bab 5 dasar-dasar neraca energi

7/13/2019 Bab 5 Dasar-dasar Neraca Energi

1/22

Bab 5: Dasar-Dasar Neraca Energi

86

Dasar-Dasar Neraca Energi

You're going to see new processes that utilize waste as the source of energy, so there's no

petroleum consumed in the process -- that makes the energy balance uniformly positive AlGore,

Salah satu aspek penting yang perlu diketahui oleh seorang insinyur kimia yang bekerja di

industri adalah mengetahui perubahan energi yang terjadi pada suatu proses kimia. Perubahan

energi dan aliran energi dapat ditentukan menggunakan neraca energi. Neraca energi pada

prinsipnya sama dengan neraca massa karena sama-sama didasarkan pada hukum kekekalan.

Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak bisa diciptakan dan juga tidak bisa

dimusnakan, namun hanya mengalami perubahan bentuk.

Energi dapat muncul dalam berbagai bentuk seperti energi kinetik, energi potensial, panas,

kerja, energi listrik dll. Namun karena bentuk-bentuk energi ini saling berkonversi, tidaklah

mudah untuk mengisolasi masing-masing komponen energi ini pada neraca massa. Akan

tetapi, pada sejumlah situasi aspek-aspek tertentu mendominasi. Sebagai contoh, pada neraca

panas bentuk-bentuk energi lain tidak signifikan; pada situasi reaksi kimia energi mekanis sama

sekali tidak berperan, dan pada beberapa situasi energi mekanis seperti aliran fluida melalui

pipa, kehilangan karena gesekan muncul dalam bentuk panas tetapi tetapi berapa panas yang

diperlukan tidak perlu dipertimbangkan. Oleh karena itu, penerapan neraca energi cenderung

untuk memusatkan pada aspek yang dominan.

Bab 5


2/22


87

5.1 Tujuan Pembelajaran

Setelah menyelesaikan bab ini, anda akan mampu melakukan hal-hal berikut:

1. Mampu menjelaskan dalam bahasa sendiri apa yang dimaksud dengan proses fisika dan

proses kimia.

2. Mampu menjelaskan dalam bahasa sendiri apa yang dimaksud dengan proses batch

(tumpak), kontinu (berkesinambungan) atau semi-batch

3. Mampu menjelaskan dalam bahasa sendiri apa yang dimaksud dengan proses tunak dan

transien.

5. Ketika dideskripsikan suatu proses, anda akan mampu (a) menggambarkannya dalam bentuk

diagram balok yang dilengkapi dengan komponen-komponen aliran masuk dan keluar, (b)

memilih basis perhitungan yang sesuai dan (c) menyelesaikan persoalan neraca massa

sederhana tanpa reaksi kimia.

5.2 Klasifikasi Proses

5.2.1 Proses Fisika dan Kimia

Proses merupakan perhatian utama bagi insinyur kimia. Suatu proses merupakan sebuah sistem

yang mengubah bahan baku (umpan) yang bernilai rendah secara ekonomi menjadi suatu

produk yang mempunyai nilai tinggi. Proses pada sebuah industri kimia pada umumnya

merupakan gabungan dari proses fisika dan proses kimia. Pada bagian awal persiapan bahan

baku, perlakuan terhadap bahan baku biasanya merupakan proses fisika. Inti dari proses

industri tersebut biasanya berupa proses kimia, misalnya reaksi bahan baku di dalam reaktor.

Di bagian akhir proses tersebut, produk reaksi perlu dimurnikan melalui berbagai operasi

pemisahan yang merupakan proses fisika. Dalam bentuk diagram balok kejadian mulai dari

bahan baku sehingga menjadi produk ditunjukkan pada Gambar 5.1.

BahanBaku ProdukPersiapan Bahan

Baku

(Proses Fisika)

Reaksi Kimia

(Proses Kimia)

Pemurnian Produk

(Proses Fisika)


3/22


88

Gambar 5.1 Diagram balok proses industri secara umum

Dari penjelasan di atas dapat dikatakan bahwa proses fisika merupakan suatu proses yang tidak

melibatkan perubahan molekuler sehingga tidak ada spesies baru yang terbentuk atau

terkonsumsi. Contoh proses fisika seperti pencampuran, pertukaran panas (pemanasan atau

pendinginan), kondensasi, penguapan dan proses pemurnian (distilasi, ekstraksi dan absorpsi).

Sebaliknya pada proses kimia, terjadi pembentukan molekul atau senyawa baru melalui

penyusunan atau pendistribusian kembali molekul-molekul semula sehingga sebagian atau

seluruh reaktan/pereaksi terkonsumsi.

5.2.2 Proses Tumpak, Kontinu atau Semi-Tumpak

Suatu proses dapat dijalankan secara tumpak (batch), berkesinambungan (kontinu) atau semi-

tumpak. Sebelum melaksanakan perhitungan neraca massa terhadap suatu sistem, anda harus

tahu terlebih dahulu termasuk ke dalam katagori mana proses yang anda hitung. Masing-

masing proses tersebut diatas memiliki karakteristik yang berbeda seperti yang dijelaskan

berikut ini.

