tl 2104 pengantartekniklingkungan prodi...

TL 2104 PENGANTAR TEKNIK LINGKUNGAN

TL 2104 PTL

Prodi Teknik Lingkungan

Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan

Institut Teknologi Bandung

Pendahuluan

• Tugas seorang Environmental Engineer:• Desain unit-unit pengolahan

• Supervisi keberlangsungan suatu operasi unit proses

• Modifikasi/redesain unit proses apabila terjadi perubahan input atauoutput yang diinginkan

TL 2104 PTL

• Konsekuensi tugas tsb:Mengetahui dan memahami jumlah, komposisi (karakteristik) dan kondisi

material yg masuk dan keluar kualitas dan kuantitas

Pemahaman karakteristik fisik dan kimia fluida yang diolah: masa danvolume, laju aliran, neraca massa, dll

Proses dan Variabel Proses - 1

• Massa dan Volume:• Kerapatan (density) suatu bahan/zat: massa

per satuan volume (kg/m3, gr/cm3)

• Untuk konversi, misal: kerapatan CCl4 adalah1,595 gr/cm3 sehingga massa 20 cm3 CCl4

TL 2104 PTL

1,595 gr/cm sehingga massa 20 cm CCl4

adalah 20 x 1,595 = 31,9 gr

• Volume spesifik suatu bahan: volume per satuan massa

• Kerapatan relatif: referensi standard (tdkdipengaruhi tekanan atau temperatur)


• Massa dan Volume:• Specifik gravity (SG) suatu bahan adalah perbandingan

kerapatan bahan tsb dgn kerapatan bahan referensi refpada suatu kondisi spesifik:

SG = /ref

• Referensi yang umum digunakan adalah air (water) pada

TL 2104 PTL

• Referensi yang umum digunakan adalah air (water) pada

temperatur 40C yaitu: ref (H2O, 40C) = 1 g/cm3 = 1 g/ml = 1 kg/liter = 1000 kg/m3 = 62,43 lb/ft3

• Contoh: suatu benda memiliki berat 2 kg dalam 1 liter, artinya memiliki spesific gravity 2.

Contoh Specific Gravity

• Air 1

• Ethanol 0,78

• Garam dapur 2,17

• Aluminium 2,7

Besi 7,87

TL 2104 PTL

• Besi 7,87

• Tembaga 8,96

• Mercury 13,56

• Emas 19,3

• Osmium 22,59


• Contoh: SG Hg pd 200C = 13,546berapa volume 215 kg Hg?

• Hg = (13,546)(1 g/cm3) = 13,546 g/cm3

= 13,546 kg/dm3 = 13,546 kg/liter.

TL 2104 PTL

= 13,546 kg/dm3 = 13,546 kg/liter.

• Volume 215 kg Hg = (215 kg/13,546) = 15,87dm3 = 15,87 liter


• Flow rate (debit)/laju aliran:

• Proses kontinu melibatkan pergerakan bahan dari suatu titik ke titik lainnya (transportasi). Kecepatan bahan ditransportasikan melalui suatu garis proses: flow rate

• Ekspresi flow rate: massa (massa/waktu) atau volume (volume/waktu)

m (kg/dtk)

TL 2104 PTL

• Flow rate suatu fluida harus diketahui dalam suatu aliran proses untuk perhitungan dan perancangan unit proses.

• Flow rate volume untuk keperluan praktis lebih mudah karena dapat diukur secara cepat dengan menggunakan alat-alat tertentu

m (kg/dtk)

V (m3/dtk)


• Komposisi Kimiawi:

• Mol dan Berat Molekul

• Masa dan Fraksi Mol

• Konsentrasi

• Tekanan

TL 2104 PTL

• Temperatur

• Pengaruh tekanan dan temperatur terhadap karakteristik fisik suatu fluida

Neraca Massa - 1

• Hukum Kekekalan Massa: massa tidak dapat diciptakan/dibuat dan tidakdapat dihancurkan/dimusnahkan, sehingga dalam suatu proses:

Total massa input = total massa output

• 150 kg sulfur dalam batu bara dibakar dalam suatu boiler di power plant maka jumlah sulfur yang terkandung dalam bottom dan fly ash serta gas yang dialirkan melalui cerobong adalah 150 kg.

