mata kuliah: azas teknik kimia i

MODUL KULIAH

MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA I

Ir. HERLIATI, M.T, Ph.D

Copyright FTI-UJ

MODUL 1

PENDAHULUAN

VARIABEL PROSES

MATA KULIAH: AZAS TEKNIK KIMIA 1


Copyright FTI-UJ

Penjelasan Tentang Mata Kuliah ATK I

• Mata kuliah ini merupakan mata kuliah wajib di program studi Teknik Kimia. Mata kuliah ini mengkajitentang persamaan kimia dan stoikhiometri. Mengkajidan memahami konsep neraca masa secara umum. Mengkaji dan mempelajari perhitungan neraca mas secara rinci dalam unit peralatan baik ada reaksi kimiamaupun tanpa reaksi kimia.

• Metode pembelajaran yang digunakan meliputi teoriyang disampaikan dengan ceramah, diskusi/Tanya jawab, serta latihan menyelesaikan soal.Tugas yang diberikan kepada mahasiswa berupa latihan soal.

Pokok Bahasan

1. Persamaan kimia dan stoikhiometri

2. Konsep neraca masa

3. Metode penyelesaian neraca masa

4. Neraca masa pada system sederhana (1 alat)

5. Neraca masa pada system kompleks (multiple alat)

6. Neraca masa tanpa reaksi kimia dengan recycle

7. Neraca masa dengan reaksi kimia dengan recycle

8. Neraca masa dengan “by pass”

9. Neraca masa dengan reaksi kimia dengan recycle dan purging.

SISTEM NERACA MASA

NERACA MASSA

DENGANREAKSI

REAKSI SINGLE

REAKSI GANDA

TANPAREAKSI

SINGLE UNIT

MULTI UNIT

Variabel Proses

Copyright FTI-UJ

Massa dan Volume

• Massa dari sejumlah volume senyawa/campuran senyawa dapat ditentukanjika diketahui densitas () darisenyawa/campuran tersebut

Contoh: Tentukan massa (g) dari 20 cm3 CCl4. jika diketahui densitasnya 1,595 g/cm3.

Jawab: 31,9 g

SOAL: Tentukan volume (cm3) dari 6,2 lbm CCl4 tersebut di atas jika 1lbm = 454 g.

Jawab:

Bagaimana jika data yang diketahui bukan melainkan Spesific Gravity (SG).

SG = /ref.

ref adalah air pada suhu 4oC dimana nilainya:

= 1 g/cm3 atau 62,43 lbm/ft3.

SOAL:

Tentukan volume merkuri (ft3) yang memilikimassa sebesar 210 kg. diketahui SG dari merkuriadalah 13,125. dimana 1kg =2,2 lbm.

Penyelesaian:

Laju Alir (Flow Rate)

Dapat berupa

- Laju alir massa (Mass Flow rate)

- Laju alir volume (Volum flow rate)

Contoh:

Diketahui laju alir volum CCl4 dalam sebuah pipa adalah 100 cm3/menit.Tentukan massa (kg) CCl4yang mengalir dalam pipa tersebut selama 1 jam.

Penyelesaian:

MFR CCl4 = VFR x

= 100 (cm3/menit) x 1,595 (g/cm3)

= 159,5 g/menit

Untuk 1 jam operasi maka:

Massa CCl4 = 159,5 (g/menit) x (60 menit/jam)

= 9.570 g/jam.

= 9,57 kg/jam

SOAL: Diketahui Laju alir massa n-hexana di dalam pipa adalah 6,59 g/detik. Tentukanvolume (liter) n-hexana tersebut yang mengalirdi dalam pipa selama 1 hari. Jika diketahui n-hexana adalah 0,659 g/cm3.

dimana 1 L = 1000 cm3.

PENYELESAIAN:

Berat densitas rata-rata

...///

/1

1

+++=

==

CCBBAA

n

i

ii

mix

xxx

x

CONTOH: Tentukan densitas rata-rata larutan

etanol 30 % (w/w). Jika persen densitas masing

komponen

air = 1 g/ml dan etanol = 0,789 g/ml

Penyelesaian:

g/ml 926,0

,081

1

7,0

789,0

3,01

mix =

=

+=

mix

Merubah dari komposisi massa menjadikomposisi mol

Copyright FTI-UJ

Contoh:

Suatu campuran gas diketahui persen massa nya (persen berat) sebagai berikut:

O2 = 16 %

CO = 4 %

CO2 = 17 %

N2 = 63 %

Tentukan persen mol masing-masing senyawa dalam (komposisi molar) campuran tersebut.

Merubah dari komposisi massa menjadi komposisi mol

Prosedur merubah persen massa (persen berat) menjadi persen mol:1. Ambil basis 100 g campuran yang diketahui2. Hitung massa masing-masing komponen dalam

campuran tersebut3. Cari mol masing-masing senyawa dengan

membagi massanya dengan BM nya4. Hitung total mol dari campuran tersebut5. Hitung persen mol dari masing-masing senyawa

dengancara membagi mol masing-masing dengan mol total yang dihitung pada point 4.

Penyelesaian:

1. Basis : 100 g campuran, sehingga:2. Menghitung massa masing-masing komponen

O2 = 0,16 x 100 = 16 gCO = 0,04 x 100 = 4 gCO2 = 0,17 x 100 = 17 gN2 = 0,63 x 100 =63 g

3. Menghitung mol masing-masing komponen:O2 = 16 g / 32 (g/mol) = 0,5 molCO = 4 g/ 28 (g/mol) = 0,143 molCO2 = 17 g / 44 (g/mol) = 0,386 molN2 = 63 g/ 28 (g/mol) = 2,25 mol

4. Total mol campuran = 3,279 mol

5. Menghitung persen mol masing-masing komponen

O2 = 0,5 mol / 3,279 mol x 100 = 15,25 %

CO = 0,143 mol / 3,279 mol x 100 = 4,36 %

CO2 = 0,386 mol / 3,279 mol x 100 = 11,78 %

N2 = 2,25 mol / 3,279 mol x 100 = 68,61 %

Total persen = 100 %

SOAL

• Sebuah larutan NaCl (dimana pelarutnyaadalah air) dengan komposisi (% massa) adalah 20 %. Tentukan komposisi NaCl dalampersen mol.

MODUL 2

REAKSI KIMIA DAN STOIKIOMETRI

REAKSI TUNGGAL



Copyright FTI-UJ

✓ Stoichiometry

✓ Limiting Reactant

✓ Excess Reactant

Input + generation = output + consumption

Copyright FTI-UJ

Stoikiometri

✓ Adalah teori yang membahas tentang senyawa-senyawa yang bereaksi secara proporsional yang dituangkan dalam persamaan reaksi kimia.