1. Proses Batch. Umpan masuk ke dalam sistem/alat pada saat dimulainya proses dankemudian isi dikeluarkan dari alat/sistem setelah selesai reaksi/proses. Tidak ada

perpindahan massa ke luar dari sistem antara saat pemasukkan umpan dengan saat

produk dikeluarkan. Atas dasar informasi di atas, langkah-langkah pelaksanaan proses

batch adalah sebagai berikut:

a. Masukkan umpan ke dalam sistem (misalnya, reaktor)b. Jalankan prosesc. Tidak ada penambahan umpan atau pengambilan produk selama

berlangsungnya proses

d. Pada waktu tertentu, setelah proses selesai, produk dikeluarkan.2. Proses kontinu. Masukan dan keluaran mengalir secara kontinu (terus menerus)

selama proses dijalankan. Contoh, campuran cairan dipompakan ke dalam kolom


4/22


89

distilasi dengan laju konstan dan produk dikeluarkan secara steadi dari atas maupun dari

bawah kolom.

3. Proses semibatch. Setiap proses yang bukan batch dan juga bukan kontinu. Misalnya,kita biarkan gas keluar ke atmosfir dari reaktor bertekanan, sementara cairan yang ada

di dalam reaktor tersebut terus diaduk tanpa dikeluarkan sampai prosesnya selesai.

Proses seperti ini juga disebut semi-kontinu.

5.2.3 Proses Tunak dan Transien

Suatu proses dikatakan tunak atau steadi atau mantap, jika nilai-nilai seluruh variabel dalam

suatu proses (seperti temperatur, tekanan, volume, laju alir) tidak berubah terhadap waktu,

kecuali kemungkinan fluktuasi minor terhadap nilai rata-rata. Sebaliknya jika variabel proses

berubah terhadap waktu, maka operasi tersebut dikatakan sebagai transien atau tidak steadi atau

tak-tunak atau tak-mantap. Atas dasar sifatnya, maka proses batch dan proses semibatch

merupakan operasi tak mantap atau transien (mengapa?), sedangkan proses kontinu dapat

berada dalam keadaan tunak atau tak-tunak. Namun biasanya industri dengan proses kontinu

dioperasikan pada keadaan tunak. Keadaan tak tunak pada industri tersebut terjadi pada saat

pemulaan (start-up) atau penghentian (shut-down) proses, dan juga terjadi jika proses

mengalami gangguan. Proses batch biasanya dilakukan jika ingin dihasilkan produk dalam

jumlah kecil, sementara proses kontinu cocok untuk laju produksi besar.

5.3 Persamaan Neraca Umum

Pembangkit listrik tenaga uap biasanya mengunakan batu bara sebagai bahan bakar untuk

menghasilkan uap guna menggerakkan turbin uap. Jika saudara ketahui bahwa batu bara yang

dibakar setiap hari pada pembangkit tersebut mengandung 1500 lbm sulfur, maka anda tidak

perlu membuang waktu menganalisa abu dan gas yang keluar dari cerobong untuk mencari tahu

berapa banyak sulfur yang keluar dari pembangkit listrik tersebut. Pasti rata-rata sulfur dalam

berbagai bentuk yang keluar setiap hari : 1500 lbm !!!!!

Dasar dari observasi di atas adalah hukum konservasi (kekekalan) massa, yang menyatakan

bahwa massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi berubah bentuk. Pernyataan atas


5/22


90

dasar hukum konservasi massa ini memberi arti bahwa total massa masuk = total massa

keluar atau (lbm sulfur/hari) masuk = (lbm sulfur/hari) keluar. Ini merupakan contoh neraca

massa atau neraca material. Perancangan suatu proses baru atau analisa terhadap proses yang

ada tidak akan lengkap kalau neraca massa tidak dibuat sedemikian rupa sehingga masukan

(input) dan keluaran (output) keseluruhan proses dan unit individu memenuhi persamaan

neraca.

Andaikan gas alam cair (Liquid Natuaral Gas, LNG) seperti yang diproses di Arun, Aceh dan

Bontang, Kaltim menggunakan metana, CH5 sebagai bahan baku utama. Hasil pengukuran

menunjukkan bahwa laju alir massa metana yang masuk ke unit proses seperti pada gambar di

bawah ini tidak sama dengan laju alir massa metana pada keluaran (min mout).

Bahan Baku UNIT PROSES Produk

(min= kg CH5/jam) (mout= kg CH5/jam)

Ada beberapa penjelasan terhadap perbedaan laju alir metana antara masukan dan keluaran:

1. Metana dikonsumsi sebagai reaktan atau dihasilkan sebagai produk di dalamunit tersebut.

2. Metana terakumulasi di dalam unit, mungkin teradsorbsi oleh dinding3. Adanya kebocoran pada unit4. Pengukuran yang salah

Kalau pengukuran benar dan tidak ada kebocoran, maka kemungkinan yang lain, sepertiproduksi atau konsumsi akibat reaksi dan akumulasi di dalam unit proses yang menyebabkan

terjadinya perbedaan antara laju alir masukan dan laju alir keluaran.


6/22


91

Suatu neraca terhadap kuantitas kekal (massa total, massa spesies tertentu, energi, momentum)

di dalam suatu sistem (unit proses tunggal, kumpulan sejumlah unit proses, atau proses

keseluruhan) dapat ditulis menurut persamaan 5.1.

