teknik kimia tanpa reaksi

Neraca Bahan Pada Neraca Bahan Pada Sistem Tanpa Reaksi Sistem Tanpa Reaksi (1)(1)

Azas Teknik Kimia

RTK 2219

Departemen Teknik Kimia USU

……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi

Sistem yang dibahas Sistem terbuka tunak Sistem terbuka: terdapat aliran material masuk dan keluar Tunak: tidak ada akumulasi massa pada rentang waktu yang diamati

Sistem tanpa reaksi merupakan sistem yang paling banyak ditemui pada pabrik kimia transportasi fisik, pemisahan, pencampuran


FORMULASI MASALAH NERACA BAHAN

Gambar 2.1 Pabrik Desalinasi Multi-tahap

Tahap 1 Tahap 2 Tahap 3 Tahap4

Kondensor

KondensorAir Laut

Air

Air Asin


Pabrik Air murni

Air asin pekat (garam, air)

Air payau (garam, air)

Gambar 2.2 Masukan/keluaran pada Pabrik Desalinasi

Penyederhanaan flowsheet ke dalam bentuk block diagram

Variabel-Variabel Neraca BahanTentukan batasan sistemIdentifikasi semua alur masuk dan keluarIdentifikasi semua senyawa yang terdapat pada setiap alur

Setiap alur dapat diidentifikasi melalui: Laju alir mol atau massaKomposisi (mol atau massa)



Berat Molekul (M) CO2 1(12,01115) + 2(15,9994) = 44,00995

Mol (gmol, kgmol) gram/(berat molekul) 100 gram CO2 mol CO2 = 100/44.00995 = 2.27221 gmol

Laju alir komponen j Nj [=] mol j per satuan waktu Fj [=] massa j per satuan waktu

Laju alir total

jj

jj

FF

NN

……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi Fraksi massa

Fraksi mol

Jika Mj berat molekul komponen j

1 j

jj

j wF

Fw

1 j

jj

j xN

Nx

S

jjj

S

jjj MwFMFwN

11

//

S

jjjjjjjj MwMwNMFwx

1

//)/(/)/(


Contoh 2.1: Aliran 100 kg/jam air payau mengandung 0,05 fraksi

massa garam (NaCl) dan 0,95 fraksi massa air. Jika Mgaram = 58,5 dan Mair =18. Tentukan laju molar garam dan air.

Penyelesaian: N = 0,05(100)/58.5 + 0,95(100)/18 = 5,363 kgmol/jam xgaram = [0,05(100)/58.5 ]/5,363 = 0,01594 xair = [0,95(100)/18]/5,363 = 0,98406 Ngaram = xgaramN = 0,0855 kgmol/jam Nair = xairN = 5,2778 kgmol/jam

Sebuah alur yang mempunyai S komponen dikatakan teridentifikasi secara lengkap jika terdapat informasi berupa: laju alir total dan S komposisi atau S laju alir komponen


S-1 yang diperlukan


Contoh 2.2: Tinjau kembali Gambar 2.2

Jumlah variabel alur bebas = 5 Tinjau kembali Contoh 2.1

Informasinya sudah mencukupi jika dinyatakan: Aliran 100 kg/jam air payau mengandung 5% garam dan sisanya air.

Informasinya tidak mencukupi jika dinyatakan: Air payau mengandung 5% garam dan 95% air. (tidak disebutkan laju alir totalnya)


Persamaan Neraca Bahan dan Sifat-SifatnyaPrinsip kekekalan massa dalam sistem terbuka tunak: massa dan jumlah molekul untuk setiap komponen adalah kekal, sehingga

Total massa atau molekul setiap komponen yang masuk sama dengan yang keluar

Dapat dibentuk persamaan-persamaan yang menghubungkan alur masuk dan keluar.

Himpunan persamaan itu menghubungkan variabel-variabel yang terlibat dalam setiap alur proses.

Dari himpunan persamaan tersebut dapat diselesaikan untuk memperoleh variabel yang tak diketahui, berasaskan pada sebahagian variabel yang telah diketahui.


Contoh 2.3: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.

PabrikAir murni

Air asin pekat

Air laut

FB

wBgaram = 0,07

FP = 1.000 lb/jam

FS

wSgaram = 0,035

BBH

SSH

ww

ww

garamO

garamO

1

1

2

2


Neraca Massa Total Total Massa Masuk = Total Massa Keluar FS = FP + FB

Neraca Massa Garam Total Garam Masuk = Total Garam Keluar

FSwsgaram = FBwB

garam

Neraca Massa Air Total Air Masuk = Total Air Keluar

FS(1-wsgaram) = FB(1-wB

garam) + FP


Jika diketahui: FP = 1.000 kg/jam wS

garam = 0,035

wBgaram = 0,07

Maka persamaan menjadi FS

= 1.000 + FB

FS(0,035) = FB(0,07) FS = (0,07/0,035)FB FS = 2FB

2FB = 1.000 + FB FB = 1.000 kg/jam FS = 2.000 kg/jam

……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi Persamaan Neraca Bebas

Sistem yang mempunyai S komponen S+1 persamaan neraca Konservasi komponen j di semua alur

