DIKTAT KULIAH NERACA MASSA DAN ENERGI (GP21010)

Jurusan Teknik Gas dan Petrokimia Program Studi Teknik Kimia

Fakultas Teknik Universitas Indonesia Depok 2003

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 1

SATUAN, DIMENSI, DAN FAKTOR KONVERSI Sasaran Pengajaran :

menjumlahkan, mengurangi, mengalikan dan membagi satuan

mengubah satuan-satuan dan fungsi persamaan dalam massa, panjang, gaya, dll.

mendefinisikan dan menggunakan factor konversi Gc Permasalahan: dapatkah anda menetukan hasil dari operasi matematika di bawah ini :

1. 10 kg + 400 meter 2. 200 feet + 21 cm 3. 500 meter × 2 sekon 4. 2 joule / 4 meter

Untuk menentukan hasil dari operasi diatas kita harus mengetahui terlebih dahulu pengertian dari satuan, dimensi, dan faktor konversi

satuan : sesuatu yang digunakan untuk menyatakan ukuran besaran contoh: meter, feet, mile(panjang) ; gram, pound, slug(massa)

dimensi : satuan yang dinyatalkan secara umum dalam besaran primer contoh : massa(M), panjang(L)

faktor konversi : angka tak berdimensi yang merupakan ekivalensi satuan yang bersangkutan

Dalam kehidupan kita sehari-hari ada 4 sistem satuan yang dikenal, yaitu :

absolute dynamic system : (cgs : cm, gram, sec)

English absolute system : (fps : ft, pound, sec)

SI ( System International) : (mks : meter, kg, sec)

Gravitational system.

British Eng’ng (BE) : ft, sec, slug

American Eng’ng (AE) : ft, sec, lbm , lbf Pada operasi penambahan dan penguragan dimensi dari bilangan yang dioperasikan harus sama, sedangkan dalam perkalian dan pembagian tidak ada syarat dalam operasinya. Contoh soal : Selesaikanlah perhitungan dibawah ini : (a) 20 jam + 4 meter (b) 2 joule + 50 Btu Jawaban : Pada soal (a) dapat kita lihat bahwa satuan dan dimensi yang digunakan berbeda, 20 jam berdimensi waktu sedangkan 4 meter berdimensi panjang, maka operasi tersebut tidak dapat diselesaikan. Pada soal (b) satuan yang digunakan berbeda namun dimensinya sama, keduanya sama-sama dimensi energi, maka operasi dapat dilakukan dengan mengubah satuannya menjadi sama ( konversi ), baik itu dalam joule atau Btu. karena 1 joule = 9,484.10-4 Btu maka

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 2

2 ( 9,484.10-4 ) Btu + 50 Btu = 50,00189 Btu Dalam contoh soal diatas kita melihat adanya perubahan satuan dari joule ke Btu hal inilah yang disebut dengan konversi. Konversi sering dilakukan apabila data yang tersedia dinyatakan dalam satuan yang berbeda. Contoh Soal : Jika sebuah mobil menepuh jarak Jakarta bandung dengan kecepatan 10m/s dan sebuah bus melaju dengan kecepatan 150% dari kecepatan mobil tersebut, berapakah kecepatan bus tersebut dalam kilometer perjam? Jawaban : kecepatan bus 150% × 10m/s = 15 m/s 15 meter × 1 kilometer × 3600 sekon = 54 kilometer sekon 1000 meter 1 jam jam ……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… SOal-SOal Latihan…..

1. Ubahlah 3785 m3/jam menjadi gal/min

2. Di suatu tempat dengan percepatan grafitasi 4,5 ft/sec2 seseorang mempunyai berat 100 lbf

. Berapa Lbf kah berat orang itu di bumi??

3. Kapasitas panas spesifik untuk toluene diberikan olaeh persamaan berikut :

Cp = 20,869 + 5,239.10-2 T dimana Cp dalam Btu/(lbmol)(0F) dan T(0F)

nyatakan persamaan dalam cal/(gmol)(K) dengan T(K)

………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 3

BEBERAPA BESARAN PENTING Pada perhitungan yang menyangkut reaksi kimia sering dijumpai besaran-besaran kuantitatif dengan berbagai treminologi yang mempunyai pengertian khusus. Besaran tersebut antara lain : a. MOL mol adalah hasil bagi massa suatu zat dengan berat molekulnya. b. Densitas (ρ) densitas atau kerapatan adalah massa persatuan volum c. Volum spesifik (Vs) volum spesifik adalah kebalikan dari densitas, yaitu volum persatuan massa d. Spesifik gravity / berat jenis (b.j. atau s.g.) berat jenis adalah perbandingan kerapatan zat tsb dengan zat pembanding (standar) *berat jenis tidak mempunyai dimensi. *sebagai pembanding biasanya digunakan air dalam suhu 40C

*berat jenis zat cair atau padat tidak bergantung kepada tekanan tetapi bergantung kepada suhu, oleh karena itu dalam menyatakan berat jenis harus disebutkan suhunya.

e. Komposisi Merupakan perbandingan antara suatu zat dengan seluruh campuran, komposisi dapat

dinyatakan dalam : o fraksi massa atau persen berat

Fraksi massa A = WA/WTOTAL

% berat A = WA/WTOTAL × 100% o fraksi volum atau persen volum

Fraksi volum A = VA/VTOTAL

% volum A = VA/VTOTAL × 100%

o fraksi mol atau persen mol Fraksi mol A = mol A / mol total campuran % mol A = mol A / mol total campuran × 100%

f. Konsentrasi Merupakan jumlah zat tersebut yang terlarut dalam sejumlah pelarut. Konsentrasi dapat dinyatakan sebagai :

o berat / volum = gram / cm3, gram / liter dll. o mol / volum = mol / liter, lbmol / ft3 o parts per million (ppm)

*dalam gas ppm dinyatakan dalam mol. contoh :

o 100 ppm CO2 dalam udara berarti terdapat 100 mol CO2 dalam 106 mol udara o 20 ppm besi dalam air berarti terdapat 20 gram besi setiap 106 gram air.

