Neraca Massa

 

MAK ALAH NER ACA  M MASSA  D DA N   E NER GI  

Disusun oleh :

1.  Yesi Kurniawati (40040118650004) 2.  Zulfa Wulandari Rasyid (40040118650005) 3.  Mirza Muhammad Faisal (40040118650027) 4.  Anindita Nur Aisiyah (40040118650046)

Universitas Diponegoro Tahun Ajaran 2019-2020

 

 

 Neraca Massa Massa A.  Neraca Massa  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,  pengeringan, kristalisasi, keseimbangan fase, distilasi, dan evaporasi. Alat-alat ini akan dipelajari lebih lanjut pada mata kuliah berikutnya dan dalam perencanaan alat. Kehilangan massa dimungkinkan dalam reaksi inti (nuklir) sesuai dengan teori yang 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 akan membahas neraca massa terlebih dahulu. Secara keseluruhan, bentuk persamaan neraca massa adalah: Massa yang tumbuh dan massa yang terambil diartikan bila terjadi reaksi kimia,

maka

bahan

yang

satu

bisa

terambil

dan

membentuk

senyawa

lain

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 komponenkomponen 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  boundary”, ”, di luar itu disebut “sekeliling”.  “sekeliling”.   2. Proses 

Sebelum masuk pada perhitungan neraca massa dan energi, terlebih dahulu 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 Proses “batch” merupakan suatu suatu pengolahan yang terdiri atas beberapa kegiatan, yaitu pemasukan bahan ke dalam alat, pengolahan, dan pengeluaran hasil. 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”, “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). 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 “steady” dan “unsteady”  “unsteady” 

Suatu gambaran proses kontinu adalah pengisian sebuah tempat dengan air yang dialirkan melalui pengaturan katub/kran. Dibayangkan, mula-mula tempat itu 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, dan tidak terjadi reaksi kimia, maka tidak ada pembentukan dan  pengambilan massa, sehingga: Akumulasi = Massa masuk - Massa keluar. 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. Neraca massa 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” “aje g” atau “tunak”.  “tunak”.  C.  Neraca massa tanpa reaksi kimia   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

Visualisai merupakan gambar diagram alir proses secara sederhana yang dapat menunjukkan perubahan –  perubahan –  perubahan  perubahan fisis yang terjadi. 2.  Objektif Objektif adalah data yang relevan cantumkan pada diagram, misal kecepatan alir bahan, komposisi, suhu, tekanan, dan data fisik lainnya. 3.  Rencana

Rencana merupakan 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

Menghitung merupakan Pilih basis yang sesuai bila diperlukan. Selesaikan hubungan-hubungan 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).

 Neraca massa tanpa reaksi kimia dijumpai pada banyak peristiwa operasi teknik kimia. Neraca massa ini menjadi titik tolak perhitungan yang lainnya sampai pada  perencanaan alat proses. Oleh karena itu, i tu, 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 yang dituangkan dalam contoh-contoh soal, diantaranya: 1. Pencampuran 2. Pengeringan 3. Kristalisasi 4. Keseimbangan fase 5. Distilasi 6. Evaporasi 

Selain itu ada yang berpendapat bahwa Neraca Massa  adalah cabang keilmuan yang mempelajari kesetimbangan massa dalam sebuah sistem.  Dalam neraca massa, sistem adalah sesuatu yang diamati atau  atau dikaji. Neraca massa adalah konsekuensi logis dari Hukum Kekekalan Massa yang menyebutkan bahwa di alam ini jumlah total massa adalah kekal; tidak dapat dimusnahkan ataupun diciptakan. Contoh dari pemanfaatan neraca massa adalah untuk merancang reaktor kimia,  kimia,  menganalisa berbagai alternatif proses produksi bahan kimia,  kimia,  dan untuk  memodelkan memodelkan pendispersian  pendispersian polusi. polusi. Massa yang masuk ke dalam suatu sistem harus keluar meninggalkan sistem tersebut atau terakumulasi di dalam sistem. Konsekuensi logis hukum kekekalan massa ini memberikan persamaan dasar neraca massa :   [massa masuk] = [massa keluar] + [akumulasi massa]

dengan [massa masuk] merupakan massa yang masuk ke dalam sistem, [massa keluar] merupakan massa yang keluar dari sistem, dan [akumulasi massa] merupakan akumulasi massa dalam sistem. Akumulasi massa dapat bernilai negatif atau positif. Pada umumnya, neraca massa dibangun dengan memperhitungkan total massa yang melalui suatu sistem. Pada perhitungan teknik perhitungan teknik

