CHEMICAL ENGINEERING CALCULATION

PAGE 1 - 9

1. DASAR-DASAR PERHITUNGAN TEKNIK1. SISTEM SATUANAda tiga sistem satuansatuan dasar yang dipakai didalam ilmu pengetahuan dan keteknikan yakni:

SI=Systeme International d'Unites, yang mempunyai satuansatuan dasar seperti meter (m), kilogram (kg) dan scond (s), yang disingkat dengan sebutan MKS.

CGS=Centimeter (c) Gram (g) Scond (s).

FPS=Foot (ft) Pound (lb) Scond (s), yang pada umumnya disebut sebagai satuan Inggris (British Unit).

1.1. Sistem satuan SIBesaranbesaran dasar yang digunakan didalam sistem SI adalah sebagai berikut:

Panjang, dengan satuan meter (m).

Waktu, dengan satuan second (s).

Massa, dengan satuan kilogram (kg).

Suhu, dengan satuan derajad Kelvin (K).

Satuansatuan standard lain yang diturunkan dari besaranbesaran dasar tersebut dinataranya adalah:

Gaya, dengan satuan Newton (N).

1 Newton (N) = 1 kg.m/s2

Kerja, energi, panas, dengan satuan Newtonmeter (N.m) atau Joule (J).

1 Joule (J) = 1 Newtonmeter (N.m) = 1 kg.m2/s2

Tenaga, dengan satuan Joule/second (J/s) atau Watt (W).

1 Joule/second (J/s) = 1 Watt (W)

Tekanan, dengan satuan Newton/m2 atau Pascal (Pa).

1 Newton/m2 (N/m2) = 1 Pascal (Pa)

Tekanan dalam satuan atmosfir (atm) adalah bukan suatu satuan standard SI, tetapi hanya digunakan selama periode transisi.

Standard percepatan gravitasi dinyatakan sebagai:

1 g = 9,80665 m/s2Beberapa awalanawalan standard untuk mengalikan satuansatuan dasar adalah sebagai berikut:

giga (G) = 109

mega (M) = 106

kilo (k) = 103

centi (c) = 102

mili (m) = 103

micro () = 106

nano (n) = 109Suhu dinyatakan dalam derajad Kelvin (K) sebagaimana satuan yang digunakan didalam sistem SI. Namun dalam praktek secara luas digunakan dengan satuan dalam skala derajad celsius (oC), yang dinyatakan dengan:

t oC = T (K) 273,15

Ingat bahwa 1 oC = 1 K dalam hal pengukuran beda suhu.

t o C = T K

Standard satuan waktu adalah scond (s), tetapi dapat pula dinyatakan dengan satuansatuan seperti minut (min), hour (h) atau day (d).

1.2. Sistem satuan CGSSistem satuan CGS dihubungkan dengan sistem satuan SI adalah seperti berikut:

1 g massa (g) = 1 X 103 kg massa (kg)

1 centimeter (cm) = 1 X 102 meter (m)

1 dyne (dyn) = 1 g.cm/s2 = 1 X 105 Newton (N)

1 erg = 1 dyn.cm = 1 X 107 Joule (J).

Standard percepatan gravitasi adalah:

g = 980,0665 cm/s21.3. Sistem satuan FPSSistem satuan FPS dihubungkan dengan sistem satuan SI adalah seperti berikut:

1 lb massa (lbm) = 0,45359 kg

1 ft = 0,30480 m

1 lb force (lbf) = 4,4482 Newton (N)

1 ft.lbf = 1,35582 Newton.m (N.m) = 1,35582 Joule (J)

1 psia = 6,89476 X 103 Newton/m2 (N/m2)

1,8 oF = 1 K = 1 oC

g = 32,174 ft/s2Faktor proporsionalitas untuk hukum Newton adalah

gc = 32,174 ft.lbm/lbf.s2Faktor gc didalam satuan SI dan CGS adalah 1,0 sehingga gc tidak pernah digunakan didalam perhiunganperhitungan yang menggunakan satuan SI dan CGS.

