Upload
others
View
19
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
TK-2201NERACAMASSADANENERGIKELAS05(UNTUKPRODITEKNOLOGIPASCAPANEN,SITH)
Dr.ElviRestiawatySistemUnitJamak
FakultasTeknologiIndustri–InstitutTeknologiBandung 1
Dr. Elvi Restiawaty
SistemdenganUnitJamak
2
¨ Untukdapatmerancangsistemunitjamak,seorangsarjanarekayasahayatiharustahudanterampilmenentukan:a. Lajualirdankomposisisemuamasukandankeluaran
sistemkeseluruhan.b. Lajualirdankomposisisemuaaliraninternalpenghubung
unit-unitpenyusunrangkaiansistemproses.¨ Halyangselaluharusdiingat:tiapunittetapdipandangsebagai“blackbox”yangtidakmemperhatikanmekanismeperistiwayangterjadididalamnya.
Dr. Elvi Restiawaty
SistemdenganUnitJamak
3
Wastewater
Grit tank
To landfill
Bar screen
To landfill
Primary settling tank
Aeration tank
Secondary settling tank Chlorinator
To river
Gas
Air (N2, O2)
Bacteria
Sludge management
Fertilizer for farmland or
landfill
Sludge
Gambar sistem pemroses unit jamak untuk model desain untuk pengolahan air limbah yang telah disederhanakan.
Dr. Elvi Restiawaty
NeracaMenyeluruh(Overall)
4
¨ Neracamassamenyeluruh(overall)merupakanneracamassadarisistempemrosesberunitjamakdandipandangsebagaisatukesatuan.
Unit 1 Unit 2
Sistem proses dengan 2 unit proses dan dipandang sebagai satu kesatuan unit proses ( 1 black box)
Sistem proses dengan 2 unit proses ( 2 black boxes)
Dr. Elvi Restiawaty
SistemdenganUnitJamak
5
¨ Himpunanpersamaan-persamaanneracamassayang“takterhubungkansecaralinier(TTSL)”atauindependentuntuksistemprosesyangmemilikinkomponensetiapalirannya.¤ AdanpersamaanneracaTTSLuntukproseskeseluruhan(overallprocess)
¤ AdanpersamaanTTSLuntukunit1¤ AdanpersamaanTTSLuntukunit2
¨ JikasuatusistemprosesterdiriatasYunitdanmelibatkannbuahkomponen,makaakanterdapatYhimpunanpersamaanneracamassayangTTSL;masing-masinghimpunannyaterdiriatasnpersamaan.
Dr. Elvi Restiawaty
ContohSoal(diambildariSusanto,2014)¨ Sistempemrosesterdiridariduakolom
distilasidigunakanuntukoperasipemisahankomponen(lihatGambar).Umpansistemadalahcampuran20%-moletana,40%-molpropana,dan40%butanadenganlajualir2.000mol/jam.Campurandipisahkandikolomdistilasi-Iuntukmenghasilkandistilatdengankomposisi95%etana,4%propan,dan1%butana.ProdukbawahkolomdistilasidiumpankankekolomdistilasiII,untukmenghasilkandistilatdengankomposisi99%propanadan1%butanadanprodukbawahyangterdiriatas8,4%propanadan91,6%butana.Tentukanlaju-lajualirdankomposisisemuaaliranpadasistempemrosesini.
6
1
2
3
4
5
!m1 = 2 kmol/jam
x1,a = 20%
x1,b = 40%
x1,c = 40%
!m2 = ..?.. kmol/jam
x2,a = 95%
x2,b = 4%
x2,c =1%
!m4 = ..?.. kmol/jam
x4,b = 99%
x4,c =1%
!m3 = ..?.. kmol/jam
x3,a = ..?..%
x3,b = ..?..%
x3,c = ..?..%
!m5 = ..?.. kmol/jam
x5,b = 8,4%
x5,c = 91,6%
keterangan:a = etanab = propanac = butana
Dr. Elvi Restiawaty
Analisisderajatkebebasanmultiunit
7
¨ Aturan/formulapemantauanderajatkebebasansistemmultiunitpersissamadenganaturan/formulapenentuanderajatkebebasansistemtunggal.