Contoh :

Sulfurdioksida dan Oksigen bereaksi menghasilkan Sulfurtrioksida

Persamaan reaksi stoikiometri dari contoh di atasadalah:

SO2 + O2 → SO32 2

Limiting dan Excess Reactan

✓ Jika bahan kimia (reaktan-reaktan) diumpankan ke reaktor pada rasio stoikiometri , maka jumlah mol masing-masing senyawa yang menjadi umpanreactor sesuai dengan koefisien persamaan stoikiometri.

✓ Jika ada 2 reaktan yang diumpankan, maka senyawa yang akan habis pertama kali pada akhir reaksi sempurna disebut dengan limiting reactant

✓Reaktan selain limiting reaktan disebut excess reactants.

Fraksi dan Persen excess

Fraksi Excess = 𝑛−𝑛𝑠

𝑛𝑠

Persen Excess =𝑛 − 𝑛𝑠𝑛𝑠

x100

dimana

n = jumlah mol umpan (aktual)

ns = jumlah mol stoikiometri (mol teoritis).

Contoh soal : menentukan limiting dan excessreaktan

100 mol SO2 and 100 mol O2

diumpankan ke sebuah reaktor dan bereaksi sbb:

2SO2+O2→ 2SO3.

Tentukan

✓ limiting reactant danexcess reactant,

✓ Fraksi dan persen excess?

• rasio aktual SO2 / O2

umpan = 100/100 = 1

• Rasio stoichiometric SO2/O2 = 2/1=2

Artinya:

✓ SO2 umpan kurang dari stoikiometri → SO2

sebagai limiting reactant.

✓ O2 sebagai excess reactant.

n = 100 mol ns = 50 mol

Fraksi Excess = (100 -50)/50 = 1

Persen Excess = (100 -50)/50 x 100= 100 %

Latihan Soal

Acrylonitrile dihasilkan dengan mereaksikan propylene, ammonia, dan oxygen.

C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O

Umpan reaktor mengandung 10 % molpropylene, 12% ammonia, dan 78% udara. Untuk basis 100 mol umpan reactor Tentukan:

✓Mana yang bertindak sebagai limiting reactan

✓Persen excess untuk excess reactan.

Penyelesaian Menentukan Limiting Reaktan

(NH3 /C3H6 )input = 12/10 = 1,2 NH3 /C3H6 )stoik = 1/1 = 1

(O2 /C3H6 )input = 16,4/10 = 1,64 (O2 /C3H6 )stoik = 1,5/1 = 1,5

excess excess

Karena Propylene umpan lebih Kecil dibandingkandengan stoikiometri dibandingkan dua reaktan lainnya, Maka propylene adalah limiting reactant.

Reaksi: C3H6 + NH3 + 3/2 O2→ C3H3N + 3 H2O

Umpan: C3H6 = 10 mol; NH3 = 12 mol ; O2 = 16,4 mol

Latihan Soal

Acrylonitrile dihasilkan dengan mereaksikan propylene, ammonia, dan oxygen.

C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O

Umpan reaktor mengandung 10 % molpropylene, 12% ammonia, dan 78% udara. Untuk basis 100 mol umpan reactor jikaPropilene bertindak sebagai limiting reactan dan habis bereaksi, Tentukan:

✓Mol Propilene, Amoniak, Oksigen, Akrilonitrildan H2O yang terdapat pada output reaktor

REAKSI SINGLE:

Fraksi Konversi Reaksi/Persen Konversi Reaksi

Fraksi Konversi

Umumnya, reaksi-reaksi kimia tidak berlangsung sempurna melainkan ada reaktan yang tidak bereaksi.Fraksi dan Persen Konversi dinyatakan sbb:

𝐹𝑟𝑎𝑘𝑠𝑖 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 (𝐹) =𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖

𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛

𝑃𝑒𝑟𝑠𝑒𝑛 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 =𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖

𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛x 100

✓ Fraksi reaktan yang tdk bereaksi = (1-F)

Contoh soal:

200 mol SO2 dan 100 mol O2

diumpankan ke reaktor. Hanya 100 mol SO2 bereaksi berdasarkan reaksi

2SO2+O2→2SO3

Tentukan:

✓ fraksi konversi (F)

✓ Percentage konversi dan

✓ Fraksi yang tidak bereaksi?

𝐹 =𝑚𝑜𝑙 𝑆𝑂2 𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖

𝑚𝑜𝑙𝑆𝑂2𝑢𝑚𝑝𝑎𝑛

𝐹 =100

200= 0,5

% 𝐾𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖 = F x 100%

= 0,5 𝑥 100% = 50%

Fraksi yang tidak bereaksi

= 1 - F

= 1-0,5 = 0,5

Untuk reaksi tidak sempurna

Dimana:

= extent of reaction

i = Komponen i yang terlibat dalam reaksi (baik reaktan

maupun produk)

ni = mol reaktan sisa atau mol produk hasil

nio = mol senyawa mula-mula

βi = +νi, untuk koefisien stoikiometri produk

= -νi , untuk koefisien stoikiometri reaktan

= 0, jika senyawa bersifat inert

✓ Reaksi dikatakan tidak sempurna jika tidak semua reaktanhabis bereaksi. Reaktan sisa dan produk yang dihasilkan pada akhir reaksi dapat dihitung dengan formula sebagai berikut:

ni = nio + βi

Contoh Soal

Acrylonitrile dihasilkan dengan mereaksikan propylene, ammonia, dan oxygen sbb:

C3H6 + NH3 + 3/2 O2 → C3H3N + 3 H2O

Umpan reaktor mengandung 10 % mol propylene, 12% ammonia, dan 78% udara. Fraksi konversi 30% dari propilen. Tentukan:

✓Molar flow rates semua produk untuk 30% konversi terhadap limiting reaktan. Gunakan basis 100 mol umpan reaktor

Penyelesaian

Diagram Proses

100 mol

0,1 C3H6

0,12 NH3

0,78 udara0,21 O2

0,79 N2

Q1 mol C3H6

Q2 mol NH3

Q3 mol O2

Q4 mol 0,79 N2

Q5 mol C3H3NQ6 mol H2O

Menentukan Mol Umpan masing-masing

C3H6 = 0,1 x 100 = 10 mol NH3 = 0,12 x 100 = 12 molO2 = 0,21 x 0,78 x 100 = 16,4 molN2 = 0,79 x 0,78 x 100 = 61,6 mol

