BAB V NERACA MASSA DAN ENERGI Untuk menentukan kapasitas peralatan pabrik serta kebutuhan energi suatu pabrik, diperlukan perhitungan terhadap neraca massa dan neraca energi yang masuk dan keluar dari suatu peralatan. Kedua neraca ini sangat diperlukan dalam penentuan spesifikasi setiap peralatan proses. Jumlah panas yang dibutuhkan sesuai dengan jumlah massa yang diproses. Demikian juga ukuran peralatan ditentukan oleh jumlah massa yang harus ditangani. 5.1 Neraca Massa Neraca massa merupakan penerapan dari pada prinsip kekekalan massa pada satuan proses. Hukum kekekalan massa menyatakan bahwa ”massa tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Perubahan dapat terjadi bila terjadi perubahan energi, tetapi dalam reaksi kimia perubahan massa kecil sekali sehingga prinsip kekekalan massa dapat diperlakukan. Hukum kekekalan massa tidak berlaku pada reaksi-reaksi fusi dan fisi dimana perubahan massa jauh lebih besar dari pada reaksi kimia biasa. 5.1.1 Persamaan Neraca Massa
35
Embed
50%-FIXED-BAB 5 Neraca Massa Dan Energi PP Hidrogen
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAB V
NERACA MASSA DAN ENERGI
Untuk menentukan kapasitas peralatan pabrik serta kebutuhan energi suatu
pabrik, diperlukan perhitungan terhadap neraca massa dan neraca energi yang
masuk dan keluar dari suatu peralatan. Kedua neraca ini sangat diperlukan dalam
penentuan spesifikasi setiap peralatan proses. Jumlah panas yang dibutuhkan
sesuai dengan jumlah massa yang diproses. Demikian juga ukuran peralatan
ditentukan oleh jumlah massa yang harus ditangani.
5.1 Neraca Massa
Neraca massa merupakan penerapan dari pada prinsip kekekalan massa pada
satuan proses. Hukum kekekalan massa menyatakan bahwa ”massa tidak dapat
diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Perubahan dapat terjadi bila terjadi
perubahan energi, tetapi dalam reaksi kimia perubahan massa kecil sekali
sehingga prinsip kekekalan massa dapat diperlakukan. Hukum kekekalan massa
tidak berlaku pada reaksi-reaksi fusi dan fisi dimana perubahan massa jauh lebih
besar dari pada reaksi kimia biasa.
5.1.1 Persamaan Neraca Massa
Dalam penentuan neraca massa dari suatu sistem atau peralatan diperlukan
adanya batasan-batasan dari sistem yang ditinjau. Perhitungan neraca massa pada
sistem kontinyu dianggap dalam keadaan tunak (steady state). Aliran proses yang
mempunyai lebih dari satu komponen, perhitungan neraca masanya dilakukan
pada masing-masing komponen disamping perhitungan neraca massa total.
Persamaan umum untuk setiap sistem proses yang terjadi dapat ditulis:
Massa keluar = massa masuk + generasi – konsumsi – akumulasi (5.1)
Untuk proses steady state dan tidak terjadi reaksi kimia maka akumulasi,
generasi dan konsumsi adalah nol. Sehingga persamaan neraca massanya dapat
dituliskan:
Massa keluar = Massa masuk (5.2)
5.1.2 Langkah-langkah Pembuatan Neraca Massa
Menurut Himmeblau (1982) langkah-langkah yang ditempuh dalam
pembuatan neraca massa adalah sebagai berikut:
1. Menggambarkan diagram proses dengan aliran-aliran yang diperlukan.
2. Menuliskan besaran, data yang diketahui, dan data yang diperlukan pada
diagram tersebut.
3. Memeriksa apakah ada komposisi atau massa pada setiap aliran yang
langsung dapat diketahui atau dihitung.
4. Menetapkan dasar perhitungan, semua perhitungan bahan atau komponen
harus didasarkan pada dasar yang sama.
5. Jumlah besaran yang diketahui harus dihitung tidak boleh melebihi jumlah
persamaan neraca bahan independen yang ada.
