transparansi dtp (neraca massa)

NERACA MASSAStrategi untuk Menganalisa Soal : 1. Baca soal dengan hati-hati 2. Gambarkan proses 3. Beri label 4. Tuliskan nilai variabel yang diketahui 5. Pilih basis 6. Tuliskan variabel yang belum diketahui 7. Tuliskan persamaan 8. Selesaikan persamaan dan cek jawaban 9. NERACA MASSA YANG TIDAK MELIBATKAN REAKSI KIMIA (Contoh : Pemisahan menggunakan membran)

Membran digunakan untuk memisahkan N2 dan O2 dari udara. 1. Bagaimana komposisi limbah bila jumlah limbah 80 % dari input ? Jawab : Proses ini merupakan proses tunak (steady state) tanpa reaksi kimia.

Dasar Teknik Proses-IKS

1

Panas Et OH 10 % 1000 kg F 90 % H2O

Uap

Reflux

Kolom Distilasi

Basis : 100 g mol umpan (F) Diket : W = 80 % F = 80 g mol

Air Limbah pendingin W = ? kg Distilat EtOH = ? P = ? kg H2O = ? 60 % EtOH 40 % H2O P = 1/10 F

Ditanya : P = ? O2 = ? (atau n O2) N2 = ? (atau n N2) Jawab : Kesetimbangan total : F = P + W 100 g.mol = P + 80 g.mol P = 20 g.mol Kesetimbangan Komponen : Oksigen : 0.21 (100) = 0.25 (20) + O2 (80) 21 = 5 + 80 O2 80 O2 = 16 O2 = 16/80 O2 = 0.2 Nitrogen : 0.79 (100) = 0.75 (20) + N2 (80) 79 = 15 + 80 N2 N2 = 0.8 2. Suatu pabrik alkohol untuk gasohol menggunakan sistem distilasi seperti pada gambar berikut :


2

Hitung komposisi limbah & massa alkohol yg terbuang sbg limbah !! Jawab : Basis : F = 1000 kg umpan Diketahui : P = 1/10 F = 100 kg Ditanya : W = ? EtOH = ? H2O = ? Jawab: - Kesetimbangan total : F = P + W 1000 kg = 100 kg + W P = 900 kg - Kesetimbangan Komponen : EtOH : 0.1 (1000) = 0.6 (100) EtOH = 0.044 H2O : 0.9 (1000) = 0.4 (100) H2O = 0.956 Massa EtOH dalam limbah = = Massa H2O dalam limbah = =

+ EtOH (900) 4.4 % + H2O (900) 95.6 %

4.4 % x 900 kg 40 kg 900 40 860 kg

3. Pengeringan Ikan hasil tangkapan yang tidak terserap oleh pasar dalam keadaan segar dapat diolah menjadi tepung ikan untuk kemudian menjadi pangan atau pakan. Dalam industri pengolahannya, setelah minyak ikan diekstrak, ampasnya dikeringkan dalam pengering drum berputar, digiling dan dikemas. Produk yang dihasilkan mengandung 65 % protein. Dalam suatu sample, ampas ikan masih mengandung 80 % air (sisanya ampas kering). Pengeringan menguapkan 100 kg air, dan ampas kering masih mengandung 40 % air. Hitunglah bobot ampas ikan yang telah diekstrak dan diumpankan ke dalam pengering !!


3

Jawab : Basis : 100 kg air yang diuapkan (W) Diketahui : Komposisi bahan dalam umpan dan produk Ditanya : Jumlah umpan (F) dan Produk (P) : ? Jawab : - Kesetimbangan total : F = P + W F = P + 100 kg - Kesetimbangan Komponen : BDC : 0.2 F = 0.6 P 0.2 (P + 100) = 0.6 P 0.2 x 100 = 0.6 P 0.2 P 0.4 P = 20 P = 50 kg F = P + 100 F = 50 + 100 F = 150 kg Cek kesetimbangan air 0.8 F = 100 + 0.4 PDasar Teknik Proses-IKS 4