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 4

satuan konsentrasi yang sering digunakan adalah : o Molaritas : mol / liter larutan o Normalitas : gram ekivalen / liter larutan o Molalitas : mol / 1000 gram pelarut

g. Temperatur ( Suhu ) Suhu ditetapkan dari titik tripel air, yaitu 00C atau 273,15 K Terdapat 4 skala suhu yang biasa dipakai dalam perhitungan, yaitu : skala suhu nol mutlak titk beku normal air titk didh normal air celcius - 273, 15 0C 0 0C 100 0C Kelvin 0 K 273,15 K 373,15 K Fahrenheit - 459,67 0F 32 0F 212 0F Renkine 0 0R 492 0R 672 0R Hubungan antara keempat skala suhu tersebut adalah sbb: TC = 5/9(TF - 32) TK = TC + 273,15 TR = TF + 459,67 Hubungan selisih suhu : Δ TC = Δ TK 1,8 Δ TC = Δ TF

Δ TF = Δ TR 1,8 Δ TK = Δ TR h. Tekanan Tekanan merupakan gaya persatuan luas yang tegak lurus gaya tersebut. P = gaya / luas = F / A ( Pascal, Psi, Atm, Bar, Torr ) 1 atm = 760 mmHg 1 bar = 100 kPa 1 torr = 1 mmHg 1 Psi = 1 lbf / in2 COnToH SoAl :

o Hitunglah densitas merkuri dalam lbm/ft3 jika diketahui spesifik grafity merkuri pada 200C adalah 13,546 dan hitunglah volume dalam ft3 jika diketahui massa merkuri 215 kg ???? Jawab : a. ρHg = spesifik gravity × massa jenis air pada suhu 200C = 13,546 × 62,43 lbm/ft3 = 845,7 lbm/ft3 b. V = 215 kg × 1lbm / 0,454 kg × 1 ft3 / 845,7 lbm = 0,56 ft3

o Hitunglah mol glukosa yag terkandung dalam 10 kg gula jika fraksi berat glukosa dalam gula 16 % !!!! Jawab : berat glukosa dalam gula = 16 % × 10 kg = 1,6 kg mol glukosa = berat glukosa / Mr glukosa

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 5

= 1600 gram / 160 gram/mol = 10 mol

o Jika suatu larutan NaOH pada pabrik sabun mengalir dengan laju alir 240 liter per menit,

maka berapa mol kah NaOH yang mengalir tiap detiknya jika diketahui konsentrasi NaOH adalah 0,02 M Jawab : jumlah NaOH yang mengalir tiap detik = 240 liter/min × 1 min/60det = 4 liter/det mol NaOH tiap detik = 4 liter/det × 0,02 mol/liter = 0,08 mol/det

o Hitunglah perbedaan suhu dalam 0C jika sebuah konduktor mengalami pemanasan dari

800F menjadi 1400F !!!! Jawab : cara 1. 800F = 5/9 (80 – 32) = 26,6 0C 1400F = 5/9 (140 – 32) = 59,90C ΔT = 33,3 0C cara 2. 1,8 ΔTc = ΔTf = (120 – 80) / 1,8 = 33,3 0C

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ SOAL LATIHAN :

1. Jika suatu pabrik gula dalam sehari dapat menghasilkan gula sebanyak 100 kg, maka berapa % mol glukosa yang terkandung dalam gula tersebut jika diketahui komposisi gula tersebut adalah 20%berat glukosa dan sisanya adalah air !!! diketahui : Mr H2O = 18 dan glukosa = 160

2. Jika suatu alat pemanas air dapat memanaskan air dengan laju pemanasan 100C/menit

maka berapakah suhu akhir dalam 0R jika air dengan suhu 293 K dipanaskan selama 2 jam ?????

3. Suatu dongkrak hidrolik mempunyai luas penampang 250 cm2, jika pada pompa tersebut

diberikan gaya sebesar 200 Newton maka berapa Psi kah tekanan yang diterima pompa tersebut ????

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 6

PERSAMAAN KIMIA dan STOIKHIOMETRI ________________________________________________________________________________________________________________________________________________

o Suatu pabrik DRY ICE ingin menghasilkan 500kg/jam dry ice dari proses pembakaran heptana. Jika hanya 50 % CO2 yang dapat diubah menjadi dry ice maka berapa kg hepatana yang harus dibakar setiap jamnya?????

o Apakah yang dimaksud dengan basis dan reaktan pembatas? Pada saat bagaimana basis

dan reaktan pembatas digunakan?? ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ Persamaan kimia merupakan suatu gambaran atau data yang memuat data kualitatif dan kuantitatif dalam suatu reaksi kimia. gambaran kualitatif dapat berupa :

o zat pereaksi (raektan) o zat hasil reaksi (produk) o efek panas (endoterm/eksoterm)

sedangkan gambaran kuantitatif dapat berupa : o komposisi o hubungan kuantitaif o jumlah

contoh : N2 + 3 H2 2 NH3 ΔHf = - 1230 kj kualitatif kuantitatif reaktan N2 & H2 1 mol N2 bereaksi dengan 3 mol H2 menghasilkan 2 mol NH3 produk NH3 reaksi eksotermis Stoikhiometri merupakan perhitungan yang berhubungan dengan reaksi kimia dan proporsional dengan koefisien reaksi kimia. *Untuk mempermudah perhitungan dalam stoikhiometri kita sering menggunakan basis *Basis adalah acuan yang dipilih sebagai dasar perhitungan. contoh soal : Dalam pembakaran pentana ingin dihasilkan 440 kg gas CO2, berapa kg kah pentana yang harus digunakan untuk reaksi tersebut jika 50% CO2 menyublim menjadi dry ice??? Jawab : basis : 440 kg gas CO2 berarti CO2 yang harus dihasilkan dalam proses pembakaran : 440 kg / 0,5 = 880 kg mol CO2 = 880 kg/ 44 gram/mol = 20 kmol

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 7

stoikhiometri : C5H12 + 8 O2 5 CO2 + 6 H2O 4 kmol 20 kmol berat pentana yang harus dibakar : 4 kmol × 72 gram/mol = 288 kg. REAKSI KIMIA DALAM INDUSTRI Pada kenyataan di dalam industri meskipun reaktan yang dipakai tepat stoikiometris tetapi reaksi

yang terjadi tidak sempurna, yang dimaksud tidak sempurna disini adalah ada reaktan yang tidak

terpakai atau bersisa.

Karena ketidaksempurnaan inilah maka ada beberapa pengertian yang berhubungan dengan reaksi:

Reaktan pembatas (limitting reactant):

Reaktan dengan jumlah stoikiometrik paling kecil/sedikit

Reaktan berlebih (excess reactan):

Reaktan yang melebihi reaktan pembatas.

mol kelebihan % kelebihan (excess) = X 100% mol yang stoikiometrik dengan reaktan pembatas

misalnya kelebihan udara (excess air): udara berlebih terhadap kebutuhan teoritis untuk

pembakaran sempurna pada proses pembakaran

Konversi (tingkat kesempurnaan reaksi):

Bagian dari umpan/reaktan yang berubah menjadi hasil/produk.

jumlah mol zat yang bereaksi % Konversi = X 100% jumlah mol zat mula-mula

Selektivitas (selectivity) :

Perbandingan (%) mol produk tertentu (biasanya yang diinginkan) dengan mol produk lainnya

(biasanya sampingan) yang dihasilkan

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 8

Yield :

Untuk reaktan dan produk tunggal adalah berat/mol produk akhir dibagi dengan berat/mol reaktan

awal, sedangkan untuk reaktan & produk yang lebih dari 1 harus dijelaskan reaktan yang menjadi

dasar yield.

berat atau mol produk % Yield = X 100% berat atau mol reaktan awal

MACAM-MACAM LAJU ALIR

1. Point linear velocity (Laju alir linear titik): laju alir ditinjau pada satu titik.

V [=] t

l [=] ,

jam

m ,

det

ft ,

det

mdan lain sebagainya.