Konservasi massa total

Seluruh persamaan konservasi komponen dijumlahkan:

keluranalur masukalur i

ij

i

i

ij

i wFwF

keluranalur masukalur i

i

i

i FF

111keluaranmasukan 1

S

j

iS

j

iiS

j

ii

jjjwwFwF

Di setiap alur

……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi Homogenitas dalam Persamaan Neraca

Persamaan neraca bersifat homogen dalam hal laju alir dari setiap alur yang terlibat Lihat Contoh 2.4

Memungkinkan untuk scale-up dan scale-down

Konsep Basis Konsekuensi dari sifat homogenitas Jika tidak ada satu pun alur yang diketahui laju

alirnya, maka dapat dimisalkan laju alir untuk sebarang alur sebagai basis perhitungan


Informasi Neraca BahanInformasi Neraca BahanMasalah pada neraca bahan biasanya melibatkan: Pemilihan sistem dengan alur masuk dan keluar, Variabel-variabel alur yang menggambarkan laju

alir dan komposisi di setiap alur, Sekumpulan persamaan neraca bahan dimana

terdapat setidaknya sejumlah S persamaan neraca bebas (S adalah jumlah total komponen yang terlibat pada semua alur),

Adanya basis yang dipilih untuk perhitungan.


Informasi Tambahan

Hubungan pembantu yang dapat digunakan untuk mengurangi variabel-variabel yang tak-diketahui. Hubungan itu adalah: Pemulihan fraksional Hubungan komposisi Rasio laju alir


Contoh 2.6 (Pemulihan fraksional):Umpan yang tersedia dengan laju 1.000 mol/jam

mengandung (semua dalam %-mol) 20% propana (C3) 30% isobutana (i-C4) 20% isopentana (i-C5) 30% normal pentana (C5)

akan dipisahkan menjadi dua fraksi dengan proses distilasi. Distilat mengandung semua propana yang diumpankan, 80% isopentana yang diumpankan, dan isobutana sebanyak 40%. Aliran bawah mengandung semua normal pentana umpan.

Hitunglah komposisi distilat dan aliran bawah.


Penyelesaian

Informasi independen adalah: Tiga komposisi umpan 20% C3, 30% i-C4, dan

20% i-C5.

Dua komposisi distilat 0% C5 dan 40% i-C4.

Satu komposisi aliran bawah 0% C3. Laju alir umpan 1.000 mol/jam

Neraca Total NM = ND + NB


Neraca Komponen Neraca C3

Neraca i-C4

Neraca i-C5

Neraca C5

Hubungan pembantu Pemulihan fraksional 80% i-C5 yang

diumpankan diperoleh di distilat

DC

DM xNN3

2,0 BB

CiDM NxNN

44,03,0

)1()4,01(2,0543

BC

BCi

BDC

DM xxNxNN

BC

BM xNN5

3,0

)4,01()2,0(8,03

DC

DM xNN


Hitung C3

Karena NM = 1.000 mol/jam, sehingga

)4,01()2,0(8,0

2,0

3

3

DC

DM

DC

DM

xNN

xNN

DC

DD

DC

D

xNN

xN

3

3

6,0160

200

DN6,0200160

6006,0

200160

DN

333,0600

2003

DCx

mol/jam

Dari neraca mol total NM = ND + NB 1.000 = 600 + NB NB = 400 mol/jam

Dari neraca i-C4

Dari neraca C5


15,0400

)600(4,0300

400)600(4,0300 4,03,0

4

44

BCi

BCi

BBCi

DM

x

xNxNN

75,0400

300

400300 3,0

5

45

BC

BCi

BBC

M

x

xNxN


Hubungan Komposisi Antar alur

Pengendapan

Contoh 2.7 (Hubungan Komposisi)Umpan bubur mengandung 10% padatan, 11% NaOH, 16% NaAlO2, dan sisanya air, dicuci dengan air pencuci yang mengandung 2% NaOH menghasilkan larutan bebas-padatan mengandung 95% air dan endapan lumpur mengandung 20% padatan. Berapa banyak NaAlO2 pada decanted solution (larutan hasil pencucian) jika laju umpan 1.000 lb/jam.

kj

ij Kxx

21padat

1

1 jj ww

w


Penyelesaian Peneracaan meliputi 4 alur dengan total 13

variabel alur: Empat pada setiap alur 2 dan 3, tiga untuk alur 4 dan dua untuk alur 1.

