energy balance

Material and Energy Balance

Lecture #4

Material balance

Balance = deposit – withdrawal

For environmental process:

Accumulation = input – output

Material balance

ProcessInput Output

Control volume

Contoh soal #1

Sebuah industri menggunakan bahan baku 50 kg/minggu. Bahan baku ini diolah dengan proses tertentu dan menghasilkan produkyang jumlahnya adalah 50% dari total bahan baku. Akumulasi di dalam proses 1 kg.Sisanya menjadi limbah. Bila 25% limbah tersebut direcycle sedangkan sisanya dibuang ke TPA, berapa jumlah limbah yangdibuang ke TPA setiap minggunya?

Jawaban: 18 kg/minggu

Time as Factor

Rate of accumulation = rate of input – rate of output

Rate : unit per timeIn the calculus, the equation can be written as:

dM/dt = d(in)/dt – d(out)/dt

Contoh soal #2

Sebuah tangki dengan volume 0.350 m3 diisi dengan air sebanyak 1.32 L/menit. Pada bagian bawah tangki terdapat kran yangterbuka dengan debit 0.32 L/m. Berapa waktuyang dibutuhkan untuk mengisi tangki tersebut dan berapa banyak air yangterbuang pada saat tangki penuh?Jawaban: 350 menit dan 112 L

Efficiency

dM/dt = Cin.Qin – Cout.Qout

dM/dt = Cin.Qin – Cout.Qout

Cin.Qin Cin.Qin

η = (mass in – mass out)(100%)mass in

Contoh soal #3Sebuah alat pencegahan pencemaran udara

(fabric filter) mempunyai 424 bag untuk mengumpulkan partikulat dari udara yangmasuk. Konsentrasi partikulat yang mengalir ke fabric filter adalah 15 g/m3. Aliran udarayang masuk dan keluar dari fabric filteradalah 47 m3/s. Persyaratan partikulat yangboleh diemisikan adalah 24 mg/m3.Hitung efisiensi fabric filterBila ada 1 bag yang harus dibersihkan maka udara di by pass dengan aliran 1/424 dari aliran awal. Hitung kembali efisiensi alat.Jawaban: 99.84% dan 99.61%

The State of Mixing

Completely mixed systemsPlug flow systems

Steady state conservative system

Nothing is changing with timeThe accumulation rate = 0Conservative = no reaction occuring

dM/dt = d(in)/dt – d(out)/dtd(in)/dt = d(out)/dt

Input rate = output rate

Contoh soal #4

Sebuah sungai mengalir dengan debit 10 m3/hari. Konsentrasi klorida dalamair sungai adalah 20 mg/l. Pada jarak tertentu, sebuah industri membuang limbah yang mengandung klorida dengan konsentrasi 40 mg/l dan debit 5 m3/hari. Hitung konsentrasi campuran.Jawaban: 26.7 mg/l

Steady state withnonconservative pollutants

Many environmental pollutants undergo chemical, biological or nuclear reactionsDecay of organic matter

dM/dt = d(in)/dt – d(out)/dt + rr: transformation rate

+ formation- decay

Steady state withnonconservative pollutants

r = kCn

r : transformation ratek : constantC : concentrationn : reaction order

For first order reaction:dC/dt = -kC

ln (C/Co) = - ktC = Co e-kt

r = -kCV

Contoh soal #5

Sebuah danau dengan volume 10x106 m3

mendapat aliran dari 2 sumber. Sumber Adengan flow rate 5 m3/detik dan konsentrasi pencemar 10 mg/l. Sumber B dari saluran pembuangan limbah dometic dengan flow rate 0.5 m3/detik dan konsentrasi pencemar100 mg/l. Koefisien reaksi adalah 0.20/hari.Hitung konsentrasi pada kondisi steady state.Jawaban: 3.5 mg/l

Reactors

Batch reactord(in)/dt = d(out)/dt = 0dM/dt = -kCVCompletely mixed flow reactor (CMFR)Plug-flow reactor

Energy

First law of thermodynamicsEnergy can neither be created nor destroyed. Energy may change forms in any given process

Chemical energy heat or electricity

Energy

System being studied

In Out

BoundaryAutomobile engine

Nuclear power plant

A smokestack

Energy

Energy in = energy out + change in internal energy

Internal energy: energy stored in the systemChange in internal energy = mc∆Tc: specific heat of the substance

Contoh soal #6Sebuah pembangkit listrik menggunakan bahan bakar batu bara mempunyai efisiensi 33,3%. Daya keluaran dari pembangkit listrik tersebut adalah1000MW. Sisanya (66,7%) terbuang dalam bentuk limbah panas. 15% dari limbah panas ini dialirkan melalui cerobong dan dibuang ke udara sedangkan sisanya (85%) didinginkan menggunakan air (cooling water) dan dibuang ke sungai yang mempunyai debit 100 m3/detik dan suhu 20oC.a. Jika suhu cooling water hanya boleh naik 10oC,berapa debit air yang diperlukan?b. Berapa temperatur air sungai sesaat setelah menerima cooling water?

Energy

The second law of thermodynamics:“there will always be some waste heat;

that is, it is impossible to devise a machine that can convert heat to work with 100% efficiency”

η= W/Qh

Qh

W

Qc

Heat engine

References

Chapter 3 Davis and Masten (2004) Principles of Environmental Engineering and Science, McGraw Hill