Diktat NME.pdf
-
Upload
alif-nuzulul-hidayat -
Category
Documents
-
view
33 -
download
1
Transcript of Diktat NME.pdf
DIKTAT KULIAH NERACA MASSA DAN ENERGI (GP21010)
Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia Program Studi Teknik Kimia
Fakultas Teknik Universitas Indonesia Depok 2003
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 1
SATUAN, DIMENSI, DAN FAKTOR KONVERSI Sasaran Pengajaran :
menjumlahkan, mengurangi, mengalikan dan membagi satuan
mengubah satuan-satuan dan fungsi persamaan dalam massa, panjang, gaya, dll.
mendefinisikan dan menggunakan factor konversi Gc Permasalahan: dapatkah anda menetukan hasil dari operasi matematika di bawah ini :
1. 10 kg + 400 meter 2. 200 feet + 21 cm 3. 500 meter × 2 sekon 4. 2 joule / 4 meter
Untuk menentukan hasil dari operasi diatas kita harus mengetahui terlebih dahulu pengertian dari satuan, dimensi, dan faktor konversi
satuan : sesuatu yang digunakan untuk menyatakan ukuran besaran contoh: meter, feet, mile(panjang) ; gram, pound, slug(massa)
dimensi : satuan yang dinyatalkan secara umum dalam besaran primer contoh : massa(M), panjang(L)
faktor konversi : angka tak berdimensi yang merupakan ekivalensi satuan yang bersangkutan
Dalam kehidupan kita sehari-hari ada 4 sistem satuan yang dikenal, yaitu :
absolute dynamic system : (cgs : cm, gram, sec)
English absolute system : (fps : ft, pound, sec)
SI ( System International) : (mks : meter, kg, sec)
Gravitational system.
British Eng’ng (BE) : ft, sec, slug
American Eng’ng (AE) : ft, sec, lbm , lbf Pada operasi penambahan dan penguragan dimensi dari bilangan yang dioperasikan harus sama, sedangkan dalam perkalian dan pembagian tidak ada syarat dalam operasinya. Contoh soal : Selesaikanlah perhitungan dibawah ini : (a) 20 jam + 4 meter (b) 2 joule + 50 Btu Jawaban : Pada soal (a) dapat kita lihat bahwa satuan dan dimensi yang digunakan berbeda, 20 jam berdimensi waktu sedangkan 4 meter berdimensi panjang, maka operasi tersebut tidak dapat diselesaikan. Pada soal (b) satuan yang digunakan berbeda namun dimensinya sama, keduanya sama-sama dimensi energi, maka operasi dapat dilakukan dengan mengubah satuannya menjadi sama ( konversi ), baik itu dalam joule atau Btu. karena 1 joule = 9,484.10-4 Btu maka
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 2
2 ( 9,484.10-4 ) Btu + 50 Btu = 50,00189 Btu Dalam contoh soal diatas kita melihat adanya perubahan satuan dari joule ke Btu hal inilah yang disebut dengan konversi. Konversi sering dilakukan apabila data yang tersedia dinyatakan dalam satuan yang berbeda. Contoh Soal : Jika sebuah mobil menepuh jarak Jakarta bandung dengan kecepatan 10m/s dan sebuah bus melaju dengan kecepatan 150% dari kecepatan mobil tersebut, berapakah kecepatan bus tersebut dalam kilometer perjam? Jawaban : kecepatan bus 150% × 10m/s = 15 m/s 15 meter × 1 kilometer × 3600 sekon = 54 kilometer sekon 1000 meter 1 jam jam ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… SOal-SOal Latihan…..
1. Ubahlah 3785 m3/jam menjadi gal/min
2. Di suatu tempat dengan percepatan grafitasi 4,5 ft/sec2 seseorang mempunyai berat 100 lbf
. Berapa Lbf kah berat orang itu di bumi??
3. Kapasitas panas spesifik untuk toluene diberikan olaeh persamaan berikut :
Cp = 20,869 + 5,239.10-2 T dimana Cp dalam Btu/(lbmol)(0F) dan T(0F)
nyatakan persamaan dalam cal/(gmol)(K) dengan T(K)
………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 3
BEBERAPA BESARAN PENTING Pada perhitungan yang menyangkut reaksi kimia sering dijumpai besaran-besaran kuantitatif dengan berbagai treminologi yang mempunyai pengertian khusus. Besaran tersebut antara lain : a. MOL mol adalah hasil bagi massa suatu zat dengan berat molekulnya. b. Densitas (ρ) densitas atau kerapatan adalah massa persatuan volum c. Volum spesifik (Vs) volum spesifik adalah kebalikan dari densitas, yaitu volum persatuan massa d. Spesifik gravity / berat jenis (b.j. atau s.g.) berat jenis adalah perbandingan kerapatan zat tsb dengan zat pembanding (standar) *berat jenis tidak mempunyai dimensi. *sebagai pembanding biasanya digunakan air dalam suhu 40C
*berat jenis zat cair atau padat tidak bergantung kepada tekanan tetapi bergantung kepada suhu, oleh karena itu dalam menyatakan berat jenis harus disebutkan suhunya.
e. Komposisi Merupakan perbandingan antara suatu zat dengan seluruh campuran, komposisi dapat
dinyatakan dalam : o fraksi massa atau persen berat
Fraksi massa A = WA/WTOTAL
% berat A = WA/WTOTAL × 100% o fraksi volum atau persen volum
Fraksi volum A = VA/VTOTAL
% volum A = VA/VTOTAL × 100%
o fraksi mol atau persen mol Fraksi mol A = mol A / mol total campuran % mol A = mol A / mol total campuran × 100%
f. Konsentrasi Merupakan jumlah zat tersebut yang terlarut dalam sejumlah pelarut. Konsentrasi dapat dinyatakan sebagai :
o berat / volum = gram / cm3, gram / liter dll. o mol / volum = mol / liter, lbmol / ft3 o parts per million (ppm)
*dalam gas ppm dinyatakan dalam mol. contoh :
o 100 ppm CO2 dalam udara berarti terdapat 100 mol CO2 dalam 106 mol udara o 20 ppm besi dalam air berarti terdapat 20 gram besi setiap 106 gram air.
