NERACA MASSA

Neraca Massa merupakan konsekuensi logis dari Hukum Kekekalan Massa yang

menyebutkan bahwa di alam ini jumlah total massa adalah kekal. KONSEP NERACA

MASSA = persamaan yang disusun berdasarkan hukum kekekalan massa.

Perhitungan Neraca digunakan untuk mencari variabel proses yang belum iketahui

berdasarkan data variabel proses yang telah di tentukan.

Ada beberapa istilah yang harus dipahami terlebih dahulu sebelum kita lebih dalam

membahas masalah neraca massa.

1. Sistem. Sistem adalah sesuatu yang menjadi fokus pengamatan. Pada sistem inilah

semua fenomena diamati baik itu fenomena kimia, fisika atau biologis. Salah

menentukan sistem maka akan salah dalam menentukan fenomena apa sajakah yang

terjadi.

2. Lingkungan. Yaitu, segala sesuatu yang berada di sekitar sistem yang kita pilih.

PERUMUSAN MASALAH NERACA MASSA

Persamaan umum yang berlaku dalam neraca massa adalah

Akumulasi massa dalam sistem = massa yang masuk – massa yang keluar + kec. yang

dibangkitkan sistem – kec yang terkonsumsi oleh sistem

Dalam suatu industri yang terdiri dari beberapa reaktor dan unit operasi, dapat digambarkan

sebagai kotak yang dihubungkan dengan garis sebagai menggambarkan arah aliran massa.

Setiap suapan dan keluaran dari unit operasi pada umumnya mengandung campuran senyawa

kimia dan harus dicirikan.

Untuk mempermudah perhitungan Neraca Massa di perlukan langkah-langkah sebagai

berikut:

1. Buat diangram alir/proses (block diagram)

2. Tuliskan besaran, data yang diketahui dan yang diperlukan/ tandai data variabel aliran

yang tidak diketahui pada diagram alir.

3. Menentukan basis perhitungan

4. Konversikan laju alir volumetrik menjadi laju alir massa atau molar.

5. Tuliskan persamaan reaksi kimianya

6. Buatlah persamaan neraca massa (keseluruhan komponen yang dierlukan)

7. Selesaikan persamaan Neraca Massa bahan tersebut.

A. Variabel-Variabel Neraca Massa

Tahapan-tahapan mendefinisikan persoalan Neraca Massa :

a. Memilih batasan sistem ,

b. Mencirikan semua aliran suapan dan keluaran,

c. Mencirikan semua materi pada masing-masing aliran

d. Menghitung secara teliti semua bah an yang masuk dan keluar sistem , sehingga

diketahui laju alir setiap senyawa yang ada dalam setiap aliran.

Pertama, zat kimia j dalam setiap aliran, laju alir zat Nj (mol j per satuan waktu) atau Fj

(massa j per satuan waktu. Total laju alir alur (dalam mol N atau massa F), adalah:

N=∑j

N j

F=∑j

F j

Bila laju alir zat individu diketahui, total laju alir adalah variabel tak bebas.

Cara lain untuk menampilkan alur berdasarkan laju alir total. Bersama dengan komposisi

alur. Komposisi dinyatakan dalam fraksi berat wf dan fraksi mole xf. Fraksi berat semua zat S

dalam alur mesti sama dengan 1:

∑j=1

S

w j=12.1

Untuk fraksi mol juga berlaku:

∑j=1

S

x f2.2

Bila berat molekul, Mj diketahui untuk setiap zat S dalam alur, maka:

N=∑j=1

S

((w f F / M j )=F∑ (w f / M j )2.3

dan

x j=(w j F /M j )/N=( wf / M j) /∑j=1

S

(w f / M j )2.4

Bila aliran zat diketahui, maka variable komposisi aliran dapat dihiotung dengan rumus:

w j=

F j

F atau x f=

N j

N

Informasi mana yang digunakan apakah satuan massa atau mol, komposisi atau aliran zat,

adalah ditentukan sebagaian besar dengan memilih yang paling mudah.

