Materi Azas Rekayasa Proses
Post on 26-Dec-2015
311 Views
Preview:
DESCRIPTION
Transcript
MATERI
AZAS REKAYASA PROSES
BAB IKONSEP TEKNIK KIMIA
Pengertian Teknik Kimia
¤ Menurut Bahasa atau asal katanya.
Materi Azas Rekayasa Proses Page 1
Teknik adalah proses atau cara membuat sesuatu, sedangkan Kimia
adalah bahan-bahan yang bersifat biologis maupun fisis yang sering
digunakan oleh manusia didalam kehidupannya sehari-hari.
Jika di gabung maka teknik kimia menurut bahasa adalah proses/cara
membuat sesuatu yang bahan dasanya berupa zat baik bersifat biologis
maupun fisis yang sering diketemukan dalam kehidupan sehari-hari.
¤ Menurut Pandangan Umum.
Teknik kimia atau yang biasa disebut Chemical Engineering adalah ilmu
teknik atau rekayasa yang mempelajari pemrosesan bahan mentah
menjadi barang yang lebih berguna, dapat berupa barang jadi ataupun
barang setengah jadi.
Ilmu teknik kimia diaplikasikan terutama dalam perancangan dan
pemeliharaan proses-proses kimia, baik dalam skala kecil maupun
dalam skala besar seperti perusahaan-perusahaan yang berbahan dasar
kimia.
Ilmu-ilmu yang menjadi dasar dalam teknik kimia, antara lain adalah:
Neraca massa
Neraca energy
Peristiwa perpindahan massa, energi, momentum
Reaksi kimia
Termokimia
Termodinamika
Terdapat pula ilmu-ilmu pendukung yang teknik kimia, antara lain:
Mekanika fluida
Ilmu tentang material
Selain ilmu dasar dan ilmu pendukung, terdapat pula kemampuan-
kemampuan dan pengetahuan-pengetahuan aplikatif yang perlu dikuasai
oleh seorang insinyur teknik kimia, antara lain:
Pengendalian proses kimia
Instrumentasi
Perancangan proses kimia
Materi Azas Rekayasa Proses Page 2
Penanganan limbah pabrik
Prosedur keselamatan pabrik kimia
Evaluasi ekonomi pabrik kimia
Manajemen proyek
Ruang lingkup pekerjaan seorang Teknik Kimia :
Process Engineer,
Project Engineer,
Plant Operation/production dalam pengoperasian pabrik,
Plant Technical Service,
Quality Control,
Research and Development (R&D),
Environment Risk Assessor ,
Environment Safety and Health,
Technical Sales,
Customer Technical Sales,
Peneliti dalam bidang penelitian dan pengembangan,
Konsultan dalam pembangunan atau operasi pabrik,
Tenaga edukatif dalam bidang pendidikan
BAB IISISTEM SATUAN DAN VARIABEL PROSES
Besaran apapun yang kita ukur seperti panjang, massa atu kecepatan,
terdiri dari angka dan satuan. Sering kita diberikan besaran dalam satuan
tertentu dan kita ingin menyatakannya dalam satuan lain. Misalnya kita
mengetahui jarak dua kota dalam satuan kilometer dan kita ingin
Materi Azas Rekayasa Proses Page 3
Sasaran Pengajaran :
• Menjumlahkan, mengurangi, mengalikan dan membagi satuan
• Mengubah satuan-satuan dan fungsi persamaan dalam massa, panjang,
gaya,dll
• Mendefinisikan dan menggunakan factor konversi Gc
mengetahui berapa jaraknya dalam satuan meter, untuk itu kita harus
mengkonversi satuan tersebut. Konversi berarti mengubah. Sebelum kita
melakukan konversi satuan, kita harus memahami pengertian satuan,
dimensi, dan faktor koreksi.
Satuan : sesuatu yang digunakan untuk menyatakan ukuran besaran,
contoh : meter, feet, mili (panjang) ; gram, pound, slug (massa).
Dimensi : satuan yang dinyatakan secara umum dalam besaran
primer, contoh : massa (M), panjang (L).
Factor konversi : angka tak berdimensi yang merupakan ekivalensi
satuan yang bersangkutan.
Satuan :
1. Satuan internasional (SI)
Kelebihan Satuan Internasional (SI) adalah kemudahan dalam
pemakaiannya, karena menggunakan sistem decimal (kelipatan 10)
dan hanya satu satuan pokok untuk setiap besaran dengan
penambahan awalan untuk satuan yang lebh besar atau lebih kecil.
2. FPS
Tabel 1. Sistem Unit Satuan
Nama Panjang Waktu Massa Gaya
SI Meter (m) Detik (s)Koligram
(kg)Newton (N)
FPS Foot (ft) Detik (s) Slug( lb . s2ft ) Pound (lb)
Tabel 2. Faktor Konversi Satuan
Kwantitas FPS SI
Gaya Pound (lb) 4,4482 N
MassaSlug( lb . s2ft ) 14,5938 kg
Panjang Foot (ft) 0,3048 m
Materi Azas Rekayasa Proses Page 4
Tabel 3. Prefiks
Eksponensial Prefiks Simbol SI
Multiple
1.000.000.000 109 Giga G
1.000.000 106 Mega M
1.000 103 Kilo K
Sub multiple
0,001 10-3 Milli M
0,000 001 10-6 Micro µ
0,000 000 001 10-9 Nano n
Contoh :
1. 125 fth
= ………………… ms
Penyelesaian :
125 fth
x 0,3048m1 ft
x 1h3600 s
= 0,01058 ms
2. 20 mN x 10 MN = ……….. kN2
Penyelesaian :
20 mN x 10 MN = [20 (10−3 )N ] x [10 (106 )N ] = 200 (103 )N2
= 200 (103 )N2 X ( 1kN103N ) = 200 kN2
Dalam kehidupan kita sehari-hari ada 4 sistem satuan yang dikenal, yaitu :
Absolute dynamic system : (cgs : cm, gram, sec)
English absolute system : (fps : ft, pound, sec)
SI ( System International) : (mks : meter, kg, sec)
Gravitational system :
Materi Azas Rekayasa Proses Page 5
1. British Eng’ng (BE) : ft, sec, slug
2. American Eng’ng (AE) : ft, sec, lbm , lbf
Pada operasi penambahan dan pengurangan dimensi dari bilangan yang
dioperasikan harus sama, sedangkan dalam perkalian dan pembagian tidak
ada syarat dalam operasinya.
Permasalahan:
Tentukan hasil dari operasi matematika di bawah ini :
1. 10 kg + 400 meter =
2. 200 feet + 21 cm =
3. 500 meter × 2 sekon =
4. 2 joule / 4 meter =
Contoh soal :
Selesaikanlah perhitungan dibawah ini :
(a) 20 jam + 4 meter =
(b) 2 joule + 50 Btu =
Jawaban :
(a) dapat kita lihat bahwa satuan dan dimensi yang digunakan berbeda, 20
jam berdimensi waktu sedangkan 4 meter berdimensi panjang, maka operasi
tersebut tidak dapat diselesaikan.
(b) satuan yang digunakan berbeda namun dimensinya sama, keduanya
sama-sama dimensi energi, maka operasi dapat dilakukan dengan
mengubah satuannya menjadi sama ( konversi ), baik itu dalam joule atau
Btu.
karena 1 joule = 9,484.10-4 Btu maka
2 joule + 50 BTU = 2 ( 9,484.10-4 ) Btu + 50 Btu = 50,00189 Btu
Dalam contoh soal diatas kita melihat adanya perubahan satuan dari joule ke
Btu hal inilah yang disebut dengan konversi. Konversi sering dilakukan
apabila data yang tersedia dinyatakan dalam satuan yang berbeda.