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 4
satuan konsentrasi yang sering digunakan adalah : o Molaritas : mol / liter larutan o Normalitas : gram ekivalen / liter larutan o Molalitas : mol / 1000 gram pelarut
g. Temperatur ( Suhu ) Suhu ditetapkan dari titik tripel air, yaitu 00C atau 273,15 K Terdapat 4 skala suhu yang biasa dipakai dalam perhitungan, yaitu : skala suhu nol mutlak titk beku normal air titk didh normal air celcius - 273, 15 0C 0 0C 100 0C Kelvin 0 K 273,15 K 373,15 K Fahrenheit - 459,67 0F 32 0F 212 0F Renkine 0 0R 492 0R 672 0R Hubungan antara keempat skala suhu tersebut adalah sbb: TC = 5/9(TF - 32) TK = TC + 273,15 TR = TF + 459,67 Hubungan selisih suhu : Δ TC = Δ TK 1,8 Δ TC = Δ TF
Δ TF = Δ TR 1,8 Δ TK = Δ TR h. Tekanan Tekanan merupakan gaya persatuan luas yang tegak lurus gaya tersebut. P = gaya / luas = F / A ( Pascal, Psi, Atm, Bar, Torr ) 1 atm = 760 mmHg 1 bar = 100 kPa 1 torr = 1 mmHg 1 Psi = 1 lbf / in2 COnToH SoAl :
o Hitunglah densitas merkuri dalam lbm/ft3 jika diketahui spesifik grafity merkuri pada 200C adalah 13,546 dan hitunglah volume dalam ft3 jika diketahui massa merkuri 215 kg ???? Jawab : a. ρHg = spesifik gravity × massa jenis air pada suhu 200C = 13,546 × 62,43 lbm/ft3 = 845,7 lbm/ft3 b. V = 215 kg × 1lbm / 0,454 kg × 1 ft3 / 845,7 lbm = 0,56 ft3
o Hitunglah mol glukosa yag terkandung dalam 10 kg gula jika fraksi berat glukosa dalam gula 16 % !!!! Jawab : berat glukosa dalam gula = 16 % × 10 kg = 1,6 kg mol glukosa = berat glukosa / Mr glukosa
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 5
= 1600 gram / 160 gram/mol = 10 mol
o Jika suatu larutan NaOH pada pabrik sabun mengalir dengan laju alir 240 liter per menit,
maka berapa mol kah NaOH yang mengalir tiap detiknya jika diketahui konsentrasi NaOH adalah 0,02 M Jawab : jumlah NaOH yang mengalir tiap detik = 240 liter/min × 1 min/60det = 4 liter/det mol NaOH tiap detik = 4 liter/det × 0,02 mol/liter = 0,08 mol/det
o Hitunglah perbedaan suhu dalam 0C jika sebuah konduktor mengalami pemanasan dari
800F menjadi 1400F !!!! Jawab : cara 1. 800F = 5/9 (80 – 32) = 26,6 0C 1400F = 5/9 (140 – 32) = 59,90C ΔT = 33,3 0C cara 2. 1,8 ΔTc = ΔTf = (120 – 80) / 1,8 = 33,3 0C
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ SOAL LATIHAN :
1. Jika suatu pabrik gula dalam sehari dapat menghasilkan gula sebanyak 100 kg, maka berapa % mol glukosa yang terkandung dalam gula tersebut jika diketahui komposisi gula tersebut adalah 20%berat glukosa dan sisanya adalah air !!! diketahui : Mr H2O = 18 dan glukosa = 160
2. Jika suatu alat pemanas air dapat memanaskan air dengan laju pemanasan 100C/menit
maka berapakah suhu akhir dalam 0R jika air dengan suhu 293 K dipanaskan selama 2 jam ?????
3. Suatu dongkrak hidrolik mempunyai luas penampang 250 cm2, jika pada pompa tersebut
diberikan gaya sebesar 200 Newton maka berapa Psi kah tekanan yang diterima pompa tersebut ????
------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 6
PERSAMAAN KIMIA dan STOIKHIOMETRI ________________________________________________________________________________________________________________________________________________
o Suatu pabrik DRY ICE ingin menghasilkan 500kg/jam dry ice dari proses pembakaran heptana. Jika hanya 50 % CO2 yang dapat diubah menjadi dry ice maka berapa kg hepatana yang harus dibakar setiap jamnya?????
o Apakah yang dimaksud dengan basis dan reaktan pembatas? Pada saat bagaimana basis
dan reaktan pembatas digunakan?? ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Persamaan kimia merupakan suatu gambaran atau data yang memuat data kualitatif dan kuantitatif dalam suatu reaksi kimia. gambaran kualitatif dapat berupa :
o zat pereaksi (raektan) o zat hasil reaksi (produk) o efek panas (endoterm/eksoterm)
sedangkan gambaran kuantitatif dapat berupa : o komposisi o hubungan kuantitaif o jumlah
contoh : N2 + 3 H2 2 NH3 ΔHf = - 1230 kj kualitatif kuantitatif reaktan N2 & H2 1 mol N2 bereaksi dengan 3 mol H2 menghasilkan 2 mol NH3 produk NH3 reaksi eksotermis Stoikhiometri merupakan perhitungan yang berhubungan dengan reaksi kimia dan proporsional dengan koefisien reaksi kimia. *Untuk mempermudah perhitungan dalam stoikhiometri kita sering menggunakan basis *Basis adalah acuan yang dipilih sebagai dasar perhitungan. contoh soal : Dalam pembakaran pentana ingin dihasilkan 440 kg gas CO2, berapa kg kah pentana yang harus digunakan untuk reaksi tersebut jika 50% CO2 menyublim menjadi dry ice??? Jawab : basis : 440 kg gas CO2 berarti CO2 yang harus dihasilkan dalam proses pembakaran : 440 kg / 0,5 = 880 kg mol CO2 = 880 kg/ 44 gram/mol = 20 kmol
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 7
stoikhiometri : C5H12 + 8 O2 5 CO2 + 6 H2O 4 kmol 20 kmol berat pentana yang harus dibakar : 4 kmol × 72 gram/mol = 288 kg. REAKSI KIMIA DALAM INDUSTRI Pada kenyataan di dalam industri meskipun reaktan yang dipakai tepat stoikiometris tetapi reaksi
yang terjadi tidak sempurna, yang dimaksud tidak sempurna disini adalah ada reaktan yang tidak
terpakai atau bersisa.
Karena ketidaksempurnaan inilah maka ada beberapa pengertian yang berhubungan dengan reaksi:
Reaktan pembatas (limitting reactant):
Reaktan dengan jumlah stoikiometrik paling kecil/sedikit
Reaktan berlebih (excess reactan):
Reaktan yang melebihi reaktan pembatas.
mol kelebihan % kelebihan (excess) = X 100% mol yang stoikiometrik dengan reaktan pembatas
misalnya kelebihan udara (excess air): udara berlebih terhadap kebutuhan teoritis untuk
pembakaran sempurna pada proses pembakaran
Konversi (tingkat kesempurnaan reaksi):
Bagian dari umpan/reaktan yang berubah menjadi hasil/produk.
jumlah mol zat yang bereaksi % Konversi = X 100% jumlah mol zat mula-mula
Selektivitas (selectivity) :
Perbandingan (%) mol produk tertentu (biasanya yang diinginkan) dengan mol produk lainnya
(biasanya sampingan) yang dihasilkan
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 8
Yield :
Untuk reaktan dan produk tunggal adalah berat/mol produk akhir dibagi dengan berat/mol reaktan
awal, sedangkan untuk reaktan & produk yang lebih dari 1 harus dijelaskan reaktan yang menjadi
dasar yield.
berat atau mol produk % Yield = X 100% berat atau mol reaktan awal
MACAM-MACAM LAJU ALIR
1. Point linear velocity (Laju alir linear titik): laju alir ditinjau pada satu titik.
V [=] t
l [=] ,
jam
m ,
det
ft ,
det
mdan lain sebagainya.
