Neraca Massa

BAB IV NERACA MASSA

Dalam mempelajari bagian ini, mahasiswa diharapkan mampu: 1. Menjelaskan tentang sistem, proses, dan aliran 2. Mengerti dan dapat menuliskan persamaan neraca massa secara umum 3. Mengerti tentang neraca massa “steady” dan “unsteady” 4. Mengerti tentang neraca massa tanpa reaksi kimia 5. Mencari dan menghitung neraca massa tanpa reaksi kimia 6. Mengetrapkan konsep neraca massa tanpa reaksi kimia dalam industri/peralatan. SUB POKOK BAHASAN: pengertian: sistem, proses, dan aliran, persamaan umum neraca massa, Neraca massa “steady dan unsteady”, neraca massa tanpa reaksi kimia, penerapan neraca massa tanpa reaksi r eaksi kimia pada proses-proses: pencampuran, pencampuran, pengeringan, kristalisasi, keseimbangan keseimbangan fase, distilasi, evaporasi. A. PENDAHULUAN Neraca massa merupakan perhitungan semua bahan yang ada dalam proses. Ada kalanya bahan yang dikenakan proses berubah bentuk menjadi senyawa lain atau menjadi konsumsi dalam sistem itu, tetapi jumlah massanya tidak berubah. Massa yang tumbuh dan massa yang terambil diartikan bila terjadi reaksi kimia, maka bahan yang satu bisa terambil dan membentuk senyawa lain. Sebelum masuk pada neraca massa, diperlukan pengertian-pengertian tentang sistem, proses, dan aliran. Perhitungan neraca massa meliputi neraca massa tanpa dan dengan reaksi kimia. Pada bab ini dibahas neraca massa tanpa reaksi kimia. Pada contoh-contoh perhitungaan neraca massa tanpa reaksi kimia diberikan kepadaa proses-proses pemisahan secara fisis seperti, pencampuran, pencampuran, pengeringan, kristalisasi, keseimbangan fase, fase, distilasi, dan evaporasi. Alat-alat ini akan dipelajari lebih lanjut pada mata kuliah berikutnya dan dalam perencanaan alat. Pengertiaan-pengertian 1. Sistem Sering kali mendengar kata “sistem”, tapi apa maknanya?. Sistem dapat diartikan sebagai suatu kesatuan yang kompak dari satu atau beberapa sub sistem. Misalnya, komputer merupakan satu sistem yang terdiri atas keyboard, CPU, dan manitor, tetapi CPU juga merupakan sistem yang di dalamnya terdapat komponen-komponen komponen-komponen pembentuk sistem (CPU) itu. Di dalam proses terdapat pengertian sistem tertutup dan sistem terbuka. Sistem tertutup dapat dikatakan sebagai sistem atau proses “batch” yang dijelaskan pada bagian tentang proses. Dalam sistem tertutup tidak ada bahan yang masuk atau keluar, massa dalam sistem tertutup harus tetap. Sistem terbuka adalah sistem yang mengalir atau kontinu. Sistem dikelilingi oleh pembatas atau “boundary”, di luar itu disebut “sekeliling”. 2. Proses Sebelum masuk pada perhitungan neraca massa dan energi, terlebih dahulu diperkenalkan diperkenalkan tentang proses dan macamnya. Proses merupakan suatu kondisi atau keadaan yang mengalami pengolahan untuk menghasilkan produk tertentu. Dalam industri, proses merupakan pengolahan bahan baku menjadi produk. Macam proses:

a. “batch” b. kontinu Proses “batch” merupakan suatu pengolahan yang terdiri atas beberapa kegiatan, yaitu pemasukan bahan ke dalam alat, pengolahan, dan pengeluaran hasil. Proses ini dapat digambarkan sebagai berikut. Gambar IV-1. IV-1. Proses “batch” Di dalam industri, waktu satu batch ini amat berarti dalam pengelolaan waktu secara keseluruhan produksi. Pada umumnya produksi berjalan secara terus menerus tak terputus. Oleh karena itu, kapasitas proses batch sangat menentukan produk yang dihasilkan secara kontinu. Apakah diperlukan proses batch itu dilakukan secara seri untuk memenuhi seluruh kapasitas produksi?. Hal itu diperlukan perhitungan waktu dan kapasitas yang dibutuhkan. Proses kontinu seperti yang telah disebut di atas, yaitu proses yang berjalan secara terus menerus tanpa henti. Neraca massa pada proses ini berada dalam keadaan “steady”, sehingga berlaku: massa masuk = massa keluar. 3. Aliran Pada proses yang kontinu, terdapat dua arah aliran, yaitu aliran searah (cocurrent) dan tidak searah atau berlawanan arah (counter current). Gambaran aliran ter sebut dijelaskan dalam diagram berikut. Gambar IV-2. Arah aliran Masing-masing aliran memiliki kelemahan dan keunggulan. Hal itu juga tergantung pada jenis proses yang ada, apakah dilakukan pada proses perpindahan panas atau perpindahan massa. Demikian juga, apakah dilakukan dengan cara kontak langsung atau tidak. Hal itu juga tergantung pada sifat bahan yang akan diproses baik secara fisik maupun kimia. B. Neraca massa Neraca massa merupakan perhitungan semua bahan yang ada dal am proses. Ada kalanya bahan yang dikenakan proses berubah bentuk menjadi senyawa lain atau menjadi konsumsi dalam sistem itu, tetapi jumlah massanya tidak berubah. Kehilangan massa dimungkinkan dimungkinkan dalam reaksi inti (nuklir) sesuai dengan teori yang dikemukakan dikemukakan oleh Einsten (teori relativitas), bahwa massa yang hilang berubah menjadi energi. Hal yang sebenarnya, bahwa kekekalan massa haruslah terpadu dengan energi, sehingga berbunyi kekekalan massa dan energi. Sebab keduanya tidak bisa dipisahkan. Massa adalah suatu bentuk energi. Namun, pada bahasan berikut ini dipisahkan antara neraca massa dan neraca energi dan sebagai awal pelajaran sebagai mata kuliah ATK I membahas neraca massa terlebih dahulu. Secara keseluruhan, bentuk persamaan neraca massa adalah:

Gambar IV-3. Sistem dan neraca massa

Massa yang tumbuh dan massa yang terambil diartikan bila terjadi reaksi kimia, maka bahan yang satu bisa terambil dan membentuk senyawa lain. C. Neraca massa “steady” dan “unsteady” Suatu gambaran proses kontinu adalah pengisian sebuah tempat dengan air yang dialirkan melalui pengaturan katub/kran. Dibayangkan, mula-mula tempat i tu yang bisa berupa sebauh ember atau tangki penampung yang kosong dan padanya terdapat lubang kecil/bocor. Kemudian air dikeluarkan dengan membuka katub. Dengan demikian, ember itu akan terisi air secara terus menerus dan keluar akibat kebocoran juga secara terus menerus. Kalau kebocoran (yang keluar) itu lebih kecil daripada pemasukannya, maka lama kelamaan air dalam ember semakin banyak. Hal itu menunjukkan adanya akumulasi air dalam ember. Neraca massanya massanya diambil dari persamaan (IV-1), dan tidak terjadi reaksi kimia, maka tidak ada pembentukan dan pengambilan massa, sehingga: Akumulasi = Massa masuk - Massa keluar ………………………(IV-2). ………………………(IV-2). Setelah beberapa lama kemudian, air dalam ember penuh dan meluap keluar. Dalam hal ini, yang keluar dari ember itu adalah karena kebocoran dan luapan. Neraca massanya menjadi: Bahan masuk = bahan keluar ……………………………………….(IV-3). ……………………………………….(IV-3). Neraca massa pada persamaan (IV-2) disebut dengan keadaan “unsteady”, artinya suatu keadaan yang tergantung pada waktu. Dengan bertambahnya waktu akumulasi makin banyak atau keadaan selalu berubah dengan waktu. Dalam hal peristiwa di atas, dengan bertambahnya waktu, volum air dalam ember bertambah. Pada suatu saat tertentu, keadaan itu selalu tetap atau air yang ada dalam ember tidak berubah volumnya. Kondisi semacam ini disebut keadaan “steady” atau “ajeg” atau “tunak” dan persamaan neraca massanya ditunjukkan seperti persamaan (IV-3). D. Neraca massa tanpa reaksi kimia Pembahasan Pembahasan neraca masa berikut ini ditandaskan dalam keadaan ajeg. Neraca massa dihitung untuk semua bahan yang ada dalam proses. Perhitungan akan menjadi kompleks kalau prosesnya rumit dan dalam unit yang besar. Beberapa hal perlu diperhatikan dalam melakukan perhitungan neraca massa secara mudah, mengacu pada hal yang telah disebut di bagian depan tentang langkah-langkah logis penyelesaian masalah. 1. Visualisasi : gambar diagram alir proses secara sederhana yang dapat menunjukkan perubahan –  perubahan  – perubahan perubahan fisis yang terjadi. 2. Objektif : data yang relevan cantumkan pada diagram, misal kecepatan alir bahan, komposisi, suhu, tekanan, dan data fisik lainnya. 3. Rencana : pelajari data proses dan kembangkan hubungan kuantitas yang diketahui dan yang tidak diketahui dalam neraca massa. Hubungan ini biasanya dalam bentuk persamaan matematik. Pastikan jumlah bilangan yang tidak 