TL 2104 PTL

yang dialirkan melalui cerobong adalah 150 kg.

• Desain atau analisis suatu unit proses harus dilengkapi denganperhitungan neraca massa

• Berkaitan dengan jumlah massa yang akan diolah, jumlah massa dioutput sebagai produk utama dan sampingan serta jumlah massa yang terakumulasi dalam proses

Neraca Massa - 2

• Klasifikasi Proses:

• Batch: tidak ada masukan maupun keluaran selama proses

• Kontinu

• Semi batch

• Variabel proses (T, P, V, Q, dll) tidak berubah dengan waktu (relatif konstan): Kondisi Tunak (steady state)

TL 2104 PTL

konstan): Kondisi Tunak (steady state)

• Variabel proses berubah dengan waktu: kondisi transien atau tidak tunak

• Proses batch atau semi batch: transien, sedang proses kontinu dapat kondisi tunak maupun transien.

• Proses batch digunakan dilakukan untuk produksi jumlah kecil atau proses tunggal (pencemar spesifik) sedangkan proses kontinu untuk jumlah besar dan diupayakan kondisi tunak.

Persamaan Umum Neraca Massa

Input + Produksi – output – konsumsi = akumulasi• Input = jumlah massa masuk ke dalam sistem

• Produksi = jumlah massa dihasilkan dalam sistem

• Output = jumlah massa meninggalkan sistem

• Konsumsi = jumlah massa dipakai dalam sistem

• Akumulasi = tersusun dalam sistem

TL 2104 PTL

• Contoh: setiap tahun 50000 org pindah ke kota dan 75000 org keluar kota. Pada periode waktu yang sama, 22000 org lahir dan 19000 org mati. Maka neraca penduduk kota tersebut adalah:

50000 + 22000 – 75000 – 19000 = akumulasi (A)

A = - 22000, artinya kota tersebut setiap tahun berkurang 22000 orang

Macam Neraca Massa

• Neraca diferensial:

• neraca yang menunjukkan perubahan yang terjadi dalam suatu periode waktu tertentu.

• Setiap bagian dari persamaan neraca merupakan suatu harga laju (laju pertumbuhan, laju masukan, laju pembentukan, dll) dgn satuan kuantitas per waktu (org/tahun, gr/dtk, m3/dtk, dll).

TL 2104 PTL

• Biasanya digunakan dalam proses kontinu

• Neraca Integral:

• Menunjukkan perubahan sesaat yang terjadi antara dua waktu.

• Setiap bagian dari neraca merupakan jumlah kuantitas neraca (orang, gram, m3, dsb)

• Biasanya digunakan dalam proses batch/curah dgn dua waktu sesaat: saat memberikan umpan/masukan dan saat sebelum produk dikeluarkan

Paul Ashall, 2008

Contoh – batch mixing process

200 kg larutan methanol (40%) dicampur dengan 100 kg larutan methanol (70%) dalam sebuah bejana pencampur.

Berapa kuantitas dan komposisi akhir?

200 kg of a 40% w/w methanol/water solution is mixed with 100 kg of a 70% w/w methanol/water solution in a batch mixer unit.

What is the final quantity and composition?

Paul Ashall, 2008

continued

Total initial mass = total final mass = 300 kg

Initial methanol mass = final methanol mass

= (200 kg x 40%) + (100 kg x 70%)

= 80 + 70 = final methanol mass = 150 kg= 80 + 70 = final methanol mass = 150 kg

Therefore final composition of batch is (150/300) x 100 = 50 % by weight.

CHBI 201 15

STEADY-STATE (TUNAK)

Steady-State (Tunak) Tidak ada perubahan terhadap waktu

akumulasi = 0

500 kg H2O

100 kg/mnt 100 kg/mntH2O

Rate of addition = Rate of removal

Unsteady-State (transient system) {Input} ≠ {Output}

H2O100 kg/mntH2O

100 kg/mntH2O

CHBI 201 16

JENIS PROSES

Proses Batch Memasukkan hanya diawal proses

Proses Kontinyu Aliran masukan dan keluaran terus-menerus terjadi

selama proses berlangsungselama proses berlangsung

Proses Semibatch Setiap proses diluar batch dan kontinyu

Neraca Massa Proses Kontinu yang Tunak

• Persamaan umum:

Masukan + pembentukan = keluaran + pemakaian

(Input) (produksi) (ouput) (konsumsi)

• Akumulasi = 0 krn jumlah massa dalam sistem tidak berubah denganwaktu

• Contoh:

1000 kg/jam suatu campuran mengandung 50% benzene (B) dan 50% toluene

TL 2104 PTL

1000 kg/jam suatu campuran mengandung 50% benzene (B) dan 50% toluene (T) yang akan dipisahkan dengan cara destilasi pada kondisi tunak menjadi 2 fraksi. Laju aliran B pd bagian atas adalah 450 kg B/jam dan laju aliran T pd bagian bawah adalah 475 kg T/jam. Tuliskan neraca massanya.

• Jawab:

Pd kondisi tunak: akumulasi = 0. Tidak ada reaksi kimia, sehingga produksi = konsumsi = 0. Sehingga neraca massanya:

Input = Output

CHBI 201 18

Balances on Continuous Steady-state Processes

Input + Generation = Output + Consumption

If the balance is on a nonreactive species, the generation and consumption will be 0.

Thus, Input = Output

ExampleInput of 1000 kg/h of benzene+toluene containing 50% B by mass is separated

Distillation

1000 kg /h

Benzene + Toluene

%50 Benzene by mass 475 kg Toluene/h

M2 kg Benzene/h

m1 kg Toluene/h

450 kg Benzene/h

Input of 1000 kg/h of benzene+toluene containing 50% B by mass is separated by distillation column into two fractions. B: the mass flow rate of top stream=450 kg/hT: the mass flow rate of bottom stream=475 kg/h

CHBI 201 19

Solution of the example Input = Output

Benzene balance

1000 kg/h · 0.5 = 450 kg/h + m2

m2 = 50 kg/h Benzene

Balances on Continuous Steady-state Processes

.

.m2 = 50 kg/h Benzene

Toluene balance

1000 kg/h · 0.5 = 475 kg/h + m1

m1 = 25 kg/h Toluene

.

..

Neraca Integral Proses Batch

• Pada proses bacth tidak ada massa yg masuk dan keluar meninggalkan reaktorselama proses, sehingga persamaan umum:

pembentukan = akumulasi

• Massa yg terakumulasi = keluaran akhir – masukan awal= pembentukan – konsumsi

• Sehingga:Masukan awal + pembentukan = keluaran akhir + konsumsi

TL 2104 PTL

Masukan awal + pembentukan = keluaran akhir + konsumsi

• Contoh:2 campuran methanol-air terdapat dalam wadah yg terpisah. Campuran 1: 40%(berat)

methanol dan campuran 2: 70% (berat). Jika 200 gr campuran 1 dicampur dengan150 gr campuran 2, brp massa dan komposisi produk

• Jawab: • tdk ada reaksi, sehingga input = output

• Neraca massa total = 350 gr

• Neraca Methanol = 200 (0,4) + 150 (0,7) = 185 = 350 x 53% = massa total x %methanol

• Neraca Air = 200 (0,6) + 150 (0,3) = 165 = 350 x 47% = massa total x (1- %output methanol)

Neraca Integral dalam Semi Batch

• Persamaan neraca diferensial dalam sistem jika diintegrasikan diantara 2 waktu sesaat dapat diperoleh dengan persamaan necara integral.

• Contoh:

Udara dihembuskan ke dalam suatu tangki cairan hexan dengan laju aliransebesar 0,100 k mol/menit. Aliran gas yg meninggalkan tangki mengandung 10 mol % uap hexan. Dengan asumsi udara tidak larut dalam dalam hexan,

TL 2104 PTL

10 mol % uap hexan. Dengan asumsi udara tidak larut dalam dalam hexan, gunakanlah neraca integral untuk memperkirakan waktu yang diperlukan untuk menguapkan 10 m3 hexan.

• Jawab:

Neraca diferensial udara: input = output

Neraca hexan: akumulasi = - output

akumulasi = -10 (0,659 x 1000) (1 k mol/86 kg) = -76,45 kmol

= 0,1 Q dt = 0,1 Q tt

tl 2104 pengantartekniklingkungan prodi...

Documents