2. Average linear velocity (Laju alir linear rata-rata) : laju alir linear rata-rata pada seluruh
penampang
t
l
l
tl
][ luas
debit
A
Q
2
3
v
, det
ft ,
det
m ][ dan lain sebagainya
3. Volumetric flow rate (laju alir volum) : sejumlah volum yang mengalir per satuan waktu (debit = Q)
Q = detik
liter ,
menit
gallon ,
m ][
l v A
33
menittwaktu
volum , dan lain sebagainya
4. Mass flow rate (laju alir massa) : sejumlah massa yang mengalir per satuan waktu
,detik
lb ,
jam
ton ,
menit
kg ][
t
m ][
waktu
masa dan lain sebagainya
5. Molal flow rate (laju alir molal) : sejumlah mol yang mengalir per satuan waktu
,detik
lbmol ,
jam
molton ,
menit
gmol ][
t
BM / m ][
waktu
mol dan lain sebagainya.
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 9
Contoh soal 1 : Antimon dibuat dengan cara memanaskan stibnit (Sb2S3) denagn serpihan besi, lelehan antimon
dikeluarkan dari bawah reaktor. Sebanyak 0,6 kg stibnit dan 0,25 kgserpihan besi dipanaskan
bersama-sama ternyata dihasilkan 0,2 kg antimon.
Rx : Sb2S3 + 3Fe 2 Sb + 3 FeS
Hitunglah:
a. reaktan pembatas b. reaktan berlebih
c. tingkat kesempurnaan reaksi d. % konversi
e. selektivitas f. Yield
Jawab:
Zat BM Massa (g) mol (gmol)
Reaktan Sb2S3
Fe
339.7
55.8
600
250
1.77
4.48
Produk Sb
FeS
121.8
87.9
200
?
1.64
?
Rx : Sb2S3 + 3Fe 2 Sb + 3 FeS
a & b. Menentukan reaktan pembatas dan berlebih:
untuk bereaksi dengan 1,77 mol Sb2S3 membutuhkan 3 X 1,77 mol = 5,31 mol Fe sedangkan Fe
yang tersedia hanyalah 4,48 mol. Disini terlihat bahwa Fe stiokiometrik terkecil jumlahnya maka Fe
merupakan reaktan pembatas, dan Sb2S3 adalah reaktan berlebih.
c. Walaupun Fe adalah reaktan pembatas tetapi tidak semua Fe habis bereaksi, jika dilihat dari
produk Sb yang dihasilkan hanya 1,64 mol ini berarti Fe yang bereaksi sebanyak:
3 mol Fe X 1,64 mol Sb = 2,46 mol Fe 2 mol Sb
maka tingkat kesempurnaan reaksi (konversi) Fe = 48,4
46.2 X 100% = 55%
sedangkan unuk 1.64 mol Sb maka Sb2S3 yang bereaksi sebanyak:
1 mol Sb2S3 X 1,64 mol Sb = 0,82 mol Sb2S3 2 mol Sb
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 10
maka tingkat kesempurnaan reaksi Sb2S3 menjadi Sb = 77.1
82.0 X 100% = 46,3%
e. Selektivitas didasrkan pada Sb2S3 yang seharusnya dapat dikonversikan dengan Fe yang ada :
FeS yang terbentuk
3 mol FeS X 1,64 mol Sb = 2,46 mol FeS 2 mol Sb
selektivitas = 46,2
64,1 X 100% = 66.67%
f. kg Sb terbentuk 0,2 kg
Yield = = X 100% = 33,5% (Sb/ Sb2S3) kg Sb2S3 mula-mula 0,6 kg Contoh soal 2: Alumunium sulfat dapat dibuat dengan mereaksikan pecahan biji bauksit dangan asam sulfat
menurut reaksi :
Al2O3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 3 H2O
Biji bauksit mengandung 55,4% alumuniumoksida dan sisanya pengotor. Sedangkan asam sulfat
berkadar 77,7% H2SO4 (sisanya air).
Untuk menghaslka 800 kg alumunium sulfat dipergunakan 480 kg biji bauksit dan 1200 kg asam
sulfat. Pertanyaan:
a. zat manakah yang berlabih dan berapa %
b. berapa % reaktan berlebih yang terpakai
c. Berapa bagian tingkat kesempurnaan reaksi
d. Berapa yield alumunium sulfat
Jawab :
55,4% Al2O3 H2O
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 11
77,7% H2SO4 Al2(SO4)3
zat BM Massa (kg) mol (kgmol)
Reaktan Al2O3
H2SO4
101.9
98.1
0,554 x 480
0,777 x 1200
2,61
9,50
Produk Al2(SO4)3 342,1 800 2,33
Rx: Al2O3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 3 H2O
a. Menentukan reaktan berlebih :
Untuk bereaksi dengan 2,61kgmol Al2O3 membutuhkan 3 x 2,61 = 7,83 kgmol H2SO4 sedangkan
H2SO4 yang tersedia 9,505 kgmol jadi H2SO4 lebih maka rekatan berlebihnya adalah H2SO4
sedangkan reaktan pembatasnya adalah Al2O3
% H2SO4 berlebih = 505,9
83,7505,9 X 100% = 21,39 %
b. Menghitung reaktan berlebih yang terpakai :
Produk Al2(SO4)3 2,338 kgmol ini memerlukan:
2,338 kgmol Al2(SO4)3 X 342
42
)(1
3
SOkgmolAl
SOkgmolH = 7,014 kgmol H2SO4
% H2SO4 terpakai = kgmol
kgmol
505,9
014,7 X 100% = 73,79%
c. Tingkat kesempunaan reaksi : (dipandang atas dasar Al2O3 yang bereaksi)
61,2
333,2 X 100% = 89%
REAKTOR
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 12
d. Yield = 32
342
OAl kg
)(SOAl kg =
480
800 = 1,66 (Al2(SO4)3/ Al2O3)
dalam hal ini yield lebih dari satu karena perhitungan dalam berat padahal BM produk jauh lebih
besar dari pada reaktan.
................................................................................................................................................................
................................................................................................................................
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 13
Soal-soal Latihan
o Gypsum (CaSO4.2H2O) dihasilkan dengan mereaksikan kalsium karbonat dan asam sulfat.