 

kimia,   neraca massa juga dibangun dengan memperhitungkan total massa kimia, komponen-komponen komponenkomponen senyawa kimia yang melalui sistem (contoh: (contoh:   air) atau air) atau total massa suatu elemen (contoh: karbon) (contoh:  karbon).. Bila dalam Bila dalam sistem yang dilalui terjadi reaksi terjadi reaksi kimia,   maka ke dalam persamaan neraca  kimia, neraca  massa ditambahkan variabel [produksi] sehingga persamaan neraca massa menjadi:  [massa masuk] + [produksi] = [massa keluar] + [akumulasi massa] Variabel [produksi] pada persamaan neraca massa termodifikasi

merupakan laju reaksi kimia.  kimia.  Laju reaksi kimia dapat berupa laju reaksi  pembentukan ataupun laju reaksi pengurangan. Oleh karena itu, variabel [produksi] dapat bernilai positif atau negatif. neraca adalah alat pengukur massa  pada suatu benda,dan neraca memiliki beberapa jenis.  Neraca massa dapat berjenis  berjenis  integral atau  atau  diferensial. diferensial. Suatu  Suatu neraca massa integral menggunakan pendekatan kotak hitam dan berfokus pada karakteristik menyeluruh dari sistem. Sementara itu, neraca  massa diferensial berfokus  pada detail yang terjadi dalam sistem (yang juga memengaruhi karakteristik menyeluruh). Untuk membuat suatu neraca massa integral, pada awalnya harus diidentifikasi batasan sistem, bagaimana sistem terhubung dengan lingkungan dan  bagaimana lingkungan memengaruhi sistem. Pada beberapa sistem, batasan sistem dengan mudah dapat diidentifikasi. Contohnya adalah suatu tangki reaktor dengan dinding tangki sebagai batas sistem. Pada tangki reaktor ini, lingkungan memengaruhi sistem melalui saluran masuk  tangki dan saluran keluar tangki. Untuk kasus seperti studi tanah perhutanan, tanah perhutanan, penetapan  penetapan vegetasi  vegetasi sebagai eksternal atau internal sistem (pendefinisian batasan sistem) sangat tergantung dari fokus dan tujuan studi yang dilakukan. Untuk membuat suatu neraca massa diferensial,  pada awalnya perlu diidentifikasi detail yang ada dalam sistem. Reaksi yang terjadi dalam sistem dan senyawa kimia apa saja yang terlibat di dalamnya perlu dengan jelas diketahui.  D.  Neraca massa dengan reaksi kimia 

Pada kuliah terdahulu telah diberikan contoh kasus neraca massa tanpa reaksi kimia. Berikut ini akan dibahas neraca massa dimana reaksi terjadi di dalam sistem dalam  sistem yang ditinjau. Dalam reaksi kimia, stoikiometri reaksi kimia harus diperhatikan. Contoh suatu persamaan suatu persamaan reaksi : aA+bB cC+dD

 

Reaksi di atas mempunyai arti: mempunyai arti:   1.  Kualitatif, yaitu bahan apa yang direaksikan dan yang dihasilkan. Bahan A dan B merupakan reaktan atau pereaksi. Bahan C dan D merupakan produk atau hasil has il reaksi.  reaksi.   2.  Kuantitatif, yaitu perbandingan mol-mol sebelum dan sesudah reaksi. Jika 1 mol A bereaksi maka (b/a) mol B yang bereaksi. Di dalam praktek, jarang terdapat  peristiwa dimana reaksi berjalan secara stoikiometri tepat. Biasanya, salah Biasanya, salah satu reaktan berada dalam jumlah yang jumlah yang berlebihan,  berlebihan, sehingga reaksi tidak bisa berjalan stoikiometris. Pada akhir reaksi masih ada sisa-sisa  jenuh reaktan. Dalam perhitungan kuantitatif sistem reaksi yang demikian, perlu diketahui beberapa istilah seperti di bawah ini : 1.  limiting reactant (reaktan pembatas) Reaktan yang jumlah molnya paling sedikit  bila ditinjau dari segi stoikiometri. Atau reaktan yang akan habis terlebih dulu dibanding reaktan lainnya. 2.  Excess reactant (zat reaktan reakt an yang berlebihan). 3.  Percent excess of reactant = persen kelebihan reaktan yang berlebih.