Contoh Soal :
Materi Azas Rekayasa Proses Page 6
Jika sebuah mobil menepuh jarak Jakarta bandung dengan kecepatan 10m/s
dan sebuah bus melaju dengan kecepatan 150% dari kecepatan mobil
tersebut, berapakah kecepatan bus tersebut dalam kilometer perjam?
Jawaban :
kecepatan bus 150% × 10m/s = 15 m/s
15 meter × 1 kilometer × 3600 sekon = 54 kilometer/jam sekon 1000 meter 1 jam
Soal-Soal Latihan !
1. Ubahlah 3785 m3/jam menjadi gal/min
2. Di suatu tempat dengan percepatan grafitasi 4,5 ft/sec2 seseorang
mempunyai berat 100 lbf . Berapa Lbf kah berat orang itu di bumi??
3. Kapasitas panas spesifik untuk toluene diberikan oleh persamaan berikut :
Cp = 20,869 + 5,239.10-2 T dimana Cp dalam Btu/(lbmol)(0F) dan T(0F)
Nyatakan persamaan dalam cal/(gmol)(K) dengan T(K)
BEBERAPA BESARAN PENTING
Pada perhitungan yang menyangkut reaksi kimia sering dijumpai
besaran – besaran kuantitatif dengan berbagai treminologi yang mempunyai
pengertian khusus. Besaran tersebut antara lain :
a. MOL
Mol adalah hasil bagi massa suatu zat dengan berat molekulnya.
b. Densitas (ρ)
Densitas atau kerapatan adalah massa persatuan volum
c. Volum spesifik (Vs)
volum spesifik adalah kebalikan dari densitas, yaitu volum persatuan
massa
d. Spesifik gravity / berat jenis (b.j. atau s.g.)
Berat jenis adalah perbandingan kerapatan zat tsb dengan zat
pembanding (standar). Berat jenis tidak mempunyai dimensi. sebagai
pembanding biasanya digunakan air dalam suhu 40C. Berat jenis zat
cair atau padat tidak bergantung kepada tekanan tetapi bergantung
Materi Azas Rekayasa Proses Page 7
kepada suhu, oleh karena itu dalam menyatakan berat jenis harus
disebutkan suhunya.
e. Komposisi.
Komposisi merupakan perbandingan antara suatu zat dengan seluruh
campuran. Komposisi dapat dinyatakan dalam :
o Fraksi massa atau persen berat.
Fraksi massa A = WA/WTOTAL
% berat A = WA/WTOTAL × 100%
o Fraksi volum atau persen volum
Fraksi volum A = VA/VTOTAL
% volum A = VA/VTOTAL × 100%
o Fraksi mol atau persen mol
Fraksi mol A = mol A / mol total campuran
% mol A = mol A / mol total campuran × 100%
f. Konsentrasi.
Merupakan jumlah zat tersebut yang terlarut dalam sejumlah pelarut.
Konsentrasi dapat dinyatakan sebagai :
o berat / volum = gram / cm3, gram / liter dll.
o mol / volum = mol / liter, lbmol / ft3
o parts per million (ppm)
Dalam gas ppm dinyatakan dalam mol.
contoh :
o 100 ppm CO2 dlm udara berarti tdpt 100 mol CO2 dlm 106 mol
udara
o 20 ppm besi dlm air berarti tdpt 20 gram besi setiap 106 gram
air.
o Molaritas : mol / liter larutan
o Molalitas : mol / 1000 gram pelarut
o Normalitas : gram ekivalen / liter larutan
Materi Azas Rekayasa Proses Page 8
g. Temperatur ( Suhu ).
Suhu ditetapkan dari titik tripel air, yaitu 00C atau 273,15 K.
Terdapat 4 skala suhu yang biasa dipakai dalam perhitungan, yaitu :
skala suhu nol mutlak ttk beku normal
air
ttk didih normal
air
celcius - 273, 15 0C 0 0C 100 0C
Kelvin 0 K 273,15 K 373,15 K
Fahrenheit - 459,67 0F 32 0F 212 0F
Renkine 0 0R 492 0R 672 0R
Hubungan antara keempat skala suhu tersebut adalah sbb:
TC = 5/9(TF - 32)
TK = TC + 273,15
TR = TF + 459,67
Hubungan selisih suhu :
Δ TC = Δ TK 1,8 Δ TC = Δ TF
Δ TF = Δ TR 1,8 Δ TK = Δ TR
h. Tekanan.
Tekanan merupakan gaya persatuan luas yang tegak lurus gaya
tersebut.
P = gaya / luas = F / A ( Pascal, Psi, Atm, Bar, Torr )
1 atm = 760 mmHg
1 bar = 100 kPa
1 torr = 1 mmHg
1 Psi = 1 lbf / in2
Contoh Soal :
Materi Azas Rekayasa Proses Page 9
1. Hitunglah densitas merkuri dalam lbm/ft3 jika diketahui spesifik grafity
merkuri pada 200C adalah 13,546 dan hitunglah volume dalam ft3 jika
diketahui massa merkuri 215 kg ?
Jawab :
a. ρHg = spesifik gravity × massa jenis air pada suhu 200C
= 13,546 × 62,43 lbm/ft3
= 845,7 lbm/ft3
b. V = 215 kg × 1lbm / 0,454 kg × 1 ft3 / 845,7 lbm = 0,56 ft3
2. Hitunglah mol glukosa yag terkandung dalam 10 kg gula jika fraksi
berat glukosa dalam gula 16 % !!!!
Jawab :
berat glukosa dalam gula = 16 % × 10 kg = 1,6 kg
mol glukosa = berat glukosa / Mr glukosa
= 1600 gram / 160 gram/mol = 10 mol
3.Jika suatu larutan NaOH pada pabrik sabun mengalir dengan laju alir
240 liter per menit, maka berapa mol kah NaOH yang mengalir tiap
detiknya jika diketahui konsentrasi NaOH adalah 0,02 M
Jawab :
Jumlah NaOH yang mengalir tiap detik = 240 liter/min × 1 min/60det
= 4 liter/det
mol NaOH tiap detik = 4 liter/det × 0,02 mol/liter = 0,08 mol/det
4.Hitunglah perbedaan suhu dalam 0C jika sebuah konduktor mengalami
pemanasan dari 800F menjadi 1400F !
Jawab :
cara 1. 800F = 5/9 (80 – 32) = 26,6 0C
1400F = 5/9 (140 – 32) = 59,90C
ΔT = 33,3 0C
cara 2. 1,8 ΔTc = ΔTf
= (120 – 80) / 1,8 = 33,3 0C
Materi Azas Rekayasa Proses Page 10
SOAL LATIHAN :
1. Jika suatu pabrik gula dalam sehari dapat menghasilkan gula sebanyak
100 kg, maka berapa % mol glukosa yang terkandung dalam gula tersebut
jika diketahui komposisi gula tersebut adalah 20% berat glukosa dan
sisanya adalah air !
diketahui : Mr H2O = 18 dan glukosa = 160
2. Jika suatu alat pemanas air dapat memanaskan air dengan laju
pemanasan 100C/menit maka berapakah suhu akhir dalam 0R jika air
dengan suhu 293 K dipanaskan selama 2 jam ?
3. Suatu dongkrak hidrolik mempunyai luas penampang 250 cm2, jika pada
pompa tersebut diberikan gaya sebesar 200 Newton maka berapa Psi kah
tekanan yang diterima pompa tersebut ?