Analisa dari batu kapur adalah: CaCO3 96,89%; MgCO3 1,14%; inert 1,7%. Untuk
mereaksikan seluruh batu kapur seberat 5 ton tentukan
a. berat gypsum anhidrat (CaSO4) yang dihasilkan
b. berat larutan asam sulfat (98% berat) yang dibutuhkan
c. Berat Karbondioksida yang dihasilkan
(BM: CaCO3 100; MgCO3 84,32; H2SO4 98; CaSO4 136; MgSO4 120; H2O 18; CO2
44)
o Sintesis amonia menggunaka reaksi berikut:
N2 + 3 H2 2 NH3
Pada sebuah pabrik, 4202 lb nitrogen dan 1406 lb hidrogen diumpankan kedalam reaktor
perjam. Produk amonia murni yang dihasilkan oleh reaktor ini sebanyak 3060 lb per jam
a. tentukan reaktan pembatas
b. berapa % excess reaktan
c. berapa % konversi yang didapatkan berdasarkan pada reaktan pembatas
o 5 lb bismut (BM=209) dipanaskan bersama dengan 1 lb sulfur untuk membentuk Bi2S3 (BM=
514). Pada akhir reaksi, zat yang dihasilkan mengandung 5% sulfur bebas. Tentukan:
Rx : 2 Bi + 3 S Bi2S3
a. reaktan pembatas
b. % excess reaktan
c. % konversi dari sulfur menjadi Bi2S3
................................................................................................................................................................
................................................................................................................................
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 14
KESETIMBANGAN MATERI
M Gula 1000lb/jam L Air
F Tebu Gula 16% Air 25% K Gula 40%
Pulp 59% E H J Gula 13% Gula 15% Air Pulp 14% D G Bagasse Padatan berisi Pulp 80% pulp 95%
Gambar di atas adalah lembar alir sederhana untuk pabrik gula. Tebu dimasukan ke dalam sebuah
penggilingan dengan sirup diperas keluar dan “bagase” yang dihasilkan mengandung 80% pulp.
Sirup E yang mengandung potongan-potongan halus pulp dimasukan kedalam saringan yang
menghilangkan semua pulp dan menghasilkan sirup jernih pada aliran H yang mengandung 5% gula
dan 85% air. Evaporator membuat sirup kental dan kristalizer menghasilkan 1000 lb/jam kristal gula.
Dari keterangan yang diberikan ini dapatkah anda mencari:
Berapa banyak air yang dihilangkan didalam evaporator (lb/jam)
Berapa besar fraksi massa komponen-komponen dalam arus buangan G
Berapa besar laju masukan tebu kedalam unit (lb/jam) ???????
penggiling penyaring evaporator
pengkristal
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 15
NERACA BAHAN
Neraca bahan adalah perincian dari jumlah bahan-bahan yang masuk, keluar dan yang
menumpuk di dalam sebuah sistem. Sistem ini dapat berupa satu alat proses maupun rangkaian dari
beberapa alat proses, bahkan rangkaian dari banyak alat proses.
Prinsip dari neraca bahan itu sendiri adalah:
Neraca bahan merupakan penerapan hukum kekekalan massa terhadap suatu sistem
proses atau pabrik.
Massa berjumlah tetap, tidak dapat dimusnahkan maupun diciptakan
RUMUS UMUM NERACA BAHAN
Input - out put + generate - Consumption = Acumulation
Masukan Keluaran terbentuk digunakan terkumpul ke sistem dari sistem hasil reaksi oleh reaksi dalam sistem
generasi dan konsumsi hanya terjadi bila terdapat reaksi di dalam sistem
JENIS-JENIS PROSES
Berdasarkan kejadiannya proses terbagi menjadi dua yaitu proses Batch (per-angkatan)
dan proses kontinyu (berkesinambungan)
A. Proses Batch :
Pemasukan reaktan dan pengeluaran hasil dilakukan dalam selang waktu tertentu/ tidak
terusmenerus.
Contoh: - Proses memasak didalam sebuah panci dimana panci menjadi alat proses
- Pemanasan air dengn koil pada teko
B. Proses Kontinyu:
Proses dengan pemasukan bahan dan pengeluaran produk dilakukan secara terus menerus/
berkesinambungan dengan laju tertentu
Bahan masuk dengan laju tetap
Produk keluar dengan laju tetap
SISTEM
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 16
Berdasarkan keadaannya proses dibedakan menjadi dua yaitu proses dalam keadaan
tunak (steady) dan keadaan tak tunak (unsteady)
A. Proses steady:
Semua aliran didalam sistem mempunyai laju, komposisi, massa dan suhu yang tetap atau tidak
berubah terhadap waktu. Sehingga pada keadaan ini jumlah akumulasi didalam sistem tetap.
Laju alir masuk = Laju alir keluar
B. Proses Unsteady
Dalam proses unsteady terjadi perubahan dalam sistem terhadap waktu. Baik berupa perubaan laju,
komposisi, massa maupun suhu. Karena adanya perubahan leju maka terdapat perubahan
akumulasi didalam sistem sehingga akumulasi massa harus diperhitungkan.
PENYUSUNAN PERSAMAAN NERACA BAHAN
Neraca massa dibuat untuk satu alat/unit atau rangkaian alat dengan batasan sistem
tertentu/ system boundary yang jelas, jumlah bahan yang dihitung adalah hanya bahan-bahan yang
masuk dan keluar dari sistem yang telah ditentukan batasnya.
Neraca yang dibuat harus berdasarkan Hukum kekekalan massa yaitu massa tidak dapat
diciptakan atau dimusnahkan; kalaupun berubah hanya bentuk atau tempatnya
Tahap-tahap pembuatan neraca bahan:
in
in
out
out
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 17
Tentukan jenis proses
Jika pada proses tidak menyangkut reaksi kimia, neraca bahan dapat dibuat dalam satuan
massa atau mol untuk satu periode waktu tertentu.
Jika terdapat reaksi kimia , sebaiknya digunakan satuan mol untuk setiap unsur/
komponen karena jika disusun neraca molekul harus diperhatikan senyawa-senyawa yang
berkaitan satu sama lain secara stoikiometrik.
Persamaan neraca yang terbentuk akan berupa persamaan linier atau non linier; baik
persamaan-persamaan tersebut tidak tergantung (independent) ataupun saling tergantung
(dependent) atau keduanya. Penyelesaian persamaan-persamaan tersebut dapat dilakukan
dengan cara eliminasi, substitusi atau jika perlu diselesaikan secara serempak (simultan).
Ada satu ukuran yang dapat memberikan indikasi apakah persamaan neraca bahan dapat
diselesaikan atau tidak ukuran ini adalah Degree of freedom atau Derajat Kebebasan
(DK), DK akan kita bahas setelah contoh2 soal berikut.
