Neraca Massa dan Energi

NERACA MASSA DAN ENERGI

Definisi Teknik Kimia:

Pemakaian prinsip-prinsip  fisis bersama dengan prinsip-prinsip  ekonomi dan

human relations ke bidang yang menyangkut proses dan peralatannya dimana suatu bahan berubah  bentuk, kandungan energinya, dan komposisinya.

Teknik Kimia berhubungan dengan :

a.   Produksi bahan kimia baik di skala besar maupun kecil.

b.   Membuat produk berskala besar (pabrik), berbeda dengan skala lab.

c.   merubah bahan baku menjadi produk bernilai ekonomi lebih tinggi.

d.   Sektor  :  bahan  kimia  sampai  energi,  makanan  dan  minuman,  obat- obatan.

e.   Produk,  yang dibuat  melalui  perubahan  kimia (reaksi)  atau/dan  fisis

(pemisahan).

f.   Proses  Industri  kimia,  seperti  industri:  pupuk,  kimia  murni,  cat,  zat warna,   tinta,   petrokimia,   plastik,   resin,   sabun,   deterjen,   parfum, kosmetik,   lemak  dan  minyak  nabati,  katalis,  gas,  minyak   bumi, polimer, kertas, tekstil, makanan dan minuman, bioteknologi, dll.

Pentingnya penyusunan neraca

Neraca  massa  atau  panas  suatu  sistem  proses  dalam  industri  merupakan

perhitungan  kuantitatif  dari  semua  bahan-bahan  yang  masuk,  yang  keluar, yang terakumulasi (tersimpan) dan yang terbuang dalam sistem itu.

Perhitungan  neraca  digunakan  untuk  mencari  variable  proses  yang  belum diketahui, berdasarkan data variable proses yang telah ditentukan/diketahui.

Oleh karena itu, perlu disusun persaman yang menghubungkan  data variable proses yang telah diketahui dengan varaiabel proses yang ingin dicari.

             Dalam banyak kasus, diskripsi verbal (narasi) yang menjelaskan proses perlu disajikan  dalam                        diskripsi  visual,  yaitu  dalam  bentuk  gambar  proses  atau diagram alir proses.

Beberapa  definisi  penting  yang  akan  dibahas  antara  lain  : variable  proses, diagram alir proses, sistem, dan  proses –proses di industri kimia.

Variabel Proses

Lihat kembali materi kuliah Azas Rekayasa Proses atau di buku Felder and Rousseau, terutama mengenai chapter macam-macam variable proses. Beberapa variable proses yang berhubungan erat dengan bidang teknik kimia antara lain :

1.   Massa dan volum.

Hubungan massa dan volum adalah berat jenis atau densitas.   Seringkali

juga dinyatakan dalam specific volume dan specific gravity.

2.   Kecepatan alir ( flow rate).

Proses yang berlangsung sinambung atau kontinyu memerlukan data kecepatan bahan yang disebut kecepatan alir.  Alat yang dapat mengukur kecepatan  alir antara  lain, pitot tube,  orifice  meter,  venturi  meter,  flow nozzle, dan rotameter.

Lihat   kembali   materi   kuliah   Transportasi   Fluida.      Tampak   bahwa,

kecepatan alir merupakan variable proses yang mutlak diketahui. Macam-macam jenis kecepatan alir :

a.   kecepatan  alir  linier  rata-rata  dalam  pipa,  dinyatakan  dalam  satuan panjang linier setiap satuan waktu.

b.   Kecepatan alir volumetric (volumetric flow rate), kecepatan alir yang

dinyatakan dalam banyaknya volum fluida yang mengalir setiap satuan waktu.

c.   Keceparan alir massa ( mass flow rate), kecepatan alir yang dinyatakan dalam banyaknya massa yang mengalir  setiap satuan waktu.