4. Suatu campuran hidrokarbon mempunyai komposisi berikut (% berat):
n-C4H10 50
n-C5H12 30
n-C6H14 20
Hitunglah: (a) Fraksi mol setiap komponen
(b) Berat molekul rata-rata campuran
5.Suatu larutan mengandung 25% berat garam dalam air. Jika densitas
larutan tersebut adalah 1,2 g/cm3. Nyatakan komposisinya dalam:
(a) Kilogram garam per kilogram air
(b) lb garam per ft3 larutan
6. Campuran gas terdiri dari 3 komponen: argon, B dan C. Komposisi
campuran adalah sebagai berikut:
40% (mol) argon
18,75% (massa) B
20% (mol) C
Berat molekul argon adalah 40 dan berat molekul C 50. Hitunglah:
(a) Berat molekul B
(b) Berat molekul rata-rata campuran
Materi Azas Rekayasa Proses Page 11
7. Suatu manometer menggunakan kerosene (berat jenis = 0,82) sebagai
fluidanya. Jika terbaca beda tinggi manometer 5 in, berapa beda tingginya
dalam mm jika digunakan air raksa?
BAB III
PERSAMAAN KIMIA dan STOIKHIOMETRI
Persamaan kimia merupakan suatu gambaran atau data yang memuat
data kualitatif dan kuantitatif dalam suatu reaksi kimia.
Gambaran kualitatif dapat berupa :
o Zat pereaksi (reaktan)
Materi Azas Rekayasa Proses Page 12
Suatu pabrik DRY ICE ingin menghasilkan 500 kg/jam dry ice dari
proses pembakaran heptana. Jika hanya 50 % CO2 yang dapat diubah
menjadi dry ice maka berapa kg hepatana yang harus dibakar setiap
jamnya?
Apakah yang dimaksud dengan basis dan reaktan pembatas? Pada
saat bagaimana basis dan reaktan pembatas digunakan?
o Zat hasil reaksi (produk)
o Efek panas (endoterm/eksoterm)
Sedangkan gambaran kuantitatif dapat berupa :
o Komposisi
o Hubungan kuantitatif
o Jumlah
contoh :
N2 + 3 H2 → 2 NH3 ΔHf = - 1230 kj
kualitatif kuantitatif
reaktan N2 & H2 1 mol N2 bereaksi dengan 3 mol H2
produk NH3 menghasilkan 2 mol NH3
reaksi eksotermis
Reaksi kimia adalah perubahan yang terjadi saat satu atau lebih zat
terkonversi menjadi zat lain, dinyatakan dengan persamaan reaksi yang
menunjukkan hubungan molar antara reaktan dan produk.
Contoh:
Jika kita meniup menggunakan sedotan ke dalam larutan yang mengandung
Ca(OH)2, terjadi reaksi berikut:
Ca 2+ + H2O + CO2 → CaCO3 + 2H +
Persamaan di atas menunjukkan bahwa satu mol Ca2+ membutuhkan satu
mol CO2 untuk bereaksi yang menghasilkan produk satu mol padatan CaCO3
dan 2 mol ion H+.
Jika diketahui larutan mengandung 0,10 gram ion Ca2+, maka jumlah CO2
yang dibutuhkan dapat dihitung dengan cara berikut:
Ca2+ + H2O + C2O → CaCO3 + 2H+
0,10 X
1 mol Ca2+ ~ 1 mol CO2
Jadi CO2 yang dibutuhkan = 0,1 gram x 44 grm/mol = 0,11 grm CO2
40 gr/mol
Jenis-Jenis Reaksi Kimia:
Materi Azas Rekayasa Proses Page 13
1. Reaksi penggabungan: dua reaktan bergabung membentuk senyawa baru.
Contoh: H2 + Cl2 → 2HCl
2. Reaksi pertukaran: dua rekatan saling mempertukarkan ionnya.
Contoh: NaCl + AgNO3 → AgCl + NaNO3
3. Reaksi pembakaran: reaksi yang melibatkan oksigen atau udara sebagai
reaktan.
Contoh: C2H5OH + O2 → 2CO2 + 3H2O
4. Reaksi oksidasi dan reduksi (redoks): reaksi yang mengoksidasi dan atau
mereduksi suatu zat. Contoh: reaksi pembakaran.
5. Reaksi penggantian: reaksi dimana suatu komponen menggantikan
komponen lainnya. Contoh: reaksi redoks berikut:
2Al + Fe2O3 → 2Fe + Al2O3 dimana Al menggantikan Fe di dalam
oksida.
Stoikiometri kimia adalah hubungan kuantitatif antara reaktan dan
produk, didasarkan pada kenyataan bahwa materi tersusun atas atom dan
molekul. Karena atom dari berbagai unsur dan molekul-molekul dari
berbagai zat mempunyai berat berbeda, hubungan kuantitas yang
digunakan dinyatakan dalam mol.
Stoikhiometri merupakan perhitungan yang berhubungan dengan reaksi
kimia dan proporsional dengan koefisien reaksi kimia.
Contoh:
2H2 + O2 → 2H2O
Artinya 2 mol hidrogen bereaksi dengan 1 mol oksigen menghasilkan 2 mol
air.
Kemampuan yang harus dipelajari dalam stoikiometri:
1. Kemampuan mengubah banyaknya zat dari satuan massa ke dalam
mol, atau sebaliknya.
2. Kemampuan untuk mengerti perubahan atau reaksi kimia (mengetahui
reaktan dan produk yang dihasilkan, serta .menuliskan persamaan
reaksi (balance)
Materi Azas Rekayasa Proses Page 14
Untuk mempermudah perhitungan dalam stoikhiometri kita sering
menggunakan basis. Basis adalah acuan yang dipilih sebagai dasar
perhitungan.
contoh soal :
Dalam pembakaran pentana ingin dihasilkan 440 kg gas CO2, berapa kg kah
pentana yang harus digunakan untuk reaksi tersebut jika 50% CO2
menyublim menjadi dry ice?
Jawab :
basis : 440 kg gas CO2
berarti CO2 yang harus dihasilkan dalam proses pembakaran :
440 kg / 0,5 = 880 kg
mol CO2 = 880 kg/ 44 gram/mol
= 20 kmol
reaksi yang terjadi (stoikhiometri):
C5H12 + 8 O2 → 5 CO2 + 6 H2O 4 kmol 20 kmol
berat pentana yang harus dibakar = 4 kmol × 72 gram/mol = 288 kg.
Materi Azas Rekayasa Proses Page 15
BAB IV
REAKSI KIMIA DALAM INDUSTRI
Pada kenyataan di dalam industri meskipun reaktan yang dipakai tepat
stoikiometris tetapi reaksi yang terjadi tidak sempurna, yang dimaksud tidak
sempurna disini adalah ada reaktan yang tidak terpakai atau bersisa. Karena
ketidaksempurnaan inilah maka ada beberapa pengertian yang berhubungan
dengan reaksi:
1. Reaktan pembatas (limitting reactant):
Reaktan yang perbandingan stoikiometriknya paling kecil/ sedikit
2. Reaktan berlebih (excess reactan):
Reaktan yang melebihi reaktan pembatas.
% kelebihan = mol kelebihan X
100%
mol yg stoikiometrik dg reaktan pembatas
misalnya kelebihan udara (excess air): udara berlebih terhadap
kebutuhan teoritis untuk pembakaran sempurna pada proses
pembakaran
3. Konversi (tingkat kesempurnaan reaksi):
Bagian dari umpan/reaktan yang berubah menjadi hasil/produk.
% Konversi = jumlah mol zat yang bereaksi x 100 % jumlah mol zat mula-mula
4. Selektivitas (selectivity) :
Perbandingan (%) mol produk tertentu (biasanya yang diinginkan)
dengan mol produk lainnya (biasanya sampingan) yang dihasilkan
Materi Azas Rekayasa Proses Page 16
5. Yield :Untuk reaktan dan produk tunggal adalah berat/mol produk
akhir dibagi dengan berat/mol reaktan awal, sedangkan untuk reaktan
& produk yang lebih dari 1 harus dijelaskan reaktan yang menjadi
dasar yield.