2. Average linear velocity (Laju alir linear rata-rata) : laju alir linear rata-rata pada seluruh

penampang

t

l

l

tl

][ luas

debit

A

Q

2

3

v

, det

ft ,

det

m ][ dan lain sebagainya

3. Volumetric flow rate (laju alir volum) : sejumlah volum yang mengalir per satuan waktu (debit = Q)

Q = detik

liter ,

menit

gallon ,

m ][

l v A

33

menittwaktu

volum , dan lain sebagainya

4. Mass flow rate (laju alir massa) : sejumlah massa yang mengalir per satuan waktu

,detik

lb ,

jam

ton ,

menit

kg ][

t

m ][

waktu

masa dan lain sebagainya

5. Molal flow rate (laju alir molal) : sejumlah mol yang mengalir per satuan waktu

,detik

lbmol ,

jam

molton ,

menit

gmol ][

t

BM / m ][

waktu

mol dan lain sebagainya.

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 9

Contoh soal 1 : Antimon dibuat dengan cara memanaskan stibnit (Sb2S3) denagn serpihan besi, lelehan antimon

dikeluarkan dari bawah reaktor. Sebanyak 0,6 kg stibnit dan 0,25 kgserpihan besi dipanaskan

bersama-sama ternyata dihasilkan 0,2 kg antimon.

Rx : Sb2S3 + 3Fe 2 Sb + 3 FeS

Hitunglah:

a. reaktan pembatas b. reaktan berlebih

c. tingkat kesempurnaan reaksi d. % konversi

e. selektivitas f. Yield

Jawab:

Zat BM Massa (g) mol (gmol)

Reaktan Sb2S3

Fe

339.7

55.8

600

250

1.77

4.48

Produk Sb

FeS

121.8

87.9

200

?

1.64

?

Rx : Sb2S3 + 3Fe 2 Sb + 3 FeS

a & b. Menentukan reaktan pembatas dan berlebih:

untuk bereaksi dengan 1,77 mol Sb2S3 membutuhkan 3 X 1,77 mol = 5,31 mol Fe sedangkan Fe

yang tersedia hanyalah 4,48 mol. Disini terlihat bahwa Fe stiokiometrik terkecil jumlahnya maka Fe

merupakan reaktan pembatas, dan Sb2S3 adalah reaktan berlebih.

c. Walaupun Fe adalah reaktan pembatas tetapi tidak semua Fe habis bereaksi, jika dilihat dari

produk Sb yang dihasilkan hanya 1,64 mol ini berarti Fe yang bereaksi sebanyak:

3 mol Fe X 1,64 mol Sb = 2,46 mol Fe 2 mol Sb

maka tingkat kesempurnaan reaksi (konversi) Fe = 48,4

46.2 X 100% = 55%

sedangkan unuk 1.64 mol Sb maka Sb2S3 yang bereaksi sebanyak:

1 mol Sb2S3 X 1,64 mol Sb = 0,82 mol Sb2S3 2 mol Sb

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 10

maka tingkat kesempurnaan reaksi Sb2S3 menjadi Sb = 77.1

82.0 X 100% = 46,3%

e. Selektivitas didasrkan pada Sb2S3 yang seharusnya dapat dikonversikan dengan Fe yang ada :

FeS yang terbentuk

3 mol FeS X 1,64 mol Sb = 2,46 mol FeS 2 mol Sb

selektivitas = 46,2

64,1 X 100% = 66.67%

f. kg Sb terbentuk 0,2 kg

Yield = = X 100% = 33,5% (Sb/ Sb2S3) kg Sb2S3 mula-mula 0,6 kg Contoh soal 2: Alumunium sulfat dapat dibuat dengan mereaksikan pecahan biji bauksit dangan asam sulfat

menurut reaksi :

Al2O3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 3 H2O

Biji bauksit mengandung 55,4% alumuniumoksida dan sisanya pengotor. Sedangkan asam sulfat

berkadar 77,7% H2SO4 (sisanya air).

Untuk menghaslka 800 kg alumunium sulfat dipergunakan 480 kg biji bauksit dan 1200 kg asam

sulfat. Pertanyaan:

a. zat manakah yang berlabih dan berapa %

b. berapa % reaktan berlebih yang terpakai

c. Berapa bagian tingkat kesempurnaan reaksi

d. Berapa yield alumunium sulfat

Jawab :

55,4% Al2O3 H2O

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 11

77,7% H2SO4 Al2(SO4)3

zat BM Massa (kg) mol (kgmol)

Reaktan Al2O3

H2SO4

101.9

98.1

0,554 x 480

0,777 x 1200

2,61

9,50

Produk Al2(SO4)3 342,1 800 2,33

Rx: Al2O3 + 3 H2SO4 Al2(SO4)3 + 3 H2O

a. Menentukan reaktan berlebih :

Untuk bereaksi dengan 2,61kgmol Al2O3 membutuhkan 3 x 2,61 = 7,83 kgmol H2SO4 sedangkan

H2SO4 yang tersedia 9,505 kgmol jadi H2SO4 lebih maka rekatan berlebihnya adalah H2SO4

sedangkan reaktan pembatasnya adalah Al2O3

% H2SO4 berlebih = 505,9

83,7505,9 X 100% = 21,39 %

b. Menghitung reaktan berlebih yang terpakai :

Produk Al2(SO4)3 2,338 kgmol ini memerlukan:

2,338 kgmol Al2(SO4)3 X 342

42

)(1

3

SOkgmolAl

SOkgmolH = 7,014 kgmol H2SO4

% H2SO4 terpakai = kgmol

kgmol

505,9

014,7 X 100% = 73,79%

c. Tingkat kesempunaan reaksi : (dipandang atas dasar Al2O3 yang bereaksi)

61,2

333,2 X 100% = 89%

REAKTOR

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 12

d. Yield = 32

342

OAl kg

)(SOAl kg =

480

800 = 1,66 (Al2(SO4)3/ Al2O3)

dalam hal ini yield lebih dari satu karena perhitungan dalam berat padahal BM produk jauh lebih

besar dari pada reaktan.

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 13

Soal-soal Latihan

o Gypsum (CaSO4.2H2O) dihasilkan dengan mereaksikan kalsium karbonat dan asam sulfat.