Masukan + Pembangkitan - Keluaran - Konsumsi = Akumulasi [5-1]

dimana

(i) Masukan: merupakan material atau massa yang masuk ke dalam sistem(ii) Pembangkitan: adalah bahan yang dihasilkan di dalam sistem, misalnya produk

reaksi di dalam sebuah reaktor

(iii) Keluaran: bahan yang meninggalkan (keluar dari) batas sistem. Ini biasanya berupaaliran produk dari suatu proses.

(iv) Konsumsi: bahan yang dikonsumsi di dalam sistem, misalnya reaktan di dalamreaktor.

(v) Akumulasi: jumlah bahan yang menumpuk di dalam sistem.Untuk mendapat gambaran yang jelas terhadap arti masing-masing suku dari persamaan 5.1,

beberapa ilustrasi dibawah ini diharapkan dapat meningkatkan pemahaman anda tentang

konsep neraca massa.

Contoh 5.1; Populasi Kota Banda Aceh

Setiap tahun sebanyak 50.000 penduduk baru masuk ke kota Banda Aceh dan 75.000 orang

keluar dari kota ini. Sebanyak 22.000 bayi dilahirkan dan 19.000 orang meninggal setiap tahun

di Banda Aceh. Tulislah neraca populasi kota Banda Aceh.

Penyelesaian:

Misalkan P menyatakan penduduk (orang)

Masukan + Pembangkitan - Keluaran - Konsumsi = Akumulasi

Atau persamaan neraca massa ditulis sebagai berikut:

Penduduk baru + Bayi yang lahir Penduduk keluar Penduduk meninggal = Laju

pertumbuhan penduduk


7/22


92

Sehingga,,

50.000 P/tahun + 22.000 P/tahun75.000 P/tahun19.000 P/tahun = A (P/tahun)

Diperoleh

A = - 22000 P/tahun

Tanda minus dari hasil di atas menunjukkan bahwa terjadi pengurangan penduduk Banda Aceh

sebanyak 22.000 orang per tahun. Seandainya hasil di atas positif, maka terjadi penambahan

penduduk Banda Aceh sebanyak 22.000 orang per tahun.

Tentu saja dari contoh kasus di atas kita dapat menerapkannya untuk menghitung laju populasi

suatu negara. Untuk tinjauan sebuah negara, maka suku-suku pada persamaan persamaan 5.1

dapat diuraikan sebagai berikut: suku masukan sama dengan Imigrasi, suku keluaran sama

dengan Emigrasi, suku pembangkitan sama dengan Kelahiran dan suku konsumsi sama dengan

Kematian. Sehingga persamaan 5.1 dapat dirubah menjadi persamaan 5.2 untuk menyatakan

neraca populasi suatu negara.

dPopImigrasi - Emigrasi + Kelahiran - Kematian

dt [5-2]

Sebagai mahasiswa/i tentu anda memiliki tabungan di salah satu bank yang tersedia di kampus

saudara. Laju tabungan saudara tentu tergantung dengan banyaknya jumlah uang yang dikirim

oleh orang tua saudara atau dari sumber pemasukan lainnya yang anda setor sebagai tabungan.

Selain itu juga tergantung pada berapa banyak yang uang yang anda tarik dan besar bunga bank

yang diberikan terhadap tabungan saudara. Atas dasar informasi di atas maka persamaan 5.1

kini bisa anda rubah menjadi persamaan 5.3 untuk menetukan laju tabungan anda.

dTab Setoran - Penarikan + Bunga - 0dt

[5-3]

Aturan-aturan berikut dapat digunakan untuk menyederhanakan persamaan neraca

material/bahan/massa.


8/22


93

Jika proses yang ditinjau berada pada keadaan tunak (mantap, steadi), maka tidak terjadi

akumulasi, sehingga akumulasi dinyatakan akumulasi = 0. Atas dasar ini, maka persamaan 5.1

berubah menjadi persamaan 5.5.

Masukan + Pembangkitan = Keluaran + Konsumsi [5-5]

Jika sistem tidak melibatkan reaksi kimia, maka tidak massa yang dibangkitkan dan

dikonsumsikan, sehingga suku pembangkitan dan konsumsi pada persamaan 5.5 sama dengan

nol. Dengan demikian, persamaan 5.5 dapat disederhanakan menjadi persamaan 5.5.

Masukan = Keluaran [5-5]

Prinsip ini tidak berlaku bagi proses yang menyangkut reaksi-reaksi inti (nuklir). Pada reaksi

ini terjadi pemusnahan massa dan berubah menjadi energi.

5.5 Strategi Penyelesaian Neraca Massa

Penyelesaian persoalan neraca massa dilakukan dengan membuat anggapan suatu unit proses

atau operasi sebagai kotak hitam. Ini berarti kita melihat unit proses itu dari luar, melihat apa

yang masuk ke dalam sistem dan apa yang keluar dari sistem, dan dari informasi ini kitamelakukan perhitungan neraca massa dengan memanfaatkan data sifat-sifat fiskia dan kimia

komponen-komponen yang masuk ke dalam dan keluar dari sistem. Sistem yang dimaksud

disini dapat ditinjuau sebagai satu alat (misalnya seperti pada Gambar 5.2), suatu bagian proses

produksi atau seluruh proses produksi (seperti pada Gambar 5.1).

Gambar 5.1 memperlihatkan diagram alir proses produksi etanol (etil alkohol) dari etilen.