Reaksi: C3H6 + NH3 + 3/2 O2→ C3H3N + 3 H2O

Penyelesaian

Diagram Proses

100 mol

0,1 C3H6

0,12 NH3

0,78 udara0,21 O2

0,79 N2

Q1 mol C3H6

Q2 mol NH3

Q3 mol O2

Q4 mol 0,79 N2

Q5 mol C3H3NQ6 mol H2O

Menentukan Flow Rate Produkjika Konv 30 % thd Propylene

propylene sisa = mula-mula - bereaksi= 10 – 0,3 x 10

= 7 mol = Q1

n NH3 = Q2 = 12 - (2)

C3H6 + NH3 + 3/2 O2→ C3H3N + 3 H2O n O2 = Q3 = 16,4 – 1,5 (3)

n C3H3 N = Q5 = (4)

n N2 = Q4 = 61,6 mol

n H2O = Q6 = 3 (5)

Subtitusikan Q1 ke pers (1)7 = 10 -

maka = 3Masukkan nilai ke persamaan 2 sampai 5 sehingga

n C3H6 = Q1 = 10 - (1)

Q1 = 7; Q2 = 9; Q3 = 11,9; Q5 = 3; Q6 = 9

Penyelesaian Diagram Proses

10 mol C3H6

12 mol NH3

78 mol udara16,4 mol O2

61,6 mol N2

7 mol C3H6

9 mol NH3

11,9 mol O2

61,6 mol 0,79 N2

3 mol C3H3N9 mol H2O

C3H6 + NH3 + 3/2 O2→ C3H3N + 3 H2O

Senyawa BMInput Output

mol gram mol gram

C3H6 42 10 420 7 294

NH3 17 12 204 9 153

O2 32 16,4 524,8 11,9 380,8

N2 28 61,6 1724,8 61,6 1.724,8

C3H3N 53 - - 3 159

H2O 18 - - 9 162

TOTAL 100 2.873,6 101,5 2.873,6

NERACA MASSA

Soal

• Dietil eter dihasilkan dengan dehidrasi etilalkohol di dalam asam sulfat. Reaksi yang terjadi sbb:

2C2H5OH → C2H5OC2H5 + H2O.

• Jika konversi alkohol 87%, dengan basis 100 mol umpan per jam, tentukan:

a. Molar flow rate semua output reaktor

b. Buat tabel neraca massa

penyelesaian metana.xlsx

Latihan Soal: Pembakaran Metana

Metana dibakar dengan oksigen menghasilkankarbondioksida dan air. Umpan terdiri dari 20 mole% CH4, 60% oksigen, dan 20% CO2. Konversiterhadap limiting reaktan adalah 90%. Tentukan:

a. Komposisi molar aliran produk dengan basis perhitungan 100 mol campuran umpan.

b. Extent of reaction ().

c. Tabel neraca massa

penyelesaian pertemuan 11 latihan soal.xlsx

Kesetimbangan Reaksi

✓Ketika reaksi kimia berjalan dalam satu arah saja, maka kita sebut irreversible.

✓Tetapi jika reaksi berlangsung dalam arah ke kanan dan kekiri , maka kita sebut reversible.

✓ Jika laju reaksi ke kanan dan laju reaksi ke kiri sama, maka reaksi ini disebut dalam equilibriumatau kesetimbangan.

✓Konstanta kesetimbangan (K) untuk fase gas utk reaksi

A(gas) + B(gas) <=> C(gas) + D (gas)

Adalah: 𝐾 =𝑌𝐶𝑌𝐷

𝑌𝐴𝑌𝐵; Y = fraksi mol

Contoh Soal: Perhitungan reaksi kesetimbangan

Perhatikan reaksi kesetimbangan berikut:

CO(g) + H2O(g) ⇔ CO2 (g) + H2 (g)

Proses berlangsung pada temperatur K

Persamaan kesetimbangan reaksi di atas adalah:

𝐾 𝑇 =𝑦𝐶𝑂2𝑦𝐻2𝑦𝐶𝑂𝑦𝐻2𝑂

K(T): konstanta kesetimbangan fungsi dari T

Pada T = 1105 K (832°C), K = 1.00.

Jika umpan reaktor terdiri dari: 1.00 mol CO, 2.00 mol H2O, dan tidak ada CO2 maupun H2

Campuran reaksi mencapai kesetimbangan pada T 1105 K. Tentukan:

✓ Komposisi kesetimbangan

✓ fraksi konversi dari LR.

SOAL

Penyelesaian:

Analogi dengan persamaan reaksi irreversible:

CO(g) + H2O(g) ⇔ CO2 (g) + H2 (g)

1 mol 2 mol

Mol senyawa-senyawa pada kesetimbangan adalah:

Dimana:

e = extent of reaction pada kesetimbangan

nCO = 1 - e

nH2O = 2 - e

nCO2 = e

nH2 = e

n Total = 3

Sehingga fraksi mol masing-masing senyawa, yi adalah:

𝑦𝐶𝑂 =1 − 𝑒

3

𝑦𝐻2𝑂 =2 − 𝑒

3

𝑦𝐶𝑂2 =𝑒

3

𝑦𝐻2 =𝑒

3

+

Penyelesaian:

𝑦𝐶𝑂 =1 − 𝑒

3

𝑦𝐻2𝑂 =2 − 𝑒

3

𝑦𝐶𝑂2 =𝑒

3

𝑦𝐻2 =𝑒

3

Subtitusikan nilai-nilai ini ke persamaan kesetimbangan:

𝐾 𝑇 =𝑦𝐶𝑂2𝑦𝐻2𝑦𝐶𝑂𝑦𝐻2𝑂

𝐾 =

𝑒3 .

𝑒3

1 − 𝑒3

2 − 𝑒3

Sehingga:

𝐾 =𝑒

2

(1−𝑒)(2−𝑒)= 1

Nilai e diperoleh = 0,667, subtitusikan nilai tersebut ke dalam persamaan fraksi masing-masing senyawa:𝑦𝐶𝑂 = 0,111 ; 𝑦𝐻2𝑂 = 0,444;

𝑦𝐶𝑂2 = 0,222; 𝑦𝐻2 = 0,222

GOALSEEK SOAL KESETIMBANGAN.xlsx

Jawaban pertanyaan:

✓ Limiting Reaktan

✓ Fraksi konversi LR

𝑦𝐶𝑂 = 0,111 ; 𝑦𝐻2𝑂 = 0,444;

𝑦𝐶𝑂2 = 0,222; 𝑦𝐻2 = 0,222

Limiting reaktan adalah CO

Fraksi konversi CO adalah

F = mol CO bereaksi/mol CO awal

CO sisa = 1 – 0,667

= 0,333

CO bereaksi = 1-0,333

= 0,667

F = 0,667/1 = 0,667

MODUL 3

REVIEW REAKSI KIMIA TUNGGALREAKSI GANDA



Copyright FTI-UJ

REVIEW

Reaksi Single dimana umpan tidakmurni

Copyright FTI-UJ

Contoh Soal: Pembuatan Heksamin

Heksamin diproduksi dengan mereaksikan formaldehiddengan amoniak sbb:

6CH2O + 4NH3 → C6H12N4 + 6H2O

Reaksi berlangsung dalam fase cair. Amoniak umpanmengandung 0,5%(w/w) H2O sementara formaldehid umpanterdiri dari 37 % formaldehid, 62,5 % H2O dan 0,5% CH3OH (w/w). Perbandingan mol amoniak terhadap formaldehidumpan adalah 2:3. konversi terhadap formaldehid adalah98%. Jika ingin diproduksi heksamin sebesar 9.504 ton/tahun.

