View
71
Download
18
Category
Preview:
DESCRIPTION
Teknik Kimia
Citation preview
Neraca Bahan Pada Neraca Bahan Pada Sistem Tanpa Reaksi Sistem Tanpa Reaksi (1)(1)
Azas Teknik Kimia
RTK 2219
Departemen Teknik Kimia USU
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Sistem yang dibahas Sistem terbuka tunak Sistem terbuka: terdapat aliran material masuk dan keluar Tunak: tidak ada akumulasi massa pada rentang waktu yang diamati
Sistem tanpa reaksi merupakan sistem yang paling banyak ditemui pada pabrik kimia transportasi fisik, pemisahan, pencampuran
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
FORMULASI MASALAH NERACA BAHAN
Gambar 2.1 Pabrik Desalinasi Multi-tahap
Tahap 1 Tahap 2 Tahap 3 Tahap4
Kondensor
KondensorAir Laut
Air
Air Asin
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Pabrik Air murni
Air asin pekat (garam, air)
Air payau (garam, air)
Gambar 2.2 Masukan/keluaran pada Pabrik Desalinasi
Penyederhanaan flowsheet ke dalam bentuk block diagram
Variabel-Variabel Neraca BahanTentukan batasan sistemIdentifikasi semua alur masuk dan keluarIdentifikasi semua senyawa yang terdapat pada setiap alur
Setiap alur dapat diidentifikasi melalui: Laju alir mol atau massaKomposisi (mol atau massa)
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Berat Molekul (M) CO2 1(12,01115) + 2(15,9994) = 44,00995
Mol (gmol, kgmol) gram/(berat molekul) 100 gram CO2 mol CO2 = 100/44.00995 = 2.27221 gmol
Laju alir komponen j Nj [=] mol j per satuan waktu Fj [=] massa j per satuan waktu
Laju alir total
jj
jj
FF
NN
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi Fraksi massa
Fraksi mol
Jika Mj berat molekul komponen j
1 j
jj
j wF
Fw
1 j
jj
j xN
Nx
S
jjj
S
jjj MwFMFwN
11
//
S
jjjjjjjj MwMwNMFwx
1
//)/(/)/(
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Contoh 2.1: Aliran 100 kg/jam air payau mengandung 0,05 fraksi
massa garam (NaCl) dan 0,95 fraksi massa air. Jika Mgaram = 58,5 dan Mair =18. Tentukan laju molar garam dan air.
Penyelesaian: N = 0,05(100)/58.5 + 0,95(100)/18 = 5,363 kgmol/jam xgaram = [0,05(100)/58.5 ]/5,363 = 0,01594 xair = [0,95(100)/18]/5,363 = 0,98406 Ngaram = xgaramN = 0,0855 kgmol/jam Nair = xairN = 5,2778 kgmol/jam
Sebuah alur yang mempunyai S komponen dikatakan teridentifikasi secara lengkap jika terdapat informasi berupa: laju alir total dan S komposisi atau S laju alir komponen
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
S-1 yang diperlukan
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Contoh 2.2: Tinjau kembali Gambar 2.2
Jumlah variabel alur bebas = 5 Tinjau kembali Contoh 2.1
Informasinya sudah mencukupi jika dinyatakan: Aliran 100 kg/jam air payau mengandung 5% garam dan sisanya air.
Informasinya tidak mencukupi jika dinyatakan: Air payau mengandung 5% garam dan 95% air. (tidak disebutkan laju alir totalnya)
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Persamaan Neraca Bahan dan Sifat-SifatnyaPrinsip kekekalan massa dalam sistem terbuka tunak: massa dan jumlah molekul untuk setiap komponen adalah kekal, sehingga
Total massa atau molekul setiap komponen yang masuk sama dengan yang keluar
Dapat dibentuk persamaan-persamaan yang menghubungkan alur masuk dan keluar.
Himpunan persamaan itu menghubungkan variabel-variabel yang terlibat dalam setiap alur proses.
Dari himpunan persamaan tersebut dapat diselesaikan untuk memperoleh variabel yang tak diketahui, berasaskan pada sebahagian variabel yang telah diketahui.
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Contoh 2.3:Proses desalinasi dianggap tunak. Dalam proses ini, anggap air laut mengandung
0,035 fraksi massa garam diuapkan sehingga dihasilkan 1000 lb/jam air murni.
Tentukan jumlah air laut yang diproses bila fraksi massa air garam menjadi 0,07.