Analisa dari batu kapur adalah: CaCO3 96,89%; MgCO3 1,14%; inert 1,7%. Untuk

mereaksikan seluruh batu kapur seberat 5 ton tentukan

a. berat gypsum anhidrat (CaSO4) yang dihasilkan

b. berat larutan asam sulfat (98% berat) yang dibutuhkan

c. Berat Karbondioksida yang dihasilkan

(BM: CaCO3 100; MgCO3 84,32; H2SO4 98; CaSO4 136; MgSO4 120; H2O 18; CO2

44)

o Sintesis amonia menggunaka reaksi berikut:

N2 + 3 H2 2 NH3

Pada sebuah pabrik, 4202 lb nitrogen dan 1406 lb hidrogen diumpankan kedalam reaktor

perjam. Produk amonia murni yang dihasilkan oleh reaktor ini sebanyak 3060 lb per jam

a. tentukan reaktan pembatas

b. berapa % excess reaktan

c. berapa % konversi yang didapatkan berdasarkan pada reaktan pembatas

o 5 lb bismut (BM=209) dipanaskan bersama dengan 1 lb sulfur untuk membentuk Bi2S3 (BM=

514). Pada akhir reaksi, zat yang dihasilkan mengandung 5% sulfur bebas. Tentukan:

Rx : 2 Bi + 3 S Bi2S3

a. reaktan pembatas

b. % excess reaktan

c. % konversi dari sulfur menjadi Bi2S3

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 14

KESETIMBANGAN MATERI

M Gula 1000lb/jam L Air

F Tebu Gula 16% Air 25% K Gula 40%

Pulp 59% E H J Gula 13% Gula 15% Air Pulp 14% D G Bagasse Padatan berisi Pulp 80% pulp 95%

Gambar di atas adalah lembar alir sederhana untuk pabrik gula. Tebu dimasukan ke dalam sebuah

penggilingan dengan sirup diperas keluar dan “bagase” yang dihasilkan mengandung 80% pulp.

Sirup E yang mengandung potongan-potongan halus pulp dimasukan kedalam saringan yang

menghilangkan semua pulp dan menghasilkan sirup jernih pada aliran H yang mengandung 5% gula

dan 85% air. Evaporator membuat sirup kental dan kristalizer menghasilkan 1000 lb/jam kristal gula.

Dari keterangan yang diberikan ini dapatkah anda mencari:

Berapa banyak air yang dihilangkan didalam evaporator (lb/jam)

Berapa besar fraksi massa komponen-komponen dalam arus buangan G

Berapa besar laju masukan tebu kedalam unit (lb/jam) ???????

penggiling penyaring evaporator

pengkristal

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 15

NERACA BAHAN

Neraca bahan adalah perincian dari jumlah bahan-bahan yang masuk, keluar dan yang

menumpuk di dalam sebuah sistem. Sistem ini dapat berupa satu alat proses maupun rangkaian dari

beberapa alat proses, bahkan rangkaian dari banyak alat proses.

Prinsip dari neraca bahan itu sendiri adalah:

Neraca bahan merupakan penerapan hukum kekekalan massa terhadap suatu sistem

proses atau pabrik.

Massa berjumlah tetap, tidak dapat dimusnahkan maupun diciptakan

RUMUS UMUM NERACA BAHAN

Input - out put + generate - Consumption = Acumulation

Masukan Keluaran terbentuk digunakan terkumpul ke sistem dari sistem hasil reaksi oleh reaksi dalam sistem

generasi dan konsumsi hanya terjadi bila terdapat reaksi di dalam sistem

JENIS-JENIS PROSES

Berdasarkan kejadiannya proses terbagi menjadi dua yaitu proses Batch (per-angkatan)

dan proses kontinyu (berkesinambungan)

A. Proses Batch :

Pemasukan reaktan dan pengeluaran hasil dilakukan dalam selang waktu tertentu/ tidak

terusmenerus.

Contoh: - Proses memasak didalam sebuah panci dimana panci menjadi alat proses

- Pemanasan air dengn koil pada teko

B. Proses Kontinyu:

Proses dengan pemasukan bahan dan pengeluaran produk dilakukan secara terus menerus/

berkesinambungan dengan laju tertentu

Bahan masuk dengan laju tetap

Produk keluar dengan laju tetap

SISTEM

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 16

Berdasarkan keadaannya proses dibedakan menjadi dua yaitu proses dalam keadaan

tunak (steady) dan keadaan tak tunak (unsteady)

A. Proses steady:

Semua aliran didalam sistem mempunyai laju, komposisi, massa dan suhu yang tetap atau tidak

berubah terhadap waktu. Sehingga pada keadaan ini jumlah akumulasi didalam sistem tetap.

Laju alir masuk = Laju alir keluar

B. Proses Unsteady

Dalam proses unsteady terjadi perubahan dalam sistem terhadap waktu. Baik berupa perubaan laju,

komposisi, massa maupun suhu. Karena adanya perubahan leju maka terdapat perubahan

akumulasi didalam sistem sehingga akumulasi massa harus diperhitungkan.

PENYUSUNAN PERSAMAAN NERACA BAHAN

Neraca massa dibuat untuk satu alat/unit atau rangkaian alat dengan batasan sistem

tertentu/ system boundary yang jelas, jumlah bahan yang dihitung adalah hanya bahan-bahan yang

masuk dan keluar dari sistem yang telah ditentukan batasnya.

Neraca yang dibuat harus berdasarkan Hukum kekekalan massa yaitu massa tidak dapat

diciptakan atau dimusnahkan; kalaupun berubah hanya bentuk atau tempatnya

Tahap-tahap pembuatan neraca bahan:

in

in

out

out

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 17

Tentukan jenis proses

Jika pada proses tidak menyangkut reaksi kimia, neraca bahan dapat dibuat dalam satuan

massa atau mol untuk satu periode waktu tertentu.

Jika terdapat reaksi kimia , sebaiknya digunakan satuan mol untuk setiap unsur/

komponen karena jika disusun neraca molekul harus diperhatikan senyawa-senyawa yang

berkaitan satu sama lain secara stoikiometrik.

Persamaan neraca yang terbentuk akan berupa persamaan linier atau non linier; baik

persamaan-persamaan tersebut tidak tergantung (independent) ataupun saling tergantung

(dependent) atau keduanya. Penyelesaian persamaan-persamaan tersebut dapat dilakukan

dengan cara eliminasi, substitusi atau jika perlu diselesaikan secara serempak (simultan).

Ada satu ukuran yang dapat memberikan indikasi apakah persamaan neraca bahan dapat

diselesaikan atau tidak ukuran ini adalah Degree of freedom atau Derajat Kebebasan

(DK), DK akan kita bahas setelah contoh2 soal berikut.

