Neraca Massa

ASAS TEKNIK KIMIA I (2SKS)

Oleh :

MATERI• NERACA MASSA

1. Neraca Massa Tanpa Reaksi2. Neraca Massa Dengan Reaksi

a. Stoichiometrib. Neraca Atomc. Recycle

Balances of Atomic and Molecular Species

• Methods for solving mass balances with reactions– Using balances on molecular species– Using balances of atoms– Using the extent of reaction

• For multiple reactions, sometimes it is more convenient to use atomic balances

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 Pemisah

B=1kg

Recycle and Bypass

• Reasons for Recycle– Recovering and reusing unconsumed reactants– Recovery of catalyst (catalyst : expensive)– Dilution of process stream– Control of process variables– Circulation of working fluid

A + B ABC

A + B C

Recycle unused reactants (A,B)

Bypass

• A 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 recycle• Normally, reactions are not complete– Separation and recycle– Improved yield, conversion ,…

• Overall conversion • Single-pass conversion

ReactorProduct

SeparationUnit

Recycle

Reactants Products

Purging Purging

Getting rid of undesired materials in Getting rid of undesired materials in recycle stream.recycle stream.

ReactorProduct

SeparationUnit

Recycle

Reactants Products

Purging

Hukum kekekalam massa

Neraca 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

Proses Alat• Pencampuran MIxer• Pengeringan Drier• Pemekatan Evaporator• Distilasi Menara Destilasi• Filtrasi Filter• Ekstraksi Ekstraktor• Dekantasi Dekanter• Absorbsi Absorber• Reaksi Reaktor• Pembakaran Burner

Sifat proses dalam suatu alat

• Proses batch Proses batch adalah suatu proses yang bersifat sesaat

yang dilakukan pada selang waktu tertentu. 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.

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.

• Steady StateProses dengan kondisi yang stabil, tidak terjadi perubahan massa dalam alat, karena kecepatan massa bahan masuk sama dengan kecepatan massa bahan keluar.

Flow chart

Extractor 1E1

Extractor 1E2

Distillation

100 kg

0.50 A0.50 W

100 kg M 75 kg M

43.1 kg

0.053 A0.016 W0.931 WE1 kg E2 kg

ECM (kg M)ECA (kg A)ECW (kg W)

BM (kg M)BA (kg A)BW (kg W)

0.97 A0.02 W0.01 W

V (kg)

• Draw flow chart.• Choose basis of calculation – given in the problem• Label unknown streams.

0.275 AXM M(1-XM)W

0.09 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 kimia

Persamaan 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 total

Input - 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 batch

Melakukan perhitungan bahan sebelum dan sesudah proses saja dengan menganggap :• Massa bahan sebelum proses = input• Massa bahan sesudah proses = output• Massa bahan bereaksi = Reaction• Accumulation = 0• Neraca massa total tanpa reaksi

Input - 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 proses

Neraca massa komponen dengan reaksiInput - Output - Reaction = AccumulationXA1M1 – XA2M2 – A bereaksi = 0

M1XA1– A bereaksi = M2XA2

Massa sebelum proses - massa bereaksi = Massa sesudah proses Massa sebelum proses + massa terbentuk= Massa sesudah proses

Neraca massa pada proses kontinyu

• Neraca 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 kontinyu

• Melakukan 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?

continued

Total 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 200kg 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 -1• Acetonitrile 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.

Solution

• Basis, 100 mol feed

Reactor100 mol

0.100 mol C3H6 /mol0.120 mol NH3/mol0.780 air /mol

0.21 mol O2 /mol0.79 mol N2 /mol

nC3H6 mol C3H6n NH3 mol NH3n O2 mol O2n N2 mol N2n C3H3N mol C3H3Nn H2O mol H2O

5.11/5.1)/(64.1)0.10/4.16()/(

0.1)1/1()/(20.1)0.10/0.12()/(

Reactants of Ratios4.1621.078.0100)(

0.1212.0100)(0.1010.0100)(

feed theofn Compositio

632

0632

633

0633

02

03

063

STOI

STOI

HCOHCOHCNHHCNH

molOmolNHmolHC

NH3 is in excess

O2 is in excessC3H6 is limiting

5.11/5.1)/(64.1)0.10/4.16()/(

0.1)1/1()/(20.1)0.10/0.12()/(

Reactants of Ratios4.1621.078.0100)(

0.1212.0100)(0.1010.0100)(

feed theofn Compositio

632

0632

633

0633

02

03

063

STOI

STOI

HCOHCOHCNHHCNH

molOmolNHmolHC

moln

molnn

molmoln

molmoln

molmoln

NHmolOmolNH

NHC

NN

O

NH

HC

STOICH

STOICH

3

6.61)(

9.115.14.16

0.912

0.7103mol0.3100mol

% 30 concersion Fractional%3.910015/)154.16(O Excess %%2010010/)1012( Excess %

0.15)(0.10)(

ExessPercent

33

22

2

3

63

0

2

3

2

3