6. Jika jumlah persamaan neraca massa bahan yang diketahui melebihi, perlu
dipilih persamaan-persamaan yang digunakan untuk menyelesaikan
persoalan.
7. Membuat persamaan sesuai dengan jumlah yang tidak diketahui.
8. Menyelesaikan persamaan untuk mendapatkan yang belum diketahui.
Di samping itu juga dikenal cara perhitungan neraca massa menurut
Reklaitis (1976), yaitu dengan langkah-langkah sebagai berikut:
1. Menggambarkan diagram proses dengan aliran-aliran yang diperlukan.
2. Menuliskan besaran, data yang diketahui, dan data yang diperlukan dalam
diagram tersebut.
3. Menentukan derajat kebebasan atau degree of freedom dari masing-masing
proses dan proses secara keseluruhan.
4. Meyusun persamaan untuk menyelesaikan persoalan.
5. Menyelesaikan persamaan yang dimulai dari proses yang derajat
kebebasannya sama dengan 0 (nol).
6. Selanjutnya disusun tabel derajat kebebasan yang baru untuk menyelesaikan
persamaan yang derajat kebebasannya sama dengan nol, begitu seterusnya
sehingga semua persamaan dapat diselesaikan.
5.2 Neraca Energi
Neraca energi merupakan persamaan matematika yang menyatakan
hubungan antara energi masuk dan energi keluar sistem. Prinsip dasar yang
digunakan sesuai dengan prinsip dasar kekekalan energi, yaitu ”energi tidak dapat
diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan”. Konsep neraca energi menurut
Himmelblau (1982) pada dasarnya sama dengan konsep neraca massa, yaitu:
E = E1 – E0 (5.3)
Keterangan:
E = akumulasi energi
E1 = energi masuk
E0 = energi keluar
Persamaan energi pada proses-proses industri biasanya dapat
disederhanakan untuk proses-proses tanpa akumulasi (steady state), sehingga
Persamaan 5.3 diatas menjadi lebih sederhana, yaitu:
E1 = E0 (5.4)
Istilah-istilah yang sering dijumpai pada perhitungan neraca energi adalah:
1. Entalpi (H), merupakan jumlah energi dalam dan perkalian antara tekanan
dan volume, perubahan entalpi merupakan panas yang diserap atau panas
yang dikeluarkan oleh dan dari sistem.
2. Kapasitas panas (Cp), merupakan energi yang dibutuhkan oleh suatu zat
untuk menaikkan suhu 1C, energi ini dapat diberikan dengan cara
pemindahan panas dalam suatu proses tertentu.
3. Panas reaksi dan panas standar, merupakan perubahan entalpi sebelum dan
sesudah reaksi terjadi, panas reaksi terjadi pada tekanan 1 atm dan
temperatur 25C.
4. Panas pembentukan standar, merupakan panas reaksi yang khusus, panas
yang diperlukan untuk pembentukan senyawa dari unsurnya.
5. Panas sensibel, merupakan panas yang dibutuhkan untuk menaikkan atau
menurunkan temperatur suatu zat tanpa merubah fasanya.
6. Panas laten, merupakan panas yang dibutuhkan untuk merubah fasa suatu
zat tanpa menaikkan atau menurunkan temperaturnya.
Untuk hasil perhitungan neraca massa dan energi pada tiap alat dapat dilihat
pada Tabel 5.1 dan seterusnya pada Subbab 5.3 Hasil Perhitungan Neraca Massa
dan Subbab 5.4 Hasil Perhitungan Neraca Energi, sedangkan contoh perhitungan
neraca massa dan energi untuk masing-masing peralatan disajikan pada Lampiran
A dan B.
5.3 Hasil Perhitungan Neraca Massa
Perhitungan neraca massa pada Prarancangan Pabrik Hidrogen dari Tandan
Kosong Kelapa Sawit adalah seperti di bawah ini:
Basis perhitungan : 1 jam operasi
Satuan : kilogram/jam (kg/jam)
Waktu operasi : 300 hari
Kapasitas produksi : 27.000 ton/tahun atau 3.750 kg/jam
5.3.1 Primary Belt Conveyor (BC-101)
Fungsi : Membawa TKKS (serbuk) dari feedstock storage (ST-101) ke
feedstock bucket elevator (BE-101).
