Energy Balance

Material and Energy Balance

Lecture #4

Material balance Bala Ba lanc nce e = dep depos osit it – wi with thdr draw awal al For environmental process:  Accumulation = input – output

Material balance

Input

Output Process

Control volume

Contoh soal #1 Sebuah industri menggunakan bahan baku 50 kg/minggu. Bahan baku ini diolah dengan proses tertentu dan menghasilkan produk yang jumlahnya adalah 50% dari total bahan baku. Akumulasi di dalam proses 1 kg. Sisanya menjadi limbah. Bila 25% limbah tersebut direcycle sedangkan sisanya dibuang ke TPA, berapa jumlah limbah yang dibuang ke TPA setiap minggunya? Jawaban: 18 kg/minggu

Time as Factor  Rate of accumulation = rate of input – rate of  output Rate : unit per time In the calculus, the equation can be written as: dM/dt = d(in)/dt – d(out)/dt

Contoh soal #2 

Sebuah tangki dengan volume 0.350 m3 diisi dengan air sebanyak 1.32 L/menit. Pada bagian bawah tangki terdapat kran yang terbuka dengan debit 0.32 L/m. Berapa waktu yang dibutuhkan untuk mengisi tangki tersebut dan berapa banyak air yang terbuang pada saat tangki penuh?



Jawaban: 350 menit dan 112 L

Efficiency dM/dt = Cin.Qin – Cout.Qout dM/dt = Cin.Qin – Cout.Qout Cin.Qin η

Cin.Qin

= (mass in – mass out)(100%) mass in

Contoh soal #3 Sebuah alat pencegahan pencemaran udara (fabric filter) mempunyai 424 bag untuk mengumpulkan partikulat dari udara yang masuk. Konsentrasi partikulat yang mengalir  ke fabric filter adalah 15 g/m3. Aliran udara yang masuk dan keluar dari fabric filter  adalah 47 m3/s. Persyaratan partikulat yang boleh diemisikan adalah 24 mg/m3.  Hitung efisiensi fabric filter   Bila ada 1 bag yang harus dibersihkan maka udara di by pass dengan aliran 1/424 dari aliran awal. Hitung kembali efisiensi alat.  Jawaban: 99 84% dan 99 61%

The State of Mixing 

Completely mixed systems



Plug flow systems

Steady state conservative system 

Nothing is changing with time



The accumulation rate = 0



Conservative = no reaction occuring dM/dt = d(in)/dt – d(out)/dt d(in)/dt = d(out)/dt Input rate = output rate

Contoh soal #4 

Sebuah sungai mengalir dengan debit 10 m3/hari. Konsentrasi klorida dalam air sungai adalah 20 mg/l. Pada jarak tertentu, sebuah industri membuang limbah yang mengandung klorida dengan konsentrasi 40 mg/l dan debit 5 m3/hari. Hitung konsentrasi campuran.



Jawaban: 26.7 mg/l

Steady state with nonconservative pollutants 

Many environmental pollutants undergo chemical, biological or nuclear reactions



Decay of organic matter  dM/dt = d(in)/dt – d(out)/dt + r 

r: transformation rate + formation - decay

Steady state with nonconservative pollutants r = kCn r : transformation rate k : constant C : concentration n : reaction order 

For first order reaction: dC/dt = -kC ln (C/Co) = - kt C = Co e-kt r = -kCV

Contoh soal #5 

Sebuah danau dengan volume 10x106 m3 mendapat aliran dari 2 sumber. Sumber A dengan flow rate 5 m3/detik dan konsentrasi pencemar 10 mg/l. Sumber B dari saluran pembuangan limbah dometic dengan flow rate 0.5 m3/detik dan konsentrasi pencemar  100 mg/l. Koefisien reaksi adalah 0.20/hari. Hitung konsentrasi pada kondisi steady state.



Jawaban: 3.5 mg/l

Reactors 

Batch reactor  d(in)/dt = d(out)/dt = 0 dM/dt = -kCV



Completely mixed flow reactor (CMFR)



Plug-flow reactor 

Energy 

First law of thermodynamics Energy can neither be created nor  destroyed. Energy may change forms in any given process

Chemical energy

Æ

heat or electricity

Energy

In

Out System being studied Boundary

 Automobile engine Nuclear power plant  A smokestack

Energy Energy in = energy out + change in internal energy Internal energy: energy stored in the system Change in internal energy = mc ∆T c: specific heat of the substance

Contoh soal #6 

Sebuah pembangkit listrik menggunakan bahan bakar batu bara mempunyai efisiensi 33,3%. Daya keluaran dari pembangkit listrik tersebut adalah 1000MW. Sisanya (66,7%) terbuang dalam bentuk limbah panas. 15% dari limbah panas ini dialirkan melalui cerobong dan dibuang ke udara sedangkan sisanya (85%) didinginkan menggunakan air (cooling water) dan dibuang ke sungai yang mempunyai debit 100 m3/detik dan suhu 20oC. a. Jika suhu cooling water hanya boleh naik 10oC, berapa debit air yang diperlukan? b. Berapa temperatur air sungai sesaat setelah menerima cooling water?

Energy 

The second law of thermodynamics: “there will always be some waste heat; that is, it is impossible to devise a machine that can convert heat to work with 100% efficiency” Qh η=

W/Qh

Heat engine

Qc

W

References 

Chapter 3 Davis and Masten (2004) Principles of Environmental Engineering and Science, McGraw Hill