1.4. Satuansatuan persamaan yang homogen dimensinyaSuatu persamaan yang homogen dimensinya adalah suatu satuan yang semua istilahnya mempunyai satuan dasar yang sama. Satuansatuan tersebut dapat berupa satuan dasar atau satuan yang diturunkan (sebagai contoh, kg/s2.m atau Pa). Suatu satuan yang demikian ini dapat digunakan dengan sistem satuansatuan yang satuan dasar atau satuan turunannya digunakan didalam persamaan. Tidak ada faktor konversi yang diperlukan jika satuansatuan yang digunakan telah konsisten.

Didalam menggunakan persamaan harus hatihati dan selalu mengeceknya untuk kehomogenan dimensi. Untuk mengerjakannya, suatu sistem satuan harus dipilih apakah akan menggunakan sistem satuan SI, CGS atau FPS. Kemudian disubstitusikan kedalam masingmasing istilah yang digunakan didalam persamaan.

Contoh 1-1:Suatu persamaan untuk perpindahan panas dari suatu fluida ke suatu permukaan dinyatakan seperti berikut:

q = h A (Tf Tw)

dimana :q = laju perpindahan panas (energi/waktu)

h = koefisien perpindahan panas (energi/waktuluassuhu)

A = luas permukaan

T = suhu

Gunakan satuan SI dan cek jika persamaan tersebut adalah homogen secara dimensi.

Penyelesaian:Dengan menggunakan kg.m2/s2 untuk satuan energi dan dengan mensubstitusikan satuansatuan dasar SI kedalam persamaan, maka:

Tampak dari persamaan diatas menunjukkan bahwa satuan yang ada di suku kiri sama dengan yang ada di suku kanan, dan persamaan adalah homogen secara dimensi. Jika diturunkan satuan J untuk energi, maka kedua suku akan mempunyai satuan J/s atau W.

2. CARA MENYATAKAN SUHU DAN KOMPOSISIAda dua sekala suhu yang biasa digunakan didalam industri kimia, yaitu derajad Fahrenheit (oF) dan Celsius (oC). Juga sering dijumpai untuk merubah dari satu sekala ke sekala yang lainnya. Keduanya menggunakan titik beku dan titik didih air pada tekanan 1 atmosfir sebagai patokannya. Sering juga dalam menyatakan suhu dengan menggunakan derajad mutlak K (untuk standard SI) atau derajad Rankine (oR) (untuk standard FPS) sebagai pengganti oC atau oF. Tabel 11 menunjukkan ekivalensi empat sekala suhu.

Tabel 1-1: Sekala suhu dan ekivalensinyaCelsius

oCFahrenheit

oFKelvin

oKRankin

oR

Titik didih air100212373,15671,7

Titik lebur es032273,15491,7

Nol mutlak-273,15-459,700

Perbedaan antara titik didih air dan titik leleh es pada 1 atm adalah 100 oC atau 180 oF. Dengan demikian setiap perubahan 1,8 oF sama dengan perubahan 1 oC. Biasanya harga 273,15 oC dibulatkan menjadi 273 oC dan 459,7 dibulatkan menjadi 460 oF. Persamaan berikut dapat digunakan untuk mengubah sekala suhu dari satu sekala ke sekala yang lain.

oF = 32 + 1,8 (oC)

oC = 1/1,8 (oF 32)

oR = oF + 460

oK = oC + 273

Contoh 1-2:Suatu gas didalam bejana mempunyai suhu 120 oC. Nyatakan suhu tersebut ke dalam sekala oF, oR dan oK

Penyelesaian:

oF = 32 + 1,8 (oC) = 32 + 1,8 (120) = 248 oF

oR = oF + 460 = 248 + 460 = 708 oR

oK = oC + 273 = 120 + 273 = 393 K

2.1. Mole dan berat atau massaBanyak metoda yang digunakan untuk menyatakan komposisi didalam gas, loquida maupun padatan. Salah satu dari kebanyakan penggunaannya adalah satuan molar, karena hukum reaksi kimia dan gas adalah lebih sederhana untuk menyatakan dalam istilah satuan molar. Satu mol suatu zat murni dinyatakan sebagai jumlah zat yang massanya secara numerik sama dengan berat molekulnya. Oleh karena itu, 1 kgmol methane (CH4) mengandung 16,04 kg massa. Juga untuk 1 lbmol mengandung 16,04 lbm.