Contoh soal 1
Suatu bahan dengan kandungan air 60% dikeringkan sampai 75% airnya menguap. Hitunglah :
a) Jumlah air yang diuapkan tiap kg bahan basah
b) Komposisi bahan akhir
jawab:
Pertama buatlah diagram alir dan tulis hal-hal yang diketahui (besaran kualitas dan kuantitas)
feed uap air
air 60% padat 40% produk (air dan padat)
Kemudian tentukan basis
basis: 100 kg bahan basah
air dalam bahan basah: 0,6 x 100 = 60 kg
air yang menguap : 0,75 x 60 = 45 kg
padatan yang terdapat dalam bahan basah = 0,4 x 100 = 40kg
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 18
Buatlah persamaan neraca bahan:
air yang tersisa dalam bahan : air dalam bahan – air yang menguap
= 60 kg – 45 kg = 15 kg
a. jumlah air yang diuapkan tiap kg bahan basah = 100
45 = 0,45 kg
b. komposisi bahan akhir : air = 4015
15
x 100% = 27,3%
: padatan = 100% - 27,3% = 72,7%
KESETIMBANGAN MATERI TANPA REAKSI KIMIA
Pada kesetimbangan materi tanpa reaksi kimia, rumus umum yang digunakan adalah :
Laju masuk - laju keluar = akumulasi
hal ini karena tidak adanya pembentukan zat ataupun reaksi kimia yang menggunakan zat tersebut,
Contoh soal 2
Sebanyak 100 mol/jam larutan etilen diklorida 40% dalam toluena dimasukkan ke sebuah kolom
(menara) destilasi. Di dalam menara destilasi yang berlangsung secara kontinyu dan tidak terjadi
akumulasi sehingga 100 mol/jam bahan juga keluar dari kolom. Aliran keluar kolom dibagi menjadi
dua yaitu aliran destilat (D) dan aliran dasar (B = bottom) Aliran destilat keluar dari puncak kolom
mengandung 10% mol etilen di klorid. Tentukan laju alir msing-masing aliran tesbeut.
Jawab:
Destilat (D)
Umpan (F) D = ?mol/jam Keadaan proses tunak berarti XD= 0,95 tidak ada akumulasi F= 100 mol/jam XF = 0,4 Bottom (B)
B = ?mol/jam XB= 0,1 Neraca massa (mol) total : F = D + B ....................................(1)
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 19
Neraca massa (mol) komponen (dalam soal ini hanya satu komponen) :
F . XF = D . XD + B . XB .........................(2)
(1) 100 mol/jam = D + B
B = 100 mol/jam – D
(2) 100 . (0,4) = D . (0,95) + B . (0,1)
40 = 0,95D + (100-D) . (0,1)
40 = 0,95D + 10 - 0,1D
30 = 0,85D
D = 35,3 mol/jam
B = 100 mol/jam – 35,3 mol/jam
B = 64,7 mol/jam
Dua buah contoh soal diatas merupakan contoh sederhana dari suatu sistem proses yang tidak
melibatkan reaksi kimia. Persamaan-persamaan neraca massa yang terbentuk masing-masing
merupakan persamaan linier yang dapat diselesaikan dengan cara eliminasi biasa. Berikut ini adalah
contoh sistem proses yang melibatkan reaksi kimia.
KESETIMBANGAN MATERI DENGAN REAKSI KIMIA.
Pada keadaan ini rumus yang digunakan sama dengan rumus umum kesetimbangan materi
yaitu:
laju alir masuk – laju keluar + pembentukan – konsumsi = akumulasi
Contoh soal 3
Pada suatu pembakaran, sebanyak 300 kg udara dan 24 kg karbon diumpankan kedalam reaktor
pada suhu 600oF. Setelah pembakaran sempurna tidak ada bahan tersisa di dalam reaktor.
Hitunglah:
a. Berapa berat karbon, oksigen & berat total bahan yang keluar dari reaktor?
b. Berapa mol karbon & mol oksigen yang masuk dan keluar dari reaktor?
c. Berapa mol total yang masuk dan berapa yang keluar reaktor?
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 20
Jawab:
C = 24kg ? Sistem: steady, tanpa akumulasi,
dengan reaksi kimia Udara = 300kg
Neraca massa adalah:
Input - output + generation - consumption = accumulation 0
input + generation = output + consumtion
Neraca yang digunakan:
Neraca mol total (semua komponen)
Neraca mol komponen : CO2 dan O2
Basis : 24 kg C dan 300 kg udara
Komponen yang masuk ke reaktor:
O2 (21% dari udara) 21% x kg/kmol 29
kg 300 = 2,17 kmol O2
N2 (79% dari udara) 79% x kg/kmol 29
kg 300 = 8,17 kmol N2
C kg/kmol 12
kg 24 = 2kmol C
Reaksi yang terjadi : C + O2 CO2
Dari stoikiometri diketahui untuk membakar sempurna 2 kmol C dipakai 2 kmol O2 jadi masih
terdapat sisa O2
Neraca O2 : O 2 input + O2 generate = O2 output + O2 consumtion
2,17 kmol + 0 = O2 output + 2 kmol
O2 output = 0,17 kmol
Neraca N2 : N 2 input + N2 generate = N2 output + N2 consumtion
8,17 kmol + 0 = N2 output + 0
REAKTOR
600oF
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 21
N2 output = 8,17 kmol
Neraca C : C input + C generate = C output + C consumtion
0 + 2 kmol = C output + 0
C output = 2 kmol
Disusun dalam bentuk tabel akan terlihat lebih baik (neraca komponen dalm mol)
a. Tidak ada karbon keluar dalam bentuk C, tetapi dalam bentuk CO2 seberat 88 kg dimana dalam
CO2 tersebut mengandung C seberat 24 kg. O2 yang keluar 0,17 kmol, sisanya keluar dalam
bentuk CO2. Berat bahan total yang keluar sama dengan berat bahan total yang masuk yaitu 324
kg
b. 2 kmol C dan 2,17 kmol O2 yang masuk kedalam reaktor, sedangkan yang keluar dari rekator
adalah 0 kmol C dan 0,17 kmol O2
c. 12,34 kmol total masuk ke reaktor dan 10,34 kmol keluar dari reaktor.
Contoh soal 4:
Dalam suatu proses pembakaran, gas etana dicampur dengan oksigen dengan perbandingan 80%
etana dan sisanya oksigen campuran ini dibkar dengan udara berlebih 200%. Pada pembakaran
tersebut ternyata 80% gas etana terbakar menjadi CO2, 10% menjadi CO dan 10% tidak terbakar.
Hitung komposisi gas hasil bakar (dasar basah)
Komponen Masuk Keluar
kg kmol kg kmol
C
O2
N2
CO2
24
69,5
230,5
0
2
2,17
8,17
0
0
5,5
230,5
88
0
0,17
8,17
2
Total 324 12,34 324 10,34
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 22
Jawab:
bahan bakar gas hasil pembakaran
C2H6 = 80% CO2 O2 = 20% CO C2H6 sisa
Udara berlebih 200% O2 sisa O2 = 21% H2O N2 = 79% N2
Basis : 100 mol bahan bakar
C2H6 = 80% x 100 mol = 80 mol
O2 = 20% x 100 mol = 20 mol
Reaksi:
(1) C2H6 + 2
7 O2 2 CO2 + 3 H2O ..................Pembakaran sempurna
(2) C2H6 + 2
5 O2 2 CO + 3 H2O ..................Pembakaran tak sempurna
(3) Tak bereaksi
Oksigen dari udara yang masuk 200% berlebih berarti 3 x dari yang dibutuhkan secara teoritis untuk
pembakaran sempurna.