B. Persamaan Neraca Massa

Berdasarkan hukum kekekalan massa , banyaknya bahan yang masuk , keluar dan menumpuk

dalam sistem yang batasnya telah ditetapkan berlaku hubungan sebagai berikut:

Jumlah massa masuk- jumlah massa keluar = jumlah massa yang menumpuk didalam batas

sistem

Total massa atau molekul setiap zat kimia yang masuk sama dengan yang keluar.

Dari prinsip kekekalan ini akan dapat dibentuk persamaan-persamaan yang menghubungkan

alur masuk dan keluar. Himpunan persamaan itu menghubungkan variabel-variabel yang

terlibat didalam setiap alur proses. Dari himpunan persamaan tersebut dapat diselesaikan

sehingga dapat memperoleh variabel yang tak diketahui , berdasarkan pada sebahagian

variabel yang telah diketahui.

Contoh:

Proses desalinasi dianggap tunak. Dalam proses ini, anggap air laut mengandung 0,035 fraksi

massa garam diuapkan sehingga dihasilkan 1000 lb/jam air murni. Tentukan jumlah air laut

yang diproses bila fraksi massa air garam menjadi 0,07.

Penyelesaian:

Penyelesaian persoalan ini adalah sangat penting dalam menentukan kapasitas proses

penguapan, pompa, dan pipa transfer. Sistem tersebut dapat digambarkan sebagai berikut:

Air payaAir

Air garam

desalinasi1

F1= ?w1garam=0,035

2

F2= 1000 lb/jam[w2H2O

3

w3garam= 0,07

Seperti telah dikemukakan sebelumnya bahwa proses ini mempunyai lima vaiabel alur,

sementara itu telah diketahui fraksi massa air dalam air laut dan garam dapat diperoleh dari :

w1H2O = 1 – w1garam

w3H2O = 1- w3garam

Neraca total adalah : F1 = F2 + F3

Neraca garam : F1w1garam = F3w3garam

Neraca air : F1(1-w1garam) = F3(1-w3garam) + F2

Telah diketahui:

F2 = 1000 kg/jam

w1garam = 0,035

w3garam = 0,07

Apabila nilai ini dimasukkan ke persamaan di atas, maka persamaan menjadi:

F1 = 1000 + F3

F1(0,035) = F3(0,07)

F1(0,0965) = F3(0,93) + 1000

Ada tiga persamaan dan dua variabel, persamaan tersebut dapat diselesaikan dengan cara

subsitusi diantara persamaan a dengan b atau a dengan c sehingga diperoleh:

F1 = 2000 kg/jam dan F3 = 1000 kg/jam

Pada contoh di atas melibatkan dua zat, air dan garam, apabila digunakan prinsip kekekalan

massa, maka diperoleh tiga persamaan neraca bahan (mubazzir), pada hal hanya diperlukan

dua persamaan. Jadi hanya dua persamaan yang TTSL.

C. Persamaan-persamaan Neraca TTSL

Jika suatu sistem melibatkan s buah zat kimia , akan ada (s+1) buah persamaan neraca

massa : masing-masing satu untuk setiap zat (s) buah+1 untuk massa total. Hanya ada s

persamaan yang TTSL.

Neraca Massa total adalah : ∑ F i = ∑ F i

i=alur i= alur

masuk keluar

Neraca zat adalah : ∑ F i wi j = ∑ F i w

ij

i=alur i= alur

masuk keluar

Bila kedua persamaan diatas dijumlahkan , maka diperoleh:

∑ F i∑ F i wij= ∑ F i∑ F i w

ij

Masuk j=i keluar j=i

Contoh Soal :

Ingin dibuat larutan NaOH 1 M sebanyak 250 mL dari kristal

NaOH. Berapa gram NaOH yang seharusnya dilarutan dengan akuades sampai

250 mL?

