Neraca Massa

NERACA MASSA A. Pendahuluan Desain suatu proses dimulai dengan pengembangan dari diagram alir proses. Untuk pengembangan diagram alir proses, perhitungan neraca massa sangat dibutuhkan. Neraca massa ini mengikuti hukum kekekalan massa atau the law of conservation of mass, bahwa massa sebenarnya tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan begitu saja,. Artinya total massa tidak akan berubah selama proses. Dari hukum kekekalan massa dapat dituliskan persamaan neraca massa suatu proses:

Massa masuk dalam suatu proses

=

Massa keluar dari suatu proses

=

Output

+

Massa terakumulasi

(1)

+ atau: Input

+

Accumulation

(2)

Jika akumulasi nol, misalnya untuk proses yang steady state, persamaan neraca massa menjadi: Input

= Output

(3)

Neraca yang biasa dipakai adalah: •

Neraca massa total

•

Neraca komponen

•

Neraca atom

B. Metode Analisis Neraca Massa Strategi analisis neraca massa yaitu, pertama, bagaimana persamaannya, dan kedua, bagaimana cara menyelesaikannya. Untuk beberapa tipe problem metode pendekatan relatif lebih mudah, tetapi untuk problem yang lainnya mungkin menjadi lebih sulit. Pada dasarnya untuk menyelesaikan problem destilasi, kristalisasi, evaporasi, pembakaran, pencampuran, absorpsi gas, atau pengeringan tidak berbeda satu sama lainnya, tetapi harus dilihat sudut pandang bagaimana proses penyelesaian problem tersebut. 1

Pada analisis neraca massa pertama-tama kita harus menentukan berapa banyak persamaan neraca massa yang bisa ditulis, apakah melibatkan reaksi kimia atau tidak, dan buat batasan sistem neraca massa tersebut. Jumlah persamaan tak bebas dengan jumlah variabel yang tidak diketahui harus sama.

W=?

Komposisi: 50% EtOH 40% H2O 10% MeOH

F =100 kg

Komposisi: EtOH ? H2O ? MeOH ? P = 60 kg

Komposisi: 80% EtOH 5% H2O 15% MeOH

Batasan sistem Gambar 1 Skema proses destilasi etanol, komposisi tidak lengkap Sumber: Himmelblau 1992, hal.118 Dari ilustrasi pada gambar 1 bisa dibuat persamaan neraca massa dari ketiga komponen yang terlibat dalam batasan sistem. Dengan asumsi prosesnya steady state, maka persamaan (3) kita gunakan. Misal digunakan ϖ sebagai simbol fraksi massa komponen dalam aliran F, W, dan P, maka setiap persamaan mempunyai bentuk: ϖI,F F = ϖI,P P + ϖI,W W Neraca massa komponen: masuk

keluar

EtOH:

(0,50)(100)

= (0,80)(60)

+ ϖEtOH,W(W)

(4a)

H2O:

(0,40)(100)

= (0,05)(60)

+ ϖH2O,W(W)

(4b)

MeOH:

(0,10)(100)

= (0,15)(60)

+ ϖMeOH,W(W)

(4c)

2

Neraca massa total: masuk

keluar

Total: (1,00)(100) = (1,00)(60) + ϖEtOH,W(W) + ϖH2O,W(W) + ϖMeOH,W(W) (4d) Jumlah fraksi untuk setiap aliran sama dengan satu: ϖEtOH,W + ϖH2O,W + ϖMeOH,W = 1 (5) Ada empat persamaan tak bebas yaitu persamaan (4a), (4b), (4c), dan (5). Variabel yang tidak diketahui ada empat yaitu W, ϖEtOH,W , ϖH2O,W, dan ϖMeOH,W. Problem ini secara spesifikasi bisa diselesaikan karena jumlah persamaan tak bebas sama dengan jumlah variabel yang tidak diketahui. Caranya substitusi persamaan (5) ke persamaan (4d), maka W bisa dihitung. Selanjutnya masukkan nilai W ke dalam persamaan (4a), (4b), dan (4c), maka akan diperoleh nilai ϖEtOH,W , ϖH2O,W, dan ϖMeOH,W Ilustrasi pada gambar 2, ada berapa persamaan neraca massa komponen dapat dibuat? Jawabannya adalah tiga, yaitu: 50 = 0,80P + 0,05W 40 = 0,05P + 0,925W 10 = 0,15P + 0,025W Jumlah variabel yang tidak diketahui dua yaitu P dan W. Jelas problem ini overspecified dan tidak mempunyai keunikan, sehingga perlu dikurangi satu persamaan. Komposisi: 5.0% EtOH 92,5% H2O W=? 2,50% MeOH Komposisi: 50% EtOH 40% H2O 10% MeOH

F = 100 kg

P=?

Komposisi: 80% EtOH 5% H2O 15% MeOH

Batasan sistem Gambar 2 Skema proses destilasi etanol, komposisi lengkap Sumber: Himmelblau 1992, hal.119

3

F=16lb

P=?

