Neraca Masa ( Material Balance )

Jurusan Teknik Kimia Institut Sains dan Teknologi Al-Kamal Jakarta

Klasifikasi ProsesProses batch, umpan (Feed) dimasukkan kedalam tangki (Vessel) pada awal prooses kemudian dikeluarkan (Proses dihentikan) setelah waktu tertentu.

A

B

C

Klasifikasi ProsesProses kontinyu, input (Feed) dan output (Product) mengalir secara terusmenerus (Continue) selama proses

A

B

C

Klasifikasi ProsesProses semibatch, proses yang bukan kontinyu atau batch

A

Gas

B

C

Klasifikasi Proses Berdasarkan Variabel-Variabel ProsesKondisi tunak (Steady state)Tidak terjadi perubahan variabelvariabel preses sepanjang waktu proses

Kondisi dinamis (Unsteady state)Terjadi perubahan variabel-variabel preses sepanjang waktu proses (Fungsi waktu)

Input

Input

OutputT, P, V, v konstan

OutputdT/dt, dP/dt, dV/dt, dv/dt

Persamaan Umum Neraca MasaInput + Generation Output - Consumption = Accumulation(Dikonsumsi sistem) (Terakumulasi didalam sistem)

(Memasuki batas sistem) (Diproduksi oleh sistem)

(Meninggal kan batas sistem)

Penyederhanaan neraca masa: o Jika kesetimbangan dalam bentuk berat total, generation = 0, dan consumption juga 0, terkecuali reaksi nuklir. o Jika kesetimbangan tidak melibatkan reaksi maka, generation dan consumption = 0. o Jika sistem steady state maka accumulation = 0

Neraca Masa Kondisi Tunak (Steady state)Tanpa Reaksi Kimia

Input(Memasuki batas sistem)

=

Output(Meninggalkan batas sistem)

Melibatkan Reaksi Kimia

Input

+

Generation

=

Output +

Consumption(Dikonsumsi sistem)

(Memasuki batas sistem) (Diproduksi oleh sistem)

(Meninggalkan batas sistem)

Tahapan Penyusunan Neraca Masa

1.

Tentukan jenis dan peralatan proses

A

B

A

B

A A&B

A&B

C B

Mixer

Reactor

Separator

Tahapan Penyusunan Neraca Masa2. 3.

Tentukan aliran input dan output sistem Buat sketsa diagram alir input dan output a. Berapa aliran input menuju sistem dan output meninggalkan sistem b. Aliran input dengan garis panah menuju sistem c. Aliran output garis panah meninggalkan sistem d. Lakukan pelabelan pada setiap aliran input maupun outputInput (B) Input (A) Output (C)

Tahapan Penyusunan Neraca Masa4. 5.

Tulis laju alir dan komposisi dari input dan output berdasarkan data yang tersedia. Susun neraca masa total dan neraca masa komponen

Pelarut (B) y 100% Padatan (A) x 100% Larutan (C) x 40% y 60%

Tahapan Penyusunan Neraca MasaNeraca masa total (NMT) Input + Generation = Consumption + Output Input = Output A + B = C Neraca masa komponen (NMK) xA = 0.40C A = 0.40C yB = 0.60C B = 0.60C

Dapatkah persamaan tersebut dipecahkan secara matematis???

Analisa Derajad BebasUntuk melakukan analisa derajad bebas, a. Gambar diagram alir secara jelas dan lengkap b. Label dan kode diagram alir secara lengkap c. Hitung variabel yang tidak diketahui d. Hitung persamaan independen

Derajad bebas, ndf = nunknowns-nindeqnunknwowns = jumlah variabel yang tidak diketahui nindeq = jumlah persamaan independen

Analisa Derajad Bebas

ndf = 0, variabel yang tidak diketahui sama dengan persamaan independenya. Sehingga persamaan dapat dipecahkan. ndf > 0, variabel yang tidak diketahui lebih banyak dibandingkan persamaan independenya. Diperlukan variabel tambahan yang spesifik untuk memecahkan persamaan tersebut ndf < 0, persamaan independen lebih banyak dibanding variabel yang tidak diketahui.o o o Diagram alir belum sempurna Overspesifik Hubungan yang tidak konsisten

By 100%

Ax 100%

C MIXERx 40% y 60%

Jumlah variabel yang tidak diketahui = 3 (A, B dan C). Persamaan independen = 2 A + B = C..(1) x = 2/3y..(2) Derajad bebas = 3 2 = 1 Untuk memecahkan persamaan diperlukan satu data tambahan.