B = ?? kg P = ?? kg A = 200kg H2SO4 = 12.43 % H2SO4 = 18.63 % H2SO4 = 77.7 % H22O 0.8 (150) =% + 0.4 (50) H2O = 81.37 % H O = 87.57 % 22.3 100120 = 100 + 20

Pencampuran (Mixing) Untuk mengaktifkan baterai, asam sulfat pekat harus ditambahkan ke dalam asam sulfat encer. Anda disuruh untuk menyiapkan larutan asam sulfat dengan kandungan H2SO4 18.63 %. Suatu tangki berisi larutan H2SO4 yang mengandung 12.43 % H2SO4 (sisanya air murni). Jika 200 kg 77.7 % H2SO4 ditambahkan ke dalam tangki, dan larutan akhir mengandung 18.63 % H2SO4, berapa kg produk yang dihasilkan? Jawab :

Basis : A = 200 kg larutan yang ditambahkan Diketahui : komposisi larutan asli, larutan yang ditambahkan dan larutan akhir Ditanya : jumlah larutan asli dan larutan akhir Jawab : asumsikan steady state Kesetimbangan Total : B + A = P B + 200 = P Kesetimbangan Komponen : H2SO4 : 0.1243 B + 0.777 A = 0.1863 P 0.1243 B + 155.4 = 0.1863 (B + 200) 155.4 - 37.26 = 0.062 B B = 1905 kg P = 1905 + 200 = 2105 kgDasar Teknik Proses-IKS 5

Cek dengan kesetimbangan H2O 0.8757 B + 0.223 A = 0.8137 P (0.8757 x 1905) + (0.223 x 200) = (0.8137 x 2105) 1668.63 + 44.6 = 1713.23 A. PEMECAHAN SOAL-SOAL NERACA MASSA YANG MELIBATKAN REAKSI KIMIA Kelebihan Udara : Jumlah udara (oksigen) yang kelebihan dari yang diperlukan untuk pembakaran sempurna

% Kelebihan Udara =

Kelebihan Udara 100 % Kebutuhan Udara Kelebihan O2 / 0.21 = 100 % Kebutuhan O2 / 0.21

Contoh Soal : Bahan bakar motor selain bensin sedang dilirik orang karena menghasilkan polusi yang lebih rendah. Propana merupakan salah satu bahan bakar yang menjanjikan. Dalam suatu uji coba, 20 kg C3H8 dibakar dengan 400 kg udara dan menghasilkan 44 kg CO2 dan 12 kg CO. Berapa persen kelebihan udara ? Jawab : C3H8 + 5 O2 3 CO2 + 4 H2O Basis : 20 kg C3H8 - Kebutuhan O2 adalah

20 kg C3 H 8

1 kg mol C3 H 8 5 kg mol O2 = 2.27 kg mol O2 44.09 kg C3 H 8 1 kg mol C3 H 8

- Jumlah O2 yang disuplai adalah

400 kg udara

21 kg mol O2 1 kg mol udara = 2.90 kg mol O2 29 kg udara 100 kg mol udara

persen kelebihan udara adalah :


6

Udara yg di sup lai udara yg dibutuhkan 100 % udara yg dibutuhkan = 2.90 kg mol O2 2.27 kg mol O2 100 % = 28 % 2.27 kg mol O2