Fraksi mol suatu zat adalah jumlah mol zat tersebut didalam suatu campuran dibagi dengan total mol campuran. Demikian halnya untuk fraksi massa, adalah jumlah massa zat tertentu didalam campuran dibagi dengan total massa campuran. Misalkan suatu campuran zat A, B dan C maka fraksi mol dan fraksi massa zat A dapat dinyatakan sebagai berikut:

Contoh 1-3:Suatu campuran terdiri dari 50 gram air (B) dan 50 gram NaOH (A). Hitung fraksi massa dan fraksi mol NaOH, juga hitung massa (dalam lbm) NaOH.

Penyelesaian:Total massa campuran = 50 + 50 = 100 gram.

wA (fraksi massa NaOH) = 50/100 = 0,5

Jumlah mol H2O = 50/18,02 = 2,78 mol

Jumlah mol NaOH = 50/40 = 1,25 mol

Total mol campuran = 2,78 + 1,25 = 4,03 mol

xA (fraksi mol NaOH) = 1,25/4,03 = 0,31

Massa A (dalam lbm) = (50 g)/(453,6 g/lbm = 0,1102 lbm2.2. Satuan konsentrasi liquidaSecara umum jika suatu liquida dicampur dengan liquida lain yang dapat bercampur, maka komposisi liquida tersebut dinyatakan dalam persen berat atau persen massa.

Caracara lain untuk menyatakan konsentrasi suatu komponen didalam larutan adalah sebagai berikut:

Molaritas = Jumlah mol zat terlarut tiap liter larutan.

Molalitas = Jumlah mol zat terlarut tiap 1000 gram larutan.

Normalitas = Jumlah grek zat terlarut tiap liter larutan.

(grek = grol/valensi).

Metoda yang paling umum untuk menyatakan konsentrasi per satuan volume adalah densitas (kg/m3, g/cm3, atau lbm/ft3). Sebagai contoh densitas air pada 277 K (4oC) adalah 1000 kg/m3 atau 62,43 lbm/ft3. Kadangkadang densitas larutan dinyatakan sebagai specific gravity, yaitu yang menyatakan densitas larutan pada suhu tertentu dibagi dengan densitas suatu zat acuan (biasanya air) pada suhu tertentu. Jika sebagi zat acuan adalah air pada 277 K, maka specific gravity dan densitas zat adalah sama.

3. DENSITAS DAN SPECIFIC GRAVITY3.1. Densitas (kerapatan)Densitas (kerapatan) adalah menyatakan jumlah masa zat persatuan volumenya.

Simbul = (

Satuan = g/cm3, kg/liter, lb/ft33.2. Specific gravity (SG)Specific gravity (SG) adalah perbandingan densitas suatu fluida pada suhu tertentu terhadap densitas fluida standar (untuk cairan biasanya air) pada suhu tertentu.

Untuk gas:p V = n R Tkarena: n = m/M

p V = (m/M) R T

( = m/V

( = (p M)/(R T)

dimana:

p = tekanan, atm, psia

V = volume, liter, ft3

n = jumlah mol, kgmol, lbmol

m = massa, kg, lbm

M = berat molekul

T = suhu, oK, oR

R = konstanta gas, 0,08206 (liter.atm)/(mol.oK) = 10,7315 (psia.ft3)/(lbmol.oR)

Sebagai zat standard, untuk cairan dipakai air sedangkan untuk gas dipakai hidrogen kering atau udara kering. Karena perubahan densitas zat dan perubahan densitas air terhadap perubahan suhu tidak sama, maka pada umumnya specific gravity yang ditetapkan selalui disertai keterangan suhu. Sebagai contoh misalnya:

SG60/60 = SG pada suhu zat 60oF dan suhu air 60oF

SG60/77 = SG pada suhu zat 60oF dan suhu air 77oF

3.2.1. Skala BaumeAntoine Baume pada tahun 1768 telah membuat dua macam hydrometer yang satu untuk cairan yang lebih ringan dari air dan yang satu lainnya untuk cairan yang lebih berat dari air. Skala tersebut linier dan dikenal dengan istilah derajad Baume (oBe). Skala tersebut ditetapkan berdasarkan persamaan berikut:

3.2.2. Skala APIAmerican Petroleum Institute telah mengeluarkan skala gravity khusus untuk produkproduk minyak bumi. Skalanya dinyatakan dalam oAPI dan khusus untuk cairan yang lebih ringan dari air yang ditetapkan berdasarkan persamaan sebagai berikut:

3.2.3. Skala TwaddellSkala Twaddell yang digunakan di England hanya berlaku untuk cairan yang lebih berat dari air. Skala tersebut ditetapkan berdasarkan persamaan berikut:

4. NERACA BAHANSalah satu hukum dasar pengetahuan fisika adalah konservasi masa. Hukum tersebut dinyatakan secara sederhana, bahwa masa tidak dapat di hasilkan atau dimusnahkan (sudah barang tentu tidak termasuk nuclear atau reaksi atom). Oleh karena itu masa (atau berat) semua bahan yang memasuki proses harus sama dengan total masa yang meninggalkan plus masa yang terakumulasi di dalam proses.

Dalam kebanyakan kasus, proses yang ditinjau dalam keadaan steady atau dengan kata lain tidak ada akumulasi di dalam proses. Dengan demikian persamaan di atas menjadi

4.1.Neraca Bahan Sederhana

Di dalam neraca bahan sederhana ini tidak terjadi reaksi kimia sehingga perhitungannya sangat sederhana. Satuan-satuan yang digunakan harus konsisten agar tidak terjadi kesalahan dalam perhitungan.

Untuk menyelesaikan persoalan-persoalan neraca bahan disarankan dilakukan dengan suatu urutan langkah-langkah yang telah ditetapkan seperti berikut:

(1).Sketch suatu diagram proses secara sederhana, yaitu dengan menggunakan box diagram yang menunjukkan masing-masing aliran keluar maupun masuk dengan menggunakan anak panah dan dilengkapi dengan keterangan mengenai komposisi, suhu, laju alir, dan sebagainya. Semua data yang terlibat harus tercantum dalam diagram tersebut.

(2).Tuliskan persamaan kimia jika ada

(3).Pilih basis yang digunakan untuk perhitungan.

(4).Buat suatu neraca bahan. Neraca bahan dapat berbentuk neraca total dan neraca komponen.

Jenis proses yang tidak mengalami reaksi kimia adalah drying, eveporation, dilution, distilation, extraction, dan sebagainya. Dalam persoalan seperti ini dapat dipecahkan dengan dengan menetapkan neraca bahan yang mengandung besaran-besaran yang tidak diketahui dan menyelesaikan persaman untuk besaran-besaran yang tidak diketahui.

Gb. (1-1): Neraca Bahan Sederhana

4.2. Neraca Bahan Bertingkat

Neraca bahan bertingakat sebagaimana kebanyakan dalam proses distilasi secara skematis ditunjukkan dalam gambar (1-2). Melalui proses bertingkat diharapkan proses pemisahan akan dapat menghasilkan produk (top product maupun bottom product) dengan tingkat kemurnian yang lebih tinggi.

Gb. (1-2): Neraca Bahan Bertingkat

Neraca Bahan di sekitar kolom 1:

Neraca Bahan si sekitar kolom 2:

4.3. Neraca Bahan Bertingkat dengan Recycle

Gb. (1-3): Neraca Bahan Bertingkat dengan Recycle

Neraca Bahan di sekitar Kolom 1:

Neraca Bahan di sekitar Kolom 2:

5. NERACA PANASDi dalam proses kimia, suatu perhitungan juga dibuat untuk semua panas yang masuk maupun yang meninggalkan sistem. Perhitungan ini dikenal dengan istilah "Neraca Panas", dan pada umumnya perhitunganperhitungan yang dibuat didasarkan pada jumlah panas karena jumlah panas tidak berubah meskipun kondisi operasi berubah. Neraca panas adalah merupakan salah satu benrtu neraca energi yang dapat digunakan untuk menghitung perubahan panas yang terjadi pada setiap aliran di dalam sistem. Khusus di dalam neraca panas tidak diperhitungkan (diabaikan) besarnya perubahan energi kinetik, potensial dan lain sebagainya. Jika di dalam suatu sistem tidak terjadi akumulasi panas maka jumlah seluruh panas yang masuk sama dengan jumlah seluruh panas yang meninggalkan sistem.