CH4=100% Batasan sistem Udara = 300lb

%mol O2 21% (64lb) N2 79% (210lb)

CO2 = ? N2 = ? H2O = ? O2 = ?

Gambar 3. Skema proses pembakaran metana Sumber: Himmelblau 1992, hal.120 Dari gambar 7.3 terlihat jumlah variabel yang tidak diketahui nilainya ada empat yaitu nCO2, nN2, nH2O, dan nO2, dengan n jumlah mol setiap komponen di P, sehingga: P = nCO2 + nN2 + nH2O + nO2

(6a)

Neraca komponen dengan basis 16 lb CH4 = 1 lb mol : 300 lb udara 1 lb mol udara  = 10,35 lb mol udara Neraca C: H2

29 lb udara CH4 masuk udara masuk 1 2

P keluar = nCO2

(6b)

= nH2O

(6c)

O2

10,35(0,21) = 2,17 = 0,5 nCO2 + nH2O + nO2

N2

10,35(0,79) = 8,17 = nN2

(6d) (6e)

Persamaan reaksi kimia: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O Dengan mengasumsi reaksi pembakaran sempurna, maka nCO2 = 1 dan nH2O = 2, persamaan neraca komponen menjadi: C: 1(1,0) H2: 1(2,0) O2: 2,17 N2 8,17 xCO2 + xH2O + xO2 + xN2

= P(xCO2) = P(xH2O)

(7a) (7b)

= P(0,5xCO2 + xH2O + xO2) = P(xN2) =1

(7c) (7d) (7e)

4

Untuk menyelesaikan problem ini, anda bandingkan antara persamaan (6a) dan (7e) dan apakah bila persamaan (7e) dikalikan dengan P menjadikan PxI =nI? Silahkan dicoba!.

C. Neraca Massa tanpa Reaksi Kimia Ada tiga cara yang umum digunakan dalam penyelesaian problem neraca massa tanpa reaksi kimia. (i) Tie material, yaitu material yang selama proses tidak berubah jumlahnya. Contoh: dalam proses pemekatan larutan dengan evaporasi, padatan terlarut jumlahnya tidak berubah selama proses. (ii) Inert, yaitu komponen atau bahan yang tidak ikut ambil bagian dalam operasi. Contoh: proses leaching Cu dari bijih logam tidak dipengaruhi oleh zat pengotor, zat pengotor ini sebagai zat inert. Dalam proses pembakaran N2 merupakan inert. (iii) Persamaan simultan. Biasanya ada dua atau lebih komponen yang ada dalam sistem dan jika semua komponen berpengaruh secara simultan maka persamaan neraca massa dapat diselesaikan dengan persamaan simultan. Contoh 1: Drying Pulp basah dengan kandungan air 71%, setelah dilakukan proses pengeringan dengan dryer diperoleh 60% air yang ada diuapkan. Hitunglah: (a) komposisi pulp kering (b) massa air yang diuapkan per kilogram pulp basah Penyelesaian: Asumsi proses steady state W (H2O 100%) pulp basah:

- pulp = 29% - H2O = 71%

F

D

Dryer

pulp kering:

- pulp = ? xP,D - H2O = ? xH2O,P

batasan sistem Basis: 1 kg pulp basah 5

H2O yang teruapkan = W = (0,6)(0,71) kg = 0,426 kg Perlu diingat bahwa: xP,D + xH2O,P = 1 mp,D + mH2O,D = D Neraca massa komponen dan neraca massa total Neraca

F

0,29

=

0

+

H2O

0,71

=

0,426 +

=

0,426 +

Pulp

Total 1

W

D mp,D mH2O,D

D

Dengan neraca komponen H2O, mH2O dapat dihitung, 0,71

= 0,426 + mH2O

mH2O

= 0,71 – 0,426 = 0,284 kg

a) Komposisi pulp kering: komponen Pulp H2O total

Berat, kg 0,29 0,284 0,574

Komposisi, % 50,5 49,5 100,0

b) Massa air yang diuapkan per kg pulp basah = 0,426 kg Contoh 2: Mixing Suatu tangki berisi asam baterai (air aki) lemah mengandung 12,43% H2SO4. Jika 200 kg larutan 77,77% H2SO4 ditambahkan ke dalam tangki tersebut akan dihasilkan larutan 18,63% H2SO4. Berapa kg asam baterai yang dihasilkan? Penyelesaian: Asam yang ditambahkan 200 kg (A) H2SO4 77,77% H2O 22,3%

H2SO4 12,43% H2O 87,57% Larutan awal (F)

H2SO4 18,63% H2O 81,37% larutan akhir (P)

Basis: 200 kg A

6

Neraca massa komponen dan neraca massa total dalam kg: Neraca

Akumulasi dalam tangki Akhir

A

Awal

H2SO4

P(0,1863) - F(0,1243)

=

200(0,7777)

H2O

P(0,8137) -

F(0,8757)

=

200(0,2223)

F

=

Total

P

-

200

Dari persamaan neraca massa total diperoleh F = P – 200 Persamaan F ini disubstitusi ke persamaan neraca komponen, maka P bisa dihitung. P(0,1863) – (P-200)(0,1243) = 200(0,7777)

P = 2107,74 kg F = 1907,74 kg Contoh 3: Kristalisasi Suatu tangki berisi 10.000 kg larutanjenuh NaHCO3 pada 60oC. Jika diinginkan 500 kg kristal NaHCO3 dari larutan tersebut, pada suhu berapa larutan harus didinginkan? Data kelarutan: Suhu (oC)

Kelarutan (g NaHCO3/100 g H2O)

60

16,4

50

14,45

40

12,7

30

11,1

20

9,6

10

8,15

Penyelesaian: Larutan jenuh pada 60oC

F

Larutan jenuh pada T?