Massa total: F1 + F2 = F3 + F4

Padatan: 0,1F2 = 0,2 F3

Air: 0,63F2+ 0,98F1 = (0,8-w3NaOH - w3

NaAlO2)F3 + 0,95F4

NaOH: 0,11F2 + 0,02F1 = w3NaOHF3 + w4

NaOHF4

NaAlO2:

0,16F2 = w3NaAlO2F3 + (0,05 -w4

NaOH) F4


Hubungan pembantu

dan

Sigma fraksi massa

4NaOH

3NaOH

padatan bebaslarutan lb

NaOH lb

2,01w

w

4NaOH

4NaAlO

3NaAlO 05,0

2,01 2

2 www

8,03OH

3NaAlO

3NaOH 22

www

0,14OH

4NaAlO

4NaOH 22

www

S

jjw

1

NaOH dan NaAlO2 tidak teradsorpsi oleh padatan, sehingga konsentrasi di alur 3 = konsentrasi di alur 4

NaOH dan NaAlO2 tidak teradsorpsi oleh padatan, sehingga konsentrasi di alur 3 = konsentrasi di alur 4


Neraca Padatan 0,1F2 = 0,2F3

0,1(1.000) = 0,2F3 F3 = 100/0,2=500 lb/jam Jika hubungan pembantu dijumlahkan:

4NaOH

3NaOH8,0

1ww

05,0)(8,0

1 3NaAlO

3NaOH 2

ww

4NaOH

3NaAlO 05,0

8,0

12

ww

+04,0)( 3

NaAlO3NaOH 2

ww


Subtitusi ke Neraca Air 0,63F2+ 0,98F1 = (0,8 - w3

NaOH - w3NaAlO2)F3

+ 0,95F4

630 + 0,98F1 = [0,8 – (w3NaOH + w3

NaAlO2)]500 + 0,95F4

630 + 0,98F1 = (0,8 – 0,04)500 + 0,95F4

F1 = (0,95F4 - 250)/0,98 Neraca Massa total

F1 + F2 = F3 + F4

F1 + 1000 = 500 + F4 F4 = F1 + 500


Subtitusi neraca total ke neraca air F1 = [0,95(F1 + 500) – 250]/0,98 F1 = (0,95/0,98)F1 + (225/0,98) F1 = (225/0,98)/[1-(0,95/0,98)] = 7500 lb/jam F4 = F1 + 500 = 7500 + 500 = 8000 lb/jam

Neraca NaOH dan Hubungan pembantu 0,11F2 + 0,02F1 = w3

NaOHF3 + w4NaOHF4

110 + 150 =500 w3NaOH + 8000 w4

NaOH

260 = 500 w3NaOH + 8000(1/0,8) w3

NaOH

w3NaOH = (260/10500) = 0,02476


Subtitusi nilai w3NaOH ke Hubungan pembantu

w4NaOH = w3

NaOH/0,8 = 0,02476/0,8 =0,03095

w3NaAlO2 = 0,04 - 0,02476 = 0,01524

w4NaAlO2 = w3

NaAlO2/0,8 = 0,01524/0,8 = 0,01905

Jumlah NaAlO2 pada decanted solution

lb/jam 381,152800001905,044

NaAlO4

NaAlO 22 FwF

……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi Rasio Laju Alir

Contoh 2.8 (Rasio Laju Alir)Benzen dipisahkan dari suatu alur umpan yang mengandung 70% (massa) benzen dalam campuran parafin dan hidrokarbon naftan dengan menggunakan SO2. Bila 3 lb SO2 digunakan per 1 lb umpan, alur rafinat akan mengandung 1/6 (fraksi massa) SO2 dan sisanya benzen. Alur ekstrak mengandung seluruh material bukan benzen, SO2, dan sekitar ¼ lb benzen per 1 lb non-benzen. Berapa persentasi benzen yang diperoleh (lb benzen pada rafinat per lb benzen pada umpan)

rir

i

F

Fr

i

konstan

alur alir laju

alur alir laju


Penyelesaian Rasio laju F2/F1=3 Rasio massa benzen (B) dengan massa bukan-

benzen (NB) pada alur ekstrak:

25,03

3

33

33

NB

B

NB

B

w

w

wF

wF


Neraca Massa Total: F3 + F4 = F1 + F2

Neraca Benzen: F3w3B + 0,8333F4 = 0,7F1

Neraca Non-benzen: F3w3NB = 0,3F1

Neraca SO2: F3(1-w3B-w3

NB) + 0,1667F4 = F2


Basis: F1 = 1.000 lb/jam Rasio laju

F2/F1 = 3 F2 = 3 F1 = 3(1.000) = 3.000 lb/jam Neraca Non-benzen

F3w3NB = 0,3F1 = 300

Rasio komposisi ekstrak F3w3

B = 0,25 F3w3NB = 0,25(300) = 75

Neraca Benzen F3w3

B + 0,8333F4 = 0,7F1 75 + 0,8333F4 = 700 F4 = 750 lb/jam


Dari Neraca total F3 = F1 + F2 - F4

= 1000 + 3000 – 750 = 3250 lb/jam w3

B = 75/3250 = 0,0231

w3NB = (300/3250) = 0,09231

Persen Perolehan Benzen

%3,89100700

625%100

umpan dibenzen lb

rafinat dibenzen lb

44FwB

11 FwB

teknik kimia tanpa reaksi

Documents