Soal : 1. Misalkan suatu gas mengandung 80 % C2H6 dan 20 % O2 dibakar dalam suatu mesin dengan 200 % kelebihan udara. 80 % ethana terbakar menjadi CO2, 10 % menjadi CO dan 10 % tidak terbakar. Berapa total O2 yang diperlukan per 100 mol gas ? Jawab : Basis : 100 mol gas C2H6 + 7/2 O2 2 CO2 + 3 H2O 80 mol C2H6 memerlukan 3.5 x 80 = 280 mol O2. Karena gas sudah mengandung 20 mol O2 maka O2 yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna = (280 20) = 260 mol O2 total O2 yang diperlukan = (100 % + 200 %) x 260 mol O2 = 780 mol O2 2. Korosi (karat) pada pipa dalam boiler oleh oksigen dapat dicegah dengan menggunakan sodium sulfit. Sodium sulfit membuang oksigen dari air yang akan masuk ke boiler melalui reaksi 2 Na2SO3 + O2 2 Na2SO4 Berapa lb sodium sulfit yang dibutuhkan secara teoritis untuk membuang oksigen dari 8 330 000 lb air yang mengandung 10 ppm oksigen terlarut, sekaligus menjaga kelebihan 35 % sodium sulfit ?


7

H2O = 8 ppm 000 lb 10 330 O2

Na2SO3 2 4 Sistem

H2O = 8 330 000 lb tanpa O2

Ke boiler

Jawab :

Basis = 8 330 000 lb H2O Jumlah O2 yang masuk ke system :

8 330000 lb H 2 O

10 lb O 2 = 83.3 lb O2 (106 10 lb O 2 )

Sodium sulfit yang diperlukan :83.3 lb O2 2 lb mol Na 2 SO3 126 lb Na 2 SO3 1 lb mol O 2 1.35 32 lb O 2 1 lb mol O 2 1 lb mol Na 2 SO3

= 886 lb Na 2 SO3


8

F 100 kg/min 0.2 KCl 0.8 H2O

0.33 KCl C 1 0.67 H2O

B A3 P 0.95 KCl 0.05 H2O

0.5 2 KCl 0.5 H O2

W 1.0 H2O

PEMECAHAN SOAL NERACA MASSA MELIBATKAN SUB SISTEM GANDA

Unit 1 : Total 100 + C = A KCl (0.2)(100) + (0.33)C = ( Unit 2 : Total A = B + W KCl ( KCl A) (A) = (0.5)(B)

KCl A

) (A)

Keseluruhan Sistem : Total 100 = W + P KCl (0.2) (100) = (0.95)(P)


9

Gas Air (1400 kg) F Aseton : 0.19 B W G: 0.95 A (100 %) Udara Udara : 0.995 Udara Air : 0.81 Aseton : 0.03Air 1.00 : 0.005 Air : 0.02 1.00 Kolom Destilasi Kolom Absorber 1.00 1 2

D 3 Kondensor Aseton : 0.04 Aseton : 0.99 Air : 0.96 Air : 0.01 1.00 1.00

Hitunglah A, F, W, B, dan D per jam ! Jawab : Basis : G = 1400 kg/jam Neraca massa pada unit 1 (kolom Absorber) Udara Aseton Air : (0.95)(1400) = (0.995)(A) : (0.03)(1400) = (0.19)(F) : (0.02)(1400) + (1.00)(W) = (0.81)(F) + (0.005)(A)

A = 1336.7 kg/jam F = 221.0 kg/jam W = 157.7 kg/jamDasar Teknik Proses-IKS 10

Gunakan neraca total untuk mengecek kebenaran jawaban ! G + W = F + A 1400 + 157.7= 221.0 + 1336.7

Karena tidak ada informasi pada aliran antara unit 2 dan unit 3, dan kita juga tidak ditanya berapa nilai-nilai variabel pada aliran antara unit 2 dan unit 3 maka kita dapat menggabungkan unit 2 dan unit 3 sebagai satu sistem. Neraca massa pada (unit 1 + unit 2) : Aseton : (0.19)(221.0) = (0.99)(D) + (0.04)(B) Air : (0.81)(221.0) = (0.01)(D) + (0.96)(B) D = 34.89 kg/jam B = 186.11 kg/jam Gunakan neraca total untuk mengecek kebenaran jawaban ! F = D + B 221.0 = 34.89 + 186.11


