neraca elemen

28
Neraca Elemen Kelompok 2

Upload: kania-pravita

Post on 05-Aug-2015

83 views

Category:

Documents


13 download

TRANSCRIPT

Page 1: Neraca Elemen

Neraca ElemenKelompok 2

Page 2: Neraca Elemen

Hukum Kekekalan MassaSebelum kita membahas tentang neraca

unsur, kita perlu mengkaji ulang tentang hukum kekekalan massa, yang berbunyi:

“Massa dalam alam semesta bersifat konstan”

Atau dengan kata lain massa tidak dapat diciptakan atau dihilangkan.

Seperti yang kita ketahui bahwa Hukum Kekekalan Massa merupakan dasar perhitungan Neraca Massa.

Page 3: Neraca Elemen

Permasalahan NeracaKadang-kadang kita menjumpai masalah yang

disertai dengan reaksi kimia namun reaksi tersebut tidak lengkap. Kita tidak dapat menggunakan neraca komponen dalam menyelesaikan masalah tersebut, malah kita harus menggunakan neraca elemen.

Namun kita tidak boleh menganggap bahwa neraca elemen sebagai kunci serbaguna dalam menyelesaikan masalah.

Ada saat kita tidak bisa menggunakan neraca elemen malah kita harus menggunakan neraca komponen. Masing-masing memiliki peranannya sendiri.

Page 4: Neraca Elemen

Matriks Atom dan Persamaan UmumSebelum kita mengkaji lanjut neraca elemen

kita perlu mendefinisikan suatu besaran yang dinamakan laju keluaran bersih yang dinotasikan sebagai dirumuskan:

Kita akan mendefinisikan sebuah besaran baru yang dinotasikan sebagai α, yang menunjukkan banyaknya atom e dalam suatu komponen. Sehingga kita dapat menuliskan persamaan umum neraca elemen, yakni:

Page 5: Neraca Elemen

Matriks Atom dan Persamaan UmumDalam menyelesaikan suatu masalah dengan

neraca elemen, kita perlu menyusun matriks atom.

Matriks atom adalah matriks yang menyatakan hubungan antara senyawa-senyawa yang terlibat dengan unsur-unsur penyusunnya. Senyawa-senyawa ditulis dalam kolom dan unsur-unsur penyusun ditulis dalam baris.

Page 6: Neraca Elemen

Matriks Atom dan Persamaan UmumPerbedaan operasi matriks pada neraca

komponen dan neraca elemen adalah ketika kita menyelesaikan masalah dengan neraca komponen, kita mengoperasikan matriks berdasarkan kolom, sedangkan ketika kita menyelesaikan masalah dengan neraca elemen, kita mengoperasikan matriks berdasarkan baris.

Page 7: Neraca Elemen

Contoh pengerjaan matriks atom: (diambil dari matriks atom soal pemicu)

Menghasilkan matriks atom yang TTSL, yaitu:

Page 8: Neraca Elemen

Hubungan Neraca Komponen dan Neraca ElemenHubungan antara neraca komponen dan

neraca elemen dapat disimpulkan dalam satu persamaan yaitu:

Dengan :S = Jumlah bahan yang terlibatρ(α) = Banyaknya neraca elemen yang TTSLρ(σ) = Banyaknya neraca komponen yang TTSL

Page 9: Neraca Elemen

Hubungan Neraca Komponen dan Neraca ElemenUntuk sistem tanpa reaksi ρ(σ) = 0 jadi ρ(α) < S. Ketika ρ(α) = S

Barulah kita dapat menggunakan kedua neraca tanpa ada pengaruh terhadap derajat kebebasan. Namun, apabila dikaji lebih lanjut, untuk sistem tanpa reaksi tidak pernah ρ(α) > S , jadi lebih bijaksana kita menggunakan neraca komponen dalam menyelesaikan masalah sistem tanpa reaksi.

Page 10: Neraca Elemen

Hubungan Neraca Komponen dan Neraca ElemenUntuk sistem dengan reaksi ρ(σ) < S - ρ(α) . Ketika ρ(σ) = S - ρ(α)

Barulah kita dapat menggunakan kedua neraca tanpa ada pengaruh terhadap derajat kebebasan. Apabila ρ(σ) < S - ρ(α), maka maka kita harus menggunakan neraca komponen dalam menyelesaikan masalah dengan sistem bereaksi.

Page 11: Neraca Elemen

Aplikasi Bahan Bakar FosilBahan bakar fosil merupakan salah satu

bahan yang paling umum dalam kehidupan sehari-hari.