% Yield = berat atau mol produk x 100 % berat atau mol reaktan awal
MACAM-MACAM LAJU ALIR
1. Point linear velocity (Laju alir linear titik): laju alir ditinjau pada satu titik.
V [=] 1/t [=] m/jam, ft/det , m/jam dsb
2. Average linear velocity (Laju alir linear rata-rata) : laju alir linear rata-rata
pada
seluruh penampang
V = Q / A = debit/luas = l 3 /t = l/t = m/det = ft/det dsbl2
3. Volumetric flow rate (laju alir volum) : sejumlah volum yang mengalir per
satuan waktu (debit = Q)
Q = volum / waktu = A . V = l3/t = m3/menit , gallon/menit =
4. Mass flow rate (laju alir massa) : sejumlah massa yang mengalir per
satuan
Waktu
= massa/waktu = m / t = kg/menit ; ton/jam ; lb/detik ; dsb
5. Molal flow rate (laju alir molal) : sejumlah mol yang mengalir per satuan
waktu
= mol / waktu = massa/BM = gmol/menit; lbmol/det ; dsb T
Contoh soal 1 :
Antimon dibuat dengan cara memanaskan stibnit (Sb2S3) dengan
serpihan besi, lelehan antimon dikeluarkan dari bawah reaktor. Sebanyak
0,6 kg stibnit dan 0,25 kg serpihan besi dipanaskan bersama-sama ternyata
dihasilkan 0,2 kg antimon.
Rx : Sb2S3 + 3Fe → 2 Sb + 3 FeS
Materi Azas Rekayasa Proses Page 17
Hitunglah:
a. reaktan pembatas b. reaktan berlebih
c. tingkat kesempurnaan reaksi d. % konversi
e. selektivitas f. Yield
Jawab:
Rx : Sb2S3 + 3Fe → 2 Sb + 3 FeS
a & b. Menentukan reaktan pembatas dan berlebih:
untuk bereaksi dengan 1,77 mol Sb2S3 membutuhkan 3 X 1,77 mol = 5,31
mol Fe sedangkan Fe yang tersedia hanyalah 4,48 mol. Disini terlihat
bahwa Fe stiokiometrik terkecil jumlahnya maka Fe merupakan reaktan
pembatas, dan Sb2S3 adalah reaktan berlebih.
c. Walaupun Fe adalah reaktan pembatas tetapi tidak semua Fe habis
bereaksi, jika dilihat dari produk Sb yang dihasilkan hanya 1,64 mol ini
berarti Fe yang bereaksi sebanyak:
3 mol Fe X 1,64 mol Sb = 2,46 mol Fe 2 mol Sb
maka tingkat kesempurnaan reaksi Fe menjadi FeS = 2,46 / 1,77 x 100 %
= 55 %
sedangkan untuk 1.64 mol Sb maka Sb2S3 yang bereaksi sebanyak:
1 mol Sb2S3 X 1,64 mol Sb = 0,82 mol Sb2S3
2 mol Sb maka tingkat kesempurnaan reaksi Sb2S3 menjadi Sb =
0.82 /1,77 X 100% = 46,3%
Materi Azas Rekayasa Proses Page 18
e. Selektivitas didasarkan pada Sb2S3 yang seharusnya dapat dikonversikan
dengan Fe yang ada :
selektivitas = (0,82 / 1,49) x 100 % = 55 %
f. Yield = kg Sb terbentuk = 0,2 kg x 100 % = 33,5 % ( Sb/Sb2S3 ) kg Sb2S3 mula-mula 0,6 kg
Contoh soal 2:
Alumunium sulfat dapat dibuat dengan mereaksikan pecahan biji bauksit
dengan asam sulfat menurut reaksi :
Al2O3 + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2O
Biji bauksit mengandung 55,4% alumuniumoksida dan sisanya pengotor.
Sedangkan asam sulfat berkadar 77,7% H2SO4 (sisanya air). Untuk
menghasilkan 800 kg alumunium sulfat dipergunakan 480 kg biji bauksit dan
1200 kg asam sulfat. Pertanyaan:
a. Zat manakah yang berlebih dan berapa %
b. Berapa % reaktan berlebih yang terpakai
c. Berapa tingkat kesempurnaan reaksi
d. Berapa yield alumunium sulfat
Jawab :
55,4% Al2O3 H2O
77,7% H2SO4 Al2(SO4)3
Zat BM Massa (Kg) Mol (kmol)
Reaktan Al2O3
H2SO4
101.9
98.1
0,554 x 480
0,777 x 1200
2,61
9,50
Produk Al2(SO4)3 342,1 800 2,33
Rx: Al2O3 + 3 H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3 H2O
a. Menentukan reaktan berlebih :
Untuk bereaksi dengan 2,61 kgmol Al2O3 membutuhkan 3 x 2,61 = 7,83
kgmol H2SO4 sedangkan H2SO4 yang tersedia 9,505 kgmol jadi H2SO4 lebih
Materi Azas Rekayasa Proses Page 19
REAKTOR
maka reaktan berlebihnya adalah H2SO4 sedangkan reaktan pembatasnya
adalah Al2O3
% H2SO4 berlebih = 9,505 − 7,83 X 100% = 21,39 % 9,505
b. Menghitung reaktan berlebih yang terpakai :
Produk Al2(SO4)3 2,338 kgmol ini memerlukan:
2,338 kgmol Al2(SO4)3 X 3 kgmol H2SO4 = 7,014 kgmol H2SO4
1 kgmol Al2(SO4)3
% H2SO4 terpakai = 7,014 kgmol X 100% = 73,79% 9,505 kgmol
c. Tingkat kesempunaan reaksi : (dipandang atas dasar Al2O3 yang bereaksi)
= (2,333/ 2,61) X 100% = 89%
d. Yield = kg Al2(SO4)3 = 800 = 1,66 (Al2(SO4)3/ Al2O3) kg Al2O3 480
dalam hal ini yield lebih dari satu karena perhitungan dalam berat
padahal BM produk jauh lebih besar dari pada reaktan.
Soal-soal Latihan
1. Gypsum (CaSO4.2H2O) dihasilkan dengan mereaksikan kalsium
karbonat dan asam sulfat. Analisa dari batu kapur adalah: CaCO3
96,89%; MgCO3 1,14%; inert 1,7%. Untuk mereaksikan seluruh batu
kapur seberat 5 ton tentukan :
a. Berat gypsum anhidrat (CaSO4) yang dihasilkan
b. Berat larutan asam sulfat (98% berat) yang dibutuhkan
c. Berat Karbondioksida yang dihasilkan
(BM: CaCO3 = 100; MgCO3 = 84,32; H2SO4 = 98; CaSO4 = 136; MgSO4
=120; H2O = 18; CO2 = 44)
2. Sintesis amonia menggunakan reaksi berikut:
N2 + 3 H2 → 2 NH3
Materi Azas Rekayasa Proses Page 20
Pada sebuah pabrik, 4202 lb nitrogen dan 1406 lb hidrogen
diumpankan kedalam reaktor perjam. Produk amonia murni yang
dihasilkan oleh reaktor ini sebanyak 3060 lb per jam.
a. Tentukan reaktan pembatas
b. Berapa % excess reaktan
c. Berapa % konversi yang didapatkan berdasarkan pada reaktan
pembatas
3. 5 lb bismut (BM=209) dipanaskan bersama dengan 1 lb sulfur untuk
membentuk Bi2S3 (BM= 514). Pada akhir reaksi, zat yang dihasilkan
mengandung 5% sulfur bebas. Tentukan:
Reaksi : 2 Bi + 3 S → Bi2S3
a. Reaktan pembatas
b. % excess reaktan
c. % konversi dari sulfur menjadi Bi2S3
BAB V
KESETIMBANGAN MATERI
Materi Azas Rekayasa Proses Page 21
Gambar di atas adalah lembar alir sederhana untuk pabrik gula. Tebu
dimasukan ke dalam sebuah penggilingan dengan sirup diperas keluar dan
“bagase” yang dihasilkan mengandung 80% pulp. Sirup E yang mengandung
potongan-potongan halus pulp dimasukan kedalam saringan yang
menghilangkan semua pulp dan menghasilkan sirup jernih pada aliran H
yang mengandung 5% gula dan 85% air. Evaporator membuat sirup kental
dan kristalizer menghasilkan 1000 lb/jam kristal gula.