PabrikAir murni
Air asin pekat
Air laut
FB
wBgaram = 0,07
FP = 1.000 lb/jam
FS
wSgaram = 0,035
BBH
SSH
ww
ww
garamO
garamO
1
1
2
2
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Neraca Massa Total Total Massa Masuk = Total Massa Keluar FS = FP + FB
Neraca Massa Garam Total Garam Masuk = Total Garam Keluar
FSwsgaram = FBwB
garam
Neraca Massa Air Total Air Masuk = Total Air Keluar
FS(1-wsgaram) = FB(1-wB
garam) + FP
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Jika diketahui: FP = 1.000 kg/jam wS
garam = 0,035
wBgaram = 0,07
Maka persamaan menjadi FS
= 1.000 + FB
FS(0,035) = FB(0,07) FS = (0,07/0,035)FB FS = 2FB
2FB = 1.000 + FB FB = 1.000 kg/jam FS = 2.000 kg/jam
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi Persamaan Neraca Bebas
Sistem yang mempunyai S komponen S+1 persamaan neraca Konservasi komponen j di semua alur
Konservasi massa total
Seluruh persamaan konservasi komponen dijumlahkan:
keluranalur masukalur i
ij
i
i
ij
i wFwF
keluranalur masukalur i
i
i
i FF
111keluaranmasukan 1
S
j
iS
j
iiS
j
ii
jjjwwFwF
Di setiap alur
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi Homogenitas dalam Persamaan Neraca
Persamaan neraca bersifat homogen dalam hal laju alir dari setiap alur yang terlibat Lihat Contoh 2.4
Memungkinkan untuk scale-up dan scale-down
Konsep Basis Konsekuensi dari sifat homogenitas Jika tidak ada satu pun alur yang diketahui laju
alirnya, maka dapat dimisalkan laju alir untuk sebarang alur sebagai basis perhitungan
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Informasi Neraca BahanInformasi Neraca BahanMasalah pada neraca bahan biasanya melibatkan: Pemilihan sistem dengan alur masuk dan keluar, Variabel-variabel alur yang menggambarkan laju
alir dan komposisi di setiap alur, Sekumpulan persamaan neraca bahan dimana
terdapat setidaknya sejumlah S persamaan neraca bebas (S adalah jumlah total komponen yang terlibat pada semua alur),
Adanya basis yang dipilih untuk perhitungan.
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Informasi Tambahan
Hubungan pembantu yang dapat digunakan untuk mengurangi variabel-variabel yang tak-diketahui. Hubungan itu adalah: Pemulihan fraksional Hubungan komposisi Rasio laju alir
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Contoh 2.6 (Pemulihan fraksional):Umpan yang tersedia dengan laju 1.000 mol/jam
mengandung (semua dalam %-mol) 20% propana (C3) 30% isobutana (i-C4) 20% isopentana (i-C5) 30% normal pentana (C5)
akan dipisahkan menjadi dua fraksi dengan proses distilasi. Distilat mengandung semua propana yang diumpankan, 80% isopentana yang diumpankan, dan isobutana sebanyak 40%. Aliran bawah mengandung semua normal pentana umpan.
Hitunglah komposisi distilat dan aliran bawah.
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Penyelesaian
Informasi independen adalah: Tiga komposisi umpan 20% C3, 30% i-C4, dan
20% i-C5.
Dua komposisi distilat 0% C5 dan 40% i-C4.
Satu komposisi aliran bawah 0% C3. Laju alir umpan 1.000 mol/jam
Neraca Total NM = ND + NB
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Neraca Komponen Neraca C3
Neraca i-C4
Neraca i-C5
Neraca C5
Hubungan pembantu Pemulihan fraksional 80% i-C5 yang
diumpankan diperoleh di distilat
DC
DM xNN3
2,0 BB
CiDM NxNN
44,03,0
)1()4,01(2,0543
BC
BCi
BDC
DM xxNxNN
BC
BM xNN5
3,0
)4,01()2,0(8,03
DC
DM xNN
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Hitung C3
Karena NM = 1.000 mol/jam, sehingga
)4,01()2,0(8,0
2,0
3
3
DC
DM
DC
DM
xNN
xNN
DC
DD
DC
D
xNN
xN
3
3
6,0160
200
DN6,0200160
6006,0
200160
DN
333,0600
2003
DCx
mol/jam
Dari neraca mol total NM = ND + NB 1.000 = 600 + NB NB = 400 mol/jam
Dari neraca i-C4
Dari neraca C5
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
15,0400
)600(4,0300
400)600(4,0300 4,03,0
4
44
BCi
BCi
BBCi
DM
x
xNxNN
75,0400
300
400300 3,0
5
45
BC
BCi
BBC
M
x
xNxN
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Hubungan Komposisi Antar alur
Pengendapan
Contoh 2.7 (Hubungan Komposisi)Umpan bubur mengandung 10% padatan, 11% NaOH, 16% NaAlO2, dan sisanya air, dicuci dengan air pencuci yang mengandung 2% NaOH menghasilkan larutan bebas-padatan mengandung 95% air dan endapan lumpur mengandung 20% padatan. Berapa banyak NaAlO2 pada decanted solution (larutan hasil pencucian) jika laju umpan 1.000 lb/jam.
kj
ij Kxx
21padat
1
1 jj ww
w
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Penyelesaian Peneracaan meliputi 4 alur dengan total 13
variabel alur: Empat pada setiap alur 2 dan 3, tiga untuk alur 4 dan dua untuk alur 1.