NaHCO3

NaHCO3

H2O

H2O

NaHCO3

P

500 kg kristal (100% NaHCO3) 7

Komposisi larutan jenuh NaHCO3 pada suhu 60oC: NaHCO3 =

16,4  = 16,4 + 100

0,141

H2O

1 - 0,141

0,859

=

=

Basis: 10.000 kg larutan jenuh NaHCO3 pada suhu 60oC Neraca massa komponen dan neraca massa total dalam kg: Akumulasi dalam tangki

Neraca

Akhir (P)

NaHCO3

xNaHCO3P

H2O

xH2OP

Total

P

-

Awal (F)

C

- (0,141)(10.000)

= 500

- (0,859)(10.000)

=

0

=

500

10.000

Dari persamaan neraca total diperoleh P = 9500 kg Substitusi nilai P ke dalam persamaan neraca komponen NaHCO3 akan diperoleh nilai xNaHCO3 = 0,096 Misal NaHCO3 dalam P = y gram, maka: yg ( y +100) g = 10,6 g

0,096 = y

Dengan cara interpolasi data kelarutan antara suhu 20 dan 30oC akan diperoleh T 10,6 −11,1 T (°C ) = (20 −30 ) +30 =26,7°C 9,6 −11,1

D. Neraca Massa dengan Reaksi Kimia Dalam reaktor-reaktor industri hampir tidak pernah menggunakan bahan yang stoikhiometris. Untuk mencapai reaksi yang sesuai dengan yang diinginkan biasanya menggunakan bahan atau pereaksi berlebih.

8

a. Pereaksi terbatas: Pereaksi terbatas adalah pereaksi yang jumlahnya paling sedikit menurut stoikhiometri. Contoh: reaksi antara 1 mol C7H16 dengan 12 mol O2 Reaksi yang terjadi: C7H16 + 11 mol O2 → 7 CO2 + 8 H2O Perbandingan dalam umpan dalam persamaan kimia O2  = C7H16 C2H16 merupakan perekasi terbatas

12  = 12 1

>

11  = 11 1

Contoh lain: 1,1 mol A, 3,2 mol B, dan 2,4 mol C direaksikan dalm suatu reaktor A + 3 B + 2 C → produk

B  A

=

Perbandingan dalam umpan dalam persamaan kimia 3,2 3  = 2,91 <  = 3 1,1 1

C 2,4 2  =  = 2,18 >  = 2 A 1, 1 B merupakan pereaksi terbatas relatif terhadap A dan A merupakan pereaksi terbatas relatif terhadap C, sehingga B adalah pereaksi terbatas pada reaksi tersebut. Jika ditulis dengan simbol: B < A, A < C, sehingga B < A < C. b. Pereaksi berlebih: Pereaksi berlebih adalah pereaksi yang jumlahnya lebih dari pereaksi terbatas menurut stoikhiometri. kelebihan mol % kelebihan =  x 100 9

mol yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan pereaksi terbatas c. Konversi reaksi: Konversi reaksi adalah fraksi umpan atau komponen dalam umpan yang terkonversi menjadi produk.

mol komponen yang bereaksi % konversi =  x 100 mol komponen yang tersedia Penyelesaian neraca massa yang melibatkan reaksi kimia menggunakan penyelesaian persamaan simultan.

Problem yang melibatkan reaksi pembakaran, ada beberapa istilah yang umum: a. Gas hasil pembakaran (flue gas atau stack gas) yaitu semua gas hasil dari pembakaran termasuk uap air, dikenal dengan “basis basah” atau wet basis. b. Analisis orsat yang dikenal dengan “basis kering” atau dry basis yaitu semua gas hasil dari pembakaran tidak termasuk uap air. CO2 CO O2 Basis basah

N2

Basis kering bebas SO2

Basis kering

SO2 H2O c. Udara teoritis (oksigen teoritis) yaitu jumlah udara (oksigen) yang dibutuhkan untuk reaksi pembakaran sempurna. d. Kelebihan udara (oksigen) yaitu kelebihan jumlah udara (oksigen) dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna. Perhitungan jumlah kelebihan udara tidak tergantung pada berapa banyak bahan yang terbakar tetapi apa yang dibakar, misalnya C dibakar sempurna akan menjadi CO2, tetapi jika reaksi pembakarannya tidak sempurna akan menjadi CO2 dan CO.