Contoh soal 1

Suatu bahan dengan kandungan air 60% dikeringkan sampai 75% airnya menguap. Hitunglah :

a) Jumlah air yang diuapkan tiap kg bahan basah

b) Komposisi bahan akhir

jawab:

Pertama buatlah diagram alir dan tulis hal-hal yang diketahui (besaran kualitas dan kuantitas)

feed uap air

air 60% padat 40% produk (air dan padat)

Kemudian tentukan basis

basis: 100 kg bahan basah

air dalam bahan basah: 0,6 x 100 = 60 kg

air yang menguap : 0,75 x 60 = 45 kg

padatan yang terdapat dalam bahan basah = 0,4 x 100 = 40kg

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 18

Buatlah persamaan neraca bahan:

air yang tersisa dalam bahan : air dalam bahan – air yang menguap

= 60 kg – 45 kg = 15 kg

a. jumlah air yang diuapkan tiap kg bahan basah = 100

45 = 0,45 kg

b. komposisi bahan akhir : air = 4015

15

x 100% = 27,3%

: padatan = 100% - 27,3% = 72,7%

KESETIMBANGAN MATERI TANPA REAKSI KIMIA

Pada kesetimbangan materi tanpa reaksi kimia, rumus umum yang digunakan adalah :

Laju masuk - laju keluar = akumulasi

hal ini karena tidak adanya pembentukan zat ataupun reaksi kimia yang menggunakan zat tersebut,

Contoh soal 2

Sebanyak 100 mol/jam larutan etilen diklorida 40% dalam toluena dimasukkan ke sebuah kolom

(menara) destilasi. Di dalam menara destilasi yang berlangsung secara kontinyu dan tidak terjadi

akumulasi sehingga 100 mol/jam bahan juga keluar dari kolom. Aliran keluar kolom dibagi menjadi

dua yaitu aliran destilat (D) dan aliran dasar (B = bottom) Aliran destilat keluar dari puncak kolom

mengandung 10% mol etilen di klorid. Tentukan laju alir msing-masing aliran tesbeut.

Jawab:

Destilat (D)

Umpan (F) D = ?mol/jam Keadaan proses tunak berarti XD= 0,95 tidak ada akumulasi F= 100 mol/jam XF = 0,4 Bottom (B)

B = ?mol/jam XB= 0,1 Neraca massa (mol) total : F = D + B ....................................(1)

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 19

Neraca massa (mol) komponen (dalam soal ini hanya satu komponen) :

F . XF = D . XD + B . XB .........................(2)

(1) 100 mol/jam = D + B

B = 100 mol/jam – D

(2) 100 . (0,4) = D . (0,95) + B . (0,1)

40 = 0,95D + (100-D) . (0,1)

40 = 0,95D + 10 - 0,1D

30 = 0,85D

D = 35,3 mol/jam

B = 100 mol/jam – 35,3 mol/jam

B = 64,7 mol/jam

Dua buah contoh soal diatas merupakan contoh sederhana dari suatu sistem proses yang tidak

melibatkan reaksi kimia. Persamaan-persamaan neraca massa yang terbentuk masing-masing

merupakan persamaan linier yang dapat diselesaikan dengan cara eliminasi biasa. Berikut ini adalah

contoh sistem proses yang melibatkan reaksi kimia.

KESETIMBANGAN MATERI DENGAN REAKSI KIMIA.

Pada keadaan ini rumus yang digunakan sama dengan rumus umum kesetimbangan materi

yaitu:

laju alir masuk – laju keluar + pembentukan – konsumsi = akumulasi

Contoh soal 3

Pada suatu pembakaran, sebanyak 300 kg udara dan 24 kg karbon diumpankan kedalam reaktor

pada suhu 600oF. Setelah pembakaran sempurna tidak ada bahan tersisa di dalam reaktor.

Hitunglah:

a. Berapa berat karbon, oksigen & berat total bahan yang keluar dari reaktor?

b. Berapa mol karbon & mol oksigen yang masuk dan keluar dari reaktor?

c. Berapa mol total yang masuk dan berapa yang keluar reaktor?

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 20

Jawab:

C = 24kg ? Sistem: steady, tanpa akumulasi,

dengan reaksi kimia Udara = 300kg

Neraca massa adalah:

Input - output + generation - consumption = accumulation 0

input + generation = output + consumtion

Neraca yang digunakan:

Neraca mol total (semua komponen)

Neraca mol komponen : CO2 dan O2

Basis : 24 kg C dan 300 kg udara

Komponen yang masuk ke reaktor:

O2 (21% dari udara) 21% x kg/kmol 29

kg 300 = 2,17 kmol O2

N2 (79% dari udara) 79% x kg/kmol 29

kg 300 = 8,17 kmol N2

C kg/kmol 12

kg 24 = 2kmol C

Reaksi yang terjadi : C + O2 CO2

Dari stoikiometri diketahui untuk membakar sempurna 2 kmol C dipakai 2 kmol O2 jadi masih

terdapat sisa O2

Neraca O2 : O 2 input + O2 generate = O2 output + O2 consumtion

2,17 kmol + 0 = O2 output + 2 kmol

O2 output = 0,17 kmol

Neraca N2 : N 2 input + N2 generate = N2 output + N2 consumtion

8,17 kmol + 0 = N2 output + 0

REAKTOR

600oF

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 21

N2 output = 8,17 kmol

Neraca C : C input + C generate = C output + C consumtion

0 + 2 kmol = C output + 0

C output = 2 kmol

Disusun dalam bentuk tabel akan terlihat lebih baik (neraca komponen dalm mol)

a. Tidak ada karbon keluar dalam bentuk C, tetapi dalam bentuk CO2 seberat 88 kg dimana dalam

CO2 tersebut mengandung C seberat 24 kg. O2 yang keluar 0,17 kmol, sisanya keluar dalam

bentuk CO2. Berat bahan total yang keluar sama dengan berat bahan total yang masuk yaitu 324

kg

b. 2 kmol C dan 2,17 kmol O2 yang masuk kedalam reaktor, sedangkan yang keluar dari rekator

adalah 0 kmol C dan 0,17 kmol O2

c. 12,34 kmol total masuk ke reaktor dan 10,34 kmol keluar dari reaktor.

Contoh soal 4:

Dalam suatu proses pembakaran, gas etana dicampur dengan oksigen dengan perbandingan 80%

etana dan sisanya oksigen campuran ini dibkar dengan udara berlebih 200%. Pada pembakaran

tersebut ternyata 80% gas etana terbakar menjadi CO2, 10% menjadi CO dan 10% tidak terbakar.

Hitung komposisi gas hasil bakar (dasar basah)

Komponen Masuk Keluar

kg kmol kg kmol

C

O2

N2

CO2

24

69,5

230,5

0

2

2,17

8,17

0

0

5,5

230,5

88

0

0,17

8,17

2

Total 324 12,34 324 10,34

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 22

Jawab:

bahan bakar gas hasil pembakaran

C2H6 = 80% CO2 O2 = 20% CO C2H6 sisa

Udara berlebih 200% O2 sisa O2 = 21% H2O N2 = 79% N2

Basis : 100 mol bahan bakar

C2H6 = 80% x 100 mol = 80 mol

O2 = 20% x 100 mol = 20 mol

Reaksi:

(1) C2H6 + 2

7 O2 2 CO2 + 3 H2O ..................Pembakaran sempurna

(2) C2H6 + 2

5 O2 2 CO + 3 H2O ..................Pembakaran tak sempurna

(3) Tak bereaksi

Oksigen dari udara yang masuk 200% berlebih berarti 3 x dari yang dibutuhkan secara teoritis untuk

pembakaran sempurna.

