Neraca Massa 1-OK

ASAS TEKNIK KIMIA I (2SKS)

Oleh :

MATERINERACA MASSA1. Neraca Massa Tanpa Reaksi2. Neraca Massa Dengan Reaksia. Stoichiometrib. Neraca Atomc. Recycle

Balances of Atomic and Molecular SpeciesMethods for solving mass balances with reactionsUsing balances on molecular speciesUsing balances of atomsUsing the extent of reactionFor multiple reactions, sometimes it is more convenient to use atomic balances

Merupakan penerapan hukum konservasi ( kekekalan ) massa, bukan volum maupun mol ( Lavoisier ), materi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan. Dalam teknik kimia neraca massa digunakan untuk menghitung apa yang terjadi terhadap masing-masing zat kimia yang dipakai dalam proses kimia atau metode yang rapi dalam menganalisa masalah dan mengajukan pemecahannya ).

Apa yang harus dipelajari :

Menetapkan suatu arus prosesMenetapkan suatu unit prosesMemakai neraca massa pada suatu unit prosesMemakai neraca massa pada sederetan unit proses.

Usesday to day operation of process for monitoring operating efficiencyMaking calculations for design and development of a process i.e. quantities required, sizing equipment, number of items of equipment

NERACA MASSA Konsep neraca massa di bidang teknik kimia digunakan untuk mengetahui massa bahan sebelum,selama dan sesudah dilakukan suatu proses dalam suatu alat dalam industri kimia. A=1kg A=1kg Alat B=1kg PemisahB=1kg

Recycle and BypassReasons for RecycleRecovering and reusing unconsumed reactantsRecovery of catalyst (catalyst : expensive)Dilution of process streamControl of process variablesCirculation of working fluid

A + BABCA + B CRecycle unused reactants (A,B)

BypassA fraction of the feed is diverted around the process unit and combined with the output stream. Controlling properties and compositions of product stream

Product separation and recycleNormally, reactions are not completeSeparation and recycleImproved yield, conversion ,

Overall conversion Single-pass conversion

ReactorProductSeparationUnitRecycleReactantsProducts

Purging Getting rid of undesired materials in recycle stream.ReactorProductSeparationUnitRecycleReactantsProductsPurging

Hukum kekekalan massaNeraca massa pada alat industri kimia dapatdisusun berdasarkan hukum kekekalan massa yang menyatakan bahwa:

massa itu kekal (tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan)

Proses & Alat yang sering digunakan dalam industri kimia ProsesAlatPencampuran MIxerPengeringan DrierPemekatan EvaporatorDistilasi Menara DestilasiFiltrasi FilterEkstraksi EkstraktorDekantasi DekanterAbsorbsi AbsorberReaksi ReaktorPembakaran Burner

Sifat proses dalam suatu alatProses batch Proses batch adalah suatu proses yang bersifat sesaat yang dilakukan pada selang waktu tertentu.( Umpan dimasukkan system pada awal proses dan produk diambil pada suatu saat kemudian. Tidak ada massa yang melewati batas system antara saat umpan dimasukkan dan saat produk diambil.) Misalnya 2 kg bahan A dimasukkan dalam reaktor kemudian dibiarkan bereaksi selama 4 jam, setelah reaksi selesai hasil diambil dari reaktor sbb:

Pengisian Proses Pengeluaran

Proses Kontinyu (Sinambung) Proses yang dilakukan secara kontinyu / terus menerus. (suatu proses dimana arus umpan dan arus produk membawa bahan-bahan kimia masuk dan keluar proses setiap waktu. ) Misalnya bahan A dimasukkan ke dalam reaktor secara kontinyu dengan kecepatan tertentu, dalam reaktor terjadi reaksi,sementara secara kontinyu juga bahan keluar dari reaktor sbb:

Kondisi proses kontinyuPada awal proses kontinyu, kadaan belum stabil (masih terjadi perubahan dari keadaan alat yang kosong menjadi terisi) . Sampai suatu saat tercapai kondisi yang stabil, maka kondisi proses pada proses kontinyu dapat dibedakan menjadi 2 jenis yaitu kondisi Unsteady State (kondisi tidak ajeg) dan kondisi Steady state (kondisi ajeg/tunak).

Unsteady StateKondisi proses yang belum stabil, masih terjadi perubahan massa dalam alat, karena kecepatan massa bahan masuk lebih besar dari kecepatan massa bahan keluar. Hal ini terjadi pada awal proses sampai kecepatan bahan masuk sama dengan kecepatan bahan keluar. ( ada perubahan peubah terhadap waktu. Umumnya dipakai untuk prose batch dan semi batch )Steady StateProses dengan kondisi yang stabil, tidak terjadi perubahan massa dalam alat, karena kecepatan massa bahan masuk sama dengan kecepatan massa bahan keluar.( jika nilai semua peubah dalam suatu proses ( T, P, V dan Q ) tidak berubah terhadap waktu. Umumnya dipakai untuk proses kontinu.)

Tanpa reaksi Dengan reaksi 1Alat tunggal Alat tunggal 2Alat majemuk Alat majemuk 3Recycle, by-pass dan purge Recycle, by-pass dan purge

Membuat neraca massa.

Membuat atau menentukan system dan menguraikan batas-batasnyaSemirip apa masalah tersebutMemecahkan dengan cepat dan efisien.