10

Kelebihan udara (oksigen) bisa dihitung dengan rumus: kelebihan udara kelebihaan O2 /0,21 % kelebihan udara =  x 100 =  x 100 kebutuhan udara kebutuhan O2 /0,21 Atau O2 masuk proses – kebutuhan O2 % kelebihan udara =  x 100 kebutuhan O2

kelebihan O2 % kelebihan udara =  x 100 O2 masuk - kebutuhan O2 O2 masuk proses = kebutuhan O2 untuk pembakaran sempurna + kelebihan O2 Contoh 4: Kelebihaan udara Propana (C3H8) sebanyak 20 lb dibakar dengan 400 lb udara untuk menghasilkan 44 lb CO2 dan 12 lb CO. Berapa % kelebihan udara? Penyelesaian: Reaksi:

C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O Basis: 20 lb C3H8 Kebutuhan O2: 20 lb C3H8 1 lb mol C3H8 5 lb mol O2  = 2,27 lb mol O2 44 lb C3H8 1 lb mol C3H8 O2 masuk: 400 lb udara 1 lb mol udara 21 lb mol O2  = 2,90 lb mol O2 29 lb udara 100 lb mol udara Persen kelebihan udara:

O2 masuk proses – kebutuhan O2 % kelebihan udara =  x 100 kebutuhan O2

11

2,90 lb mol O2 – 2,27 lb mol O2 =  x 100 = 28% 2,27 lb mol O2 Contoh 5: Proses pembakaran gas alam (100% CH4) dalam furnace menggunakan udara berlebih 130%. Bagaimana komposisi gas hasil pembakaran pada basis basah dan basis kering? Penyelesaian: Udara berlebih 130%, berarti udara yang digunakan lebih 130% dari yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna atau udara yang digunakan 230%. Reaksi yang terjadi: CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O

Gas hasil pembakaran:

furnace

CH4 100%

CO2 H2O O2 N2

Udara (21%O2, 79%N2) 130% berlebih Basis: 1 mol CH4 Asumsi: reaksi pembakaran berjalan sempurna. Kebutuhan O2: 2 x 1mol = 2 mol O2 dari udara = O2 masuk: (1,00 + 1,30) x 2 mol = 4,6 mol Neraca elemen disusun sebagai berikut: Neraca C: H2:

Input CH4 1 2

Udara

Output Gas hasil pembakaran nCO2 nCO2

12

O2:

4,60

nO + nCO2+ nH2O

N2: 17,32 nN2 nCO2, nH2O, dan nN2 dapat dihitung secara langsung, nO dihitung dengan neraca O2. Neraca C:

1mol C in 1 mol CO2 out  = 1 mol CO2 out 1 mol CH4 in 1 mol C out

Neraca H2:

2 mol H2 in 1 mol H2O out  = 1 mol H2O out 1 mol CH4 in 2 mol H2 out

Neraca N2:

4,6 mol O2 in 0,79 mol N2  = 17,32 mol N2 out 0,21 mol O2

Neraca O2:

nO2 = 4,6 – 1 – 1 = 2,6 mol O2 out.

Komposisi gas hasil pembakaran basis basah: Komponen CO2 H2O

mol 1

% 4,4

2

8,7

O2

2,6

11,3

N2

17,32

75,6

total

22,92

100,0

Komposisi gas hasil pembakaran basis kering: Komponen CO2

mol 1

% 4,8

O2

2,6

12,4

N2

17,32

82,8

total

20,92

100,0

Contoh 6: Etana awalnya dicampur dengan oksigen untuk menghasilkan gas dengan komposisi 80% C2H6 dan 20% O2 yang akan dibakar dalam mesin pembakaran dengan udara berlebih 200%. Delapan puluh persen etana menjadi CO2, 10% CO, dan 10% tidak terbakar. Hitunglah komposisi gas hasil pembakaran pada basis basah!.

13

Penyelesaian: Bahan bakar gas: 80% C2H6 20% O2

Mesin Pembakaran

Udara 200% berlebih

Gas hasil pembakaran: CO2 CO C2H6 O2 N2 H2O

Basis: 100 lb mol bahan bakar gas Reaksi: C2H6 + 7/2O2 → 2CO2 + 3H2O C + 5/2 O2 → 2CO + 3H2O O2 untuk pembakaran sempurna: 80 lb mol C2H6 3,5 lb mol O2  = 280 lb mol O2 1 lb mol C2H6 Kebutuhan O2: (280 – 20) lb mol = 260 lb mol O2 masuk dalam udara: 3(260 lb mol) = 780 lb mol O2 total masuk proses: (780 + 20) lb mol = 800 lb mol N2 masuk dalam udara: 780 lb mol O2 79 lb mol N2  = 2934 lb mol N2 21 lb mol O2 Komponen yang dihasilkan dalaam sistem: 80 lb mol C2H6 2 lb mol CO2 0,8   = 128 lb mol CO2 1 lb mol C2H6