Dari keterangan yang diberikan ini dapatkah anda mencari:
1. Berapa banyak air yang dihilangkan didalam evaporator (lb/jam) ?
2. Berapa besar fraksi massa komponen-komponen dalam arus buangan
G ?
3. Berapa besar laju masukan tebu kedalam unit (lb/jam) ?
NERACA BAHAN
Neraca bahan adalah perincian dari jumlah bahan-bahan yang masuk, keluar
dan yang menumpuk di dalam sebuah sistem. Sistem ini dapat berupa satu
alat proses maupun rangkaian dari beberapa alat proses, bahkan rangkaian
dari banyak alat proses.
Prinsip dari neraca bahan itu sendiri adalah:
1. Neraca bahan merupakan penerapan hukum kekekalan massa
terhadap suatu sistem proses atau pabrik.
2. Massa berjumlah tetap, tidak dapat dimusnahkan maupun diciptakan
RUMUS UMUM NERACA BAHAN
Input = masukan ke system
Output = keluaran dari system
Generate = terbentuk hasil reaksi
Consumption = digunakan oleh reaksi
Accumulation = terkumpul dalam system
Materi Azas Rekayasa Proses Page 22
Input - output + generate - Consumption =
Acumulation
JENIS-JENIS PROSES
Berdasarkan kejadiannya proses terbagi menjadi dua yaitu proses
Batch (per-angkatan) dan proses kontinyu (berkesinambungan)
A. Proses Batch :
Pemasukan reaktan dan pengeluaran hasil dilakukan dalam selang waktu
tertentu/ tidak terusmenerus.
Contoh: - Proses memasak didalam sebuah panci (panci menjadi alat proses)
- Pemanasan air dengan koil pada teko
B. Proses Kontinyu:
Proses dengan pemasukan bahan dan pengeluaran produk dilakukan secara
terus menerus/ berkesinambungan dengan laju tertentu.
Bahan masuk dengan laju tetap
Produk keluar dengan laju tetap
Berdasarkan keadaannya proses dibedakan menjadi dua yaitu proses
dalam keadaan tunak (steady) dan keadaan tak tunak (unsteady)
A. Proses steady:
Semua aliran di dalam sistem mempunyai laju, komposisi, massa dan suhu
yang tetap atau tidak berubah terhadap waktu. Sehingga pada keadaan ini
jumlah akumulasi di dalam sistem tetap.
Laju alir masuk = Laju alir keluar
in out
B. Proses Unsteady
Dalam proses unsteady terjadi perubahan dalam sistem terhadap waktu.
Baik berupa perubahan laju, komposisi, massa maupun suhu. Karena adanya
Materi Azas Rekayasa Proses Page 23
REAKTOR
perubahan laju maka terdapat perubahan akumulasi di dalam sistem
sehingga akumulasi massa harus diperhitungkan.
PENYUSUNAN PERSAMAAN NERACA BAHAN
Neraca massa dibuat untuk satu alat/unit atau rangkaian alat dengan
batasan sistem (system boundary) tertentu/jelas, jumlah bahan yang
dihitung adalah hanya bahan-bahan yang masuk dan keluar dari sistem yang
telah ditentukan batasnya.
Neraca yang dibuat harus berdasarkan Hukum kekekalan massa yaitu
massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan; kalaupun berubah hanya
bentuk atau tempatnya.
Tahap-tahap pembuatan neraca bahan:
1. Tentukan jenis proses
2. Jika pada proses tidak menyangkut reaksi kimia, neraca bahan dapat
dibuat dalam satuan massa atau mol untuk satu periode waktu
tertentu.
3. Jika terdapat reaksi kimia , sebaiknya digunakan satuan mol untuk
setiap unsur/komponen karena jika disusun neraca molekul harus
diperhatikan senyawa-senyawa yang berkaitan satu sama lain secara
stoikiometrik.
4. Persamaan neraca yang terbentuk akan berupa persamaan linier atau
non linier; baik persamaan-persamaan tersebut tidak tergantung
(independent) ataupun saling tergantung (dependent) atau keduanya.
Penyelesaian persamaan-persamaan tersebut dapat dilakukan dengan
cara eliminasi, substitusi atau jika perlu diselesaikan secara serempak
(simultan). Ada satu ukuran yang dapat memberikan indikasi apakah
persamaan neraca bahan dapat diselesaikan atau tidak ukuran ini
adalah Degree of freedom atau Derajat Kebebasan (DK), DK akan
kita bahas setelah contoh-2 soal berikut.
Contoh soal 1
Materi Azas Rekayasa Proses Page 24
Suatu bahan dengan kandungan air 60% dikeringkan sampai 75% airnya
menguap. Hitunglah :
a) Jumlah air yang diuapkan tiap kg bahan basah
b) Komposisi bahan akhir
jawab:
1. Buatlah diagram alir dan tulis hal-hal yang diketahui (besaran kualitas
dan kuantitas)
2. Tentukan basis
Basis: 100 kg bahan basah
air dalam bahan basah: 0,6 x 100 = 60 kg
air yang menguap : 0,75 x 60 = 45 kg
padatan yang terdapat dalam bahan basah = 0,4 x 100 = 40kg
3. Buatlah persamaan neraca bahan:
air yang tersisa dalam bahan = air dalam bahan – air yang menguap
= 60 kg – 45 kg = 15 kg
a. jumlah air yang diuapkan tiap kg bahan basah = 45 / 100 = 0,45 kg
b. komposisi bahan akhir :
air = ( 15/ 15+ 40 ) x 100 % = 27,3 %
padatan = 100% - 27,3% = 72,7%
KESETIMBANGAN MATERI TANPA REAKSI KIMIA
Pada kesetimbangan materi tanpa reaksi kimia, rumus umum yang
digunakan adalah :
Laju masuk - laju keluar = akumulasi
hal ini karena tidak adanya pembentukan zat ataupun reaksi kimia yang
menggunakan zat tersebut,
Materi Azas Rekayasa Proses Page 25
Contoh soal 2
Sebanyak 100 mol/jam larutan etilen diklorida 40% dalam toluena
dimasukkan ke sebuah kolom (menara) distilasi. Di dalam menara distilasi
proses berlangsung secara kontinyu dan tidak terjadi akumulasi sehingga
100 mol/jam bahan juga keluar dari kolom. Aliran keluar kolom dibagi
menjadi dua yaitu aliran distilat (D) dan aliran dasar (B = bottom) Aliran
distilat keluar dari puncak kolom mengandung 10% mol etilen diklorida.
Tentukan laju alir masing-masing aliran tersebut.
Jawab:
Neraca massa (mol) total : F = D + B ....................................(1)
Neraca massa (mol) komponen (dalam soal ini hanya satu komponen) :
F . XF = D . XD + B . XB .....................................(2)
(1) 100 mol/jam = D + B
B = 100 mol/jam – D
(2) 100 . (0,4) = D . (0,95) + B . (0,1)
40= 0,95D + (100-D) . (0,1)
40 = 0,95D + 10 - 0,1D
30 = 0,85D
D = 35,3 mol/jam
B = 100 mol/jam – 35,3 mol/jam
B = 64,7 mol/jam
Materi Azas Rekayasa Proses Page 26
Dua buah contoh soal di atas merupakan contoh sederhana dari suatu
system proses yang tidak melibatkan reaksi kimia. Persamaan-persamaan
neraca massa yang terbentuk masing-masing merupakan persamaan linier
yang dapat diselesaikan dengan cara eliminasi biasa. Berikut ini adalah
contoh system proses yang melibatkan reaksi kimia.