Gambar 5.1 Alur neraca massa pada primary belt conveyor (BC-101)
F1 outTKKS
F1 inTKKS
Tabel 5.1 Neraca massa pada primary belt conveyor (BC-101)Masuk Keluar
Aliran Komponen F (kg/jam) Aliran Komponen F (kg/jam)F1 in TKKS 30.000 F1 out TKKS 30.000
Total 30.000 Total 30.000
5.3.2 Feedstock Bucket Elevator (BE-101)
Fungsi : Membawa TKKS dari primary belt conveyor (BC-101) ke feedstock
hooper (H-101).
Gambar 5.2 Alur neraca massa pada feedstock bucket elevator (BE-101)
Tabel 5.2 Neraca massa pada feedstock bucket elevator (BE-101)Masuk Keluar
Aliran Komponen F (kg/jam) Aliran Komponen F (kg/jam)F1 out TKKS 30.000 F1 out’ TKKS 30.000
Total 30.000 Total 30.000
5.3.3 Feedstock Hooper (H-101)
Fungsi : Menampung TKKS dari feedstock bucket elevator (BE-101) dan
menjatuhkannya ke dalam feedstock chipper (CP-101).
Gambar 5.3 Alur neraca massa pada feedstock hooper (H-101)
F1 out’
TKKS
F1 out
TKKS
F2
TKKS
F1 out’
TKKS
Tabel 5.3 Neraca massa pada feedstock hooper (H-101)Masuk Keluar
Aliran Komponen F (kg/jam) Aliran Komponen F (kg/jam)F1 out’ TKKS 30.000 F2 TKKS 30.000
Total 30.000 Total 30.000
5.3.4 Feedstock Chipper (CP-101)
Fungsi : Menghancurkan TKKS yang berasal feedstock hooper (H-101)
sehingga menjadi serbuk berukuran 7 cm.
Gambar A.4 Alur neraca massa pada feedstock chipper (CP-101)
Tabel 5.4 Neraca massa pada feedstock chipper (CP-101)Masuk Keluar
Aliran Komponen F (kg/jam) Aliran Komponen F (kg/jam)F3 TKKS (serbuk) 30.000 F2 TKKS (serbuk) 30.000
Total 30.000 Total 30.000
5.3.5 Feedstock Silo (SL-101)
Fungsi : Menampung TKKS serbuk untuk keperluan harian.
Gambar 5.5 Alur neraca massa pada feedstock silo (SL-101)
F4
TKKS (serbuk)
F3
TKKS (serbuk)
F3
TKKS (serbuk)
F2
TKKS
Tabel 5.5 Neraca massa pada feedstock silo (SL-101)Masuk Keluar
Aliran Komponen F (kg/jam) Aliran Komponen F (kg/jam)F3 TKKS (serbuk) 30.000 F4 TKKS (serbuk) 30.000
Total 30.000 Total 30.000
5.5.6 Secondary Belt Conveyor (BC-102)
Fungsi : Membawa TKKS (serbuk) dari feedstock silo (SI-101) ke feedstock
rotary (RD-101).
Gambar 5.6 Alur neraca massa pada secondary belt conveyor (BC-102)
Tabel 5.6 Neraca massa pada secondary belt conveyor (BC-102)Masuk Keluar
Aliran Komponen F (kg/jam) Aliran Komponen F (kg/jam)F4 in TKKS (serbuk) 30.000 F4 out TKKS (serbuk) 30.000
Total 30.000 Total 30.000
5.5.7 Feedstock Rotary Dryer (RD-101)
Fungsi : Menghilangkan kandungan moisture (air) dari TKKS dengan
menggunakan steam.
Gambar 5.7 Alur neraca massa pada feedstock rotary dryer (RD-101)