Neraca Masa MixerLarutan NaOH 8% berat diproduksi dengan melarutkan larutan NaOH 20% dengan air murni, tentukan rasio liter H2O/kg feed dan kg produk/kg feed.

Pengencer (B) H2O100%

Feed (A) NaOH 20% H2O 80%

Produk (C)

MIXERNaOH 8% H2O 92%

Input

=

Output

Neraca masa Total: A + B = C.(1) Neraca masa Komponen NaOH, 0.2A + 0B = 0.08C(2) A = 0.4C(3) H2O, 0.8A + B = 0.92C...(4) Persamaan 3 subtitusi kepersamaan 4 0.8(0.4C) + B = 0.92C B = 0.6C.(5)

Derajad Bebas: Variabel yang tidak diketahui = 3 (A,B,C) Jumlah persamaan yang independen = 2 (Persamaan 1 dan 5) Derajad bebas = 3 2 = 1 Basis perhitungan: 1 kg feed (A) A = 0.08C C = 1/0.4 = 2.5 A + B = C (Persamaan 1) B = 1.5 Rasio H2O/Feed = 1.5 L H2O/ 1 kg feed Rasio Produk/feed = 2.5 kg produk/ 1 kg feed

Neraca Masa Separator (Kolom Destilasi)Campuran cairan dengan komposisi 45% berat benzen (b) dan 55% toluene (t) diumpankan kedalam kolom destilasi. Produk atas (Top product) tersusun atas 95% mol benzen dan produk bawah (bottom product) mengandung 8% dari benzen yang diumpankan kedalam destilasi. Laju alir volumetrik feed kedalam destilasi 2000 L/jam dan specific gravity 0.872. Tentukan laju alir masa produk atas dan laju alir masa serta komposisi bottom product.

Top (T) b 95% (mol) t 5% (mol)

Feed (F) 2000 L/h b 45% (b) t 55% (b)

DESTILASI

b 0.08(0.45F) t? Bottom (B)

Input

=

Output

Neraca masa Total: F = T + B .(1) F = 2000 L/jam * 0.872 = 1744 kg/jam Basis operasi 1 jam T + B = 1744(2) Neraca masa Komponen Feed Benzene (b) = 0.45*1744 b = 784.8 kg Toluene (t) = 0.55*1744 t = 959.2 kg

Top product Rubah % mol menjadi % berat,(0.95 * 78.11) 74.20 *100% 94.15% (0.95 * 78.11) (0.05 * 92.13) 78.81 (0.05 * 92.13) 4.61 Toluene(t ) *100% 5.85% (0.95 * 78.11) (0.05 * 92.13) 78.81 Benzene(b)

Bottom product Benzene (b), 0.08 x 784.8 kg = 62.78 kg Analisa derajad bebas Variabel yang tidak diketahui = 4 (F, T, B, t) Persamaan independen = 4 2 neraca masa (karena melibatkan dua komponen) 1 hubungan densitas, laju alir volumetrik dan masa Pemisahan % benzen (8% bottom dan 92% top). Derajad bebas = 0

Top (T) b 94.15% (b) t 5.85% (b)

Feed (F) 1744 kg b 45% (b) t 55% (b)

Bottom (B)

Neraca masa komponen Benzene (b), 0.45F = 0.9415T + 62.78 784.8 = 0.9415T + 62.78 0.9415T = 722.02 T = 766.88 kg

DESTILASIb 62.78 kg t?

Neraca masa komponen Toluene (T), 0.55F = 0.0585T + tB 959.2 = 0.0585*766.88 + tB tB = 914.34 kg B = tB + bB B = 914.34 + 62.78 B = 977.12 kg Komposisi Bottom: Benzene, = 62.78*100%/977.12 = 6.43% Toluene, = 914.34*100%/977.12 = 93.57%Input = Output

F=B+T 1744 = 977.12 + 766.88 1744 = 1744

Neraca Masa ReaktorReaksi kima: aA + bB cC + dD

Reaksi memiliki dua arti:1.