11

Cairan F F Umpan 10000 kg/jam Segar 0.5 Bz 0.5 Tol

8000 kg/jam Proses

v Umpan Uap Daur Ulang ( R Produk ) Cairan F PROSES

Kasar Kondenser

Cairan D Produk P 0.95 Bersih Bz 0.05 Tol

Kolom Distilasi

DAUR ULANG (RECYCLE) Bahan kembali dari hilir proses dan kembali masuk ke proses

DAUR ULANG TANPA REAKSI KIMIA Contoh Soal : Suatu kolom destilasi memisahkan 10 000 kg/jam campuran 50 % Benzen dan 50 % Toluen. Produk destilat (D) yang diperoleh darikondenser mengandung 95 % benzen, sedangkan limbah (W) dari kolom destilasi mengandung 96 % toluene. Aliran uap (v) yang masuk ke kondenser dari atas kolom destilasi = 8000 kg/jam. Sebagian produk dari kondenser dikembalikan ke dalam kolom sebagai reflux ( R ). Asumsikan komposisi aliran keluar dari kolom destilasi (v), produk destilat (D) dan reflux ( R ) adalah sama, maka hitunglah rasio antara jumlah yang didaur ulang ( R ) dengan produk destilat (D) ! Jawab :


12

100 % A F (umpan segar)

0.04 (Daur Ulang) R W R Bz (Daur Ulang) 100 % A REAKTOR AB

100 % B P (Produk)

Basis : F = 10 000 kg/jam Kesetimbangan Total : F = D + W 10 000 = D + W Komponen : Benzen : F F (10000)(0.5) W D = D D + w W = (0.95)(D) + (0.04)(W) = 4945 kg/jam = 5055kg/jaml

Kesetimbangan di sekitar kondenser V = R + D 8000 = R + 5055 R = 2945 kg/jamR 2945 = = 0.58 D 5055

DAUR ULANG DENGAN REAKSI KIMIA

Contoh Soal : Glukosa isomerase amobil digunakan sebagai katalis dalam memproduksi fruktosa dari glukosa dalam suatu bioreaktor seperti gambar berikut. Berapa persesn konversi glukosa dalam bioreaktor bila rasio aliran keluar (P) dengan aliran daur ulang ( R ) = 8.33


13

S = 100 kg Feed (F) = 0.4 ? S ,G % == ? % glukosa dalam air 4T,G TFruktosa = 0.6 = 0.04 S ,W T ,F 1.0 =? T ,W

REAKTOR R=? ? = R ,G REAKTOR =?R ,F R ,W

=?

P=? P (Produk) =? P ,G =? P ,F =? P ,W

Jawab :

Basis : S = 100 kgP = 8.33 R Diketahui : data seperti pada gambar di atas ; Ditanya : R, T, P, T,G, T,W, R,G, R,F, R,W, persen konversi (f) :..? Jawab : Neraca Keseluruhan Total : S = P 100 kg = P P = 100 kg P 100 = 8.33 R= = 12 R 8.33

Air : (100)(0.6) = (P)( R,W) 60 = 100 R,W R,W = 0.6 Total : S + R = T 100 + 12 = T T = 112 kg Unit 1 (Titik Pencampuran)

Glukosa : (100)(0.4) + (12)( R,G) = (112)( T,G) Fruktosa : (100)(0) + (12)( R,F) = (112)(0.04)Dasar Teknik Proses-IKS 14

R,F

= 0.373

Karena R,F + R,G + R,W = 1 Maka R,G = 1 0.373 0.6 = 0.027 Bila dimasukkan pada kesetimbangan glukosa, maka T,G = 0.360

Unit Reaktor dan Unit 2 sebagai satu system Neraca Total : T = R + P 112 = 12 + 100 Glukosa : (T) ( T,G) - (f)(T)( T,G) = ( P + R) ( R,G ) (112)(0.360) (f)(112)(0.360) = (112)(0.027) (40.32) (f) = 40.32 3.024 f = 0.925 Persen konversi glukosa menjadi fruktosa adalah 92.5 %


15

F 100 kg Umpan bebas butana n-C5H12 80 % Debutanizer i-C5H12 20 % Feed

x

n-C5H12 100 % By pass y Produk (P) S Isopentana n-C5H12 90 % i-C5H12 100 % i-C5H12 10 % Proses Isopentana

Proses

Produk

PEMINTASAN (BYPASS) Aliran pemintasan adalah aliran yang melompati satu atau lebih tahapan proses dan langsung memintas ke tahap lain yang lebih hilir.