Penyelesaian:

a. Skema diagram alir:

F:

NaOH

P: 250 mL

H2O NaOH

mixer

b. Penyetaraan satuan (ingat satuan NM adalah massa atau mol)

1 M NaOH = 1mol NaOH

1liter campuran x

(1 x BM NaOH )gramNaOH1 liter campuran

dalam0,25 L:

1 M NaOH 1 x (BM NaOH) x 0,25L 0,25 BM NaOH gramNaOH

c. Neraca Massa NaOH di sekitar mixer:

NaOH input = NaOH output

F = 0,25 . BMNaOH

d. Kesimpulan

Jadi dibutuhkan 10 gram NaOH.

INFORMASI NERACA BAHAN

Informasi yang harus ada dalam perumusan neraca massa yaitu:

Sistem yang ditinjau beserta alur-alur masukk dan keluar.

Variabel-variabel alur alir seperti laju alir dan komposisi alur.

Himpunan persamaan neraca massa, dengan a buah diantaranya TTSL pada a

komponen/zat.

Pemilihan basis untuk perhitungan.

DERAJAT KEBEBASAN

Derajat kebebasan adalah mekanisme yang sistematik untuk menghitung semua

variabel, persamaan-persamaan neraca dan hubungan yang terlibat dalam persoalan. Maka

derajat kebebasan mengandung :

Banyaknya variabel-variabel bebas semua aliran-aliran.

Banyaknya persamaan neraca TTSL.

Banyaknya variabel alur yang nilainya telah ditentukan.

Banyaknya hubungan pembantu.

Jika derajat kebebasan positif (DK>0), maka persoalan kurang spesifikasi sehingga tidak

mungkin menyelesaikan persoalan untuk semua variabel-variabel pada alur yang tidak

diketahui. Jika DK negatif (DK<0), maka persoalan kelebihan spesifikasi, sehingga ada

informasi yang harus dibuang sebelum diperoleh penyelesaian. Jika (DK=0), maka spesifikasi

tepat, jumlah variabel-variabel alur yang tak diketahui sama dengan jumlah persamaan yang

diperoleh.

Contoh : Untuk memisahkan etil alkohol dari campuran alkohol/air dengan destilasi. Namun,

cara ini hanya bisa untuk menghasilkan produk 95% (vol.) alkohol sebab air dan alkohol

membentuk azeotrop. Destilasi sederhana tak dapat dilakukan untuk larutan azeotrop.

Penggantinya, bila produk alkohol yang diinginkan, benzen harus ditambahkan ke larutan

umpan. Benzen itu sendiri membentuk azeotrop dengan air, tetapi mempunyai titik didih

yang lebih rendah dari alkohol, sehingga diperoleh alkohol yang lebih murni.

jika dihasilkan 1000 lb/jam etil alkohol murni dengan mendestilasi campuran umpan yang

mengandung 60% air dan 40% alkohol. Hitunglah derajat kebebasannya.

Distilat F4

alkohol w14 = 0,01

Air w24 = 0,24

Benzen w34 = 0,75

Umpan F1

alkohol w11 = 0,4

air w21 = 0,6

Total = 1,0

Benzen F2

Pr oduk : F3

Alkohol murni

Tabel Derajat Kebebasan

Banyak:

- Variabel alur 7

- Persamaan neraca TTSL 3

- Spesifikasi

Komposisi 3

Laju alir 1

- Hubungan Pembantu 0

-7

Derajat kebebasan 0

SISTEM YANG MELIBATKAN UNIT GANDA

Untuk diagram alir proses kimia sederhana dapat dilihat secara makro dengan hanya

diwakili satu kotak yang menggambarkan beberapa alur masuk dan keluar. Pada kenyataan di

lapangan dapat dilihat bahwa kebanyakan proses kimia terdiri atas langkah-langkah yang

berurutan, dimana setiap langkah melibatkan unit yang perlu perancangan khusus. Untuk

dapat merancang sistem unit ganda yang terintegrasi, insinyur kimia harus mampu:

a. Menentukan semua alur umpan dan keluar dari seluruh sistem.

b. Menentukan semua laju dan komposisi alur yang menghubungkan antar unit-unit.