Garis putus-putus menunjukan batas sistem keseluruhan proses produksi. Dari batas

keseluruhan ini kita bisa mengetahui bahwa komponen yang masuk ke dalam sistem terdiri dari

etilen, air, dan natrium hidroksida, sedangkan keluarannya terdiri dari gas buang, impurities,

etanol 95% dan etanol murni. Pada Gambar 5.2 ditunjukkan cuplikan satu alat dari proses

tersebut, yaitu Scrubber. Jika kita ingin melakukan kalkulasi neraca massa pada alat Scrubber

saja, maka masukan ke alat Scrubber terdiri dari gas hasil olahan dari alat Quencher dan air,


9/22


94

sedangkan keluarannya berupa gas dari bagian atas kolom dan cairan etanol kasar yang

memerlukan pemurnian lanjut dari bagian bawah kolom.

Sistem

Pemisah

Sistem

Dehidrasi

Etilen Daur UlangEtilen

Natrium Klorida

Air Umpan Boiler

R

E

AK

T

OR

Q

UE

N

CH

ER

CO

N

TA

C

TO

R

S

CR

UB

B

ER

Air Daur Ulang

Ethanol 95%

Ethanol Murni

mpur t s

Gambar 5.1. Diagram alir proses produksi etanol dari etilen

Sistem

Pemisah

Sistem

Dehidrasi

Etilen Daur Ulang

Etilen

Natrium Klorida

Air Umpan Boiler

R

E

A

K

T

OR

Q

U

E

NC

H

E

R

C

O

N

T

AC

T

O

R

S

C

RU

B

B

E

R

Air Daur Ulang

Ethanol 95%

Ethanol Murni

mpur t s

Gambar 5.2. Analisa neraca massa pada satu alat di dalam proses


10/22


95

Pada soal-soal neraca massa, anda biasanya akan diberikan informasi mengenai deskripsi

proses, nilai-nilai beberapa variabel proses, dan kuantitas yang ingin ditentukan. Agar anda

terlatih mengunakan prosedur sistematis untuk menyelesaikan persoalan neraca massa,

sebaiknya mengikuti langkah-langkah yang disarankan berikut ini.

1. Gambarkan persoalan dalam bentuk diagram balok, yang memuat aliran masukan dankeluaran. Tuliskan nilai aliran-aliran yang diketahui dan tuliskan notasi/simbol untuk

aliran yang belum diketahui. Usahakan sedimikian rupa agar jumlah notasi yang

tidak diketahui seminimum mungkin.

2. Pilih dasar/basis perhitungan. Biasanya diambil nilai salah satu aliran proses yangdiketahui. Jika hal ini tidak memungkinkan, tentukan nilainya untuk aliran yang

komposisinya diketahui. Pilih angka yang mudah, misalnya 10, 100 atau 1000

dengan satuan yang sesuai seperti pada soal.

3. Tuliskan persamaan neraca massa. Perlu dicatat bahwa jumlah persamaan independenyang dapat ditulis sama dengan jumlah spesies pada masukan dan keluaran pada

sistem yang ditinjau.

4. Tentukan variabel-variabel yang belum diketahui dengan menyelesaikan langkah 3.Contoh-contoh berikut memberikan gambaran penyelesaian persoalan neraca massa menurut

prosedur di atas.

Contoh 5.2, neraca massa distilasi minyak nilam.

Minyak nilam (lihat Gambar 5.3a) merupakan salah satu komoditas perdagangan yang ditekuni

oleh masyarakat pedesaan di beberapa kabupaten di pantai barat Aceh. Petani minyak nilam

melakukan proses distilasi secara tumpak (batch) untuk mendapatkan minyak nilam. Daun

nilam (lihat Gambar 5.3b) yang layak panen dimasukkan ke dalam tangki uap (lihat Gambar

5.3c), kemudian uap yang dihasilkan dialirkan melalui pipa yang didinginkan. Hasil yang

keluar berupa campuran antara air dan minyak nilam. Andaikan produksi minyak nilam di

Aceh cukup besar untuk skala industri, maka campuran minyak nilam-air tadi akan lebih

mudah dipisahkan secara distiilasi kontinu. Andaikan di dalam campuran air-minyak nilam

terdapat sebanyak 60% massa air dan agar minyak nilam bernilai tinggi, maka air yang ada di

dalam campuran tadi harus dihilangkan sehingga diperoleh minyak nilam dengan kemurnian

96%. Karena minyak nilam mempunyai titik didih (280 oC) jauh lebih tinggi dari titik didik air


11/22


96

(100 oC), maka minyak akan keluar dari bawah kolom distilasi, sedangkan air akan menguap

dan keluar dari atas kolom distilasi. Hasil analisa produk atas kolom distilasi menunjukkan

terdapat 1% massa minyak nilam. Jika setiap jam ingin dipisahkan sebanyak 100 kg campuran

minyak nilam-air, tentukan laju produksi minyak nilam dan tentukan komponen-komponen lain

yang tidak diketahui.

(a) (b) (c)

Gambar 5.3. (a) minyak nilam; (b) daun nilam; (c) distilasi minyak nilam tradisional

Penyelesaian:

Gambar 5.5. Diagram alir distilasi minyak nilam


12/22


97

1. Gambarkan diagram balok proses distilasi minyak nilam dan tuliskan komponen-komponen yang diketahui dan komponen-komponen tak diketahui, seperti pada Gambar

5.5.