3.   Komposisi kimia

Berat atom dan berat molekul  merupakan  hubungan  mol dengan  massa bahan.  Bahan campuran berisi lebih dari satu komponen, untuk itu perlu diketahui isi (atau komposisi) masing-masing komponen penyusun bahan itu.  Komposisi dapat dinyatakan dalam beberapa cara, yaitu :

a.   fraksi massa atau fraksi berat.

Biasanya untuk komposisi bahan berbentuk cair atau padat dinyatakan dalam fraksi massa.  Total fraksi massa adalah 1,00.

b.   fraksi mol

Komposisi  bahan  dalam  fase  gas  biasanya  dinyatakan  dalam  fraksi mol. Total fraksi mol = 1,0.

c.   konsentrasi

Konsentrasi  adalah  banyaknya  bahan  dalam  campuran  setiap  satuan volum.

Ppm=part per million= bagian per sejuta.

4.   Tekanan

Lihat kembali materi kuliah Fisika terutama mengenai  gaya dan tekanan.

Hubungan   tekanan  yang  ditunjukkan   alat  ukur  (gauge)  dengan  tekanan sesungguhnya (absolute) adalah :

Tekanan absolute = tekanan gauge + tekanan atmosfer.

1 atm = 14,696 psi = 760 mmHg = 10,333 mH2O.

5.   Temperatur.

Contoh : Suatu botol bertuliskan larutan HCl teknis 28% (w/w). Tentukan dalam % mol larutan itu.

Penyelesaian:

Misal 100 g larutan HCl 28% maka:

Komponen	% berat	Berat, g	Mol	% mol
HCl	28	28	28/36,5=0,77	(0,77/4,77).100%=16,14
H2O	72	72	72/18= 4	(4/4,77).100%=83,86
TOTAL	100	100	4,77	100

Jadi larutan itu larutan HCl 16,14% (%mol).

Diagram Alir Proses

Adalah gambaran  visual yang menunjukkan  semua aliran bahan-bahan  baik yang   masuk   alat  maupun   yang  keluar,   disertai   data-data   susunan   dari campuran bahan-bahan aliran.   Gambaran ini bisa bersifat kualitatif dan kuantitatif.

Kualitatif   :   menunjukkan macam-macam bahan yang masuk dan keluar.

Kuantitatif  :  menunjukkan macam-macam bahan dan  kuantitasnya.

Jadi,  dalam  membuat     diagram  alir  proses,  harus  mencantumkan   data kualitatif dan kuantitatif.

Suatu unit proses dapat digambarkan dalam sebuah kotak atau simbol alat, dan garis panas yang menunjukkan arah aliran bahan.

Arus dalam diagram alir harus diberi label yang menunjukkan: A.  variable proses  yang diketahui dan

B.  permisalan  variable  yang akan dicari dengan sImbol variable.

Beberapa cara memberi label pada arus :

1.   Tulis nilai dan satuan semua   variabel yang diketahui di arus dalam gambar.

Contoh :

Narasi: gas berisi 21% mol O2 dan 79% N2  pada suhu 320 oC dan 1,4 atm mengalir dengan kecepatan 400 gmol/jam.

Diagram alir :

F = 400 gmol/j

0,21 mol O2/ mol

0,79 mol N2 /mol

atau                    F = 400 gmol/j

21% O2

79 % N2

2.   Tandai dengan simbol untuk variabel yang akan dicari.

Contoh:

Q

X  mol O2/ mol Y mol N2 /mol T=320oC; P=1,4 atm

Diagram  alir berfungsi  sebagai  papan  hitung untuk  menyelesaikan  masalah neraca, baik neraca massa maupun neraca panas.

Untuk dapat menggambarkan proses dari suatu narasi, seseorang harus mempunyai  pengetahuan  tentang  proses  dan       sifat-sifat  bahan (termodinamika).   Oleh karena itu mahasiswa dituntut sering membaca buku tentang proses dan laporan praktek kerja.

Beberapa  cara  memberi  label  pada  arus  dapat  dibaca  di  buku  Felder  and

Rousseau

Sistem

Adalah  bagian  atau keseluruhan  proses  yang ditinjau,  yang biasanya  untuk

memisahkan antara sistem dengan bagian luar sistem.