Oksigen teoritis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna :
262
62
2 O mol 280 HC mol 80 HC mol 1
O mol 3,5x
Oksigen yang terikut dalam bahan bakar = 20 mol
Oksigen teoritis yang dibutuhkan dari udara = 280 mol – 20 mol = 260 mol
Oksigen total yang masuk dari udara = 3 x 260 mol = 780 mol
Nitrogen yang masuk bersama udara = mol 2934,3 mol 780 21
79x
Menghitung komposisi produk (hasil):
Untuk reaksi (1)
CO2 : (0,8 x 80 mol) x 2 = 128 mol CO2
H2O : (0,8 x 80 mol) x 3 = 192 mol H2O
REAKTOR
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 23
Untuk reaksi (2)
CO : (0,1 x 80 mol) x 2 = 16 mol CO
H2O : (0,1 x 80 mol) x 3 = 24 mol H2O
Total H2O = 192 + 24 = 216 mol
Total O2 terkonsumsi:
reaksi (1) : (0,8 x 80 mol) x 3,5 = 224 mol
reaksi (2) : (0,1 x 80 mol) x 2,5 = 20 mol
total = 224 + 20 = 244 mol O2
O2 yang keluar bersama gas hasil pembakaran = 800 – 244 = 556 mol
C2H6 sisa = 0,1 x 80 mol = 8 mol
Ringkasan hasil hitungan
Komponen Masuk (mol) Keluar (mol) % komposisi dalam
keluaran Bahan bakar Udara
CO2
O2
CO
C2H6
H2O
N2
20
80
780
2934,3
128
556
16
8
216
2934,3
3,32
14,41
0,42
0,2
5,6
76,05
Jumlah 100 3714,3 3858,3 100 (dsr basah)
Jika dianalisis orsat ( dasar kering) H2O tidak dihitung. Jumlah mol total = 3642,3 mol.
Komposisi gas kering:
CO2 = 3,51%
O2 = 15,26%
CO = 0,45%
C2H6 = 0,22%
N2 = 80,56%
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 24
Dari penyelesaian soal proses dengan melibatkan reaksi kimia ini dapat disimpulkan:
Walaupun massa total yang masuk sama dengan massa total yang keluar (sesuai dengan
hukum kekekalan massa), tetapi jumlah mol yang masuk tidak sama dengan jumlah mol yang
keluar. Hal Hal ini disebabkan oleh adanya reaksi kimia pada komponen-komponennya.
NERACA BAHAN DENGAN “tie component” ATAU ”key component”
Banyak persoalan neraca bahan yang seolah-olah rumit tetapi sebenarnya kalau
diperhatikan dengan seksama dapat disederhanakan karena terdapat tie component atau key
component . Komponen ini adalah komponen yang selama proses dari satu aliran ke aliran lain
tidak mengalami perubahan sama sekali (numpang lewat doang).
Misalnya pada contoh soal 1, yang menjadi tie component adalah bahan padat (karena tidak
mengalami perubahan sama sekali dan jmlahnya tetap) , sedangkan pada contoh soal 3 dan 4 yang
menjadi tie component adalah Nitrogen (karena tidak ikut bereaksi/ inert).
DERAJAT KEBEBASAN ATAU DEGREE OF FREEDOM
Ada suatu ukuran yang dapat memberikan indikasi bahwa suatu persamaan (neraca
bahan) mungkin dapat diselesaikan atau tidak. Ukuran ini adalah degree of freedom atau derajad
kebebasan dari suatu persoalan. Seharusnya bila ada n besaran yang tidak diketahui maka untuk
menyelesaikannya dibutuhkan n buah persamaan yang independen.
Bila jumlah persamaan yang etrsedia kurang dari n buah maka persoalan etrsebut tidak
dapat diselesaikan. Sebaliknya jika terdapat lebih dari n buah persamaan maka harus diambil hanya
n buah persamaan untuk menyelesaikannya. Itu pun dengan resiko bila persamaan yang kita ambil
salah maka dapat terjedi ketidak konsistenan ketentuan diantara persamaan-persamaan yang
berlebih tersebut sehingga hasil yang diperoleh salah.
Derajad kebebasan adalah ukuran yang sederhana untuk mengetahui hal tersebut.
Analisis derajad kebebasan merupakan mekanisme yang sistematis untuk menghitung semua
variabel, persamaan-persamaan neraca dan hubungan-hubungan yang terkait dalam permasalahan.
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 25
Derajad Kebebasan (DK) =
Jumlah variabel aliran yang independen - Jumlah persamaan neraca yang independen - Jumlah
veriabel aliran terspesifikasi yang independen = Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk
persaman)
Jika DK > 0 : Permasalahan tdk dapat diselesaikan (kurang terspesifikasi)
Jika DK < 0 : Permasalahan kelebihan spesifikasi dapat menyebabkan inkonsistensi
Jika DK = 0 : Permasalahan terspesifikasi dengan benar karena jumlah var yang tidak diketahui
sama dengan jumlah persamaan yang ada
Contoh 1 menghitung DK
Suatu umpan kolom destilasi dengan laju alir 1000 mol/jam mempunyai komposisi sebagai berikut
(%mol): 20% propane, 30% isobutane, 20% isopentane dan sisanya normal pentane
Destilat yang dihasilkan mengandung semua propane dan 80% isopentane yang masuk kolom, serta
mengandung 40% isobutane. Produk bawah (bottom prod) mengandung semua normal pentane
yang masuk kolom. Hitung komposisi kedua produk tersebut.
Analisis:
Terdapat 1 kolom destilasi (1 alat saja)
Terdapat 3 aliran (1 masuk, 2 keluar)
Anggaplah tiap-tiap aliran mempunyai 4 variabel yaitu 1 var laju alir dan 3 var komposisi.
Dengan demikian untuk ketiga aliran tersebut masing-masing terdapat 4 var aliran yang
nantinya dapat disusun menjadi 4 persamaan neraca bahan yang independen.