%exc %e xces esss =

 ℎ  ℎ  ℎ   ℎ  ℎ 

100 % 

Jumlah mol kelebihannya = ( mol umpan ) –  ) –  (  ( mol kebutuhan teoritisnya ) 4.  Konversi.

Konv Ko nver ersi si =

            

 100 % 

nilai konversi = 0 sampai dengan 100% ( =1,00) 5.  Yield/rendemen.

    =  ℎ  100%    E.  PENYUSUNAN DAN PENYELESAIAN NERACA MASSA

Konsep neraca massa = persamaan yang disusun berdasarkan hokum kekekalan massa (law conservation of mass), yaitu ”mass can neither becreated or destroyed”.   Persamaan umum neraca massa untuk suatu sistem proses :

 

  Satuan di setiap arus adalah satuan massa atau mol atau (massa/waktu atau mol/waktu). Satuan di setiap kotak atau suku di atas harus sama semua. Bayangkan, bisakah 5 cm - 5 gram =? Akumulasi adalah perubahan massa terhadap waktu. Untuk proses Staedy state maka akumulasi = 0. Untuk proses USS maka akumulasi tidak sama dengan nol. Untuk proses fisis SS, maka kec masuk –  masuk –  kec  kec keluar =0. Untk proses kimia SS, maka akumulasi =0. Dalam menyusun neraca massa, perlu disebutkan ”apa yang dineracakan” dan  dan   ”dimana neraca disusun”. Neraca disusun”. Neraca massa dapat disusun untuk : 1.  neraca massa total atau campuran.  2.  neraca massa komponen tertentu.  3.  neraca massa unsur atau elemen tertentu  Langkah-langkah penyusunan dan penyelesaian NM dan NP : 1.  Membuat diagram alir proses, lengkapi dengan data-data : a.  kualitatif dan kuantitatif yang tersedia.  b.  Kondisi arus masuk dan keluar sistem. 2.  Tandai variabel aliran yang tidak diketahui pada diagram alir. a.  Buatlah permisalan variabel. 3.  Menentukan basis perhitungan. Pilihlah suatu laju alir proses sebagai basis perhitungan. Basis perhitungan dapat diambil  berdasarkan banyaknya bahan yang masuk atau berdasarkan bahan keluar system. Basis

 

 perhitungan dapat dinyatakan dalam satuan berat atau satuan mol. Jika terjadi proses kimia dalam sistem yang ditinjau, lebih mudah bila basis perhitungan menggunakan satuan mol. Jika terjadi proses fisis, basis perhitungan dapat menggunakan satuan berat atau satuan mol. 4.  Konversikan laju alir volumetrik menjadi laju alir massa atau molar. Jika terdapat proses kimia ( reaksi ), perhitungan menggunakan menggunakan satuan molar, sedangkan proses fisis dapat menggunakan satuan massa atau molar. 5.  Susunlah persamaan NM / NP. Dalam menyusun neraca, perlu disebutkan apa yang dineracakan dan dimana neraca itu disusun. Persamaan neraca dapat disusun untuk : sebuah unit saja, multi unit, atau unit keseluruhan ( overall ).

6.  Selesaikan persamaan NM / NP . 

Contoh 2:

Ingin dibuat larutan NaOH 1 M sebanyak 250 mL dari Kristal NaOH. Berapa gram NaOH yang seharusnya dilarutan dengan akuades sampai 250 mL?