Proses

Adalah suatu peristiwa dimana bahan mengalami perubahan fisis atau kimia

atau keduanya.

Perubahan fisis : tidak ada reaksi kimia. Perubahan kimia : mengalami reaksi-reaksi.

Peran proses pemisahan di industri kimia:

Bahan baku

separator              reaktor        separator           separator produk

recycle

By product                                               purging        produk

Ditinjau  secara  makro,  proses-proses   yang  terjadi  secara  alamiah  dapat diartikan   sebagai   proses   pencampuran   yang  terjadi   secara   spontan   dan merupakan  proses  yang tidak dapat  balik.  Berarti  untuk  memisahkan  suatu konstituen  dari  campurannya  diperlukan  suatu  usaha  yaitu  usaha termodinamika  sehingga  terjadi  proses  berlawanan  terhadap  proses  alam. Maka dalam operasi pemisahan campuran perlu dimasukkan sejumlah “ separating agent “ tertentu.

Separating agent yang biasa digunakan :

1.    tenaga  panas,  seperti  steam,  bahan  bakar.  Contoh  alat  :  distilasi, evaporasi, pengeringan, alat penukar panas dll.

2.   Sejumlah  massa  bahan,  seperti  pelarut  atau  penjerap.  Contoh  alat:

ekstraksi, absorbsi, adsorpsi, stipping dll.

3.   Tenaga   mekanik   (tekanan).   Contoh   alat   :   filtrasi,   sentrifugasi, sedimentasi dll.

Metode  pemisahan  konstituen  dari  campurannya,  dapat  dibedakan  menurut kategori :

1.   pemisahan menurut dasar operasi difusional. Pemisahan ini  dipilih jika umpannya homogen. Transfer massa dan pana konstituen berlangsung secara difusi antara 2 fase atau lebih.

Contoh : distilasi ( flash, kontinyu, batch), absorpsi, striping, ekstraksi, adsorpsi, ion exchange dll.

2.   Pemisahan secara mekanik. Pemisahan ini dilakukan untuk campuran heterogen.

Contoh : decanter, sedimentasi, sentrifuge, filtrasi, screening,

dll.

3.   Pemisahan menggunakan reaksi kimia.

Di dalam proses dan peralatan  di industri,  rangkaian  peralatan  menyangkut kedua jenis proses itu, yaitu :

1.   unit operation ( satuan operasi) : unit dengan perubahan fisis atau seringkali disebut Operasi Teknik Kimia.

2.   unit processes (satuan proses) : unit dengan reaksi kimia.

Unit operation meliputi :

a.   transportasi fluida (perpindahan pada proses alir),

b.   perpindahan panas dalam alat penukar panas ( heat exchanger), c.   separator,

padat-padat : screening.

Padat-cair : sedimentasi, filtrasi,

Cair – gas : absorpsi, stripper, distilasi, evaporasi. Cair-cair : ekstraksi cair-cair, dekantasi, dll.

d.   pencampuran

Unit Processes meliputi :

a.   pembakaran bahan bakar dalam burner, furnace. b.   Reaksi kimia dalam reaktor.

c.   Fermentasi.

Proses

Dengan reaksi kimia                           tanpa reaksi kimia

Steady state(SS)    Unsteady state(USS)                        SS                 USS

Unsteady State : proses tidak ajeg adalah proses dimana semua variable proses mengalami perubahan nilai terhadap waktu.

Steady State : proses dalam keadaan ajeg adalah proses dimana semua variable porses yang ditinjau tidak berubah terhadap waktu.

Penggolongan Proses :

1.   batch :  tidak ada bahan masuk atau keluar. Jadi prosesnya USS.

2.   kontinyu : kecepatan arus masuk sama dengan kecepatan arus keluar, jadi prosesnya SS.

3.   Semi batch atau semi kontinyu, prosesnya USS.