Kualitatif, bahan apa yang bereaksi serta produk apa yang dihasilkan.o o A dan B reaktan C dan D produk. a mol reaktan A setara dengan b mol reaktan B Produk c mol C dan d mol produk D

2.

Kuantitatif, perbandingan mol sebelum dan sesudah reaksio o

Istilah-Istilah Dalam Reaksi KimiaDalam prakteknya jarang sekali reaksi kimia berjalan secara stoikiometri.

Limiting reactant (reaktan pembatas) Reaktan yang jumlah molnya paling sedikit jika ditinjau secara stoikiometri atau reaktan yang akan habis terlebih dahulu sebelum reaktan yang lain. Excess reactant (reaktan berlebih) Reaktan yang jumlah molnya secara stoikiometri berlebih. Percent excess of reactant (persen kelebihan reaktan) Jumlah kelebihan reaktan terhadap kebutuhan reaktan secara teoritis (stoikiometri) dibagi kebutuhan reaktan secara teoritis dikali 100%

%excess

( Moltotal molteoritis) x100% molteoritis

Istilah-Istilah Dalam Reaksi Kimia

Konversi, Mol reaktan yang bereaksi dibagi dengan mol reaktan yang masuk kedalam reaktor.

Konversi

Molyangbereaksi x100 % Molumpan( feed )

Selektifitas, Perbandingan(%) produk terterntu (biasanya produk yang diinginkan dengan mol produk yang lain (umumnya produk samping). Yield,

Yield

BeratUmpan x100% Berat Pr oduk

Contoh SoalAkrilonitril diproduksi dengan mereaksikan propilen, amoniak dan oksigen. Dengan reaksi: C3H6 + NH3 + 1.5O2 C3H3N + 3H2O Umpan reaktor berisi 10% mol propilen, 12% amonia, 78% udara (21% O2 dan 79% N2). Maka tentukan: a. Limiting reactant b. % excess reactant c. Jika konversi limiting reactant 30% berapa rasio (mol akrilonitril/mol NH3 umpan). d. Komposisi di arus keluar reaktor.

Feed (A) Propilen 10% Amonia 12% N2 61.62% O2 16.38%

REAKTOR

Produk (B) Propilen Amoniak N2 O2 C3H3N H2O

Input

+

Generation

=

Output +

Consumption(Dikonsumsi sistem)

(Memasuki batas sistem) (Diproduksi oleh sistem)

(Meninggal kan batas sistem)

Analisa derajad bebas Variabel yang tidak diketahui = 8 Persamaan independen = 7 6 neraca masa (karena melibatkan enam komponen) Konversi % limiting reactant (30%). Derajad bebas = 1 Perlu 1 parameter tambahan Basis perhitungan 100 kmolC3H6 + NH3 + 1.5O2 Komponen C3H6 NH3 N2 O2 C3H3N H2O Total Balance C3H3N + 3H2O

Flow rate, kmol Input Generation Output Consumption 10 0 7 3 12 0 9 3 61.62 0 61.62 0 16.38 0 11.88 4.5 0 3 3 0 0 9 9 0 100 12 101.5 10.5 112 112

Reaktan pembatas (Limiting reactant): Propilen (C3H6) Reaktan berlebih (Excess reactant): Amoniak dan oksigenEcessNH 3 20% ExcessO2 9.20% (16.38 15) x100% 15 (12 10) x100% 10

Komposisi keluaran reaktor (B): Propilen 6.90%, Amoniak 8.87%, N2 60.71%, O2 11.71%, Akrilonitril 2.96% Air 8.87%