14

80 lb mol C2H6 3 lb mol H2O 0,8   = 192 lb mol H2O 1 lb mol C2H6 80 lb mol C2H6 2 lb mol CO 0,1   = 16 lb mol CO 1 lb mol C2H6 80 lb mol C2H6 3 lb mol H2O 0,1   = 24 lb mol H2O 1 lb mol C2H6 untuk menghitung O2 sisa dalam gas hasil pembakaran, kita harus menghitung O 2 yang bereaksi: 80 lb mol C2H6 3,5 lb mol O2 0,8   = 224 lb mol O2 (CO2 dan H2O) 1 lb mol C2H6 80 lb mol C2H6 2,5 lb mol O2 0,1   = 20 lb mol O2 (dalam CO) 1 lb mol C2H6 O2 yang bereaksi = (224 + 20) lb mol = 244 lb mol Dengan neraca O2 kita akan mendapatkan: O2 sisa = (800 – 244) lb mol = 556 lb mol O2 H2O yang terbentuk: 192 lb mol + 24 lb mol = 216 lb mol H2O C2H6 sisa = C2H6 yang tidak terbakar: 0.1 x 80 lb mol = 8 lb mol

15

Neraca komponen: lb mol udara

Komponen

Bahan bakar

C2H6

80

-

O2

20

N2

Gas hasil pembakaran

% dalam gas hasil pembakaran

8

0,21

780

556

14,41

-

2934

2934

76,05

CO2

-

-

128

3,32

CO

-

-

16

0,41

H2O

-

-

216

5,60

total

100

3714

3858

100,00

Contoh 7: Sulfur murni dibakar pada laju alir 1000 kg/jam. Udara disuplai pada 30 oC dan

755

mm Hg. Gas keluar burner pada 800oC dan 760 mm Hg mengandung 16,5% SO2, 3% O2, dan sisanya N2 dalaam basis bebas SO3. Hitunglah: a. fraksi sulfur terbakar menjadi SO3 b.

persen kelebihan udara

c.

volume udara (m3/jam)

d.

volume gas hasil pembakaran

Penyelesaian: Sulfur: 1000 kg/jam

Burner

Udara 30 C, 755 mm Hg o

Gas hasil pembakaran: (800oC, 760 mm Hg 16,5% SO2 basis 3,0% O2 bebas 80,5 % N2 SO3 SO3

Basis: 100 kg mol gas hasil pembakaran basis bebas SO3 16

Reaksi yang terjadi : S + O2 → SO2 S + 3/2 O2 → SO3 O2 yang dibutuhkan untuk membentuk SO2: 16,5 kg mol SO2 1 kg mol O2  = 16,5 kg mol O2 1 kg mol SO2 Total O2 masuk burner: 80,5 kg mol N2 21 kg mol O2  = 21,4 kg mol O2 79 kg mol N2 O2 yang dibutuhkaan untuk membentuk SO3: (21,4 – 16,5 – 3) = 1,9 kg mol SO3 yang terbentuk: 1,9 kg mol O2 1 kg mol SO3  = 1,27 kg mol SO3 1,5 kg mol O2 a). Menghitung fraksi S terbakar menjadi SO3: Total S terbakar = (16,5 + 1,27) kg at = 17,77 kg at 1,27 Fraksi S menjadi SO3 =  = 0,07 17,77

b). Menghitung % kelebihan udara: Kebutuhan O2 untuk pembakaran sempurna (semua S terbakar menjadi SO2): 17,77 kg at S 1 kg mol O2  = 17,77 kg mol O2 1 kg at S

O2 masuk – kebutuhan O2 % kelebihan udara =  x 100 kebutuhan O2 21,4 – 17,77 =  x 100 = 20,4%

17

17,77 c). Menghitung volume udara yang disuplai ke burner pada 30oC dan 755 mm Hg 1000 kg/jam S yang dibakar =  = 31,25 kg at/jam 32 kg/kg at Udara yang disuplai: 31,25 kg at/jam S 21,4 kg mol O2 100 kg mol udara  17,77 kg at S 21 kg mol O2 = 179,2 kg mol/jam udara Volume udara yang disuplai: 179,2 kg mol/jam udara

22,4 m3

303 K

1 kg mol

755 mm Hg

273 K

760 mm Hg

= 4.425,9 m3 /jam udara d) Menghitung volumee gas hasil pembakaran pada 800oC dan 760 mm Hg: Untuk 100 kg mol gas hasil pembakaran basis SO3: Total gas = (100 + 1,27) = 101,27 kg mol Untuk 31,25 kg at/jam S yang dibakar: 31,25 kg at/jam S 101,27 kg mol Total gas =  = 178,1 kg mol/jam 17,77 kg at S Volume gas hasil pembakaran: 178,1 kg mol/jam gas

22,4 m3

1073 K

1 kg mol

273 K

760 mm Hg 760 mm Hg

= 4.425,9 m3 /jam udara Contoh 8: Dalam Deacon process untuk memproduksi gas khlor, gas asam khlorida dioksidasi dengan udara. Reaksi yang terjadi: 4 HCl + O2 → 2 Cl2 + 2 H2O. Jika udara yang digunakan berlebih 30% dari teoritis, dan jika reaksi oksidasi berjalan 80%, hitunglah komposisi gas kering meninggalkan reaktor!. Penyelesaian:

18

HCl

Gas keluar reaktor: HCl Cl2 O2 N2 H2O

Reaktor

Udara 30% berlebih Basis: 4 kg mol gas HCl Reaksi oksidasi yang terjadi: 4 HCl + O2 → 2 Cl2 + 2 H2O Kebutuhan O2 untuk reaksi oksidasi sempurna:

4 kg mol HCL 1 kg mol O2  = 1 kg mol O2 4 kg mol HCl O2 masuk proses = 1,3 x 1 kg mol = 1,3 kg mol N2 masuk proses: 1,3 kg mol O2 0,79 kg mol N2  = 4,89 kg mol N2 0,21 kg mol O2

Neraca mol: Neraca Cl2

HCl masuk 2

Udara masuk -

Gas keluar nHCl + nCl2

H2

2

-

nH2O

O2

-

1,3

nH2O + nO2

N2

-

4,89

nN2

Cl2 yang terbentuk: 4 kg mol HCl 2 kg mol Cl2 0,8  = 1,6 kg mol Cl2 4 kg mol HCl H2O yang terbentuk: 4 kg mol HCl

2 kg mol H2

0,8

19

 = 1,6 kg mol H2O 4 kg mol HCl O2 sisa = {1,3 – ½(1,6)} kg mol = 0,5 kg mol HCl sisa = 0,2 x 4 kg mol = 0,8 kg mol Komposisi gas kering:

komponen HCl

kg mol 0,8

% mol 10,27

Cl2

1,6

20,54

O2

0,5

6,42

N2

4,89

62,77

total

7,79

100,00

E. Neraca Massa melibatkan Sistem Recycle, Bypass, dan Purge: Sistem recycle adalah suatu sistem yang mana sebagian dari produk dikembalikan ke proses, biasanya bertujuan untuk mendapatkan konversi yang lebih tinggi. Recycle Fresh feed

Process

Product

Mixed feed Sistem bypass adalah suatu sistem yang mana sebagian dari umpan (feed) langsung dicampur dengan produk tidak melalui proses, biasanya bertujuan untuk mengurangi beban proses. Bypass Fresh feed

Process

Product

Sistem purge adalah suatu sistem yang mana sebagian dari recycle dibuang, tujuannya untuk mengurangi bahan yang keberadaannya pada batas tertentu akan mengganggu proses.

20

Recycle purge Process

Fresh feed

Product

Contoh-contoh soal sistem recycle tanpa reaksi kimia. Contoh 9: Suatu kolom destilasi memisahkan 10.000 kg/jam campuran 50% benzen –

50%

toluen. Produk D dari kondensor dibagian atas kolom mengandung 95% benzen, produk bawah W mengandung 96% toluen. Aliran uap V masuk ke kondensor dari bagian atas kolom dengan kecepatan 8000 kg/jam. Sebagian produk dikembalikan ke kolom sebagai refluks, dan sebagian lagi diambil sebagai produk D. Dengan asumsi komposisi di V, R, dan D sama, hitunglah perbandingan antara R terhadap D!. Penyelesaian: 8000 kg/jam

batasan sistem (II)

V kondensor K O L O M

F = 10.000 kg/jam -

0,5 Bz 0,5 Tol

F = D + W

10.000

= D + W

R

batasan sistem (I)

D E S T I L A S I

Neraca massa total (batasan sistem I):

D 0,95 Bz 0,05 Tol

W 0,04 Bz 0,96 Tol

(a)

Neraca komponen benzen: 21

F (ωF)

= D(ωD) + W(ωW)

10.000(0,5) = D(0,95) + W(0,04)

(b)

Selesaikan persamaan (a) dan (b) bersamaan, maka diperoleh: 500

=

(0,95) (10.000 – W) + 0,04W

W

=

4950 kg/jam

D

=

5050 kg/jam

Neraca massa di sekitar kondensor (batasan sistem II): V

=

D + R

8000

=

5050 + R

R

=

2950 kg/jam

R 

2950 =  = 0,58 5050

D

Contoh 10: Suatu bijih logam mengandung 7% tembaga (Cu) akan diekstraksi dengan asam sulfat. Semua tembaga yang ada dalam bijih dipindahkan ke fase asam, dan kemudian diekstraksi dengan pelarut organik. Pelarut keluar ekstraktor mengandung 20% Cu (ini meupakan keseluruhan Cu yang ada). Cu ini kemudian diambil dari larutannya, sedangkan pelarut organik didaur ulang (recycle) jika zat pengikut dalam bijih logam keluar proses sebanyak 800 ton/hari, berapa pelarut yang didaur ulang (recycle)? Penyelesaian:

22

H2SO4 Bijih logam: 7% Cu 93% zat pengikut

Acid Leach

Solvent Extraction Recycle solvent

Zat pengikut 800 ton/hari

Asam buangan

80% solvent 20% Cu Copper recovery

Cu Zat pengikut masuk 0,93 F F Cu

=

zat pengikut keluar

=

800

=

860,2 ton/hari

= 0,07(860,2) =

Recycle solvent

60,2 ton/hari

=

(80/20)(60,2)

=

240,8 ton/hari

23

Contoh-contoh soal sistem recycle dengan reaksi kimia. Contoh 11: Campuran H2 - N2 (3:1) pada umpan unit amonia dipanaskan sampai temperatur reaksi, kemudian dimasukkan ke fixed bed reactor. Di sini 20%

dari

pereaksi

terkonversi

menjadi amoniak (NH3) per sekali alir. Setelah keluar reaktor, campuran tersebut didinginkan dan NH3 diambil dengan kondensasi. Campuran H2 - N2 yang tidak bereaksi di daur ulang dan dicampur dengan umpan segar. Tentukan produk dan recycle per 100 kg mol/jam umpan segar (fresh feed)!. Penyelesaian: recycle

Fresh feed H2 : N2 = 3 : 1

Heater

Reactor

Condenser

batasan sistem untuk neraca massa

NH3

Basis:100 kg mol fresh feed N2 + 3H2 → 2NH3

Reaksi:

Neraca massa total pada steady state: Fresh feed = produk (NH3) NH3 yang diproduksi: 100 kg mol feed 2 kg mol NH3  = 50 kg mol/jam NH3 4 kg mol feed Neraca NH3:

50

= 0,2(100 + R)(2/4)

R

= 400 kg mol/jam

24

Contoh 12: Isomer glukose digunakan sebagai katalis pada pembuatan fruktose dari glukose dalam fixed bed reactor. Sistem ditunjukkan pada gambar berikut, berapa persen konversi per sekali alir ketika perbandingan produk terhadap recycle 8,33?. Reaksi:

→

C6H12O6 d-glukose

C6H12O6 d-fruktose

recycle feed 40% glukose dalam air

4% fruktose

produk

Fixed – Bed Reactor

Penyelesaian: Basis: F = 100 lb R ωR,G ωR,F

ωR,W F = 100 lb

F’

0,40 ωF,G

ωF’,G

1

0,60 ωF,W

P Reactor

ωF’,F

ωF’,W

1,00

2

ωP,G ωP,F

ωP,W

batasan sistem neraca massa total

Neraca massa total: 100 = P Sehingga:

R

100 =  = 12,0 lb 8,33

tidak ada air yang terbentuk maupun yang bereaksi 25

air = 100(0,60) ωP,W

=

P(ωP,W)

=

0,60

= 100ωP,W

Neraca massa di sekitar titik 1: Total:

100 + 12

= F’

=

112

Glukosa:

100(0,40) + 12((ωP,G)

=

112((ωF’,G)

Fruktosa:

0 + 12((ωR,F)

=

112(0,04), atau ωR,F = 0,373

Karena ωR,G + ωR,F + ωR,W = 1, maka: ωR,G

= 1 – 0,373 – 0,600 = 0,027

Dari neraca massa glukosa: ωF’,G

= 0,360

Neraca massa di reaktor plus titik 2: Total:

F’

= 12 + 100 = 112

Glukosa:

Input – output – consumed = 0 F’ωF’,G – (R + P) ωR,G

– xF’ωF’,G = 0

112(0,360) – 112(0,027) – x(112)(0,360) = 0 x = 0,93 Contoh-contoh soal sistem bypass dan purge: Contoh 13: Suatu prroses pengolahan air dilakukan seperti pada gambar berikut. bypass = y ?

x

F = 90 m3/jam 0,02 ppm SiO2

P

Process 1

2

0,005 ppm SiO2

0,0005 ppm SiO2

26

Penyelesaian: Misal: bagian yang masuk proses x , dan bypass y. Neraca massa total: F = P = 90 m3/jam Neraca massa di titik 1: 90 = x + y

(a)

Neraca massa di tittik 2: (0,0005)x + (0,02)y = (0,005)P

(b)

persamaan (a) dan (b) diselesaikan bersamaan, maka : (0,0005)(90 – y) = 0,02y + (0,005)(90) y

= 20,77 m3/jam

x

= 69,23 m3/jam

Contoh 14: Pada umpan unit amonia, setiap 100 mol H2-N2 (3:1) mengandung 0,31 mol Ar, dimana secara bertahap akan terakumulasi dalam aliran recycle sehingga mengganggu jalannya proses. Telah ditentukan bahwa keberadaan Ar dalam reaktor bisa ditolerir jika tidak lebih dari 4 mol per 100 mol H2-N2. Jika konversi reaksi per sekali alir 20%, hitunglah recycle, purge, dan produk setiap 100 mol fresh feed (umpan segar)!. Penyelesaian: Recycle Purge H2, N2, Ar Fresh feed H2: 75 mol N2: 25 mol Ar: 0,31 mol

Converter

H2, N2, Ar Condenser

1 Mixed feed NH3

27

N2 + 3 H2 → 2 NH3

Reaksi:

(konversi 20%)

Misal jumlah N2 dalam mixed feed x mol Neraca mol di converter pada steady state: Neraca

Masuk

yang bereaksi

N2

x

H2

3x

Ar

(0,04)(4x) = 0,16x

-

-

-

NH3

Keluar

0,2x (0,2)(3x) = 0,6x

0,8x (0,8)(3x) = 2,4x 0,16x (2/4)(0,2)(4x) = 0,4x

Misal bagian purge f, sehingga recycle (1 – f) Neraca mol di titik 1: N2:

25 + (1 – f)(0,8x) = x

(a)

H2:

75 + (1 – f)(2,4x) = 3x

(b)

Ar:

0,31 + (1 – f)(0,16x) = 0,16x

(c)

Ketiga persamaan tersebut dikerjakan secara bersama, maka akan diperoleh: x = 117,25 mol f = 0,0165 sehingga NH3 yang dihasilkan = (0,4)(117,25) = 416,9 mol.

Soal latihan 1. Suatu evaporator digunakan untuk memekatkan larutan 4% NaOH. Larutan yang telah dipekatkan mengandung 25% NaOH. Hitunglah jumlah air yang diuapkan per 100 kg umpan. 84 kg 2. Suspensi dengan kandungan 25% berat padatan diumpankan ke filter. Filter cake mengandung 90% padatan dan filtratnya mengandung 1% padatan. a. Buatlah neraca massa jika laju alir umpan 2000 kg/jam! b. Dengan laju alir tersebut, berapa laju alir filtrat dan cake (kg/jam)? b) laju alir filtrat = 1460,7 kg/jam, filter cake = 539,3 kg/jam

28

3. Larutan etanol 35% didestilasi dengan kolom destilasi, hasil atas (destilat) mengandung etanol 85% dan hasil bawah mengandung etanol 5%. Hitunglah: a. kg destilat per kg umpan b. kg destilat per kg hasil bawah a) 0,375 kg, b) 0,6 kg 4. Asam buangan dalam proses nitrasi berisi 23% HNO 3, 57% H2SO4, dan 20% H2O (persen berat). Asam tersebut akan dipekatkan sehingga diperoleh hasil dengan komposisi 27% HNO3, 60% H2SO4, dan 13% H2O dengan jalan menambahkan asam sufat 97% dan asam nitrat 90%. Berapa kg masing-masing asam harus ditambahkan untuk memperoleh 1000 kg hasil?. 519,35 kg asam buangan, 313,37 kg asam sulfat, 167,28 kg asam nitrat 5. Karbon murni dibakar dengan oksigen. Analisis gas hasil pembakaran: 75% CO2, 14% CO, 11% O2 (%mol). Berapa persen kelebihan oksigen? 4,5% 6. Bagaimana komposisi gas yang dihasilkan oleh pembakaran pirit murni (FeS2) dengan udara berlebih 60%. Asumsikan bahwa reaksi yang terjadi sebagai berikut: 4 FeS2 + 11 O2 → 2 Fe2O3 + 8 SO2 9,90% SO2, 8,17% O2, 81,93% N2. 7. Analisis sintesa gas: 6,4% CO2, 0,2% O2, 40% CO, 50,8% H2, dan sisanya N2, gas tersebut dibakar dengan udara 40% berlebih. Tentukan komposisi gas hasil pembakaran!. 13% CO2, 14,3% H2O, 67,6% N2, 5,1% O2. 8

Larutan NaOH 24%, yang dibutuhkan dalam indusstri tekstil, dibuat dengan melarutkaan NaOH padat dengan air. Untuk mengurangi panas yang ditimbulkan oleh pelarutan NaOH, maka proses pembuatan dilakukan dua tahap. Pertama, NaOH padat dilarutkan dengan air dalam tangki pelarutan hingga diperoleh larutan NaOH 50%. Setelah pelarutan sempurna dan dingin, larutan ini diencerkan denngan air dalam tangki pengenceran hingga diperoleh larutan NaOH 24%.

29

Bypass (y) NaOH padat Air

x

Tangki pelarutan

Larutan NaOH 50%

Tangki pengenceran

Larutan NaOH 24%

Asumsi tidak ada penguapan, berapa perbandingan atara x terhadap y?. 0,462 9. Gula murni (sukrosa) dapat diubah menjadi glukosa dan fruktosa dengan proses inversi. C12H22O11 + H2O → C6H12O6 + C6H12O6 d-Glukosa d-Fruktosa Gabungan glukosa/fruktosa disebut dengan gula invers. Jika konversi 90% per sekali alir, berapa aliran recycle per 100 lb laruta sukrosa masuk proses seperti yang digambarkan di bawah?. Berapa konsentrasi gula invers (I) dalam recycle?.

Konsentrasi komponen dalam recycle dan produk sama.

Recycle

Feed Sukrosa30% Air 70%

Reaktor

Separator

produk

50% gula invers

R = 20,9 lb, ω I,R = ω I,RP = 0,279

30