¨ Contoh-11:
Umpan:N1=1000mol/jx1,A=0,2x1,B=0,3x1,C=0,5
1
2
3
4
5
Fraksiringan:N2x2,Ax2,B
Produkantara:N3x3,A=0,025x3,B=0,35x3,C=0,625
Fraksisedang:N4x4,A=0,08x4,B=0,72x4,C=0,2
Fraksiberat:N5x5,Bx5,C
Dr. Elvi Restiawaty
Analisisderajatkebebasanmultiunit
8
¨ TabelDKcontoh-11
Unit 1 Unit 2 Proses Keseluruhan
A. Banyak variabel aliran 8 8 13 10
B. Banyak pers. neraca TTSL
3 3 6 3
C. Banyak data aliran 1 0 1 1
D. Banyak data komposisi 4 4 6 4
E. Banyak hub. pembantu 0 0 0 0
A-B-C-D-E 0 1 0 2
Dr. Elvi Restiawaty
Analisisderajatkebebasanmultiunit
9
¨ DKproses:mencakupseluruhaliran(termasukaliranantara)
¨ DKkeseluruhan(overall):tidaktermasukaliranantara
Derajatkebebasanunit-unitpenyusunsistemprosesperludiketahuiuntukdapatmemutuskandarimanaperhitungandimulai!¨ Contoh-11:penyelesaianperhitunganneracamassadimulaidariUnit1.
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-12:
10
¨ Evaporasimultitahaplarutangula
ṁ2=ṁ4,ṁ4=ṁ6,ṁ6=ṁ8
I II III IV
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Gula Air
Gula Air
Gula Air
!m1 = 50,000 lb/jamw1,gula = 50%
!m9 = 35,000 lb/jamw9,gula = 65%
Kukus Kukus Kukus Kukus
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-12:
11
¨ TabelderajatkebebasanUnit 1 Unit 2 Unit 3 Unit 4 Proses Keseluruh
an
A. Banyak variabel aliran
5 5 5 5 14 8
B. Banyak pers. neraca TTSL
2 2 2 2 8 2
C. Banyak data aliran 1 0 0 1 2 2
D. Banyak data komposisi
1 0 0 1 2 2
E. Banyak hub. pembantu
0 0 0 0 3 3
A-B-C-D-E 1 3 3 1 -1 -1
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-12:
12
¨ Kekuranganpertelaanpadasuatuunitmenunjukkanbahwapersamaan-persamaanneracaunittersebuttidakdapatdiselesaikantersendiri.
¨ Terlepasdariangkaderajatkebebasanproses/keseluruhan,derajatkebebasantiapunitpenyusunharusselalu≥0,karena:kelebihanpertelaanpadaunitpenyusunmanapunmenunjukkanbahwamasalahtelahdipertelakandengantidakbaik.
Dr. Elvi Restiawaty
Konfigurasikhusussistemmultiunit
13
¨ Duakonfigurasikhusus:¤ Sistemberdaurulang(recycle)¤ Sistemberalurpintas(bypass)
¨ Sistemberdaurulang
Pencampur Pembagi
ij
Dr. Elvi Restiawaty
Sistemberdaurulang
14
¨ Disistempembagi,senyawazmemilikihubungan:¨ atau¨ z=1,…,s-1
Karenadan,makasyarat,j=1,…,S-1berartijuga
zjzi xx ,, = zjzi ww ,, =
11
, =∑=
S
zzix 1
1, =∑
=
S
zzjx
zjzi xx ,, = SjSi xx ,, =
Dr. Elvi Restiawaty
Sistemberdaurulang
15
¨ Kendalapembagi:JikasebuahaliranmassayangterdiridariSsenyawadibagimenjadinbuahcabangaliran,makadiantarancabangalirantersebutterdapat:(n-1)(S-1)hubungankomposisi
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-13:Sistempembagi
16
231
4
Umpan:ṁ1=1000kg/jw1,A=0,2w1,B=0,1w1,C=0,7
ṁ2=2ṁ3
ṁ3=1/3ṁ4
ṁ2=?ṁ3=?ṁ4=?
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-13:Sistempembagi
17
¨ Tabelderajatkebebasan:
*Kendalapembagi:(n-1)(S-1)=(3-1)(3-1)=4
A Banyak variabel aliran 12
B Banyak neraca independen 3
C Banyak data aliran 1
D Banyak data komposisi 2
E Banyak hubungan pembantu: - Nisbah aliran - Kendala pembagi
2
4*
DK = A-B-C-D-E 0
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-13:Sistempembagi
18
¨ Neracatotal:1000=ṁ2+ṁ3+ṁ4¨ Nisbahaliran:
¤ ṁ2=2ṁ3¤ ṁ3=1/3ṁ4
¨ maka:¨ 1000=2ṁ3+ṁ3+3ṁ3àṁ3=1000/6kg/j¨ ṁ2=1000/3kg/j¨ ṁ4=1000/2kg/j
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-13:Sistempembagi
19
¨ Perhitungankomposisialirancabang:¤ NeracaA:200=w2,Aṁ2+w3,Aṁ3+w4,Aṁ4Kendalapembagi:w2,A=w3,Adanw3,A=w4,Aà200=w2,A(1000)àw2,A=0.2
¤ NeracaB:100=w2,Bṁ2+w3,Bṁ3+w4,Bṁ4Kendalapembagi:w2,B=w3,Bdanw3,B=w4,Bà100=w2,B(1000)àw2,B=0.1
¤ w2,C=1–w2,A–w2,B=1–0,2–0,1=0,7
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-13:Sistempembagi
20
¤ w2,A=w3,A=w4,A=0,2¤ w2,B=w3,B=w4,B=0,1¤ w2,C=w3,C=w4,C=0,7
¨ Penerapanneracamassadankendalapembagimenghasilkannilai-nilaiyangsamadengannilaiyangjelas,menurutlogika.