2. Pilih basis perhitunganKarena sudah diketahui umpan sebesar 100 kg/jam, maka kita ambil saja nilai ini

sebagai basis perhitungan.

Basis: 100 kg/jam umpan

3. Tuliskan persamaan neraca massa.Dari Gambar 5.2 dapat diketahui komponen-komponen yang masuk ke dalam dan

keluar dari sistem (kolom distilasi). Menggunakan persamaan 5.5, dapat ditulis:

Neraca total : F = D + B [5-6]

Neraca minyak nilam : XMN(F)F = XMN(D)D + XMN(B)B [5-7]

Neraca air : XA(F) F = XA(D) D + XA(B) B [5-8]

Substitusikan nilai-nilai yang diketahui ke dalam persamaan 5.6 5.8, sehingga

diperoleh:

100 = D + B [5-9]

0,5 (100) = 0,01 (D) + 0,96 (B) [5-10]

0,6 (100) = 0,99 (D) + 0,05 (B) [5-11]

5. Tentukan variabel-varibel yang belum diketahui dengan menyelesaikan persamaan 5.9

5.11. Bila persamaan 5.95.11 anda diselesaikan, maka akan diperoleh:

D = 58,95 dan

B = 51,05

Sehingga dapat disusun:


13/22


98

Pada Umpan:

Minyak nilam = 0,5 (100) = 50 kg/jam

Air = 0,6 (100) = 60 kg/jam

Pada Produk Atas

Minyak nilam = 0,01 (58,95) = 0,5895 kg/jam

Air = 0,99 (58,95) = 58,3605 kg/jam

Pada Produk bawah

Minyak nilam = 0,96 (51,05) = 39,5105 kg/jam

Air = 0,05 (51,05) = 1,6395 kg/jam

Contoh 5.3, Pengeringan padi

Padi yang baru dipanen (gabah) memiliki kadar air rata-rata 35 %. Peraturan Menteri Pertanian

No: 25/Permentan/PP.330/5/2008 Tanggal 29 April 2008 menyatakan bahwa Pemerintah

hanya akan membeli gabah petani yang mempunyai kadar air maksimum 25%. Di sisi lain,

hasil penelitian menunjukkan bahwa jika padi ingin digiling untuk dijadikan beras, maka kadarair gabah yang paling baik adalah 13 %. Pada kondisi kadar air seperti ini, resiko beras patah

sangat kecil. Sudah lazim petani hanya mengandalkan panas matahari untuk mengeringkan

gabah. Cara seperti ini tentu sulit sekali mengatur kadar air sedemikian rupa sehingga bisa

diperoleh gabah dengan kadar air


14/22


99

1. Gambarkan diagram balok yang menggambarkan proses pengeringan padi segar dantuliskan komponen-komponen yang diketahui dan yang tak diketahui, seperti

ditunjukkan pada Gambar 5.5.

Gambar 5.5Diagram alir proses pengeringan gabah segar

2. Basis Perhitungan.Karena besaran umpan sudah diketahui, maka basis perhitungan diambil langsung

sebesar 5000 kg umpan gabah segar

3. Tuliskan persamaan neraca massa.

Dari Gambar 5.5 dapat diketahui komponen-komponen yang masuk ke dalam dan

keluar dari sistem pengering kontinu. Menggunakan persamaan 5.5, dapat ditulis:

Neraca total : F = W+ P [5-12]

Neraca gabah : XF(gabah)F = XW(gabah)W + XP (gabah) P [5-13]

Neraca air : XF(air) F = XW(air) D + XP(air) P [5-15]

Substitusikan nilai-nilai yang diketahui ke dalam persamaan 5.12 5.15, sehingga

diperoleh:

5000 = W+ P [5-15]


15/22


100

0,65 (5000) = 0,0 (W) + 0,85 (P) [5-16]

0,35 (5000) = 1.0 (W) + 0,15 (P) [5-17]

5. Tentukan variabel-variabel yang belum diketahui dengan menyelesaikan persamaan

5.15-5.17. Bila persamaan-persamaan ini diselesaikan, maka akan diperoleh:

Gabah kering, P = 3823,5 kg

Air yang dihilangkan dari gabah segar, W = 1176,5 kg

5.5 Rangkuman

Analisa suatu sistem proses biasanya akan selalu melibatkan perhitungan neraca massa guna

menentukan seluruh zat/spesies pada aliran umpan dan produk. Bab ini telah menjelaskan

klasifikasi proses yang terlibat pada suatu industri yang meliputi proses fisika dan proses kimia.

Proses fisika merupakan suatu proses yang tidak melibatkan perubahan molekul, sehingga tidak

menghasilkan senyawa baru. Dengan demikian proses fisika merupakan proses yang dapat

balik. Sebagai contoh, misalnya gula dilarutkan ke dalam air panas, sehingga tidak terlihat

butir-butir gula. Menggunakan proses pemisahan, misalnya penguapan, maka akan di dapatkan

kembali gula dan airnya. Ini yang dimaksud dengan proses dapat balik. Sebaliknya proses

kimia merupakan proses yang tidak dapat balik, karena melibatkan perubahan molekul

sehingga menghasilkan unsur atau senyawa baru. Misalkan anda menjalankan reaksi netralisasi

antar asam dan basa, maka akan terbentuk senyawa baru berupa garam dan air. Produk baru

garam dan air ini tidak akan dapat dirubah kembali menjadi asam dan basa, sehingga dikatakan

prosesnya tidak dapat balik. Walaupun pada hakikatnya ada reaksi kimia yang dapat bolak

balik, tapi hal tersebut di luar lingkup yang kita pelajari di sini.