Contoh Soal : Pada tahapan persiapan dalam pembuatan gasoline alam, isopentana dipisahkan dari gasoline bebas butana. Alir proses beserta komponennya adalah seperti gambar berikut :

Berapa fraksi gasoline bebas butan yang melewati tower isopentana?Dasar Teknik Proses-IKS 16

Jawab : Basis : 100 kg umpan Neraca Massa Total : F = S + P 100 = S + P Neraca massa komponen n-C5H12 (100)(0.8) = (0)(S) + (0.9)(P) 80 = 0.9 P P = 88.89 kg 88.9 kg S = 100 - 88.9 = 11.1 kg Neraca massa di sekeliling tower isopentana Misalkan x adalah gasoline bebas butana yang masuk ke tower isopentana dan y adalah n-C5H12 yang keluar dari tower isopentana. Neraca Massa Total : x = S + y x = 11.1 + y Neraca Massa Komponen n-C5H12 (x)(0.8) = (S)(0) + (1.0)(y) 0.8 x = y x = 55.5 kg Fraksi gasoline bebas butana yang melewati tower isopentana :55.5 kg = 0.555 100 kg


17

H2 67.3 % Feed (F) CO 32.5 % CH4 0.2 % Feed

ReaktorDaur H2 CO CH4

Pemisah] Daur Ulang ( R ) (Separator)Ulang ( R ) x y Proses z

E CH3OH P Bahan yg tdk diinginkan 100 % Purge

Produk

PEMBERSIHAN (PURGE) Aliran pembersihan (purge) adalah aliran untuk memisahkan bahanbahan yang tidak diinginkan yang bila tidak dipisahkan akan menumpuk pada aliran daur ulang

Contoh Soal : Batu bara dapat dikonversi menjadi produk cair untuk selanjutnya diolah menjadi bahan-bahan kimia. Salah satunya adalah pembuatan metanol dari hasil pembakaran batu bara. Dua gas utama hasil pembakaran batu bara adalah H2 dan CO. Dua gas ini dapat direaksikan untuk menghasilkan metanol mengikuti persamaan reaksi CO + 2 H2 CH3OH Gambar berikut mengilustrasikan proses pembuatan metanol tersebut.


18

Aliran dalam mol dan komposisi dalam persen atau fraksi mol. Konversi CO dalam reaktor 18 %. Purge digunakan untuk menjaga CH4 yang keluar dari separator tidak lebih dari 3.2 %. Hitunglah R, CH3OH dan purge serta komposisinya per mol umpan !! Jawab : Basis : F = 100 mol Karena aliran dipresentasikan dalam mol (bukan massa) maka kita dapat menggunakan neraca elemen. Neraca elemen total : H2 : 67.3 + (0.2)(2) C : 32.5 + 0.2 O : 32.5 = E(2) + P (x + 2z) = E(1) + P (y + z) = E(1) + P (y)

Neraca CO di sekeliling system reaktor + separator : CO : {32.5 + R(y)} - {(32.5 +R(y))(0.18)} = (R + P)(y) Asumsikan aliran purge (P) mengandung CH4 maksimum, Maka z = 0.032, serta x + y + z = 1 Dengan mengasumsikan 6 persamaan di atas, untuk mendapatkan 6 variabel yang tidak diketahui maka akan didapatkan : E P R x y z : : : : : : CH3OH purge daur ulang H2 CO CH4 = = = = = = 31.25 mol 6.25 mol 705 mol 0.768 mol 0.200 mol 0.032 mol


19

transparansi dtp (neraca massa)

Documents