Massa total: F1 + F2 = F3 + F4
Padatan: 0,1F2 = 0,2 F3
Air: 0,63F2+ 0,98F1 = (0,8-w3NaOH - w3
NaAlO2)F3 + 0,95F4
NaOH: 0,11F2 + 0,02F1 = w3NaOHF3 + w4
NaOHF4
NaAlO2:
0,16F2 = w3NaAlO2F3 + (0,05 -w4
NaOH) F4
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Hubungan pembantu
dan
Sigma fraksi massa
4NaOH
3NaOH
padatan bebaslarutan lb
NaOH lb
2,01w
w
4NaOH
4NaAlO
3NaAlO 05,0
2,01 2
2 www
8,03OH
3NaAlO
3NaOH 22
www
0,14OH
4NaAlO
4NaOH 22
www
S
jjw
1
NaOH dan NaAlO2 tidak teradsorpsi oleh padatan, sehingga konsentrasi di alur 3 = konsentrasi di alur 4
NaOH dan NaAlO2 tidak teradsorpsi oleh padatan, sehingga konsentrasi di alur 3 = konsentrasi di alur 4
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Neraca Padatan 0,1F2 = 0,2F3
0,1(1.000) = 0,2F3 F3 = 100/0,2=500 lb/jam Jika hubungan pembantu dijumlahkan:
4NaOH
3NaOH8,0
1ww
05,0)(8,0
1 3NaAlO
3NaOH 2
ww
4NaOH
3NaAlO 05,0
8,0
12
ww
+04,0)( 3
NaAlO3NaOH 2
ww
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Subtitusi ke Neraca Air 0,63F2+ 0,98F1 = (0,8 - w3
NaOH - w3NaAlO2)F3
+ 0,95F4
630 + 0,98F1 = [0,8 – (w3NaOH + w3
NaAlO2)]500 + 0,95F4
630 + 0,98F1 = (0,8 – 0,04)500 + 0,95F4
F1 = (0,95F4 - 250)/0,98 Neraca Massa total
F1 + F2 = F3 + F4
F1 + 1000 = 500 + F4 F4 = F1 + 500
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Subtitusi neraca total ke neraca air F1 = [0,95(F1 + 500) – 250]/0,98 F1 = (0,95/0,98)F1 + (225/0,98) F1 = (225/0,98)/[1-(0,95/0,98)] = 7500 lb/jam F4 = F1 + 500 = 7500 + 500 = 8000 lb/jam
Neraca NaOH dan Hubungan pembantu 0,11F2 + 0,02F1 = w3
NaOHF3 + w4NaOHF4
110 + 150 =500 w3NaOH + 8000 w4
NaOH
260 = 500 w3NaOH + 8000(1/0,8) w3
NaOH
w3NaOH = (260/10500) = 0,02476
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Subtitusi nilai w3NaOH ke Hubungan pembantu
w4NaOH = w3
NaOH/0,8 = 0,02476/0,8 =0,03095
w3NaAlO2 = 0,04 - 0,02476 = 0,01524
w4NaAlO2 = w3
NaAlO2/0,8 = 0,01524/0,8 = 0,01905
Jumlah NaAlO2 pada decanted solution
lb/jam 381,152800001905,044
NaAlO4
NaAlO 22 FwF
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi Rasio Laju Alir
Contoh 2.8 (Rasio Laju Alir)Benzen dipisahkan dari suatu alur umpan yang mengandung 70% (massa) benzen dalam campuran parafin dan hidrokarbon naftan dengan menggunakan SO2. Bila 3 lb SO2 digunakan per 1 lb umpan, alur rafinat akan mengandung 1/6 (fraksi massa) SO2 dan sisanya benzen. Alur ekstrak mengandung seluruh material bukan benzen, SO2, dan sekitar ¼ lb benzen per 1 lb non-benzen. Berapa persentasi benzen yang diperoleh (lb benzen pada rafinat per lb benzen pada umpan)
rir
i
F
Fr
i
konstan
alur alir laju
alur alir laju
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Penyelesaian Rasio laju F2/F1=3 Rasio massa benzen (B) dengan massa bukan-
benzen (NB) pada alur ekstrak:
25,03
3
33
33
NB
B
NB
B
w
w
wF
wF
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Neraca Massa Total: F3 + F4 = F1 + F2
Neraca Benzen: F3w3B + 0,8333F4 = 0,7F1
Neraca Non-benzen: F3w3NB = 0,3F1
Neraca SO2: F3(1-w3B-w3
NB) + 0,1667F4 = F2
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Basis: F1 = 1.000 lb/jam Rasio laju
F2/F1 = 3 F2 = 3 F1 = 3(1.000) = 3.000 lb/jam Neraca Non-benzen
F3w3NB = 0,3F1 = 300
Rasio komposisi ekstrak F3w3
B = 0,25 F3w3NB = 0,25(300) = 75
Neraca Benzen F3w3
B + 0,8333F4 = 0,7F1 75 + 0,8333F4 = 700 F4 = 750 lb/jam
……Sistem Tanpa ReaksiSistem Tanpa Reaksi
Dari Neraca total F3 = F1 + F2 - F4
= 1000 + 3000 – 750 = 3250 lb/jam w3
B = 75/3250 = 0,0231
w3NB = (300/3250) = 0,09231
Persen Perolehan Benzen
%3,89100700
625%100
umpan dibenzen lb
rafinat dibenzen lb
44FwB
11 FwB
Recommended