Neraca Masa
Neraca Masa
Neraca Masa
Klasifikasi Proses
Proses batch, umpan (Feed) dimasukkan kedalam tangki (Vessel) pada awal prooses kemudian dikeluarkan (Proses dihentikan) setelah waktu tertentu.
Klasifikasi Proses
Proses kontinyu, input (Feed) dan output (Product) mengalir secara terusmenerus (Continue) selama proses
Klasifikasi Proses
Proses semibatch, proses yang bukan kontinyu atau batch
Gas
Input
Input
Output
T, P, V, v konstan
Output
dT/dt, dP/dt, dV/dt, dv/dt
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
Input
(Memasuki batas sistem)
Output
(Meninggalkan batas sistem)
Input
Generation
Output +
Consumption
(Dikonsumsi sistem)
1.
A A&B
A&B
C B
Mixer
Reactor
Separator
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 output
Input (B) Input (A) Output (C)
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%
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
B
y 100%
A
x 100%
C MIXER
x 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.
Produk (C)
MIXER
NaOH 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
DESTILASI
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
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
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
DESTILASI
b 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
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.
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
Konversi, Mol reaktan yang bereaksi dibagi dengan mol reaktan yang masuk kedalam reaktor.
Konversi
Selektifitas, Perbandingan(%) produk terterntu (biasanya produk yang diinginkan dengan mol produk yang lain (umumnya produk samping). Yield,
Yield
Contoh Soal
Akrilonitril 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.
REAKTOR
Input
Generation
Output +
Consumption
(Dikonsumsi 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 kmol
C3H6 + 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 oksigen
EcessNH 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%
Unit 1
Unit 2
Unit 1
40 kg/h A 90% B 10%
Unit 2
30 kg/h A 60% B 40%
Unit 1
W 40 kg/h A 90% B 10%
Unit 2
U 30 kg/h A 60% B 40%
Analisa derajad bebas Seluruh proses: 2 varabel yang tidak diketahui (Z, xZ) 2 persamaan independen (ada dua komponen) = 0 Z dan xZ dapat dihitung
Unit 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
A
B Total Balance
50
50 100 100
36
4 40 100
14
46 60
14
46 60 90
9
21 30
23
67 90 90
23
67 90 90
5
55 60 90
18
12 30
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
Evaporator
Crystallizer Filter
Kristal (K) Kristal kromat Larutan kromat 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
Neraca masa evaporator = F + R = W + E 4500 + 5645.70 = 2952.28 + (1547.72 + 5645.70) 10145.70 = 10145.70