Oleh sebab itu perhitungan harus dilakukan lebih rinci dibanding dengan proses yang dilihat

secara makro. Pada sistem unit ganda, setiap unit dipandang sebagai kotak hitam yang

menggambarkan bahagian proses yang perlu dihitung laju alir dan komposisi semua alur yang

terlibat.

Strategi Penyelesaian

Strategi dasar tetap : urutkan perhitungan sehingga, jika mungkin, tak dibutuhkan

penyelesaian serempak dari sekelompok persamaan.

Untuk sistem multi unit, banyak persamaan maupun variabel anu umumnya tidak sedikit.

Karena itu, strategi pengurutan perlu dilaksanakan pada dua tahap :

1. Pilih himpunan-himpunan pers. neraca yang akan diselesaikan (¿ buah himpunan).

2. Gunakan heuristik-heurustik (1, 2 dan 3) yang telah dipelajari untuk mengurutkan

penyelesaian masing-masing himpunan pers. neraca.

Heuristik 1

Tentukan derajat kebebasan neraca keseluruhan sistem. Jika derajat kebebasannya nol,

maka neraca bermanfaat untuk mengawali penyelesaian.

Heuristik 2

Jika derajat kebebasan proses nol, tetapi derajat kebebasan keseluruhan maupun unit-

unit > 0, cari himpunan persamaan neraca berderajat kebebasan satu dan tempatkan

basis pada himpunan persamaan itu.

Soal Pemicu :

Kopi instant diproduksi dengan proses pada flowsheet dibawah. Bubuk kopi dimasak dengan

cara dikontakkan dengan air panas pada percolator yang panjang dimana material yang

terlarut akan diekstrak. Ekstrak di keringkan pada spray drier untuk mendapatkan produk dan

dan padatan yang basah dikeringkan sebelum dibuang atau untuk bahan bakar. Umpan kopi

diasumsikan terdiri dari bagian terlarut, tidak larut, dan tidak ada air. Dan perbandingan

masukan yaitu 1.2lb air per 1lb kopi. Dengan perkiraan, bisa diasumsikan rasio bagian

terlarut-dan-air dalam dua alur yang meninggalkan percolator adalah sama untuk separator

dan press, tapi tidak untuk drier.

a) Berikan informasi yang melengkapi komposisi diatas, apakah problem tersebut sudah

lengkap ? (Buatderajatkebebasannya!)

b) Misalkan kita tidak memerlukan alur 3,4 dan 5 maka percolator, separator, dan mixer

dapat disatukan dalam satu “black box”. Hitunglah rasio dari bagian terlarut yang

didapa tdan yang terbuang pada alur buangan.

PERCOLATOR

MIXER

Spray Drier

PRESS

DRIER

Cyclone Separator

MIXER

KopiF1

w s1=..?w i

1

=..?

Air PanasF2 =

wa2=..?

F3

w s3=..?

wa3=..?

F6

w s6=0,35

wa6=0,65

F5

w s5=..?

wa5=..?

F4

w s4= ..?

w i4= ..?

wa4=..?

F9

w s9=..?w i

9=0,2

wa9=..?

F10

w s10=..?wa

10=..?

F11

w s11=..?w i

11=0,5

wa11=..?

F12

wa12=..?

F13

w s13=..?w i

13=..?

wa13=..?

F7

wa7=..?

F8

w s8=..?