Tentukan perhitungan neraca massa untuk kasus di atasdimana kemurnian heksamin adalah 99,9 % berat ( terdapatair 0,1%) .

Note: 1 tahun = 330 hari; 1 hari 24 jam.


ubah % massa masing-masing umpan menjadi % mol

Ambil 100g umpan amoniak

NH3 = 99.5g = 5.85 mol = 99.53 % mol

H2O = 0.5g = 0.03 mol = 0.47 % mol

5.88 100 %

Ambil 100g umpan Formaldehid

CH2O = 37g = 1.23 mol = 26.12 % mol

H2O = 62.5g = 3.47 mol = 73.55 % mol

CH3OH = 0.5g = 0.02 mol = 0.33 % mol

100 4.72 100 %

Basis perhitungan: 100 kmol umpan reactor; dimana rasio mol NH3:CH2O = 2:3 Maka:

NH3 umpan = 40 kmol (murni) dan CH2O umpan = 60 kmol (murni)

F1 kmol

40 NH3

0,19 H2O

F2 kmol

60 CH2O168,92 H2O0,76 CH3OH

F3 kmol

F3CH2OF3NH3

F3CH3OHF3C6H12N4

F3H2O

Susun Persamaan-persamaan aljabar sebagai berikut:

F3CH2O = 60 – 6 1 (1)

F3NH3 = 40 – 41 (2)

F3CH3OH = 0,76 (inert tidak ikut bereaksi)

F3C6H12O4 = 1 (3)

F3H2O = 0,19+168,92+6 1 (4)

Selanjutnya akan ditentukan nilai 1 menggunakan informasikonversi 98 % terhadap CH2O

Fraksi konversi = kmol CH2O bereaksi/kmol CH2O umpan

0,98 = kmol CH2O bereaksi/60; maka

kmol CH2O bereaksi = 58,8 dengan kata lain

CH2O sisa = 1,2 kmol = F3CH2O Subtitusikan nilai F3CH2O ke persamaan 1

Subtitusikan nilai 1 ke persamaan 2 – 4 akan diperoleh hasilsebagai berikut:

F3NH3 = 0,8 kmol amoniak sisa

F3CH3OH = 0,76 (inert tidak ikut bereaksi)

F3C6H12O4 = 9,8 kmol hexamine yang dihasilkan = 1.372 kg/jam

F3H2O =227,91 kmol air yang dihasilkan

Selanjutnya akan ditentukan factor pengali untuk memperolehinput dan output actual jika kapasitas 9.504 ton/tahun

C6H12O4 = 9.504 ton/tahun x 1000 kg/ton x 1 tahun/330 hari x 1 hari/24 jam = 1200 kg/jam

Faktor pengali = 1200 kg jam-1/ 1.372 kg jam-1

=0,8746 (buat 4 desimal)

1,2 = 60 – 6 1; maka 1 = 9,8

F1 kg

594,728 NH3

2,991 H2O

F2 kg

1.574,28 CH2O2.659,274 H2O21,270 CH3OH

F3 kg

31,486 CH2O11,895 NH3

21,270 CH3OH1200 C6H12N4

3.587,942 H2O

4.852,543 kg4.852,543 kg

DIAGRAM PROSES DENGAN KAPASITAS 1200 kg/jam Hexamin

TABEL NERACA MASSA DENGAN KAPASITAS 1200 kg/jam Hexamin

Senyawa BM

Input, F1 Input, F2 Output, F3

kmol kg kmol kg kmol kg

CH2O 30 52,476 1.574.28 1,0495 31,486

NH3 17 34,984 594,728 0,6997 11,895

H2O 18 0,166 2,991 147,737 2.659.274 199,330 3587,942

CH3OH 32 0,665 21.270 0,665 21,270

C6H12O4 140 0 0 8,571 1200

SUB TOTAL 597,719 4254.824

TOTAL 4.852,543 kg 4.852,543 kg

Reaksi Ganda: Yield

Selectivitas

Copyright FTI-UJ

Definisi

✓Dalam proses kimia, tujuannya adalah untuk menghasilkan produk tertentu (desired product), tetapi mungkin saja terjadi reaksi samping yang kemudian menghasilkan produk yang tidak diharapkan (undesired product).

✓Lalu, harus diupayakan agar memaksimalkan desired product dalam proses tersebut.

✓Dua terminologi selain Konversi yaitu: yield danselectivity, akan digunakan.

Definisi

𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑

=moles of desired product formed

moles of desired product formed if there were no sidereactions and the limiting reactant reacts completely

𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 =moles of desired product formed

moles of undesired product formed

aA + B → cC ( 1)

B + C → D ( 2)

asumsi C = Desired ; D undesired

𝑌𝑖𝑒𝑙𝑑 =moles of C

(𝑐𝑎) .𝑚𝑜𝑙𝑒𝑠 𝑜𝑓 𝐴 𝑓𝑒𝑒𝑑

Dimana: asumsi A sebagai Limiting Reactant

𝑆𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑡𝑦 =moles of C

moles of D

Karena yang dibahas multi reaksi maka berlakuformula extent of reaction sbb:

ni = nio + βij j

Dimana: = extent of reaction untuk reaksi ke ji = Komponen yang terlibat dalam reaksi

ni = mol reaktan sisa atau mol produk hasilnio = mol senyawa mula-mulaβij = +νi, jika produk i pd reaksi j

= -νi , jika reaktan i pd reaksi j = 0, jika inert

Prosedur penyelesaian

1. Beri notasi untuk setiap reaksi seperti berikut:

A + B → C + D ( 1)

B + C → D ( 2)

2. Susun persamaan aljabar guna menentukan mol masing-masing senyawa pada akhir reaksidengan persamaan:

ni = nio + βij j

3. Selesaikan persamaan aljabar dengan Informasi, Konversi, yield dan selektivity (paling tidak harusada 2 informasi yang diketahui).