Dalam menghasilkan listrik kita menggunakan bahan bakar fosil. Bahan bakar fosil merupakan sumber energi yang tak terbaharukan karena dalam memproduksinya secara alami membutuhkan waktu yang sangat lama.

Page 12: Neraca Elemen

Aplikasi Bahan Bakar FosilHal yang perlu diperhatikan dalam aplikasi

bahan bakar fosil adalah % udara berlebih. Hal ini dapat menyumbangkan ke dalam hubungan pembantu sehingga membantu kita dalam menyelesaikan permasalahan neraca massa. % udara berlebih dirumuskan:

Page 13: Neraca Elemen

Aplikasi Bahan Bakar FosilUdara teoritis adalah kandungan molar

udara yang diperlukan untuk mengoksidasi sempurna bahan bakar fosil. Oksigen teoritis merupakan oksigen yang diperlukan untuk mengoksidasi sempurna bahan bakar fosil.

Oleh karena udara dan oksigen untuk pembakaran berasal dari atmosfer, maka digunakan perbandingan N2 dan O2 atmosfer yakni 79% : 21%.

Page 14: Neraca Elemen

Konversi Neraca Elemen ke Neraca KomponenKetika kita dihadapi masalah dengan reaksi kimia

tidak lengkap, kita tidak mungkin mengerjakannya dengan neraca komponen melainkan dengan neraca elemen.

Namun neraca elemen bukanlah cara yang efisien dalam menyelesaikan masalah. Tadi sudah dijelaskan bahwa ada saat dimana kedua neraca dapat digunakan.

Jadi, alangkah lebih baik jika masalah tersebut dapat diselesaikan dengan neraca komponen karena dapat menghindari kesulitan dalam neraca elemen.

Page 15: Neraca Elemen

Konversi Neraca Elemen ke Neraca KomponenAkan tetapi timbul pertanyaan baru, ketika

kita menggunakan neraca komponen kita membutuhkan pasangan reaksi yang lengkap. Kita tidak mungkin menggunakan reaksi yang tidak lengkap itu dalam persamaan neraca. Reaksi-reaksi yang kita butuhkan dapat kita cari dengan menggunakan neraca elemen atau lebih tepatnya matriks atom.

Page 16: Neraca Elemen

Konversi Neraca Elemen ke Neraca KomponenDalam menyusun persamaan reaksi dengan

matriks atom, kita terlebih dahulu mereduksinya menjadi TTSL, yaitu dengan rincian matriks:

Dengan I adalah matriks identitas persegi dan C adalah matriks sisa hasil reduksi matriks. Dan baris 0 menunjukkan baris yang habis tereduksi akibat reduksi matriks (bila ada).

Page 17: Neraca Elemen

Konversi Neraca Elemen ke Neraca KomponenSetelah itu, kita buat matriks baru dengan rincian:

Matriks yang diperoleh dapat digunakan sebagai reaksi kimia dalam neraca komponen.

Perlu diperhatikan bahwa urutan senyawa pada baris matriks atom menjadi urutan senyawa pada kolom matriks reaksi.

Reaksi yang didapat bersifat TTSL, namun bukanlah satu-satunya. Reaksi yang didapat mungkin berbeda jika urutan senyawa dipertukarkan.

Page 18: Neraca Elemen

Misalnya, kita membuat pasangan reaksi stoikiometri dari matriks tadi maka:

Indeks:1 = HD3A4B2 = AD3 = A2B4 = A3D3

5 = HD6 = HAD2

Maka, reaksinya adalah:3AD -> A3D3

HD3A4B -> 2AD + A2B + HDHD3A4B -> AD + A2B + HAD2

Page 19: Neraca Elemen

Dalam sebuah proses daur ulang, reaktan HD3A4B di reaksikan dengan AD untuk menghasilkan produk primer A2B dan A3D3 dengan reaksi:HD3A4B + AD A2B + A3D3 + HDDua reaksi samping juga berlangsung:HD3A4B + 2AD HAD2 + A2B + A3D3

HD + AD HAD2

Yang menghasilkan produk yang tidak diinginkan HAD2. Diinginkan untuk membatasi HAD2 di alur produk A3D3 menjadi 25% dalam persen molar dan HD dmenjadi 12,5%. Alur keluar reaktor mengandung 20% A3D3 dalam persen molar, dan AD dimasukkan dengan laju 750 mol/jam.a. Tentukan apakah masalah akan diselesaikan dengan neraca bahan atau

elemen.b. Buatlah tabel derajat kebebasan, dengan asumsi neraca unsur dapat

digunakan dalam menyelesaikan masalah.c. Selesaikan dengan neraca elemen.d. Selesaikan dengan neraca bahan.e. Bandingkan hasil C dan D, jelaskan