KESETIMBANGAN MATERI DENGAN REAKSI KIMIA.
Pada keadaan ini rumus yang digunakan sama dengan rumus umum
kesetimbangan materi yaitu:
Contoh soal 3
Pada suatu pembakaran, sebanyak 300 kg udara dan 24 kg karbon
diumpankan ke dalam reaktor pada suhu 600oF. Setelah pembakaran
sempurna tidak ada bahan tersisa di dalam reaktor. Hitunglah:
a. Berapa berat karbon, oksigen & berat total bahan yang keluar dari
reaktor?
b. Berapa mol karbon & mol oksigen yang masuk dan keluar dari reaktor?
c. Berapa mol total yang masuk dan berapa yang keluar reaktor?
Jawab:
Neraca massa adalah:
Input - output + generation - consumption = accumulation ( 0 )
input + generation = output + consumption
Neraca yang digunakan:
1. Neraca mol total (semua komponen)
2. Neraca mol komponen : CO2 dan O2
Materi Azas Rekayasa Proses Page 27
laju alir masuk – laju keluar + pembentukan – konsumsi =
akumulasi
Basis : 24 kg C dan 300 kg udara
Komponen yang masuk ke reaktor:
Reaksi yang terjadi : C + O2 → CO2
Dari stoikiometri diketahui untuk membakar sempurna 2 kmol C dipakai 2
kmol O2 jadi masih terdapat sisa O2
Neraca O2 : O 2 input + O2 generate = O2 output + O2 consumption
2,17 kmol + 0 = O2 output + 2 kmol
O2 output = 0,17 kmol
Neraca N2 : N 2 input + N2 generate = N2 output + N2 consumption
8,17 kmol + 0 = N2 output + 0
N2 output = 8,17 kmol
Neraca C : C input + C generate = C output + C consumption
0 + 2 kmol = C output + 0
C output = 2 kmol
Tabulasi perhitungan (neraca komponen dalam mol)
a. Tidak ada karbon keluar dalam bentuk C, tetapi dalam bentuk CO2 seberat
88 kg dimana dalam CO2 tersebut mengandung C seberat 24 kg. O2 yang
keluar 0,17 kmol, sisanya keluar dalam bentuk CO2. Berat bahan total
yang keluar sama dengan berat bahan total yang masuk yaitu 324 kg
Materi Azas Rekayasa Proses Page 28
b. 2 kmol C dan 2,17 kmol O2 yang masuk kedalam reaktor, sedangkan yang
keluar dari reaktor adalah 0 kmol C dan 0,17 kmol O2
c. 2,34 kmol total masuk ke reaktor dan 10,34 kmol keluar dari reaktor.
Contoh soal 4:
Dalam suatu proses pembakaran, gas etana dicampur dengan oksigen
dengan perbandingan 80% etana dan sisanya oksigen campuran ini dibakar
dengan udara berlebih 200%. Pada pembakaran tersebut ternyata 80% gas
etana terbakar menjadi CO2, 10% menjadi CO dan 10% tidak terbakar.
Hitung komposisi gas hasil bakar (dasar basah)
Jawab:
Basis : 100 mol bahan bakar
C2H6 = 80% x 100 mol = 80 mol
O2 = 20% x 100 mol = 20 mol
Reaksi:
Oksigen dari udara yang masuk 200% berlebih berarti 3 x dari yang
dibutuhkan secara teoritis untuk pembakaran sempurna.
Oksigen teoritis yang dibutuhkan untuk pembakaran sempurna :
Materi Azas Rekayasa Proses Page 29
Oksigen yang terikut dalam bahan bakar = 20 mol
Oksigen teoritis yang dibutuhkan dari udara = 280 mol – 20 mol = 260 mol
Oksigen total yang masuk dari udara = 3 x 260 mol = 780 mol
Nitrogen yang masuk bersama udara = 79/21 x 780 mol 2934,3 mol
Menghitung komposisi produk (hasil):
Untuk reaksi (1)
CO2 : (0,8 x 80 mol) x 2 = 128 mol CO2
H2O : (0,8 x 80 mol) x 3 = 192 mol H2O
Untuk reaksi (2)
CO : (0,1 x 80 mol) x 2 = 16 mol CO
H2O : (0,1 x 80 mol) x 3 = 24 mol H2O
Total H2O = 192 + 24 = 216 mol
Total O2 terkonsumsi:
reaksi (1) : (0,8 x 80 mol) x 3,5 = 224 mol
reaksi (2) : (0,1 x 80 mol) x 2,5 = 20 mol
total = 224 + 20 = 244 mol O2
O2 yang keluar bersama gas hasil pembakaran = 800 – 244 = 556 mol
C2H6 sisa = 0,1 x 80 mol = 8 mol
Ringkasan hasil hitungan
Materi Azas Rekayasa Proses Page 30
Jika dianalisis orsat ( dasar kering) H2O tidak dihitung. Jumlah mol total =
3642,3
mol.
Komposisi gas kering:
CO2 = 3,51%
O2 = 15,26%
CO = 0,45%
C2H6 = 0,22%
N2 = 80,56%
Dari penyelesaian soal proses dengan melibatkan reaksi kimia ini dapat
disimpulkan:
Walaupun massa total yang masuk sama dengan massa total yang keluar
(sesuai dengan hukum kekekalan massa), tetapi jumlah mol yang masuk
tidak sama dengan jumlah mol yang keluar. Hal Hal ini disebabkan oleh
adanya reaksi kimia pada komponen-komponennya.
NERACA BAHAN DENGAN “tie component” ATAU ”key component”
Banyak persoalan neraca bahan yang seolah-olah rumit tetapi
sebenarnya kalau diperhatikan dengan seksama dapat disederhanakan
karena terdapat tie component atau key component . Komponen ini
Materi Azas Rekayasa Proses Page 31
adalah komponen yang selama proses dari satu aliran ke aliran lain tidak
mengalami perubahan sama sekali (numpang lewat doang).
Misalnya pada contoh soal 1, yang menjadi tie component adalah
bahan padat (karena tidak mengalami perubahan sama sekali dan jmlahnya
tetap) , sedangkan pada contoh soal 3 dan 4 yang menjadi tie component
adalah Nitrogen (karena tidak ikut bereaksi/ inert).
DERAJAT KEBEBASAN ATAU DEGREE OF FREEDOM
Ada suatu ukuran yang dapat memberikan indikasi bahwa suatu
persamaan (neraca bahan) mungkin dapat diselesaikan atau tidak. Ukuran
ini adalah degree of freedom atau derajat kebebasan dari suatu persoalan.
Seharusnya bila ada n besaran yang tidak diketahui maka untuk
menyelesaikannya dibutuhkan n buah persamaan yang independen.
Bila jumlah persamaan yang tersedia kurang dari n buah maka
persoalan tersebut tidak dapat diselesaikan. Sebaliknya jika terdapat lebih
dari n buah persamaan maka harus diambil hanya n buah persamaan untuk
menyelesaikannya. Itu pun dengan resiko bila persamaan yang kita ambil
salah maka dapat terjadi ketidak konsistenan ketentuan di antara
persamaan – persamaan yang berlebih tersebut sehingga hasil yang
diperoleh salah.
Derajat kebebasan adalah ukuran yang sederhana untuk mengetahui
hal tersebut. Analisis derajat kebebasan merupakan mekanisme yang
sistematis untuk menghitung semua variabel, persamaan-persamaan neraca
dan hubungan-hubungan yang terkait dalam permasalahan.