Contoh menentukan% yield

Perhatikan reaksi berikut:

A + B → 2C (desired)

A + C→ D (undesired)

A dan B diumpankan masing-masing 100 mol menuju batch reactor dimana produk akhir mengandung 160 mol C dan10 mol D. Tentukan:

✓ Persen yield produk C,

✓ Selectivity produk C relatif terhadap produk D

✓ extents of the reactions.

• mol dari desired product (C) terbentuk = 160

• mol desired product terbentuk jika tidak ada reaksi samping dan LR bereaksi sempurna

= 2/1 x 100 mol = 200 mol

Maka:

yield (%) = 160/200 x 100

= 80%

Selectivity: C terhadap D

= 160/10 = 16

Jika etilen terkoversi sebanyak 20% dan etilen oksida dihasilkan dengan yield 16 %. Tentukan

a. komposisi masing-masing senyawa pada akhir reaksi.

b. Umpan etilen dan oksigen jika kapasitas etilenoksida 1500 kg

Contoh Soal:

untuk reaksi berikut, dimana setiap 3 mol etilen umpanmaka 1 mol juga oksigen diumpankan menurut reaksi sbb:

2C2H4 + O2 → 2C2H4O ( 1)

C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O ( 2)

Proses Diagram

P1 kmol C2H4

P2 kmol O2

P3 kmol C2H4OP4 kmol CO2

P5 kmol H2O

3 kmol C2H4

1 kmol O2REAKTOR

2C2H4 + O2 → 2C2H4O ( 1)C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O ( 2)

Reaksi:

Basis perhitunganumpan : 3 kmol C2H4

1 kmol O2

Dari Informasi soal:FK = 0,2FY = 0,16

Gunakan informasi yang diketahuidari soal untuk menyederhanakanpersamaan2 yang dibuat.

Selesaikan persamaan2 yang dibentuk dengan metode eliminasiatau subtitusi.

Selanjutnya akan ditentukan nilai 1 dan 2 dengan menggunakaninformasi konversi dan yield

P1 = nC2H4 = 3 – 2 1 – 2 (1)P2 = nO2 = 1 – 1 – 3 2 (2)P3 = nC2H4O = 2 1 (3)P4 = nCO2 = 2 2 (4)P5 = nH2O = 2 2 (5)

Susun persamaan aljabar untuk menentukan Mol masing-masing senyawa pada akhir reaksi sbb:

2C2H4 + O2 → 2C2H4O ( 1)C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O ( 2)

Menentukan 2 : menggunakan informasi konversiFraksi Konversi = kmol C2H4 bereaksi/3 kmol

0,2 = kmol C2H4 bereaksi/3 kmolC2H4 bereaksi = 0,6 kmol, makaC2H4 sisa = 3 – 0,6 = 2,4 kmol (ini adalah nilai P1)

Subtiitusikan nilai 1 dan P1 ke persamaan (1), akan diperoleh:

Sesuaikan dengan persamaan aljabar di atas:

Yield = P3/3 ; dari basis perhitungan C2H4 umpan = 3 kmol.Subtitusikan nilai FY dan P3 maka:

0,16 = 2 1/3 1 = 0,24

Menentukan angka faktor pengali:Dengan basis 3 kmol umpan C2H4 dihasilkan 0,48 kmol C2H4OKapasitas yang diinginkan = 1500/44 = 34,01 kmolFP = 34,01 kmol /0,48 kmol = 71,04

Menentukan Feed untuk kedua reaktan:FC2H4 = 3 kmol x 71,04= 213,12 kmolF O2 = 1 kmol x 71,04 = 71,04 kmol

2,4 = 3 – 2 * 0,24 – 2, Maka, 2 = 0,12Dari pers (2)

P2 = 1 – 0,24 – 3 x 0,12 = 0,4 kmol Oksigen sisaP3 = 2 1 = 2 x 0,24 = 0,48 kmol produk C2H4OP4 = 2 2 = 2 x 0,12 = 0,24 kmol CO2P5 = 2 2 = 2 x 0,12 = 0,24 kmol H2O

Tabel Neraca Massa Dengan Basis umpan3 kmol C2H4

Komp BM Input Output % massa

kmol kg kmol kg

C2H428 3 84 2,4 67,2 57.93

O232 1 32 0,4 12,8 11.03

C2H4O 44 - - 0,48 21,12 18.20

CO244 - - 0,24 10,56 9.10

H2O 18 - - 0,24 4,32 3.72

TOTAL 4 116 3,76 116 100

Tabel Neraca Massa Dengan Kapasitas1500 kg/jam C2H4O

Komp BM Input Output % massa

kmol kg kmol kg

C2H428 213,12 5.967 170,5 4774 57.93

O232 71,04 2273 28,42 909 11.03

C2H4O 44 - 34,1 1.500 18.20

CO244 - 17,05 750 9.10

H2O 18 - 17,05 307 3.72

TOTAL 8240 267.12 8240 100

CONTOH SOAL

Metana dan oksigen bereaksi untuk membentuk formaldehiddengan bantuan katalis. Reaksi yang terjadi adalah:

CH4 + O2 → HCHO + H2OCH4 + 2 O2 → CO2 + 2H2O .

Umpan reaktor terdiri dari metana dan oksigen denganperbandingan yang sama. Fraksi konversi metana 0,95 danfraksi yield formaldehid adalah 0,9. Tentukan:a. Tabel Neraca Massa dengan basis 1 kmol metana umpanb. Jika ingin dihasilkan 1800 kg formaldehid tentukan

kebutuhan umpanc. Buatkan Tabel neraca massa dengan kapasitas aktual

seperti pada pertanyaan b.

Diagram Alir

1 kmol CH4

1 kmol O2 P1 kmol CH4

P2 kmol O2

P3 kmol HCHOP4 kmol CO2

P5 kmol H2O

REAKTOR

CH4 + O2→ HCHO + H2O (1)CH4 + 2 O2 → CO2 + 2H2O (2)

Gunakan Basis perhitungan 1 Kmol CH4 umpan reaktor

Maka: Oksigen Umpan = 1 kmol (informasi dari soal)

Membuat Persamaan-persamaan aljabar

P1 = 1 – 1 – 2 (1)

P2 = 1 – 1 – 2 2 (2)

P3 = 1 (3)

P4 = 2 (4)

P5 = 1 + 2 2 (5)

Selanjutnya akan ditentukan nilai 1 dan 2 denganmenggunakan informasi konversi dan yield

Menentukan 1 : Dari soal, Yield HCHO = 0.9Maka: jika 1mol CH4 umpanYield = P3/1

P3= 1 x 0.9 = 0,9Dari persamaan aljabar bahwa:

P3 = 1 : maka 1 = 0,9

Menentukan 2 : menggunakan informasi konversi = 0,95Konversi = CH4 bereaksi/1

0,95 = CH4 bereaksi/1 CH4 bereaksi = 0,95 kmolCH4 sisa = 1 – 0,95 = 0,05 kmol (ini adalah = P1)