Neraca Masa Multiple-Unit Processes

Unit 1

Unit 2

Contoh neraca masa dalam dua unit proses

100 kg/h A 50% B 50%

30 kg/h A 30% B 70%

Unit 140 kg/h A 90% B 10%

X

Y

Unit 230 kg/h A 60% B 40%

Z

Contoh neraca masa dalam dua unit proses

100 kg/h A 50% B 50% V

T 30 kg/h A 30% B 70%

Unit 1W 40 kg/h A 90% B 10%

X

Y

Unit 2U 30 kg/h A 60% B 40%

Z

Analisa derajad bebas Seluruh proses: 2 varabel yang tidak diketahui (Z, xZ) 2 persamaan independen (ada dua komponen) = 0 Z dan xZ dapat dihitungUnit 1: 4 variabel yang tidak diketahui (X, xX, Y, xY) - 2 persamaan independen = 2 Unit 1 belum bisa dipecahkan. Mixing unit : 4 variabel yang tidak diketahui (Y, xY, Z, xZ) - 2 persamaan independen = 2 Unit 2 belum bisa dipecahkan.Unit 1 Komponen Input V Output W X X Mixing unit Input T Output Y Input Y Z Unit 2 Output U

AB Total Balance

5050 100 100

364 40 100

1446 60

1446 60 90

921 30

2367 90 90

2367 90 90

555 60 90

1812 30

Recycle dan Bypass

Recycle

Unit 1

Unit 2

Bypass

Contoh proses evaporasi-kristalisasi Proses recovery kristal potasium kromat (K2CrO4) dari larutan garam diperoleh dari gabungan unit evaporasi dan kristalisasi. 4500 kg/jam larutan kalium kromat 33.33% digabungkan dengan larutan kalium kromat 36.4% hasil recycle selanjutnya diumpankan kedalam unit evaporator. Larutan pekat keluar evaporator mengandung 49.4% kalium kromat kemudian diumpankan kedalam kristalisator sehingga dihasilkan kristal kalium kromat dan disaring. Cake megandung kristal kalium kromat dan larutan yang mengandung kalium kromat 36.4% berat. Filter cake mengandung 95% kristal dan larutan kalium kromat 36.4%. Larutan yang melewati saringan juga mengandung 36.4% kalium kromat yan selanjutnya direcycle. Tentukan Laju evaporasi, laju produksi kristal kalium kromat, rasio feed dan recycle.

W H2O

Fresh Feed (F) 450 kg/h 0.333 K2CrO4 0.666 H2O

M

Evaporator

E 0.494 K2CrO4 0.506 H2O

Crystallizer Filter

Kristal (K) Kristal kromat Larutan kromat 0.364 K2CrO4 0.636 H2O

Recycle (R) 0.364 K2CrO4 0.636 H2O

Input

=

Output

Analisa derajad bebas seluruh proses Variabel yang tidak diketahui = 3 (W, K dan xK) Persamaan independen = 2 dan 1 hubungan berat kristal 95% berat filter cake. Derajad bebas = 0

Analisa derajad bebas fresh feed & recycle mixing point Variabel yang tidak diketahui = 3 (R, M dan xM) Persamaan independen = 2 Derajad bebas = 1 Analisa derajad bebas evaporator Variabel yang tidak diketahui = 3 (M,xM, E dan W) Persamaan independen = 2 Derajad bebas = 2 Analisa derajad bebas kristalisasi Variabel yang tidak diketahui = 3 (E, K dan R) Persamaan independen = 2 dan 1 hubungan berat kristal 95% berat filter cake. Derajad bebas = 0 Awali pemecahan neraca masa dari unit kristalisasi

Neraca masa komponen K2CrO4, produk kristal K2CrO4 (K) 95% dari produk filter cake. Kita anggap laju alir K di bagi dua A (kristal) dan B (Filtrate) K=A+B A = 0.95 (A+B) B = 0.05263A(1)NMK K2CrO4 total: 0.333 x 4500 = A + 0.364B 1498.5 = A + 0.364 (0.05263A) A = 1470.33 kg B = 77.38 kg NMT, F = W + K 4500 = W + (1470.33 + 77.38) W (air yang menguap) = 2952.28 kg

Neraca masa di kristalisator, E=K+R E = 1547.72 + R.2 NMK Air di kristasisator, 0.506E = 0.636*B + 0.636R 0.506E = 49.22 + 0.636R..3 Eliminasi (2&3) 0.506(1547.75 + R) = 49.22 + 0.636R 783.16 + 0.506R = 49.22 + 0.636R 0.13R = 733.94 R = 5645.704 kg Rasio recycle terhadap Feed

r

5645.70 1.25 4500

Neraca masa evaporator = F + R = W + E 4500 + 5645.70 = 2952.28 + (1547.72 + 5645.70) 10145.70 = 10145.70