Selain proses fisika dan proses kimia, telah dijelaskan juga perbedaan antara proses tumpak,

kontinu dan semi-tumpak. Proses tumpak dicirikan dengan tidak adanya perpindahan massa ke

luar dari sistem selama berlangsungnya proses. Artinya, umpan dimasukkan ke dalam unit

proses, kemudian proses dijalankan sampai selesai, baru di akhir produk dikeluarkan dari unit


16/22


101

proses. Proses kontinu sebaliknya berbeda nyata dari proses tumpak, dimana umpan dan produk

secara terus menerus dimasukkan dan dikeluarkan dari unit proses. Suatu unit proses yang yang

tidak mencirikan proses tumpak dan proses kontinu dikategorikan sebagai proses semi-tumpak

atau semi kontinu.

Dari segi ketergantungan terhadap waktu, proses dapat diklasifikasikan sebagai proses tunak

(mantap, steadi) dan transien (tak-mantap, tak steadi). Jika nilai-nilai seluruh parameter dalam

suatu proses seperti temperatur, tekanan, volume, laju alir dll tidak berubah terhadap waktu

maka proses tersebut dikatakan memiliki kondisi tunak. Sebaliknya jika variabel-variabel

proses tersebut berubah terhadap waktu, maka proses demikian disebut dengan proses transien

atau tak-steadi.

Pengertian neraca massa telah dipaparkan diikuti dengan penjelasan mengenai strategi

penyelesaian neraca massa sederhana tanpa melibatkan reaksi kimia. Prosedurnya dimulai

dengan menggambarkan proses yang ditinjau ke dalam bentuk diagram balok dan menuliskan

komponen-komponen yang diketahui pada diagram tersebut. Setelah basis perhitungan

ditentukan, persamaan neraca massa disusun berdasarkan persamaan 5.1. Namun, jika proses

yang ditinjau mantap (tunak) dan tidak melibatkan reaksi kimia, dengan mudah persamaan 5.5

disederhanakan menjadi persamaan 5.3. Penyusunan persamaan neraca massa akan

menghasilkan beberapa persamaan aljabar dengan beberapa variabel yang belum diketahui.Langkah akhir adalah menentukan variabel-variabel yang tidak diketahui dengan

menyelesaikan persamaan aljabar yang diperoleh dari langkah sebelumnya.

5.6 Latihan

1. Sebuah tangki berukuran 5 m3 diisi dengan air dengan laju 6 kg/det dan dikeluarkan dari

dasar tangki dengan laju 3 kg/det. Sebelum diisikan air, pada saat mula-mula separuh tangki

telah berisi air.

a). Apakah proses ini tumpak, kontinu atau semi-tumpak? Apakah prosesnya tunak atau

steadi


17/22


102

b). Tuliskan neraca massa untuk proses tersebut (lihat contoh 5.1). Berikan padanan

suku-suku yang anda tinjau dengan suku-suku pada persamaan 5.1. Berikan alasan

jika ada suku-suku yang dihilangkan

c). Berapa lama waktu yang diperlukan sehingga air meluap dari permukaan tangki?

2. Seorang dosen teknik kimia mengadakan pengabdian masyarakat di sentra perkebunan

pepaya. Dosen tersebut mengajarkan masyarakat membuat selai pepaya. Pepaya masak

yang akan dibuat menjadi selai biasanya mengandung 20% padatan dan 80% air atas dasar

massa. Untuk membuat selai pepaya, pepaya yang telah dibersihkan dihancurkan dengan

menggunakan blender dan dicampur dengan gula dengan rasio pepaya:gula = 55:55.

Campuran pepaya-gula tadi kemudian dimasak guna menguapkan kandungan air yang ada

dalam campurannya, sehingga kandungan air akhir sebesar 1/3 dari kandungan air semula.

Sisa pemasakan inilah yang akhirnya disebut dengan selai pepaya.

a). Gambarkan diagram balok dan beri label untuk proses pembuatan selai pepaya.

b). Berapa kg pepaya yang diperlukan untuk membuat 1 kg selai pepaya.

c). Seandainya umpan terdiri dari 10 kg pepaya, berapa banyak air harus diuapkan untuk

menghasilkan selai pepaya dan berapa banyak selai pepaya yang diperoleh.

3. Pengawetan bahan makanan segar seperti daging dan ikan dapat dilakukan dengan berbagai

cara, seperti pengeringan, pendinginan (pembekuan), pengasapan, dan penambahan bahan

pengawet. Terkait metoda yang terakhir dapat dilakukan dengan penambahan bahan

pengawet kimiawi dan alami. Pengawet kimiawi dapat dikatagorikan lagi menjadi

pengawet berbahaya dan aman bagi manusia. Penggunaan cuka, gula dan garam telah lama

digunakan untuk mengawetkan bahan pangan, dan sampai sekarang masih tetap digunakan

karena faktor keamanannya bagi manusia. Sejumlah asam juga relatif aman sebagai bahanpengawet. Namun penggunaan formalin untuk mengawetkan bahan pangan merupakan

sesuatu metoda yang sangat membahayakan bagi konsumen dan dikatagorikan sebagai

perbuatan kriminal. Kenyataan ini menginspirasikan Anton seorang alumni teknik kimia

untuk memulai wirausaha produksi asap cair sebagai zat pengawet pangan alami. Dasar

pemikiran Anton sederhana saja, dia melihat bahwa hampir di seluruh Indonesia terdapat


18/22


103

sentra-sentra produksi kelapa dimana tempurung kelapa belum banyak dimanfaatkan.