Subtiitusikan nilai 1 dan P1 ke persamaan (1), diperoleh

0,05 = 1 – 1 – 2, Maka, 2 = 1-0,05 - 0,9 = 0.05

Dari pers (2)P2 = 1 – 0.9 – 2 x 0.05 = 0 kmol Oksigen sisa (tdk ada sisa)P3 = 1 = 0,9 kmol produk HCHOP4 = 2 = 0,05 kmol CO2P5 = 0,9 + 2 x 0,05 = 1 kmol H2O

Menentukan angka faktor pengali:Dengan basis 1 kmol umpan CH4 dihasilkan 0,9 kmol HCHOKapasitas yang diinginkan = 1800/30 = 60 kmol

FP = 60 kmol /0,9 kmol = 66.66667

Menentukan Feed untuk kedua reaktan:

FCH4 = 1 kmol x 66.66667 = 66.66667 kmol

F O2 = 1 kmol x 66.66667 = 66.66667 kmol

Komposisi dan neraca massa dg basis

Komp BM Input Output % mol

kmol kg kmol kg

CH416 1 16 0,05 0,8 2,5

O232 1 32 0 0 0

HCHO 30 - - 0,9 27 45

CO244 - - 0,05 2,2 2,5

H2O 18 - - 1 18 50

TOTAL 2 48 2 48 100

Komposisi dan neraca massa Aktual

Komp BM Input Output % mol

kmol kg kmol kg

CH416 66,667 1.066,67 3,33 53,28

O232 66,667 2.133,34 0 0

HCHO 30 - - 60 1800

CO244 - - 3,33 146,52

H2O 18 - - 66,667 1200

TOTAL 3200 3200

Contoh Soal: Pembuatan Etanol

Etanol dihasilkan secara komersial dengan hidrasi etilen sbb:C2H4 + H2O → C2H5OH

Tetapi beberapa produk dikonversikan menjadi dietileter sbb:2C2H5OH → (C2H5) 2O + H2O

Umpan reaktor mengandung etilen dan steam dalam mol rasio 3:2 dan 10 % mol inert. Fraksi konversi etilen menjadietano25 % sementara yield produk adalah 20 %. a. Tentukan Komposisi produk keluar reaktor (% mol) dengan

basis 100 mol umpan reaktor. b. Tentukan kebutuhan bahan baku etilen (kg/hari) untuk

kapasitas produksi 200.000 ton/tahun (1 tahun = 300 hari).

Diagram Alir

54 mol C2H4

36 mol H2OP1 mol C2H4

P2 mol H2OP3 mol C2H5OHP4 mol (C2H5)O2

REAKTOR

100 mol

10 mol I

C2H4 + H2O → C2H5OH (1)

2C2H5OH → (C2H5) 2O + H2O (2)


P1 = 54 – 1 (1)

P2 = 36 – 1 + 2 (2)

P3 = 1 -2 2 (3)

P4 = 2 (4)


Menentukan 1 dan 2 : Dari soal, Yield Etanol = 0.2

Yield = P3/54

P3= 54 x 0.2 = 10,8 mol

Dari persamaan aljabar bahwa:

P3 = 1 – 2 2 = 10,8 (5)

Menggunakan informasi konversi = 0,25

Konversi = Etilen bereaksi/54 = 0,25

Etilen bereaksi = 13,5 mol

Etilen sisa = 54 – 13,5 = 40,5 mol (ini adalah = P1)

Subtiitusikan nilai P1 ke persamaan (1), diperoleh

1 = 13,5 mol; subtitusi 1 ke pers ( 5), diperoleh

1 – 2 2 = 10,8, maka 2 = 1,35

Subtitusi nilai 1 dan 2 ke pers (1) sampai (4)

P1 = 40,5 etilen sisa

P2 = 23,85 steam sisa

P3 = 10,8 etanol (produk utama)

P4 = 1,35 dietil eter (produk samping)

Soal: Pembuatan Etanol

Etanol dihasilkan secara komersial dengan hidrasi etilen sbb:C2H4 + H2O → C2H5OH

Tetapi beberapa produk dikonversikan menjadi dietileter sbb:2C2H5OH → (C2H5) 2O + H2O

Umpan reaktor mengandung etilen dan steam dalam mol rasio 3:2 dan 10 % mol inert. Fraksi konversi etilen menjadi etanol 25 % sementara yield produk adalah 20 %. a. Buat Diagram Prosesb. Tentukan Komposisi produk keluar reaktor (w/w) dengan basis 100

kmol/jam umpan reaktor. c. Tentukan kebutuhan bahan baku etilen (kg/jam) untuk kapasitas

produksi 200.000 ton/tahun (1 tahun = 300 hari).

Diagram Alir

54 kmol C2H4

36 kmol H2OP1 kmol C2H4

P2 kmol H2OP3 kmol C2H5OHP4 kmol (C2H5) 2O

REAKTOR

100 kmol

10 kmol I

C2H4 + H2O → C2H5OH

2C2H5OH → (C2H5) 2O + H2O


P1 = 54 – 1 (1)

P2 = 36 – 1 + 2 (2)

P3 = 1 -2 2 (3)

P4 = 2 (4)


Menentukan 1 dan 2 : Dari soal, Yield Etanol = 0.2

Yield = P3/54

P3= 54 x 0.2 = 10,8 kmol

Dari persamaan aljabar bahwa:

P3 = 1 – 2 2 = 10,8 (5)

Menggunakan informasi konversi = 0,25

Konversi = Etilen bereaksi/54 = 0,25

Etilen bereaksi = 13,5 kmol

Etilen sisa = 54 – 13,5 = 40,5 mol (ini adalah = P1)

Subtiitusikan nilai P1 ke persamaan (1), diperoleh

1 = 13,5 kmol; subtitusi 1 ke pers ( 5), diperoleh

1 – 2 2 = 10,8, maka 2 = 1,35

Subtitusi nilai 1 dan 2 ke pers (1) sampai (4)

P1 = 40,5 kmol etilen sisa

P2 = 23,85 kmol steam sisa

P3 = 10,8 kmol etanol (produk utama)

P4 = 1,35 kmol dietil eter (produk samping)

Tabel Perhitungan Neraca Massa dengan Basis

Komp BM Input Output % (w/w)

kmol kg mol kg

C2H428 54 1.512 40,5 1.134 52,5

H2O 18 36 648 23,85 429,3 19,875

C2H5OH 46 - - 10,8 496,8 23

(C2H5) 2O 74 - - 1,35 99,9 4,625

TOTAL 90 2.160 76,5 2.160 100%

Menentukan kebutuhan bahanbaku untuk kapasitas produksi200.000 ton/tahun (1 tahun = 300 hari).