5.1. Neraca Panas pada HEDi dalam heat exchanger (HE) yang berlangsung proses perpindahan panas dapat dihitung besarnya laju perpindahan panas dengan menggunakan perhitungan neraca panas.

Sebagai contoh, anggap sebuah double pipe exchanger yang digunakan untuk proses perpindahan panas antara fluida A (fluida panas) dan fluida B (fluida dingin). Panas mengalir dari fluida panas ke fluida dingin selama kedua fluida tersebut berada di dalam HE. Sebagai akibat perpindahan panas, fluida A akan memberikan panas dan fluida B akan menerima panas. Jika di dalam sistem tidak ada penambahan panas dari luar atau panas lepas keluar maka besarnya panas yang diberikan oleh fluida A sama dengan panas yang diterima oleh fluida B.

Karena fluida A melepaskan panas maka suhu fluida A turun atau mengalami perubahan fase dari uap menjadi cair, sedangkan fluida B yang menerima panas suhunya naik atau mengalami perubahan fase dari cair menjadi uap.

Jika:mA = laju alir masa fluida A, kg/jam

HA1 = enthalpy fluida A saat memasuki HE, kcal/kg

HA2 = enthalpy fluida A saat meninggalkan HE, kcal/kg

mB = laju alir masa fluida B, kg/jam

HB1 = enthalpy fluida B saat memasuki HE, kcal/kg

HB2 = enthalpy fluida B saat meninggalkan HE, kcal/kg

maka bentuk persamaan neraca panas di dalam HE adalah sebagai berikut:

mA(HA1 HA2) = mB(HB2 HB1)

Jika tidak terjadi perubahan fase,

HA1 HA2 = CpA(tA1 tA2)

HB2 HB1 = CpB(tB2 tB1)

dimana:CpA = panas jenis fluida A, kcal/kg.oC

CpB = panas jenis fluida B, kcal/kg.oC

tA1 = suhu fluida A saat memasuki HE, oC

tA2 = suhu fluida A saat meninggalkan HE, oC

tB1 = suhu fluida B saat memasuki HE, oC

tB2 = suhu fluida B saat meninggalkan HE, oC

5.2. Neraca Panas pada Kolom DistilasiSeperti halnya pada neraca bahan, neraca panas pada suatu sistem yang mana terjadi perubahan komposisi komponenkomponen di dalam aliran maka untuk pemecahannya dapat dilakukan dengan cara membuat neraca panas keseluruhan dan neraca panas komponenkomponennya. Untuk distilasi sederhana, bentuk neraca panas dapat dinyatakan dalam persamaan seperti berikut:

Neraca bahan keseluruhanF.HF = D.HD + R.HRatau

F.HF = FA.HFA + FB.HFBNeraca bahan komponen AFA.HFA = DA.HDA + RA.HRAatau

F.wFA.HFA = D.wDA.HDA + R.wRA.RANeraca bahan komponen BFB.HFB = DB.HDB + RB.HRBatau

F.wFB.HFB = D.wDB.HDB + R.wRB.HRB

PAGE Proses Pengolahan Migas; "Dasar-dasar Perhitungan Teknik" [PPM-010]

_1002310025.doc

V1,

XVA1

L1,

XLA1

1

2

V,

XVA

F (A,B)

XFA

L,

XLA

_1002310029.unknown

_1002310031.unknown

_1002310289.unknown

_1002310805.unknown

_1002311590.unknown

_1002310594.unknown

_1002310032.unknown

_1002310030.doc

V,

XVA

F (A,B)

XFA

L,

XLA

_1002310027.unknown

_1002310028.doc

V1,

XVA1

L1,

XLA1

1

2

V,

XVA

F (A,B)

XFA

L,

XLA

_1002310026.unknown

_996944784.unknown

_996945264.unknown

_1002310023.unknown

_1002310024.unknown

_1002310022.unknown

_996945051.unknown

_996944116.unknown

_996944483.unknown

_996943275.unknown