Anton mulai memproduksi asap cair dengan metoda pirolisa dalam sebuah reaktor dengan

bahan baku 1 ton tempurung kelapa. Asap keluaran dari reaktor pirolisa dikondensasikan

sehingga diperoleh 600 L asap cair Grade 3 dan 200 kg arang aktif. Asap cair Grade 3 ini

hanya dapat digunakan untuk pengawetan kayu, bukan untuk pengawetan pangan mentah.

Oleh karena itu Anton harus merubah asap cair Grade 3 menjadi asap cair Grade 2, yang

dapat digunakan untuk mengawetkan pangan mentah, seperti daging dan ikan. Untuk

mengubah dari Grade 3 ke Grade 2, kandungan tar yang ada di dalam asap cair harus

dipisahkan dengan metoda distilasi. Di dalam 600 L asap cair yang dihasilkan oleh Anton

terdapat sebanyak 7% (massa) tar. Ketika asap cair ini dimasukkan ke dalam kolom

distilasi, didapati bahwa 97% (massa) asap cair ada di produk atas dan 85% tar terdapat di

produk bawah. Tentukan massa asap cair dan tar pada produk atas dan produk bawah

kolom distilasi. (Petunjuk: tentukan dulu massa 600 L campuran asap cair + tar, sehingga

dari situ dapat diketahui massa asap cair dan tar di dalam umpan kolom distilasi. Anggap

bahwa proses berjalan mantap dan tidak ada kebocoran sehingga seluruh asap yang

dihasilkan dari proses pirolisa betul-betul mencair).

5. Kadar gula dalam suatu cairan dinyatakan dengan oBrix. Jadi kalau dikatakan jus jeruk

memiliki 10 oBrix, berarti di dalam jus tersebut terdapat 10 g (kg, lbm) gula/100 g (kg, lbm).

Jika anda masuk ke super market dan membeli jus apel kotak berukuran 1 L, lalu membaca

pada kotak tersebut bahwa jus apel tersebut diproduksi oleh perusahaan Indonesia asli.

Bagaimana hal itu bisa terjadi padahal Indonesia bukanlah produsen apel. Di negara-negara

produsen apel, apel tersebut diperas sehingga diperoleh jus apel dengan nilai brix rendah.

Jus tersebut kemudian diproses dan dipekatkan sehingga mencapai 65-70 oBrix. Jus ini

kemudian dibekukan dan diekspor ke berbagai negara dalam kondisi beku. Perusahaan

Indonesia membeli konsentrat jus beku ini, lalu setiba di pabrik mereka di Indonesia jus

tersebut dicairkan dan ditambahkan air sehingga jadilah jus kotak yang anda beli disupermarket tadi. Perusahaan tersebut membeli 5 ton jus apel konsentrat 70 oBrix dari luar

negeri seharga US$ 1500/ton dalam tahun 2011. Kemudian memproduksinya menjadi jus

apel kotak berukuran 1 L yang memiliki nilai 20 oBrix. Jika diasumsi jus tersebut hanya

terdiri dari gula dan air, berapa banyak air yang harus ditambahkan kepada 5 ton jus

konsentrat untuk menghasil jus dengan nilai 20 oBrix. Berapa kotak jus apel ukuran 1 L (20


19/22


104

oBrix) yang dapat diproduksi dari 5 ton jus konsentrat (70 oBrix). Jika perusahaan tersebut

menjual jus apel kotak 1 L (20 oBrix) kepada distributor dengan harga Rp 12500,- per kotak

dan dengan nilai tukar Rp 9600,-/1 US$, apakah perusahaan untuk mendapatkan

keuntungan?

5. Gambar 5.6 (a) menunjukkan sebuah siklon yang diinstallasi pada sebuah industri. Siklon

merupakan sebuah alat yang digunakan untuk memisahkan partikel padatan dari aliran gas.

Mekanisme pemisahan partikel tersebut akibat adanya gerakan fluida (gas dan partikel)

secara spiral karena bentuk dari siklon. Gaya sentrifugal dan gaya inersia menyebabkan

partikel terlempar ke arah luar, membentur dinding dan kemudian bergerak turun ke dasar

siklon. Dekat dengan bagian dasar siklon, gas bergerak membalik dan bergerak ke atas

dalam bentuk spiral yang lebih kecil. Gas yang bersih keluar dari bagian puncak siklon

sedangkan partikel keluar dari dasar siklon, seperti yang ditunjukkan dari hasil simulasi

pada Gambar 5.6 (b).