Page 20: Neraca Elemen

Kita tentukan dahulu neraca elemen yang TTSL. Susun matriks atom:

HD3A4B AD A2BA3D3HDHAD2

HDA

B

Berarti, ρ(α) = 3

Page 21: Neraca Elemen

Kita tentukan neraca komponen yang TTSL. Susun matriks reaksi:

HD3A4BAD

A2B

A3D3

HDHAD2

Berarti, ρ(σ) = 2

Jika dihitung: ρ(α) = 3 ρ(σ) = 2 ρ(σ) < S - ρ(α) 2 < 6 -3 2 < 3 Berarti, neraca bahan yang harus digunakan

A2B +A3D3 +2HD -> HD3A4B + HAD2

HAD2 -> AD + HD

Page 22: Neraca Elemen

Sekarang kita susun derajat kebebasan untuk neraca elemen:

Derajat Kebebasan Neraca Unsur Mixer Reaktor Separator Proses Keseluruhan

Banyaknya Variabel 3 7 10 13 6Neraca TTSL 4 3 4 11 4Spesifikasi Komposisi 0 1 3 3 2Laju Alir 0 1 0 1 1

Hubungan Pembantu 0 1 0 1 1

Derajat Kebebasan -1 1 3 -3 -2

Reaktor merupakan derajat kebebasan terkecil positif. Berarti kita mulai dari reaktor (Basis tidak bisa digunakan dan DK masih positif berarti masalah mungkin tidak dapat diselesaikan).

Page 23: Neraca Elemen

Kita selesaikan dengan neraca elemen:

1(N41-N2

1) + N45 + N4

6 = 0

3(N41-N2

1) + (-750) + 3(0,2N4) + N45

+ 2N46 =0

4(N41-N2

1) + (-750) + 2N43 + 3(0,2N4)

+N46 =0N4

1-N21+N4

5+N46 =0

-750+3(0,2N4)-2N45-

N46=0

N43 –N4

5-N46=0

N41+N4

5+N46 = N2

1

0,6N4-2N45-N4

6=750N4

3 –N45-N4

6=0

Indeks:1 = HD3A4B2 = AD3 = A2B4 = A3D3

5 = HD6 = HAD2

Page 24: Neraca Elemen

N41 - N2

1 +N45+N4

6 = 00,6N4-2N4

5-N46=750

N43 –N4

5-N46=0

Disusun matriks SPL:N4 N4

1 N21 N4

5 N46 RH

S

Terlihat bahwa lebih banyak yang tidak diketahui dengan jumlah persamaan yang ada berarti matriks di atas tidak dapat diselesaikan.

Jika digunakan neraca bahan, maka reaksi TTSL yang telah disederhanakan adalah:A2B +A3D3 +2HD -> HD3A4B + HAD2

HAD2 -> AD + HD

Page 25: Neraca Elemen

Sehingga, fraksi HD3A4B adalah 40% dan fraksi A2B = HAD2 = A3D3 = 20%

Page 26: Neraca Elemen

Sekarang timbullah kontradiksi antara alur keluaran reaktor dan alur keluaran separator.

Reaktor SeparatorTidak ada HD 12,5% HD pada

alur 6

Jika dikaji neraca HD maka laju keluaran separator (alur 6) haruslah sama dengan nol. Akan tetapi ada senyawa lain misalnya HAD2 pada input separator. Hal ini akan menyebabkan kontradiksi. Jika kita tinjau tabel derajat kebebasan neraca bahan akan diketahui bahwa derajat kebebasan proses adalah negatif.

Ada HAD2 20% Ada HAD2 25%

Derajat Kebebasan Neraca Unsur Mixer Reaktor Separator Proses Keseluruhan

Banyaknya Variabel 3 7+2 10 13+2 6+2Neraca TTSL 1 6 5 12 6Spesifikasi Komposisi 0 1 3 3 2Laju Alir 0 1 0 1 1

Hubungan Pembantu 0 1 0 1 1

Derajat Kebebasan 2 0 2 -2 -2

Page 27: Neraca Elemen

Jadi, dapat disimpulkan bahwa ada waktu untuk menggunakan neraca elemen dan neraca bahan. Pada kasus ini, masalah tidak dapat diselesaikan dengan neraca elemen akan tetapi dapat diselesaikan dengan neraca bahan walaupun akan menghasilkan kontradiksi.

Page 28: Neraca Elemen

Terima Kasih