 75%



F1, umpan Alkohol = 40% Air = 60% Kolom Distilasi F2, benzena Benzena = 100%



F4, Produk = 1000 kg/jam Alkohol = 100%



Strategi Penyelesaian Neraca Massa Tunggal Tanpa Reaksi Analisis Derajat Kebebasan No



Kriteria



1



Variabel aliran



7



2



Neraca massa TTSL



-3



3



Komposisi diketahui



-3



4



Laju alir diketahui



-1



5



Basis



0



6



Hub. Pendukung



0



7



Derajat Kebebasan



0



Neraca massa total? Neraca massa komponen? Selesaikan dengan menggunakan matriks



Nilai



Keterangan



Strategi Penyelesaian Neraca Massa Multi Unit Tanpa Reaksi Sistem pemroses terdiri dari dua kolom distilasi digunakan untuk operasi pemisahan komponen. Umpan sistem adalah campuran (fraksi mol) 20% etana, 40% propana, dan 40% buatana dengan laju alir 2000 mol/jam. Campuran dipisahkan dikolom distilasi 1 untuk menghasilkan distilat dengan komposisi 95% etana, 4% propana, dan 1% butana. Produk bawah kolom distilasi 1 diumpankan ke kolom distilasi 2, untuk menghasilkan distilat dengan komposisi 99% propana dan 1% butana dan produk bawah yang terdiri atas 8,4% propana dan 91,6% butana. Tentuka laju-laju alir dan komposisi semua aliran pada sistem pemroses ini Fraksi etana (2): Fraksi Propana (4): F2 = …? F4 = …? X2,a = 95% X4,a = 0% X2,b = 4% X4,b = 99% X2,c = 1% X4,c = 1% Umpan (1): F1 = 2000 mol/jam Kolom Kolom Fraksi Butana (5): X1,a = 20% Distilasi Distilasi F5 = …? X1,b = 40% (3) X5,a = 0% X1,c = 40% X3,a = …? X5,b = 8,4% X3,b = …? X5,c = 91,6% X3,c = …?



Aliran-Balik (Recycle) dan Aliran-Pintas (By-Pass) Aliran Recycle terdiri atas : 1. Unit pencampur aliran (mixer) 2. Unit pemroses 3. Unit pembagi aliran (splitter)



Aliran By-pass terdiri atas : 1. Unit pembagi aliran (splitter) 2. Unit pemroses 3. Unit pencampur aliran (mixer)



I



II



III



I



II



III



Contoh: Suatu campuran terdiri dari (fraksi mol): 20% metana, 25% etana, 40% propana, dan 15% butana dipisahkan di dalam sistem pemroses yang tersusun atas dua kolom distilasi. Data yang diketahui dicantumkan dalam diagram alir tersebut. Tentukan laju alir dan komposisi lengkap tiap aliran proses di dalam sistem, jika laju alir produk-1 adalah 1000 mol/jam.



Aliran-Balik (Recycle) dan Aliran-Pintas (By-Pass) F3 = …? X3,a = …? X3,b = …? X3,c = 3% Umpan : F1 = …? X1,a = 20% X1,b = 25% X1,c = 40% X1,d = 15% Produk-3: F2 = …? X2,a = …? X2,c = …? X2,d = …?



Kolom Distilasi



Produk-1: F4 = 1000 mol/jam X4,a = 99,5% X4,b = 0,5%



Kolom Distilasi



F7 = 0,5F5



F5



I



Produk-2: F6 = …? X6,a = 1% X6,b = 89% X6,c = 10%



Tugas Besar Membuat peneracaan pemrosesan suatu produk agroindustri dengan bahan baku hasil/limbah pertanian hingga mencapai produk akhir sesuai yang telah terstandar Terdiri atas 10 kelompok (pembagian kelompok disesuaikan dengan kemampuan mahasiswa) Topik bebas Tugas terdiri atas: 1. Power point 2. Excel  hasil perhitungan peneracaan 3. Word terdiri atas • Cover (disamakan) • Ringkasan • Pendahuluan • Deskripsi produk agroindustri (termasuk spesifikasi produk) • Deskripsi proses produksi (termasuk kapasitas produksi) • Neraca massa proses (termasuk ADK) • Neraca energi proses (termasuk ADK) • Daftar pustaka



Dikumpulkan dipertemuan ke-2 Pertemuan ke-4 Pertemuan ke-6