Variabel-veriabel aliran yang terspesifikasi (biasanya ditentukan atau diketahui) sehingga
variabel independen dari aliran adalah:
a. 3 var indep komposisi umpan = 20% C3, 30% C4, 20% C5
b. 2 var indep komposisi destilat = 0% C5 dan 40% C4
c. 1 var indep komposisi bottom prod = 0% C3
d. 1 var indep laju umpan = 1000 mol/jam
Berdasarkan analisis diatas maka dapat dijawab sbb:
- jumlah variabel aliran = 3 aliran x 4 var/aliran = 12 var
- jumlah persamaan neraca bahan independen = jumlah komponen yang terdapat dalam
sistem yaitu 4 persamaan
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 26
- jumlah var terspesifikasi ada 2 macam yaitu :
@ komposisi ada 6 (a,b & c)
@ aliran ada 1 (d)
- Jumlah hubungan terkait berupa perolehan di destilat (80%)
Maka:
Jumlah variabel aliran yang independen = 12
Jumlah persamaan neraca yang independen = 4
Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen
Komposisi = 6
Aliran = 1
Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman) = 1 _
Derajad Kebebasan (DK) = 0
Disini permasalahan terspesifikasi dengan benar sehingga persoalan hanya memiliki satu
penyelasaian. Tetapi perhitungan jumlah variabel dan spesifikasi ini sering tidak sama pada
berbagai literatur karena adanya penyederhanaan oleh masing-masing analis, meskipun hasil
akhirnya (DK) tetap sama. Seperti contoh di atas, bisa saja jumlah variabel aliran hanya 10 karena
kita sudah mengetahui bahwa komposisi dari C5 pada produk destilat = 0. Dengan demikian untuk
perhitungan jumlah variabel komposisi aliran yang terspesifikasi juga akan berkurang 2 (kedua
komposisi tadi) sehingga menjadi 4 Maka:
DK = 10 var aliran - 4 persamaan neraca bahan independen - 4 komposisi - 1 aliran - 1 hub terkait
DK = 0
Contoh 2 menghitung DK
Titanium dioksida TiO2 banyak digunakan sebagai zat warna pada industri cat dan kertas. Dalam
suatu unit pencuci pada pabrik zat tersebut diinginkan untuk memproduksi 4000 lb/jam TiO2 kering
dan maksimum mengandung 100 ppm garam basis kering. Keluar dari alat pembuatnya zat pewarna
tersebut (raw pigmen) mengandung 40% TiO2, 20% garam dan sisanya air (% massa). Pemurnian
dilakukan dengan cara pencucian menggunakan air (H2O) kemudian pemisahan dengan
pengendapan hingga diperoleh produk pewarna yang bersih (washed product) dan air bekas
mencuci yang disebut waste water. Pewarna yang dikehendaki minimal haruslah mengandung 50%
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 27
TiO2. Karena air buangan bekas cuci tersebut akan dibuang ke sungai maka komposisinya harus
diketahui dengan tepat. Hitunglah
Analisis: air pencuci H2O
Pewarna kotor (F1) Pewarna bersih
TiO2 40% TiO2 Garam 20% Garam H2O H2O Air cucian Garam H2O
Dari diagram diatas dapat dilihat bahwa jumlah variabel aliran-aliran tersebut adalah:
- Pewarna kotor 3
- Air pencuci 1
- pewarna bersih 3
- Air cucian 2
9
Jumlah komponen dalam soal ini ada 3, jadi pesamaan neraca independen juga ada 3
Jumlah komposisi yang terspesifikasi : 2 untuk pewarna kotor, 1 untuk pewarna bersih
Jumlah hubungan tambahan, kapasitas produk dan kandungan garam, ada 2
Maka:
Jumlah variabel aliran yang independen = 9
Jumlah persamaan neraca yang independen = 3
Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen = 3
Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman) = 2 _
Derajat Kebebasan (DK) = 1
DK = 1 atau >0 hal ini berarti soal tersebut tidak bisa diselesaikan (kurang terspesifikasi), Ada 3
variabel yang tidak diketahui sedangkan hanya ada 2 persamaan jadi perlu satu persamaan lagi,
persaman ini bisa berasal dari komposisi, laju alir atau perbandingan lain yang menyebabkan
tambahan hubungan diantara veriabel-variabel yang tidak dketahui tersebut.
Unit pencuci
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 28
Sekarang coba selesaikan dengan tambahan keterangan perbandingan penggunaan massa air
pencuci/pewarna adalah 6 lb H2O per lb pewarna atau F2/F1 = 6
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 29
Bypass, Recycle, Purge, Spliter & Mixer
R II P
Feed I produ
III
B
Pada diagram di atas dapat dilihat terdapat beberapa aliran dan alat, berikut akan dijelaskan tiap
aliran dan alat yang digunakan:
I adalah alat yang disebut dengan separator: alat ini berfungsi untuk memisahkan komposisi
tertentu dari suatu aliran sehingga komposisi pada aliran yang dihasilkan berbeda dengan aliran
awal
II adalah alat yang disebut dengan spliter: alat ini berfungsi untuk memisahkan aliran tetapi tanpa
mengubah komposisi yang terdapat pada lairan sehingga komposisi aliran yang dihasilkan sama
dengan komposisi aliran awal.
III adalah alat yang disebut dengan mixer: alat ini berfungsi untuk mencampurkan aliran.
Untuk separator dan spliter bisa terdapat pada aliran yang akan di purge, recycle ataupun yang akan
di bypass, tetapi mixer biasanya hanya terdapat pada aliran yang akan dicampur.
Aliran R adalah aliran Recycle (Daur ulang), aliran ini berfungsi untuk mengembalikan zat-zat, yang
masih dibutuhkan, yang masih terdapat dalam aliran keluar untuk kembali mengalami proses
Aliran B adalah aliran Bypass, aliran ini adalah aliran yang melewati satu atau beberapa tahap
proses yang langsung menuju pada proses selanjutnya.
Aliran P adalah aliran Purge aliran ini adalah aliran pembuangan untuk mengeluarkan akumulasi
dari inert atau materi yang tidak diinginkan yang jika tidak dikeluarkan akan tertimbun dalam
aliran Recycle
* Dalam neraca massa dengan reaksi kimia kita akan menemui istilah fraction conversion ,
fraction conversion yang dimaksud di sini adalah banyaknya jumlah zat yang digunakan dalam
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 30
suatu proses dibandingkan dengan jumlah input zat tersebut. Faktor konversi dibedakan
menjadi 2 jenis yaitu :
1. Overall fraction conversion ( konversi keseluruhan )
massa (mol ) reaktan dalam fresh feed – massa ( mol ) reaktan dalam produk akhir massa ( mol ) reaktan dalam fresh feed
2. Single pass atau once through conversion
massa ( mol ) reaktan masukan reaktor – massa ( mol ) reaktan keluaran dari reaktor
massa ( mol ) reaktan masukan reaktor
secara singkat dapat dikatakan bahwa single pass hanya menghitung konversi pada satu alat
saja, sedang overall menghitung konversi dalam sistem.
SOAL 1
Asam asetat dapat diproduksi melalui reaksi berikut:
2C2H5OH + 2Na2Cr2O7 + 8H2SO4 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2Na2SO4 + 11H2O Reaksi berlangsung dalam system dengan recycle seperti digambarkan dalam diagram berikut:
F2 P H2SO4 CH3COOH Na2Cr2O7 F1 W C2H5OH Produk Limbah Recycle, R H2SO4 C2H5OH Konversi etanol overall sebesar 90% dicapai jika laju alir recycle sama dengan laju umpan segar C2H5OH. Laju umpan segar H2SO4 dan Na2Cr2O7 masing-masing berlebih 20% dan 10% secara stoikiometrik terhadap jumlah umpan segar C2H5OH. Jika aliran recycle mengandung 94% H2SO4 dan sisanya C2H5OH (% dalam mol), hitunglah:
a. Laju alir produk (P) b. Laju alir dan komposisi produk limbah (W) c. Konversi single pass reactor etanol
Reaktor
S E
P A
R
A T
O R
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 31
SOAL 2 Dalam suatu industri minuman, jus jeruk segar mengandung 12% padatan dan sisanya air;
sedangkan produk jus kental mengandung 42% padatan. Jika proses pengentalan dilakukan dengan
proses evaporasi tunggal, sebagian kandungan zat-zat volatile ikut teruapkan bersama air dan
mengakibatkan rasa yang hambar. Untuk mengatasi masalah ini, sebagian aliran jus jeruk segar di
bypass untuk kemudian digabungkan dengan aliran keluaran evaporator. Sementara itu, aliran jus
jeruk segar dikentalkan dalam evaporator hingga kandungan padatan menjadi 58%.
a. Gambarkan proses yang terjadi!
b. Hitunglah julah produk jus kental yang dihasilkan per 100 kg jus jeruk segar yang
diumpankan ke proses!
c. Hitunglah fraksi jus jeruk segar yang di bypass!