Etanol = 200.000.000 kg/tahun = 666.666,7 kg/hari

= 27.777,8 kg/jam = 603,86 kmol/jam

Menentukan Faktor Pengali

Dengan basis etilen 54 kmoldihasilkan etanol 10,8 kmol.

Faktor Pengali

= nilai kapasitas /nilai basis

= 603,86/10,8 = 55,913

Kalikan semua stream denganfaktor pengali, maka

Input:

Etilen = 54 x 55,913 = 3.019,30

H2O = 2.012,87 kmol

Output

Etilen = 2.264,48 kmol

H2O = 1.333,53 kmol

Etanol = 603,86 kmol

Dietil Eter = 75,48 kmol

Tabel Perhitungan Neraca Massa Aktual

Komp BM Input Output %

kmol kg kmol kg

C2H428 3.019,30 84.540,4 2.264,48 63.405,4 52,5

H2O 18 2.012,87 36.231,7 1.333,53 24.003,5 19,875

C2H5OH 46 - - 603,86 27.777,6 23

(C2H5) 2O 74 - - 75,48 5.585,5 4,625

TOTAL 5.032,17 120.772 4.277,35 120.772 100%

Soal: Pembuatan Monoklorobenzena

Monoklorobenzen dihasilkan dengan proses klorinasi sbb:C6H6 + Cl2 → C6H5Cl + HCl

Benzen dan klorin diumpankan dengan rasio mol 1:1.25. Namun sebagian monoklorobenzen bereaksi membentukdiklorobenzen sbb:

C6H5Cl + Cl2 → C6H4Cl2 + HClBenzen terkonversi sebesar 85 % dan selektifitas benzenklorida terhadap benzen diklorida adalah 15.67 mol/mol. a. Tentukan Komposisi (% mol) produk yang keluar reaktor

dengan basis 100 kmol umpan benzenb. Jika kapasitas produk sebesar 45.000 ton/tahun tentukan

kebutuhan umpan (kg/jam). Note: 1 tahun = 300 hariAsumsi: Bahan baku dan produk murni


MODUL 4

NERACA MASSA TANPA REAKSIDENGAN METODE ALJABAR



Copyright FTI-UJ

ALAT PROSES

F1 kg /jam

F2 kg/jam A

F3 Kg /jam

DIAGRAM ALIR PROSES

x1A(1-x1)B

x3A(1-x3)B

Copyright FTI-UJ

PROSESF1 kg

F2 kg A

F3 Kg

DIAGRAM ALIR PROSES

x1A(1-x1)B

x3A(1-x3)B

Basis : 1 jam operasi

Copyright FTI-UJ

PROSESF1 kg

x1 A(1- x1) B

F2 kg A

F3 Kg

x3 A(1- x3)B

Basis : 1 jam operasi

INPUT TOTAL = OUTPUT TOTAL

KONSEP NERACA MASSA

INPUT KOMPONEN A = OUTPUT KOMPONEN A

F1+ F2 = F3

x1 x F1 + F2 = x3 x F3

Copyright FTI-UJ

INPUT = OUTPUT

(1)

(2)

Contoh Soal:

Copyright FTI-UJ

Tentukan F1 dan F2

Penyelesaian

• Buat Neraca Total

F1 + F2 = 2110 kg (1)

• Buat Neraca komponen H2SO4

0,1243 F1 + 0,777F2 = 0,1863 x 2110 (2)

• Selesaikan persamaan (1) dan (2) secarasubtitusi untuk memperoleh nilai F1 dan F2

dari persamaan (1)

F2 = 2110 – F1 , subtitusikan ke pers (2)

0,1243F1 + 0,777 (2110-F1) = 393,093

0,1243F1 + 1.639,47 – 0,777F1 = 393,093

-0,6527 F1 = - 1246,377

F1 = 1909,57 kg H2SO4 lemahsubtitusikan nilai F1 ke pers (1)

Copyright FTI-UJ

F2 = 200,43 kg H2SO4 pekat

Contoh soal untukcampuran 3 komponen:Neraca massa pada mixer

NERACA TOTALF1 + F2 + F3 = 1000 F1 = 1000 – F2 – F3 (1)

Neraca H2SO4

0,23F1 + 0,93F2 = 600 (2)

Neraca HNO3

0,57F1 + 0,9F3 = 270 (3)

Subtitusi persamaan (1) kepersamaan (2) dan persamaan (3)

0,7F2 – 0,23F3 = 370 (4)0,33F3 – 0,57F2 = -300 (5)

Persamaan (5) dirubah menjadi:F3 = (0,57F2 – 300)/0,33 subtitusikan ini ke persamaan (4)

F2 = 531,5791 kg; F3 = 9,15378 kg;F1 = 459,2671 kg

Copyright FTI-UJ

Tentukan F1, F2 dan F3

Maka diperoleh:

LATIHAN SOAL

Larutan selulosa mengandung 5,2 % selulosa. Berapa kg larutan selulosa 1,2 % yang diperlukanuntuk mengencerkan larutan dari 5,2 % menjadi4,2 % sebanyak 100 kg.

Penyelesaian:

F1 = 25 kg; F2 = 75 kg

Copyright FTI-UJ

Neraca Massa Pada Kolom Distilasi

Copyright FTI-UJ

DistilasiFeed , F1 kg

0,35 etanol0,65 H2O

Distilat, F2 kg

0,85 etanol0,15 H2O

Waste, F3 kg

0,05 etanol0,95 H2O

Contoh Kasus Pada Kolom Distilasi

Basis : 1 kg/jam umpan

Tentukan: F2 dan F3

Tentukan: F2, F3Penyelesaian:

Neraca Massa Total:

F1 = F2 + F3

1 = F2 + F3 → F3 = 1- F2 (1)

Neraca Massa Komponen etanol:

(0,35)(1) = (0,85)F2+ (0,05)F3

0,35 = 0,85F2 + 0,05F3 (2)

subtitusi persamaan (1) ke pers (2:0,35 = 0,85F2 + 0,05 (1-F2)

0,3 = 0,8F2

Basis : 1 kg/jam umpan

Copyright FTI-UJ

Diperoleh: F2 = 0,375 kg distilat dan F3 = 0,625 kg waste

CONTOH SOAL:

Sebuah campuran mengandung 45 % benzena (B) dan 55 % Toluena (T) dalam % berat. Dipisahkan di dalam sebuah kolom distilasi dimana overhead stream (top produk) terdiri dari 95wt % B, dimana8 % dari benzen umpan keluar dari bottom kolom. Umpan kolom sebesar 2000 kg/jam campuran. Tentukan:

a. Diagram alir proses

b. Laju aliran produk overhead (kg/jam)

c. Laju aliran benzena dan toluena pada bottom kolom distilasi (kg/jam)