diketahui dengan jumlah persamaan yang ada. Samakan satuan antar kuantitas yang satu dengan lainnya. Pada neraca massa dalam sistem: disetiap titik yang mengalami perubahan pasti ada persamaan yang menyertainya!!! 4. Menghitung : Pilih basis yang sesuai bila diperlukan. Selesaikan hubunganhubunganhubungan persamaan di atas. Neraca massa berdasarkan pada hukum kekekalan massa dan energi: bahwa massa tidak dapat diciptakan dan tidak ada kehilangan massa kecuali menjadi energi (menurut Einstein). Persamaan neraca massa dalam keadaan keadaan ajeg tertulis seperti persamaan (IV-3). Neraca massa tanpa reaksi kimia dijumpai pada banyak peristiwa operasi teknik  kimia. Neraca massa ini menjadi titik titi k tolak perhitungan yang lainnya sampai pada perencanaan perencanaan alat proses. Oleh karena itu, dalam perhitungan awal ini tidak boleh salah. Umumnya, operasi teknik kimia merupakan proses pemisahan bahan untuk  dimurnikan. Proses-proses yang akan dipelajari untuk perhitungan neraca massanya massanya yang dituangkan dalam contoh-contoh soal, diantaranya: 1. Pencampuran 2. Pengeringan 3. Kristalisasi 4. Keseimbangan fase 5. Distilasi 6. Evaporasi Secara garis besar, neraca massa dalam sebuah sistem adalah seperti berikut ini. Bila persamaan (IV-2) dikenakan pada proses yang tertera dalam gambar IV -4, maka: MA = M1 + M2 + M3 - M4 - M5 …………………..(IV-4). …………………..(IV-4). Dengan, M = massa atau aliran massa dengan satuan massa atau massa/waktu. Pada keadaan ajeg, maka akumulasi, MA = 0, sehingga neraca massanya: M1 + M2 + M3 = M4 + M5 ………………………….(IV-5). ………………………….(IV -5). Gambar IV-4. Neraca massa dalam sistem alir Persamaan (IV-5) merupakan persamaan neraca massa sistem secara keseluruhan atau total. Di dalam bahan yang berupa campuran terdapat t erdapat komponen-komponen komponen-komponen yang terkandung di dalamnya. Jika masing-masing komponen dintayakan dalam fraksi massa, x (tak bersatuan), maka neraca massa komponen berbentuk: M1xi1+ M2xi2 + M3xi3 = M4xi4 + M5xi5 ..………………………….(IV-6). ..………………………….(IV-6). Dalam hal ini, xi1 berarti komponen i yang ada pada aliran 1, dan seterusnya. Lebih jelas diperluhatkan dalam contoh-contoh soal berikut ini. 1. Pencampuran Contoh: Natrium hidroksid dengan kadar 40% dialirkan ke dalam tangki dengan kecepatan 100 pada suhu 20oC. Larutan ini akan diencerkan menjadi 12%. Berapa air yang diperlukan setiap jamnya? Dan berapa kecepatan keluar dalam ? Jawab:

Untuk dapat menyelesaikan soal di atas diperlukan data rapat larutan NaOH 40%. Data dapat diperoleh dari buku (handbook) Perry atau literatur lain. Dari buku Perry edisi 5, hal. 3-78 diperoleh data, pada suhu 20oC: r40%NaOH = 1,4300 kg/L M2 Air segar sebagai pengencer Larutan pekat: 20oC M1: 40% NaOH Tangki M3 100 L/jam Pencampur Larutan encer 12%NaOH

Basis: 100 larutan pekat masuk. Maka, massa larutan masuk = (1,43 ).(100 ) = 143  Neraca massa keseluruhan: keseluruhan : M1 + M2 = M3 ……….(a) Neraca massa untuk komponen NaOH: NaOH masuk = NaOH keluar M1.xNaOH,1 = M2.0 + M3.xNaOH,3 ……..(b) Neraca komponen untuk air: M1.xair,1 + M2.1 = M3.xair,3 M3.xai r,3 ……..(c) Dari persamaan (b) untuk NaOH: 143. 0,4 = 0 + 0,12 M3 M3 = 476,7 Dari persamaan (c) untuk air: 143. 0,6 + M2 = 476,7. 0,88 85,8 + M2 = 419,5 M2 = 333,7 Atau dengan menggunakan persamaaan persamaaan (a) diperoleh: M2 = (476,7-143) = 333,7 . Rapat air = 1 , maka air segar yang dimasukkan sebesar 333,7 . Jika aliran keluar dinyatakan dalam kecepatan volum, L/jam, dengan persamaan (a) diperoleh: M3 = 100 + 333,7 = 433,7