Oksigen teoritis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna :

262

62

2 O mol 280 HC mol 80 HC mol 1

O mol 3,5x

Oksigen yang terikut dalam bahan bakar = 20 mol

Oksigen teoritis yang dibutuhkan dari udara = 280 mol – 20 mol = 260 mol

Oksigen total yang masuk dari udara = 3 x 260 mol = 780 mol

Nitrogen yang masuk bersama udara = mol 2934,3 mol 780 21

79x

Menghitung komposisi produk (hasil):

Untuk reaksi (1)

CO2 : (0,8 x 80 mol) x 2 = 128 mol CO2

H2O : (0,8 x 80 mol) x 3 = 192 mol H2O

REAKTOR

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 23

Untuk reaksi (2)

CO : (0,1 x 80 mol) x 2 = 16 mol CO

H2O : (0,1 x 80 mol) x 3 = 24 mol H2O

Total H2O = 192 + 24 = 216 mol

Total O2 terkonsumsi:

reaksi (1) : (0,8 x 80 mol) x 3,5 = 224 mol

reaksi (2) : (0,1 x 80 mol) x 2,5 = 20 mol

total = 224 + 20 = 244 mol O2

O2 yang keluar bersama gas hasil pembakaran = 800 – 244 = 556 mol

C2H6 sisa = 0,1 x 80 mol = 8 mol

Ringkasan hasil hitungan

Komponen Masuk (mol) Keluar (mol) % komposisi dalam

keluaran Bahan bakar Udara

CO2

O2

CO

C2H6

H2O

N2

20

80

780

2934,3

128

556

16

8

216

2934,3

3,32

14,41

0,42

0,2

5,6

76,05

Jumlah 100 3714,3 3858,3 100 (dsr basah)

Jika dianalisis orsat ( dasar kering) H2O tidak dihitung. Jumlah mol total = 3642,3 mol.

Komposisi gas kering:

CO2 = 3,51%

O2 = 15,26%

CO = 0,45%

C2H6 = 0,22%

N2 = 80,56%

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 24

Dari penyelesaian soal proses dengan melibatkan reaksi kimia ini dapat disimpulkan:

Walaupun massa total yang masuk sama dengan massa total yang keluar (sesuai dengan

hukum kekekalan massa), tetapi jumlah mol yang masuk tidak sama dengan jumlah mol yang

keluar. Hal Hal ini disebabkan oleh adanya reaksi kimia pada komponen-komponennya.

NERACA BAHAN DENGAN “tie component” ATAU ”key component”

Banyak persoalan neraca bahan yang seolah-olah rumit tetapi sebenarnya kalau

diperhatikan dengan seksama dapat disederhanakan karena terdapat tie component atau key

component . Komponen ini adalah komponen yang selama proses dari satu aliran ke aliran lain

tidak mengalami perubahan sama sekali (numpang lewat doang).

Misalnya pada contoh soal 1, yang menjadi tie component adalah bahan padat (karena tidak

mengalami perubahan sama sekali dan jmlahnya tetap) , sedangkan pada contoh soal 3 dan 4 yang

menjadi tie component adalah Nitrogen (karena tidak ikut bereaksi/ inert).

DERAJAT KEBEBASAN ATAU DEGREE OF FREEDOM

Ada suatu ukuran yang dapat memberikan indikasi bahwa suatu persamaan (neraca

bahan) mungkin dapat diselesaikan atau tidak. Ukuran ini adalah degree of freedom atau derajad

kebebasan dari suatu persoalan. Seharusnya bila ada n besaran yang tidak diketahui maka untuk

menyelesaikannya dibutuhkan n buah persamaan yang independen.

Bila jumlah persamaan yang etrsedia kurang dari n buah maka persoalan etrsebut tidak

dapat diselesaikan. Sebaliknya jika terdapat lebih dari n buah persamaan maka harus diambil hanya

n buah persamaan untuk menyelesaikannya. Itu pun dengan resiko bila persamaan yang kita ambil

salah maka dapat terjedi ketidak konsistenan ketentuan diantara persamaan-persamaan yang

berlebih tersebut sehingga hasil yang diperoleh salah.

Derajad kebebasan adalah ukuran yang sederhana untuk mengetahui hal tersebut.

Analisis derajad kebebasan merupakan mekanisme yang sistematis untuk menghitung semua

variabel, persamaan-persamaan neraca dan hubungan-hubungan yang terkait dalam permasalahan.

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 25

Derajad Kebebasan (DK) =

Jumlah variabel aliran yang independen - Jumlah persamaan neraca yang independen - Jumlah

veriabel aliran terspesifikasi yang independen = Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk

persaman)

Jika DK > 0 : Permasalahan tdk dapat diselesaikan (kurang terspesifikasi)

Jika DK < 0 : Permasalahan kelebihan spesifikasi dapat menyebabkan inkonsistensi

Jika DK = 0 : Permasalahan terspesifikasi dengan benar karena jumlah var yang tidak diketahui

sama dengan jumlah persamaan yang ada

Contoh 1 menghitung DK

Suatu umpan kolom destilasi dengan laju alir 1000 mol/jam mempunyai komposisi sebagai berikut

(%mol): 20% propane, 30% isobutane, 20% isopentane dan sisanya normal pentane

Destilat yang dihasilkan mengandung semua propane dan 80% isopentane yang masuk kolom, serta

mengandung 40% isobutane. Produk bawah (bottom prod) mengandung semua normal pentane

yang masuk kolom. Hitung komposisi kedua produk tersebut.

Analisis:

Terdapat 1 kolom destilasi (1 alat saja)

Terdapat 3 aliran (1 masuk, 2 keluar)

Anggaplah tiap-tiap aliran mempunyai 4 variabel yaitu 1 var laju alir dan 3 var komposisi.

Dengan demikian untuk ketiga aliran tersebut masing-masing terdapat 4 var aliran yang

nantinya dapat disusun menjadi 4 persamaan neraca bahan yang independen.

Variabel-veriabel aliran yang terspesifikasi (biasanya ditentukan atau diketahui) sehingga

variabel independen dari aliran adalah:

a. 3 var indep komposisi umpan = 20% C3, 30% C4, 20% C5

b. 2 var indep komposisi destilat = 0% C5 dan 40% C4

c. 1 var indep komposisi bottom prod = 0% C3

d. 1 var indep laju umpan = 1000 mol/jam

Berdasarkan analisis diatas maka dapat dijawab sbb:

- jumlah variabel aliran = 3 aliran x 4 var/aliran = 12 var

- jumlah persamaan neraca bahan independen = jumlah komponen yang terdapat dalam

sistem yaitu 4 persamaan

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 26

- jumlah var terspesifikasi ada 2 macam yaitu :

@ komposisi ada 6 (a,b & c)

@ aliran ada 1 (d)

- Jumlah hubungan terkait berupa perolehan di destilat (80%)

Maka:

Jumlah variabel aliran yang independen = 12

Jumlah persamaan neraca yang independen = 4

Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen

Komposisi = 6

Aliran = 1

Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman) = 1 _

Derajad Kebebasan (DK) = 0

Disini permasalahan terspesifikasi dengan benar sehingga persoalan hanya memiliki satu

penyelasaian. Tetapi perhitungan jumlah variabel dan spesifikasi ini sering tidak sama pada

berbagai literatur karena adanya penyederhanaan oleh masing-masing analis, meskipun hasil

akhirnya (DK) tetap sama. Seperti contoh di atas, bisa saja jumlah variabel aliran hanya 10 karena

kita sudah mengetahui bahwa komposisi dari C5 pada produk destilat = 0. Dengan demikian untuk

perhitungan jumlah variabel komposisi aliran yang terspesifikasi juga akan berkurang 2 (kedua

komposisi tadi) sehingga menjadi 4 Maka:

DK = 10 var aliran - 4 persamaan neraca bahan independen - 4 komposisi - 1 aliran - 1 hub terkait

DK = 0

Contoh 2 menghitung DK

Titanium dioksida TiO2 banyak digunakan sebagai zat warna pada industri cat dan kertas. Dalam

suatu unit pencuci pada pabrik zat tersebut diinginkan untuk memproduksi 4000 lb/jam TiO2 kering

dan maksimum mengandung 100 ppm garam basis kering. Keluar dari alat pembuatnya zat pewarna

tersebut (raw pigmen) mengandung 40% TiO2, 20% garam dan sisanya air (% massa). Pemurnian

dilakukan dengan cara pencucian menggunakan air (H2O) kemudian pemisahan dengan

pengendapan hingga diperoleh produk pewarna yang bersih (washed product) dan air bekas

mencuci yang disebut waste water. Pewarna yang dikehendaki minimal haruslah mengandung 50%

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 27

TiO2. Karena air buangan bekas cuci tersebut akan dibuang ke sungai maka komposisinya harus

diketahui dengan tepat. Hitunglah

Analisis: air pencuci H2O

Pewarna kotor (F1) Pewarna bersih

TiO2 40% TiO2 Garam 20% Garam H2O H2O Air cucian Garam H2O

Dari diagram diatas dapat dilihat bahwa jumlah variabel aliran-aliran tersebut adalah:

- Pewarna kotor 3

- Air pencuci 1

- pewarna bersih 3

- Air cucian 2

9

Jumlah komponen dalam soal ini ada 3, jadi pesamaan neraca independen juga ada 3

Jumlah komposisi yang terspesifikasi : 2 untuk pewarna kotor, 1 untuk pewarna bersih

Jumlah hubungan tambahan, kapasitas produk dan kandungan garam, ada 2

Maka:

Jumlah variabel aliran yang independen = 9

Jumlah persamaan neraca yang independen = 3

Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen = 3

Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman) = 2 _

Derajat Kebebasan (DK) = 1

DK = 1 atau >0 hal ini berarti soal tersebut tidak bisa diselesaikan (kurang terspesifikasi), Ada 3

variabel yang tidak diketahui sedangkan hanya ada 2 persamaan jadi perlu satu persamaan lagi,

persaman ini bisa berasal dari komposisi, laju alir atau perbandingan lain yang menyebabkan

tambahan hubungan diantara veriabel-variabel yang tidak dketahui tersebut.

Unit pencuci

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 28

Sekarang coba selesaikan dengan tambahan keterangan perbandingan penggunaan massa air

pencuci/pewarna adalah 6 lb H2O per lb pewarna atau F2/F1 = 6

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 29

Bypass, Recycle, Purge, Spliter & Mixer

R II P

Feed I produ

III

B

Pada diagram di atas dapat dilihat terdapat beberapa aliran dan alat, berikut akan dijelaskan tiap

aliran dan alat yang digunakan:

I adalah alat yang disebut dengan separator: alat ini berfungsi untuk memisahkan komposisi

tertentu dari suatu aliran sehingga komposisi pada aliran yang dihasilkan berbeda dengan aliran

awal

II adalah alat yang disebut dengan spliter: alat ini berfungsi untuk memisahkan aliran tetapi tanpa

mengubah komposisi yang terdapat pada lairan sehingga komposisi aliran yang dihasilkan sama

dengan komposisi aliran awal.

III adalah alat yang disebut dengan mixer: alat ini berfungsi untuk mencampurkan aliran.

Untuk separator dan spliter bisa terdapat pada aliran yang akan di purge, recycle ataupun yang akan

di bypass, tetapi mixer biasanya hanya terdapat pada aliran yang akan dicampur.

Aliran R adalah aliran Recycle (Daur ulang), aliran ini berfungsi untuk mengembalikan zat-zat, yang

masih dibutuhkan, yang masih terdapat dalam aliran keluar untuk kembali mengalami proses

Aliran B adalah aliran Bypass, aliran ini adalah aliran yang melewati satu atau beberapa tahap

proses yang langsung menuju pada proses selanjutnya.

Aliran P adalah aliran Purge aliran ini adalah aliran pembuangan untuk mengeluarkan akumulasi

dari inert atau materi yang tidak diinginkan yang jika tidak dikeluarkan akan tertimbun dalam

aliran Recycle

* Dalam neraca massa dengan reaksi kimia kita akan menemui istilah fraction conversion ,

fraction conversion yang dimaksud di sini adalah banyaknya jumlah zat yang digunakan dalam

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 30

suatu proses dibandingkan dengan jumlah input zat tersebut. Faktor konversi dibedakan

menjadi 2 jenis yaitu :

1. Overall fraction conversion ( konversi keseluruhan )

massa (mol ) reaktan dalam fresh feed – massa ( mol ) reaktan dalam produk akhir massa ( mol ) reaktan dalam fresh feed

2. Single pass atau once through conversion

massa ( mol ) reaktan masukan reaktor – massa ( mol ) reaktan keluaran dari reaktor

massa ( mol ) reaktan masukan reaktor

secara singkat dapat dikatakan bahwa single pass hanya menghitung konversi pada satu alat

saja, sedang overall menghitung konversi dalam sistem.

SOAL 1

Asam asetat dapat diproduksi melalui reaksi berikut:

2C2H5OH + 2Na2Cr2O7 + 8H2SO4 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2Na2SO4 + 11H2O Reaksi berlangsung dalam system dengan recycle seperti digambarkan dalam diagram berikut:

F2 P H2SO4 CH3COOH Na2Cr2O7 F1 W C2H5OH Produk Limbah Recycle, R H2SO4 C2H5OH Konversi etanol overall sebesar 90% dicapai jika laju alir recycle sama dengan laju umpan segar C2H5OH. Laju umpan segar H2SO4 dan Na2Cr2O7 masing-masing berlebih 20% dan 10% secara stoikiometrik terhadap jumlah umpan segar C2H5OH. Jika aliran recycle mengandung 94% H2SO4 dan sisanya C2H5OH (% dalam mol), hitunglah:

a. Laju alir produk (P) b. Laju alir dan komposisi produk limbah (W) c. Konversi single pass reactor etanol

Reaktor

S E

P A

R

A T

O R

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 31

SOAL 2 Dalam suatu industri minuman, jus jeruk segar mengandung 12% padatan dan sisanya air;

sedangkan produk jus kental mengandung 42% padatan. Jika proses pengentalan dilakukan dengan

proses evaporasi tunggal, sebagian kandungan zat-zat volatile ikut teruapkan bersama air dan

mengakibatkan rasa yang hambar. Untuk mengatasi masalah ini, sebagian aliran jus jeruk segar di

bypass untuk kemudian digabungkan dengan aliran keluaran evaporator. Sementara itu, aliran jus

jeruk segar dikentalkan dalam evaporator hingga kandungan padatan menjadi 58%.

a. Gambarkan proses yang terjadi!

b. Hitunglah julah produk jus kental yang dihasilkan per 100 kg jus jeruk segar yang

diumpankan ke proses!

c. Hitunglah fraksi jus jeruk segar yang di bypass!