Dr. Elvi Restiawaty
Tugas-3:
21
¨ HitungN1,N2,N4,danN5!
Kondensor
Kolom distilasi
Umpan:x1,1 = 0,07x1,2 = 0,619x1,3 = 0,311
1
2
4 3
5
Distilat:N3 = 700 mol/jX3,1 = 0,1x3,2 = 0,88x3,3 = 0,02
Produk bawah:N5 x5,2 x5,3
Reflux:N4 / N2 = 0,6
Komponen: 1 = aseton 2 = asam asetat 3 = anhidrida as. asetat
Dr. Elvi Restiawaty
Sistemberalurpintas
22
¨ Dibandingsistemberdaurulang:¤ Analisismasalahmirip¤ Penyelesaianpersamaanneracamassalebihmudah
Pembagi Pencampur
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-14:Pemekatansaribuahjeruk
23
Evaporator
Sari jeruk encer:ṁ1=10.000lb/jamw1,1 = 0,12w1,2
1 2
3
5 6
4
Komponen:1 = zat terlarut2 = air
Uap air:ṁ4
ṁ2
w2,1 w2,2
Cut back:ṁ3w1,1 w1,2 ṁ3/ṁ1=0,1
ṁ5
w5,1 = 0,8w5,2 Sari jeruk
pekat:ṁ6w6,1 w6,2
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-14:
24
¨ Tabelderajatkebebasan
¨ Penyelesaianharusberawaldarisplitter.
Splitter Evap Mixer Process Overall
A. Banyak variabel aliran 6 5 6 11 5
B. Banyak pers. neraca TTSL 2 2 2 6 2
C. Banyak data aliran 1 0 0 1 1
D. Banyak data komposisi 1 1 1 2 1
E. Banyak hub. Pembantu • Nisbah alir • Kendala pembagi
1 1
0 -
0 -
1 1
0 -
A-B-C-D-E 0 2 3 0 1
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-14:
25
¨ Nisbahaliran“cutback”:ṁ3=0,1ṁ1=0,1(10.000) ṁ3=1000lb/jam
¨ Neracatotaldipembagi:10.000=1000+ṁ2 ṁ2=9000lb/jam
¨ Neracazatterlarut:¤ 0,12(10.000)=w2,1(9000)+w3,1(1000)¤ Kendalapembagi:w2,1=w3,1=0,12àw2,2=w3,2=0,88
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh-14:
26
¨ Evaporator:¤ Neracazatterlarut:0,12(9000)=0,8N5 N5=1350lb/jam
¤ Neracatotal:9000=N4+1350àN4=7650lb/jam
¨ Pencampur:¤ Neracatotal:N6=N5+N3=1350+1000àN6=7650lb/jam¤ Darineracazattelarutdiperolehw6,1=0,51
Dr. Elvi Restiawaty
Contoh14:PetaaliranNMunitpemekatsarijeruk
27
No aliran: 1 2 3 4 5 6
Nama: Sari jeruk encer
Umpan evap
aliran cut back
Keluaran uap air
Keluaran evap cair
Sari jeruk pekat
Laju alir total, lb/jam
10.000 9000 1000 7650 1350 2350
Fraksi-berat
• Zat telarut 0,12 0,12 0,12 0 0,8 0,51
• Air 0,88 0,88 0,88 1 0,2 0,49
Evaporator
1 2
3
5 6
4
Dr. Elvi Restiawaty
StrategiPenyelesaianNMMultiUnit
28
¨ Strategidasartetap:urutkanperhitungansehingga,jikamungkin,tidakdibutuhkanpenyelesaianserempakdarisekelompokpersamaan.
¨ Untuksistemmultiunit,banyaknyapersamaanmaupunvariabelumumnyatidaksedikit.Karenaitu,strategipengurutanperludilaksanakanpadaduatahap:1. Pilihhimpunan-himpunanpersamaanneracayangakan
diselesaikan.2. Gunakanstrategipenyelesaianyangtelahdipelajaripada
unittunggaluntukmengurutkanpenyelesaianmasing-masinghimpunanpersamaan.
Dr. Elvi Restiawaty
StrategiPenyelesaianNMMultiUnit
29
¨ Lakukanselalupenentuanderajatkebebasanneracakeseluruhansistem(overall).Jikaderajatkebebasannyanol,neracakeseluruhanseringkalibermanfaatuntukmengawalipenyelesaian.