(a) (b)

Gambar 5.6(a) Pemisah siklon pada sebua industri, (b) simulasi gerakan partikel dalam siklon


20/22


105

Sebuah industri menghasilkan gas buang sebesar 3000 ft3/menit dengan kandungan partikel

8,25 gr/ft3. Seluruh gas buang ini dialirkan ke sebuah siklon untuk memisahkan partikel

dari aliran gas. Siklon yang digunakan dikatakan memiliki efisiensi pengumpulan sebesar

90%. Buatlah neraca massa partikel dan tentukan berapa banyak pertikel yang terkumpul

dan yang dibuang ke atmosfir setiap jam.

6. Diagram balok di bawah ini menunjukkan operasi pencampuran tiga komponen A, B, dan C

yang masing-masing komposisinya dinyatakan dalam persen massa. Operasi berjalan dalam

kondisi tunak (mantap, steadi). Dari informasi yang ada tentukan laju alir massa dan

komposisi produk yang dihasilkan.

7. Dalam percobaan adsorpsi di laboratorium, seorang mahasiswa teknik kimia diminta untuk

menguji kemampuan zeolit alam untuk menyerap phenol. Sebanyak 150 mL larutan phenol

dikontakkan dengan 60 gram zeolit alam di dalam Erlenmeyer berpengaduk, sehingga

terjadi perpindahan massa phenol ke dalam zeolit alam sedangkan air tidak terjerap.

Konsentrasi phenol mula-mula di dalam larutan adalah 0,5 mol/L, namun setelah satu jam

pengontakan dengan zeolit alam konsentrasi phenol berkurang menjadi 0,5 mol/L.

Tentukan berapa banyak phenol yang terserap untuk setiap gram zeolit alam.

8. Sebanyak 1 L etanol dengan densitas 0,789 gr/cm3pada 20 oC ingin dicampur dengan 2,5 L

air yang memiliki densitas 0,998 gr/cm3. Tentukam massa dan komposisi massa masing-

masing komponen dalam campuran air-etanol.


21/22


106

9. Seorang mahasiswa teknik kimia yang akan melakukan praktikum di laboratorium kimia

dasar diminta untuk membuat 1000 gram larutan H2SO5 (10% massa). Akan tetapi di

laboratorium tersebut hanya tersedia larutan H2SO5(25% massa). Jelaskan apa yang harus

dilakukan oleh si mahasiswa agar ia dapat mempersiapkan larutan H2SO510 %.

10. Seorang pekerja diminta untuk membuat 2500 kg campuran air dan Ca(OH)2 (slurry)

dengan konsentrasi 5 % massa Ca(OH)2. Hal ini harus dilakukannya dengan mengencerkan

dari 1000 kg campuran (slurry) yang mengandung 20% Ca(OH)2. Tentukan berapa banyak

air yang harus ditambahkan agar diperoleh slurry dengan konsentrasi Ca(OH)25%.

5.7 Glosarium

Distilasi : proses pemisahan komponen-komponen dari campuran atas dasar titik didih

sehingga komponen-komponen yang memiliki titik didih lebih rendah akan menguap

sebagai produk atas, sedangkan komponen-komponen dengan titik didih lebih tinggi

akan berada dalam fasa cair sebagai produk bawah.

Impuritis : zat-zat yang tidak memiliki nilai berarti baik dari segi kualitas maupun

kuantitas.

Kontaktor : Sebuah kolom yang dirancang sedemikian rupa untuk mengontakkan dua atau

lebih zat.

Quencher : Sebuah alat yang dirancang untuk menurunkan temperatur fluida secara cepat.

Reaktor : Sebuah alat yang digunakan untuk menjalankan reaksi kimia.

Scrubber : Sebuah peralatan yang digunakan untuk menghilangkan impuritis dari aliran

gas.

Shut-down : Di industri istilah ini dimaksudkan penghentian sebagian proses atau seluruh

proses di industri tersebut dikarenakan gangguan atau memang direncanakan untuk

perawatan maupun perbaikan.


22/22


Slurry : Suatu campuran antara cairan, biasanya air, dengan bahan padat halus seperti

semen, batu kapur, lempung, dll

Start-up : Dalam industri istilah ini didefinisikan sebagai periode waktu antara tahap akhir

konstruksi pabrik dengan tahap operasional pabrik itu sendiri, atau dimaksudkan juga

terhadap kegiatan memulai pabrik untuk beroperasi sampai mencapai operasional

steadi.

Daftar Pustaka

Felder, R.M dan Rousseau, R.W. (2005) Elementary Principles of Chemical Processes, 3rdEdition.John Wiley and Son, Inc. USA

Himmelblau,D.M danJames Riggs,B. (2005)Basic Principles and Calculations in ChemicalEngineering, 7

thEdition,Prentice Hall, Upper Saddle River, NJ.USA

Wikibooks (2010) Introduction to Chemical Engineering Processes.http://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Chemical_Engineering_Processes. Diakses11 Maret 2010.
http://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_1?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=David%20M.%20Himmelblauhttp://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_2?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=James%20B.%20Riggshttp://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Chemical_Engineering_Processeshttp://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Chemical_Engineering_Processeshttp://en.wikibooks.org/wiki/Introduction_to_Chemical_Engineering_Processeshttp://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_2?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=James%20B.%20Riggshttp://www.amazon.com/s/ref=ntt_athr_dp_sr_1?_encoding=UTF8&sort=relevancerank&search-alias=books&field-author=David%20M.%20Himmelblau

bab 5 dasar-dasar neraca energi

Documents