Gunakan notasi-notasi berikut:

F = Aliran jus jeruk segar; E = aliran keluaran evaporator; B = aliran bypass;

P = aliran produk jus kental.

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 32

GAS, UAP, CAIRAN DAN PADATAN

4.1 HUKUM GAS IDEAL Gas ideal adalah gas imajiner yang memenuhi persamaan :

P V = n R T

Dengan : P = tekanan gas V = volum total gas n = jumlah mol gas R = konstanta gas ideal T = Suhu dalam kelvin

Persamaan ini dapat diterapkan untuk komponen murni atau campuran.

Sejumlah keadaan satandar yang ditentukan secara sembarang atau yang dikenal dengan standard

condition dari suhu dan tekanan ditentukan untuk mengetahui nilai R, jadi kenyataan bahwa sebuah

unsur tdk berwujud gas pada 0oC dan 1 atm (dalam keadaanstandar) tidaklah penting. Sebagai

contoh uap air pada 0oC tdk dapat berada dalam tekanan yang lebih besar dari 0,61kPa tanpa

terjadi pengembunan.

4.1.1 Penerapan hukum gas ideal:

Hk gas ideal dapat digunakan untuk menentukan volume, tekanan, atau suhu suatu zat

dalam keadaan tertentu.

Contoh: Berapakah densitas O2 pada 27oC dan 250kPa dalam satuan SI ?

27oC = 300 K

R = 0,008314 kPa m3/mol K

basis = 1 m3 gas O2

PV = n RT n

V =

P

RT

P

RT

kmolkg

V

kPa 250

K 300 .K /kmolm kPa 314,8

/32

1 33

kmolkgkg

m

massa O2 = 3,2 kg

densitas O2 = 3,2kg/1m3 = 3,2 kg/m3

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 33

4.1.2 Campuran gas ideal dan tekanan gas parsial

Dalam kehidupan sehari-hari, gas biasanya berada dalam suatu campuran dengan gas lain.

Dalam keadaan seperti ini anda tetap dapat menggunakan hukum gas ideal. Biasanya kita

menggunakan kuantitas khayalan yang disebut tekanan parsial. Tekanan parsial dari gas i

didefinisikan sebagai Pi. Jadi hukum gas idealnya menjadi:

Pi Vtotal = ni R T

Atau Pi = Ptotal x YiPitotaln

ni

Dimana Yi = Fraksi mol zat i

Contoh soal:

Udara di bumi terdiri dari 21% (%V) oksigen dan 79% nitrogen. Tekanan parsial oksigen 21kPa,

berapakah tekanan total udara?

PO2 = 21kPa

YO2 = 0,21

P total = kPakPa

YO

PO100

21,0

21

2

2

4.2 KEJENUHAN (SATURATION)

Kejenuhan adalah adalah suatu keadaan setimbang daimana saat tekanan persial dalam gas sama

dengan tekanan uap cairan tersebut, dalam keadaan ini tidak ada lagi zat cair yang menguap atau

gas yang mengembun. Pada saat titik jenuh tercapai kita dapat menyatakan bahwa zat tersebut

berada dalam titik embun (dew point).

Dengan mengasumsikan bahwa sistem gas ideal berlaku pada saat jenuh maka kita dapat

menuliskan hubungan tekanan (P) gas dengan tekanan (P) cairan dalam keadaan jenuh sebagai

berikut.

RT n

RT n

V P

V P

cair

gas

cair

gas

atau

gastotal

gas

cair

gasgas

PP

P

n

nP

cairP

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 34

4.3 KEJENUHAN PARSIAL DAN KELEMBAPAN

Kejenuhan parsial adalah kondisi dimana uap tidak berada dalam ekuilibrium dengan fase cair, dan

tekanan parsial uap lebih kecil daripada tekanan uap cairan pada suhu tertentu.

Ketika uap adalah uap air dan gas adalah udara, berlaku istilah khusus kelembapan (humidity).

Untuk gas atau uap lainnya digunakan istilah kejenuhan (saturation).

Kejenuhan relatif (relative saturation) didefinisikan sebagai

Rs = relatifkejenuhan Pjenuh

Puap

Dengan:

Puap = Tekanan parsial uap dalam campuran gas

PjEnuh = tekanan parsial uap dalam campuran gas jika gas jenuh pada suhu campuran yang

diberikan (yaitu tekanan uap dari komponen uap)

Untuk ringkasnya :

jenuh

i

jenuh

t

tjenuh

tuap

tjenuh

tuap

jenuh

uap

massa

massa

n

n

VV

VV

PP

PP

P

PRs

/

/

/

/

Kejenuhan molal adalah cara lain untuk menyatakan konsentrasi uap dalam gas adalah

menggunakan rasio mol uap terhadap mol gas bebas uap:

molalkejenuhan pgasbebasua

uap

n

n

untuk suatu sistem biner dimana 1 menunjukan uap dan 2 menunjukan gas kering: P1 + P2 = Ptot n1 + n2 = ntot

1

1

1

1

1

1

2

1

2

1

2

1

VV

V

PP

P

nn

n

V

V

P

P

n

n

tottottot

Kelembapan atau Humidity (H) manunjukan massa uap cair per massa udara kering (bonedry air)

H =

kering gaskering gaskering gas massa

massa

Mrn

Mrn uapuapuap

Kejenuhan (kelembapan) “Absolut”, Presentase Kejenuhan (Kelembapan).

Kejenuhan “Absolut” didefinisikan sebagai rasio mol uap per mol gas bebas-uap terhadap mol

uap yang akan ada per mol gas bebas-uap jika campuran tersebut jenuh secara sempurna pada

suhu dan tekanan total yang ada:

Diktat NME 2003

Eva/Bayu/Sisil 35

As = “kejenuhan absolut” =

jenuh

sebenarnya

mol

uapmol

uap bebas gas mol

uap

uap bebas gas mol

Dengan 1 untuk uap dan 2 untuk gas bebas uap

Persen kejenuhan absolut = 100 100

2

1

2

1

2

1

2

1

jenuh

sebenarnya

jenuh

sebenarnya

P

P

P

P

n

n

n

n

Titik Embun. Selama gas yang jenuh secara parsial mendingin pada volume konstan, ataupun pada

tekanan total konstan, gas yang takdapat mengembun akhirnya menjadi jenuh dengan uap, dan uap

tersebut mulai mengembun. Suhu pengembunan dimulai pada titik embun (dew point)