Flow chartExtractor 1E1Extractor 1E2Distillation100 kg0.50 A0.50 W100 kg M75 kg M43.1 kg0.053 A0.016 W0.931 WE1 kgE2 kgECM (kg M)ECA (kg A)ECW (kg W)BM (kg M)BA (kg A)BW (kg W)0.97 A0.02 W0.01 WV (kg)Draw flow chart.Choose basis of calculation given in the problemLabel unknown streams.0.275 AXM M(1-XM)W0.09 A0.88 M0.03 W

Bentuk yang operasional dalam teknik kimia dari hukum kekekalan massa :Input Output = Accumulation(banyak digunakan pada proses batch)

Atau dalam bentuk kecepatan (rate)Rate of Input Rate of Output=Rate of Accumulation(digunakan pada proses batch maupun kontinyu)

Persamaan tersebut berlaku untuk massa total bahan.Apabila bahan terdiri dari N buah komponen dan tidak adaReaksi maka massa masing masing komponen juga tetap, dandapat disusun N buah persamaan massa komponen dalambentuk seperti persamaan di atas

Apabila di dalamnya terjadi reaksi kimiaPersamaan massa komponen menjadi:Input Output Reaction = Accumulation

Atau dalam bentuk kecepatan (rate)Rate of Input Rate of Output - Rate of Reaction =Rate of Acc

PERSAMAAN NERACA MASSA PADA PROSES BATCH Neraca massa totalInput - Output = Accumulation M1 - M2 = dM

Neraca massa komponen tanpa reaksiInput A Output A = Accumulation A XA1M1 XA2M2 = dXAM

Neraca massa komponen dengan reaksiInput A Output A A bereaksi= Accumulation A XA1M1 XA2M2 - A bereaksi = dXAM

Jumlah neraca massa komponen sama dengan jumlah komponen yang ada dalam proses tersebut

Perhitungan neraca massa sederhana pada proses batchMelakukan perhitungan bahan sebelum dan sesudah proses saja dengan menganggap :Massa bahan sebelum proses = inputMassa bahan sesudah proses = outputMassa bahan bereaksi = ReactionAccumulation = 0Neraca massa total tanpa reaksiInput - Output = Accumulation M1 M2 = 0 M1 = M2 Massa sebelum proses= Massa sesudah proses

Neraca massa komponen tanpa reaksiInput - Output = Accumulation XA1M1 XA2M2 = 0XA1M1 = XA2M2 Massa komponen sebelum proses=Massa komponen sesudah prosesNeraca massa komponen dengan reaksiInput - Output - Reaction = AccumulationXA1M1 XA2M2 A bereaksi = 0M1XA1 A bereaksi = M2XA2Massa sebelum proses - massa bereaksi = Massa sesudah proses Massa sebelum proses + massa terbentuk= Massa sesudah proses

Neraca massa pada proses kontinyuNeraca massa totalRate of Input Rate of Output = Rate of Accumulation M1 - M2 = dM/dt

Neraca massa komponen A tanpa reaksiRate of Input A Rate of Output A = Rate of Accumulation A XA1M1 XA2M2 = dXAM/dt

Neraca massa komponen A dengan reaksiInput A Output A Rate of A reaction = Accumulation A XA1M1 XA2M2 - Kecepatan A bereaksi = dXAM/dT

Jumlah neraca massa komponen sama dengan jumlah komponen yang ada dalam proses tersebut

Perhitungan neraca massa sederhana pada proses kontinyuMelakukan perhitungan massa bahan masuk dan keluar dari alat pada saat kondisi sudah steady state, Rate of acc = 0

Neraca massa totalRate of Input Rate of Output = 0 M1 - M2 = 0 atau M1=M2

Neraca massa komponen A tanpa reaksiRate of Input A Rate of Output A = 0 XA1M1 XA2M2 = 0 atau XA1M1 = XA2M2

Neraca massa komponen A dengan reaksiInput A Output A Rate of A reaction = 0 XA1M1 XA2M2 - Kecepatan A bereaksi = 0 XA1M1 - Kecepatan A bereaksi = XA2M2

Simple example batch mixing process 200 kg of a 40% w/w methanol/water solution is mixed with 100 kg of a 70% w/w methanol/water solution in a batch mixer unit. What is the final quantity and composition?

continuedTotal initial mass = total final mass = 300 kgInitial methanol mass = final methanol mass80 + 70 = final methanol mass = 150 kgTherefore final composition of batch is (150/300) x 100 = 50 % by wt.

Exercise 1000 kg of 8% by wt. sodium hydroxide (NaOH) solution is required. 20% sodium hydroxide solution in water and pure water are available. How much of each is required?

Contoh:100 kg bahan I yang terdiri atas A, B dan C dengan komposisi fraksi massa A= 0,4, fraksi massa B= 0,2 dicampur dengan 200 kg bahan II yang terdiri atas A dan B saja dengan fraksi massa A= 0,3. Hitung massa bahan dan komponen setelah dicampur.

100kg larutan HCl 40% massa dibuat dengan mencampur larutan HCl 20% massa dan larutan HCl 75% massa. Berapa kebutuhan masing2 larutan tersebut.

Example -1Acetonitrile is produced by the reaction of propylene, ammonia and oxygen.C3H6 + NH3 + 3/2 O2 C3H3N + 3H2O

The feed contains 10 mol % propylene, 12 % ammonia and 78 % air. A fractional conversion of 30 % of the limiting reactant is achieved. Determine which reactant is limiting, the percentage by which each of the reactants is in excess, and the molar flow rates of all product gas constituents for a 30 % conversion of the limiting reactants, taking 100 mol of feed as basis.

SolutionBasis, 100 mol feedReactor100 mol0.100 mol C3H6 /mol0.120 mol NH3/mol0.780 air /mol0.21 mol O2 /mol0.79 mol N2 /molnC3H6 mol C3H6n NH3 mol NH3n O2 mol O2n N2 mol N2n C3H3N mol C3H3Nn H2O mol H2O

NH3 is in excessO2 is in excessC3H6 is limiting