Derajat Kebebasan (DK) =
Jika DK > 0 : Permasalahan tdk dapat diselesaikan (kurang terspesifikasi)
Materi Azas Rekayasa Proses Page 32
Jumlah variabel aliran yang independen - Jumlah persamaan neraca yang
independen - Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen – Jumlah
hubungan yang terkait ( yg membentuk persamaan)
Jika DK < 0 : Permasalahan kelebihan spesifikasi dapat menyebabkan
inkonsistensi
Jika DK = 0 : Permasalahan terspesifikasi dengan benar karena jumlah var
yang tidak diketahui sama dengan jumlah persamaan yang ada
Contoh 1 menghitung DK
Suatu umpan kolom destilasi dengan laju alir 1000 mol/jam mempunyai
komposisi sebagai berikut (%mol): 20% propane, 30% isobutane, 20%
isopentane dan sisanya normal pentane Destilat yang dihasilkan
mengandung semua propane dan 80% isopentane yang masuk kolom, serta
mengandung 40% isobutane. Produk bawah (bottom prod) mengandung
semua normal pentane yang masuk kolom. Hitung komposisi kedua produk
tersebut.
Analisis:
1. Terdapat 1 kolom destilasi (1 alat saja)
2. Terdapat 3 aliran (1 masuk, 2 keluar)
3. Anggaplah tiap-tiap aliran mempunyai 4 variabel yaitu 1 var laju alir
dan 3 var komposisi. Dengan demikian untuk ketiga aliran tersebut
masingmasing terdapat 4 var aliran yang nantinya dapat disusun
menjadi 4 persamaan neraca bahan yang independen.
4. Variabel-veriabel aliran yang terspesifikasi (biasanya ditentukan atau
diketahui) sehingga variabel independen dari aliran adalah:
a. 3 var indep komposisi umpan = 20% C3, 30% C4, 20% C5
b. 2 var indep komposisi destilat = 0% C5 dan 40% C4
c. 1 var indep komposisi bottom prod = 0% C3
d. 1 var indep laju umpan = 1000 mol/jam
Berdasarkan analisis diatas maka dapat dijawab sbb:
- Jumlah variabel aliran = 3 aliran x 4 var/aliran = 12 var
- Jumlah persamaan neraca bahan independen = jumlah komponen yang
terdapat dalam sistem yaitu 4 persamaan
- Jumlah var terspesifikasi ada 2 macam yaitu :
Materi Azas Rekayasa Proses Page 33
* komposisi ada 6 (a,b & c)
* aliran ada 1 (d)
- Jumlah hubungan terkait berupa perolehan di destilat (80%)
Maka:
Jumlah variabel aliran yang independen = 12
Jumlah persamaan neraca yang independen = 4
Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen
Komposisi = 6
Aliran = 1
Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman) = 1 _ -
Derajat Kebebasan (DK) = 0
Disini permasalahan terspesifikasi dengan benar sehingga persoalan hanya
memiliki satu penyelasaian. Tetapi perhitungan jumlah variabel dan
spesifikasi ini sering tidak sama pada berbagai literatur karena adanya
penyederhanaan oleh masing-masing analis, meskipun hasil akhirnya (DK)
tetap sama. Seperti contoh di atas, bisa saja jumlah variabel aliran hanya 10
karena kita sudah mengetahui bahwa komposisi dari C5 pada produk destilat
= 0. Dengan demikian untuk perhitungan jumlah variabel komposisi aliran
yang terspesifikasi juga akan berkurang 2 (kedua komposisi tadi) sehingga
menjadi 4 Maka:
DK = 10 var aliran - 4 persamaan neraca bahan independen - 4 komposisi –
1 aliran - 1 hub terkait
DK = 0
Contoh 2 menghitung DK
Titanium dioksida TiO2 banyak digunakan sebagai zat warna pada industri
cat dan kertas. Dalam suatu unit pencuci pada pabrik zat tersebut diinginkan
untuk memproduksi 4000 lb/jam TiO2 kering dan maksimum mengandung
100 ppm garam basis kering. Keluar dari alat pembuatnya zat pewarna
tersebut (raw pigmen) mengandung 40% TiO2, 20% garam dan sisanya air
(% massa).
Materi Azas Rekayasa Proses Page 34
Pemurnian dilakukan dengan cara pencucian menggunakan air (H2O)
kemudian pemisahan dengan pengendapan hingga diperoleh produk
pewarna yang bersih (washed product) dan air bekas mencuci yang disebut
waste water. Pewarna yang dikehendaki minimal haruslah mengandung 50%
TiO2. Karena air buangan bekas cuci tersebut akan dibuang ke sungai maka
komposisinya harus diketahui dengan tepat. Hitunglah
Analisis:
ncuci
• Dari diagram diatas dapat dilihat bahwa jumlah variabel aliran-aliran
tersebut adalah:
- Pewarna kotor 3
- Air pencuci 1
- pewarna bersih 3
- Air cucian 2
9
• Jumlah komponen dalam soal ini ada 3, jadi pesamaan neraca independen
juga ada 3
• Jumlah komposisi yang terspesifikasi : 2 untuk pewarna kotor, 1 untuk
pewarna bersih
• Jumlah hubungan tambahan, kapasitas produk dan kandungan garam, ada
2
Materi Azas Rekayasa Proses Page 35
Maka:
Jumlah variabel aliran yang independen = 9
Jumlah persamaan neraca yang independen = 3
Jumlah veriabel aliran terspesifikasi yang independen = 3
Jumlah hubungan yang terkait ( yg membentuk persaman) = 2 _
Derajat Kebebasan (DK) = 1
DK = 1 atau >0 hal ini berarti soal tersebut tidak bisa diselesaikan (kurang
terspesifikasi), Ada 3 variabel yang tidak diketahui sedangkan hanya ada 2
persamaan jadi perlu satu persamaan lagi, persaman ini bisa berasal dari
komposisi, laju alir atau perbandingan lain yang menyebabkan tambahan
hubungan diantara veriabel-variabel yang tidak dketahui tersebut. Sekarang
coba selesaikan dengan tambahan keterangan perbandingan penggunaan
massa air pencuci/pewarna adalah 6 lb H2O per lb pewarna atau F2/F1 = 6
Materi Azas Rekayasa Proses Page 36
Bypass, Recycle, Purge, Spliter & Mixer
Pada diagram di atas dapat dilihat terdapat beberapa aliran dan alat, berikut
akan dijelaskan tiap aliran dan alat yang digunakan:
I adalah alat yang disebut dengan separator: alat ini berfungsi untuk
memisahkan komposisi tertentu dari suatu aliran sehingga komposisi pada
aliran yang dihasilkan berbeda dengan aliran awal.
II adalah alat yang disebut dengan spliter: alat ini berfungsi untuk
memisahkan aliran tetapi tanpa mengubah komposisi yang terdapat pada
lairan sehingga komposisi aliran yang dihasilkan sama dengan komposisi
aliran awal.
III adalah alat yang disebut dengan mixer: alat ini berfungsi untuk
mencampurkan aliran.
Untuk separator dan spliter bisa terdapat pada aliran yang akan di purge,
recycle ataupun yang akan di bypass, tetapi mixer biasanya hanya terdapat
pada aliran yang akan dicampur.
Aliran R adalah aliran Recycle (Daur ulang), aliran ini berfungsi untuk
mengembalikan zat-zat, yang masih dibutuhkan, yang masih terdapat dalam
aliran keluar untuk kembali mengalami proses.
Aliran B adalah aliran Bypass, aliran ini adalah aliran yang melewati satu
atau beberapa tahap proses yang langsung menuju pada proses selanjutnya.
Materi Azas Rekayasa Proses Page 37
Aliran P adalah aliran Purge aliran ini adalah aliran pembuangan untuk
mengeluarkan akumulasi dari inert atau materi yang tidak diinginkan yang
jika tidak dikeluarkan akan tertimbun dalam aliran Recycle.