Spray Drier

a). Tabel Derajat Kebebasan

Percolator Mixer SD CS Press Drier Proses Overall

- Jumlah Variable

- Neraca TTSL

- Hub spesifikasi :

*Komposisi

*Lajualir

- HubunganPembantu

8

3

0

0

2

6

2

1

0

1

4

2

1

0

0

8

3

1

0

1

8

3

2

0

1

7

3

2

0

0

26

16

4

0

2

11

3

1

0

1

DK 3 2 1 3 2 2 4 6

b). 1.Tinjau Sprai Drier

Basis = 100 lb/jam F6 , maka :

Neraca Total : F6 = F7 + F8

F7 + F8 = 100

Soluble : w6s F6 = w8

s F8

35 lb/jam = F8

maka : F7 = 100 - 35

= 65 lb/jam

F6

w s6=0,35

wa6=.......

F7

wa7=..?

F8

w s8=..?

2. Tinjau Black Box

Hubungan pembantu : w s

6

wa6 =

w s9

wa9

-w s

6

wa6 =

w s9

wa9

- Pada alur 9, didapat hubungan :

w s9 + w i

9 + wa9 = 1 ................................................................ (1)

- Neraca Total : F1 + F2 = F6 + F9

- Neraca Solubles : w s1 F1 = w s

9 F9 + w s6 F6

- Neraca insolubles : w i1 F1 = w i

9 F9

w i1 F1 = 0,2 F9

- Neraca Air : wa2 F2 = wa

6 F6 + wa9 F9

w s6

wa6 =

w s9

wa9

0,350,65

=w s

9

wa9

w s9 = 0,53 wa

9 ................................................................................................ (2)

Black Box

KopiF1

w s1=..?w i

1

=..?

Air PanasF2

wa2=..?

F9

w s9=.. ?

w i9=0,2

wa9=..?

F6

w s6=0,35

wa6=0,65

PRESS

Substitusi persamaan (1) dan (2) :

w s9 + w i

9 + wa9 = 1

0,53w9a + 0,2 + w9

a = 1

w9a = 0,52

w9s = 0,28

Basis 100 lb/ jam F1, maka F2 = 120

Neraca Total : F6 + F9 = 220

Solubles : w1s F1 = 0,35 F6 + 0,28 F9 ...........................................................................(3)

Insolubles : (1 – w1s) F1 = 0,2 F9 w1

s F1 = F1 - 0,2 F9 w1s F1 = 100 – 0,2 F9 ........(4)

Air : 120 = 0,65 F6 + 0,52 F9 ............................................................................... (5)

Substitusi persamaan (3) dan (4) :

100 – 0,2 F9 = 0,35 F6 + 0,28 F9

0,35 F6 + 0,48 F9 = 100 .........................................................................................................(6)

Eliminasi persamaan (5) dan (6) :

0,65 F6 + 0,52 F9 = 1200,35 F6 + 0,48 F9 = 100

Didapat F9 = 176,9 lb/jam F6 = 43,1 lb/jam

3). Tinjau Unit Press

F9 = 176,9 lb/jam

w s9=0,28w i

9= 0,2

wa9= 0,52

F10

w s10=..?wa

10=..?

F11

w s11=..?w i

11=0,5

wa11=..?

w s10

wa10 =

w s9

wa9 w s

10

wa10 =

0,280,52

w10s = 0,53 w10

a

w10s + w10

a = 1

0,53 w10a + w10

a = 1

1,53 w10a = 1

w10a = 0,65, maka w10

s = 0,53 x 0,65 = 0,35

Neraca Solubles : w9s F9 = w10

s F10 + w11s F11 49,5 = 0,35 F10 + w11

s F11

Neraca insolubles : w9i F9 = w11

i F11 35,38 = 0,5 F11 F11 = 70,76 lb/jam

maka, F10 = 106,14 lb/jam

Neraca air : w9a F9 = w11

a F11 + w10a F10 92 = 70,76 w11

a + 106,14 w10a

Substitusi nilai F11 dan F10 ke persamaan neraca Solubles :

49,5 = 37,15 + 70,76 w11s w11

s = 0,17

maka : jumlah soluble yang recovered : 0,17 x 70,76 = 12,029

jumlah soluble yang terbuang : 0,35 x 106,17 = 37,15

sehingga perbandingan soluble yangrecoveredsoluble yang terbuang

=13