Gunakan notasi-notasi berikut:
F = Aliran jus jeruk segar; E = aliran keluaran evaporator; B = aliran bypass;
P = aliran produk jus kental.
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 32
GAS, UAP, CAIRAN DAN PADATAN
4.1 HUKUM GAS IDEAL Gas ideal adalah gas imajiner yang memenuhi persamaan :
P V = n R T
Dengan : P = tekanan gas V = volum total gas n = jumlah mol gas R = konstanta gas ideal T = Suhu dalam kelvin
Persamaan ini dapat diterapkan untuk komponen murni atau campuran.
Sejumlah keadaan satandar yang ditentukan secara sembarang atau yang dikenal dengan standard
condition dari suhu dan tekanan ditentukan untuk mengetahui nilai R, jadi kenyataan bahwa sebuah
unsur tdk berwujud gas pada 0oC dan 1 atm (dalam keadaanstandar) tidaklah penting. Sebagai
contoh uap air pada 0oC tdk dapat berada dalam tekanan yang lebih besar dari 0,61kPa tanpa
terjadi pengembunan.
4.1.1 Penerapan hukum gas ideal:
Hk gas ideal dapat digunakan untuk menentukan volume, tekanan, atau suhu suatu zat
dalam keadaan tertentu.
Contoh: Berapakah densitas O2 pada 27oC dan 250kPa dalam satuan SI ?
27oC = 300 K
R = 0,008314 kPa m3/mol K
basis = 1 m3 gas O2
PV = n RT n
V =
P
RT
P
RT
kmolkg
V
kPa 250
K 300 .K /kmolm kPa 314,8
/32
1 33
kmolkgkg
m
massa O2 = 3,2 kg
densitas O2 = 3,2kg/1m3 = 3,2 kg/m3
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 33
4.1.2 Campuran gas ideal dan tekanan gas parsial
Dalam kehidupan sehari-hari, gas biasanya berada dalam suatu campuran dengan gas lain.
Dalam keadaan seperti ini anda tetap dapat menggunakan hukum gas ideal. Biasanya kita
menggunakan kuantitas khayalan yang disebut tekanan parsial. Tekanan parsial dari gas i
didefinisikan sebagai Pi. Jadi hukum gas idealnya menjadi:
Pi Vtotal = ni R T
Atau Pi = Ptotal x YiPitotaln
ni
Dimana Yi = Fraksi mol zat i
Contoh soal:
Udara di bumi terdiri dari 21% (%V) oksigen dan 79% nitrogen. Tekanan parsial oksigen 21kPa,
berapakah tekanan total udara?
PO2 = 21kPa
YO2 = 0,21
P total = kPakPa
YO
PO100
21,0
21
2
2
4.2 KEJENUHAN (SATURATION)
Kejenuhan adalah adalah suatu keadaan setimbang daimana saat tekanan persial dalam gas sama
dengan tekanan uap cairan tersebut, dalam keadaan ini tidak ada lagi zat cair yang menguap atau
gas yang mengembun. Pada saat titik jenuh tercapai kita dapat menyatakan bahwa zat tersebut
berada dalam titik embun (dew point).
Dengan mengasumsikan bahwa sistem gas ideal berlaku pada saat jenuh maka kita dapat
menuliskan hubungan tekanan (P) gas dengan tekanan (P) cairan dalam keadaan jenuh sebagai
berikut.
RT n
RT n
V P
V P
cair
gas
cair
gas
atau
gastotal
gas
cair
gasgas
PP
P
n
nP
cairP
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 34
4.3 KEJENUHAN PARSIAL DAN KELEMBAPAN
Kejenuhan parsial adalah kondisi dimana uap tidak berada dalam ekuilibrium dengan fase cair, dan
tekanan parsial uap lebih kecil daripada tekanan uap cairan pada suhu tertentu.
Ketika uap adalah uap air dan gas adalah udara, berlaku istilah khusus kelembapan (humidity).
Untuk gas atau uap lainnya digunakan istilah kejenuhan (saturation).
Kejenuhan relatif (relative saturation) didefinisikan sebagai
Rs = relatifkejenuhan Pjenuh
Puap
Dengan:
Puap = Tekanan parsial uap dalam campuran gas
PjEnuh = tekanan parsial uap dalam campuran gas jika gas jenuh pada suhu campuran yang
diberikan (yaitu tekanan uap dari komponen uap)
Untuk ringkasnya :
jenuh
i
jenuh
t
tjenuh
tuap
tjenuh
tuap
jenuh
uap
massa
massa
n
n
VV
VV
PP
PP
P
PRs
/
/
/
/
Kejenuhan molal adalah cara lain untuk menyatakan konsentrasi uap dalam gas adalah
menggunakan rasio mol uap terhadap mol gas bebas uap:
molalkejenuhan pgasbebasua
uap
n
n
untuk suatu sistem biner dimana 1 menunjukan uap dan 2 menunjukan gas kering: P1 + P2 = Ptot n1 + n2 = ntot
1
1
1
1
1
1
2
1
2
1
2
1
VV
V
PP
P
nn
n
V
V
P
P
n
n
tottottot
Kelembapan atau Humidity (H) manunjukan massa uap cair per massa udara kering (bonedry air)
H =
kering gaskering gaskering gas massa
massa
Mrn
Mrn uapuapuap
Kejenuhan (kelembapan) “Absolut”, Presentase Kejenuhan (Kelembapan).
Kejenuhan “Absolut” didefinisikan sebagai rasio mol uap per mol gas bebas-uap terhadap mol
uap yang akan ada per mol gas bebas-uap jika campuran tersebut jenuh secara sempurna pada
suhu dan tekanan total yang ada:
Diktat NME 2003
Eva/Bayu/Sisil 35
As = “kejenuhan absolut” =
jenuh
sebenarnya
mol
uapmol
uap bebas gas mol
uap
uap bebas gas mol
Dengan 1 untuk uap dan 2 untuk gas bebas uap
Persen kejenuhan absolut = 100 100
2
1
2
1
2
1
2
1
jenuh
sebenarnya
jenuh
sebenarnya
P
P
P
P
n
n
n
n
Titik Embun. Selama gas yang jenuh secara parsial mendingin pada volume konstan, ataupun pada
tekanan total konstan, gas yang takdapat mengembun akhirnya menjadi jenuh dengan uap, dan uap
tersebut mulai mengembun. Suhu pengembunan dimulai pada titik embun (dew point)