Dalam neraca massa dengan reaksi kimia kita akan menemui istilah
fraction conversion , fraction conversion yang dimaksud di sini adalah
banyaknya jumlah zat yang digunakan dalam suatu proses dibandingkan
dengan jumlah input zat tersebut. Faktor konversi dibedakan menjadi 2 jenis
yaitu :
1. Overall fraction conversion (konversi keseluruhan )
2. Single pass atau once through conversion
Secara singkat dapat dikatakan bahwa single pass hanya menghitung
konversi pada satu alat saja, sedang overall menghitung konversi dalam
sistem.
SOAL 1Asam asetat dapat diproduksi melalui reaksi berikut:
2C2H5OH + 2Na2Cr2O7 + 8H2SO4 3CH3COOH + 2Cr2(SO4)3 + 2Na2SO4 +
11H2O
Reaksi berlangsung dalam system dengan recycle seperti digambarkan
dalam diagram berikut:
Materi Azas Rekayasa Proses Page 38
Konversi etanol overall sebesar 90% dicapai jika laju alir recycle sama
dengan laju umpan segar C2H5OH. Laju umpan segar H2SO4 dan Na2Cr2O7
masing-masing berlebih 20% dan 10% secara stoikiometrik terhadap jumlah
umpan segar C2H5OH. Jika aliran recycle mengandung 94% H2SO4 dan
sisanya C2H5OH (% dalam mol), hitunglah:
a. Laju alir produk (P)
b. Laju alir dan komposisi produk limbah (W)
c. Konversi single pass reactor etanol
SOAL 2
Dalam suatu industri minuman, jus jeruk segar mengandung 12% padatan
dan sisanya air; sedangkan produk jus kental mengandung 42% padatan.
Jika proses pengentalan dilakukan dengan proses evaporasi tunggal,
sebagian kandungan zat-zat volatile ikut teruapkan bersama air dan
mengakibatkan rasa yang hambar. Untuk mengatasi masalah ini, sebagian
aliran jus jeruk segar di bypass untuk kemudian digabungkan dengan aliran
keluaran evaporator. Sementara itu, aliran jus jeruk segar dikentalkan dalam
evaporator hingga kandungan padatan menjadi 58%.
a. Gambarkan proses yang terjadi!
b. Hitunglah julah produk jus kental yang dihasilkan per 100 kg jus
jeruk segar yang diumpankan ke proses!
c. Hitunglah fraksi jus jeruk segar yang di bypass!
Gunakan notasi-notasi berikut:
Materi Azas Rekayasa Proses Page 39
F = Aliran jus jeruk segar; E = aliran keluaran evaporator; B = aliran bypass;
P = aliran produk jus kental.
GAS, UAP, CAIRAN DAN PADATAN
4.1 HUKUM GAS IDEAL
Gas ideal adalah gas imajiner yang memenuhi persamaan :
P V = n R T
Dengan :
P = tekanan gas
V = volum total gas
n = jumlah mol gas
R = konstanta gas ideal
T = Suhu dalam kelvin
Persamaan ini dapat diterapkan untuk komponen murni atau campuran.
Sejumlah keadaan standar yang ditentukan secara sembarang atau yang
dikenal dengan standard condition dari suhu dan tekanan ditentukan untuk
mengetahui nilai R, jadi kenyataan bahwa sebuah unsur tdk berwujud gas
pada 0oC dan 1 atm (dalam keadaan standar) tidaklah penting. Sebagai
contoh uap air pada 0oC tdk dapat berada dalam tekanan yang lebih besar
dari 0,61 kPa tanpa terjadi pengembunan.
4.1.1 Penerapan hukum gas ideal:
Hk gas ideal dapat digunakan untuk menentukan volume, tekanan, atau
suhu suatu zat dalam keadaan tertentu.
Contoh:
Berapakah densitas O2 pada 27oC dan 250 kPa dalam satuan SI ?
27oC = 300 K ; R = 0,008314 kPa m3/mol K
basis = 1 m3 gas O2
Materi Azas Rekayasa Proses Page 40
massa O2 = 3,2 kg
densitas O2 = 3,2kg/1m3 = 3,2 kg/m3
4.1.2 Campuran gas ideal dan tekanan gas parsial
Dalam kehidupan sehari-hari, gas biasanya berada dalam suatu
campuran dengan gas lain. Dalam keadaan seperti ini anda tetap dapat
menggunakan hukum gas ideal. Biasanya kita menggunakan kuantitas
khayalan yang disebut tekanan parsial. Tekanan parsial dari gas I
didefinisikan sebagai Pi. Jadi hukum gas idealnya menjadi:
Pi Vtotal = ni R T
Atau
Dimana Yi = Fraksi mol zat i
Contoh soal:
Udara di bumi terdiri dari 21% (%V) oksigen dan 79% nitrogen. Tekanan
parsial oksigen 21 kPa, berapakah tekanan total udara?
PO2 = 21kPa
YO2 = 0,21
4.2 KEJENUHAN (SATURATION)
Kejenuhan adalah suatu keadaan setimbang daimana saat tekanan
persial dalam gas sama dengan tekanan uap cairan tersebut, dalam keadaan
Materi Azas Rekayasa Proses Page 41
ini tidak ada lagi zat cair yang menguap atau gas yang mengembun. Pada
saat titik jenuh tercapai kita dapat menyatakan bahwa zat tersebut berada
dalam titik embun (dew point). Dengan mengasumsikan bahwa sistem gas
ideal berlaku pada saat jenuh maka kita dapat menuliskan hubungan
tekanan (P) gas dengan tekanan (P) cairan dalam keadaan jenuh sebagai
berikut.
4.3 KEJENUHAN PARSIAL DAN KELEMBAPAN
Kejenuhan parsial adalah kondisi dimana uap tidak berada dalam
ekuilibrium dengan fase cair, dan tekanan parsial uap lebih kecil daripada
tekanan uap cairan pada suhu tertentu. Ketika uap adalah uap air dan gas
adalah udara, berlaku istilah khusus kelembapan (humidity). Untuk gas
atau uap lainnya digunakan istilah kejenuhan (saturation).
Kejenuhan relatif (relative saturation) didefinisikan sebagai :
Dengan:
Puap = Tekanan parsial uap dalam campuran gas
Pjenuh = tekanan parsial uap dalam campuran gas jika gas jenuh pada suhu
campuran yang diberikan (yaitu tekanan uap dari komponen uap)
Untuk ringkasnya :
Materi Azas Rekayasa Proses Page 42
Kejenuhan molal adalah cara lain untuk menyatakan konsentrasi uap
dalam gas adalah menggunakan rasio mol uap terhadap mol gas bebas uap:
untuk suatu sistem biner dimana 1 menunjukan uap dan 2 menunjukkan gas
kering:
Kelembapan atau Humidity (H) manunjukan massa uap cair per massa
udara kering (bonedry air)
Kejenuhan (kelembapan) “Absolut”, Presentase Kejenuhan
(Kelembapan).
Kejenuhan “Absolut” didefinisikan sebagai rasio mol uap per mol gas
bebas-uap terhadap mol uap yang akan ada per mol gas bebas-uap jika
campuran tersebut jenuh secara sempurna pada suhu dan tekanan total
yang ada:
Dengan 1 untuk uap dan 2 untuk gas bebas uap
Persen kejenuhan absolut =
Materi Azas Rekayasa Proses Page 43
Titik Embun. Selama gas yang jenuh secara parsial mendingin pada volume
konstan, ataupun pada tekanan total konstan, gas yang takdapat
mengembun akhirnya menjadi jenuh dengan uap, dan uap tersebut mulai
mengembun. Suhu pengembunan dimulai pada titik embun (dew point).
Materi Azas Rekayasa Proses Page 44
top related