 

Penyelesaian: a.  Skema diagram alir:

 b.  Penyetaraan satuan (ingat satuan NM adalah massa atau mol)

c.   Neraca Massa NaOH di sekitar sekitar mixer:

d.  Kesimpulan Jadi dibutuhkan 10 gram NaOH.  

Pentingnya penyusunan neraca 

 Neraca massa atau panas atau panas suatu sistem proses  dalam industri merupakan perhitungan kuantitatif dari semua bahan-bahan yang masuk, yang keluar, yang terakumulasi (tersimpan) dan yang terbuang dalam sistem itu. Perhitungan neraca digunakan untuk mencari variable  proses

yang

belum

diketahui,

berdasarkan

data

variable

proses

yang

telah

ditentukan/diketahui. Oleh karena itu, perlu disusun persaman yang menghubungkan data variable proses yang telah diketahui dengan varaiabel proses yang ingin dicari. ingin dicari. 

 

Dalam banyak kasus, diskripsi verbal (narasi) yang menjelaskan proses perlu disajikan dalam diskripsi visual, yaitu dalam bentuk gambar proses atau diagram alir ali r proses. Beberapa definisi penting yang akan dibahas antara lain : variable proses, diagram alir proses, sistem, dan proses –  proses –   proses di industri kimia.

Variabel Proses. Beberapa variable proses yang berhubungan erat dengan bidang teknik kimia kimia antara  antara lain:

1.  Massa dan volum  Hubungan massa dan volum adalah berat jenis atau densitas. Seringkali juga dinyatakan dalam specific volume dan specific gravity. 2.  Kecepatan alir (flow rate) Proses yang berlangsung sinambung atau kontinyu memerlukan data kecepatan bahan yang disebut kecepatan alir. Alat yang dapat mengukur kecepatan alir antara lain,  pitot tube, orifice meter, venturi meter, flow nozzle, dan rotameter. Macam-macam jenis kecepatan alir : Macam-macam a.  kecepatan alir linier rata-rata dalam pipa, dinyatakan dalam satuan panjang linier setiap satuan waktu.  b.  Kecepatan alir volumetric (volumetric flow rate) flow rate),, kecepatan alir yang dinyatakan dalam banyaknya volum fluida yang mengalir setiap satuan waktu. c.  Keceparan alir massa ( mass flow rate), kecepatan alir yang dinyatakan dalam  banyaknya massa yang mengalir setiap satuan waktu. waktu. 3.  Komposisi kimia  Berat atom dan berat molekul merupakan hubungan mol dengan massa bahan. Bahan campuran berisi lebih dari satu komponen, untuk itu perlu diketahui isi (atau komposisi) masing-masing komponen penyusun bahan itu. Komposisi dapat dinyatakan dalam beberapa cara, yaitu: a.  fraksi massa atau fraksi bera, Biasanya untuk komposisi bahan berbentuk cair atau padat dinyatakan dalam fraksi massa. Total fraksi massa adalah 1,00.  b.  fraksi mol, Komposisi bahan dalam fase gas biasanya biasa nya dinyatakan dalam fraksi mol. Total fraksi mol = 1,0. c.  konsentrasi, Konsentrasi adalah banyaknya bahan dalam campuran setiap satuan volum. Ppm = part = part per million = million = bagian per sejuta.

 

4.  Tekanan  Hubungan tekanan yang ditunjukkan alat ukur ( gauge  gauge)) dengan tekanan sesungguhnya s esungguhnya (absolute absolute)) adalah: Tekanan absolute = tekanan gauge + tekanan atmosfer. 1  atm = 14,696 psi = 760 mmHg = 10,333 mH2O. 1.  Temperatur. Contoh :  Suatu botol bertuliskan larutan HCl teknis 28% (w/w). Tentukan dalam % mol larutan itu. Penyelesaian: Misal 100 g larutan HCl 28% maka: Komponen % Berat

Berat, g

Mol

HCl

28

28/36.5=0.77 (0.77/4.77)×100%=16.14 (0.77/4.77)×100%=16.14

H2O Total

28 72

% Mol

72 72/18=4 (4/4.77)×100%=83.86 100

100

Jadi larutan itu larutan HCl 16,14% (%mol).

4.77

100