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian: Basis 1 jam operasiInformasi dari soal untuk Benzena:

0,08 x 0,45 x 2000 = x.F3, maka

72 = x.F3 (1)

DISTILASI

F1 = 2000 kg

0,45 B0,55 T

F2 kg

0,95 B0,05 T

F3 kg

X B(1-X)T

Neraca Total2000 = F2 + F3 (2)Neraca Benzena:0,45 x 2000 = 0,95 F2 + xF3900 = 0,95 F2 + xF3 (3) Subtitusikan pers (1) ke (3)900 = 0,95F2 + 72F2 = 871,579 kg subt. ini ke (2)F3 = 2000 – 871,579

= 1.128,421 kgMaka pada bottom: Benzena = 72 kgToluena = 1.128,421 – 72 = 1.056,421 kg

Copyright FTI-UJ

Kerjakan Sebagai Tugas10.000 kg/jam campuran benzen (C6H6) dan toluen (C7H8) denganbagian massa yang sama diumpankan ke dalam kolom distilasi. Flow rate produk atas (overhead) adalah 4500 kg/jam dan aliranbawah (bottom) mengandung 10 % benzen.

a. Buatkan blok diagram beserta label dan simbol yang diperlukanuntuk perhitungan

b. Tentukan fraksi massa benzen dan toluen pada produk atas

c. Tentukan mol flow rate benzen dan toluen masing-masing padaproduk atas (kmol/jam)

d. Tentukan fraksi mol benzen dan toluen pada produk atas

e. Berapa ton kebutuhan umpan jika ingin diproduksi produk atas200.000 ton/tahun (1 tahun = 330 hari)

Copyright FTI-UJ

MODUL 5

NERACA MASSA DI KOLOM ABSORBER



Copyright FTI-UJ

Neraca Massa Pada Kolom Absorber

V1 kg/jamGas

y1

Lo kg/Jam Solventxo

L1 kg/jam (Solven + Solut)x1

Absorber

V2 kg/Jam Gas Sisa

y2

Copyright FTI-UJ

Konsep Neraca Massa Pada Kolom Absorber

KETERANGAN GAMBAR

V1 = aliran gas umpan

y1 = fraksi solute yang akan diabsorbyang terdapat dalam V1

V2 = aliran gas yang tdk terserap

y2 = fraksi solut yang tdk terserap yang terdapat dalam V2

L1 = aliran solven yang menyerap solute

xi = fraksi solute yang terdapat dalam L1

Lo = aliran liquid solvent

xo = fraksi solute yang mungkin terdapatdalam solvenV1 kg/jam

Gas y1

Lo kg/Jam Solventxo


Absorber

V2 kg/Jam Gas Sisa

y2

Copyright FTI-UJ

V1 kg/jam Gas y1

Konsep Perhitungan Neraca Massa Pada Kolom Absorber

BEBERAPA ASUMSI

1. xo = 0, Untuk proses pemisahansolven dan solute pada alatselanjutnya sempurna

2. Solven hanya menyerap 1 komponen saja dari campuran gas tidak yang lainnya

3. Jika tidak ada informasi, makarasio massa atau rasio mol antarasolven dan gas campuran 2:1

Lo kg/Jam Solventxo


Absorber

V2 kg/Jam Gas Sisa

y2

Copyright FTI-UJ

Contoh: Neraca Massa Pada Absorber

Karbondisulfida direcovery dari campuran gas yang terdiri dari 15% mol CS2, 17,8 % O2, dan67,2 % N2. gas diumpankan secara kontinyu kedalam menara absorber dari dasar kolomdimana kontak secara berlawanan arah denganliquid benzen (B) yang hanya menyerap CS2

namun tidak O2 maupun N2. benzendiumpankan ke dalam kolom dengan rasio 2:1 terhadap gas umpan. Sebagian kecil benzen cairyang masuk ke kolom akan menguap danmeninggalkan puncak kolom. Gas yang meninggalkan kolom terdiri dari 2% CS2 dan 2% benzen. Untuk basis 100 mol/jam gas umpan. Tentukan:

a. Gambar Diagram proses

b. Hitung mol fraksi CS2 pada aliran outlet

c. Buatkan tabel neraca massa jika ingindihasilkan 15 kg/jam CS2 yang keluar daribottom absorber yang terlarut dalamsolven.

V2 mol gas0.02 CS2

0.02 B

200 mol B

100 mol Gas 0.15 CS2

0.178 O2

0.672 N2

L 1 mol (Solven + Solut)x1 CS2

(1-x1) B

F1 = 100 mol Gas 0,15 CS2

0,178 O2

0,672 N2

F2 = 200 mol B

L 1 mol (Solven + Solut)x1 CS2

(1-x1) B

Absorber

V2 mol gas0.02 CS2

0.02 B

Basis 100 mol umpan gas

Petunjuk!!1. Gunakan Neraca Total2. Gunakan neraca udara3. Gunakan Neraca Benzen

Menghitung Massa Outlet Bottom:Massa CS2 pada outlet bottom kolom = x 1 .L 1

= 0,0626 x 211,458 = 13.237 mol = 13,237 mol x 76 g/mol= 1.006,012 g = 1 kg

CS2 yang dapat diabsorb

Massa Benzen = 211,458 -13,237=198,221 mol

Neraca Total: 200 + 100 = V 2 + L 1

300 = V 2 +L 1 (1)

Neraca udara : 0,85 x 100 = 0,96V 2

V 2 = 88,54167Subtitusikan V 2 ke (1) → L 1 = 211,458

Neraca Benzen:200 = 0,02V 2 + (1-x 1)L 1 (2)

Subtitusikan nilai V 2 dan L 1 ke (2) x 1 = 0,0626

Maka: Benzen umpan= 200 mol

Menghitung Mol di puncakkolomCS2 = 15 – x1L1= 0,0626 x 211,458= 15 - 13,237 = 1,763 molB = 200 – (1-x1)L1=

-200 - 198.22 = 1,78 mol

Tabel Neraca Massa Dengan Basis Umpan Absorber 100 mol Gas/jam

Menentukan angka faktor pengali:Dengan basis 100 kmol umpan Gas dihasilkan 13,237 mol x 76 g/mol

= 1 kg = CS2

Kapasitas yang diinginkan = 15 kg/jam CS2

FP = 15 kg /1 kg = 15

Senyawa

Input Output

F1 F2 V2 L1

mol mol mol mol

CS2 15.00 0 1.7630 13.237

O2 + N2 85 0 85 0

Benzen 0 200 1.780 198.220

SUB TOTAL 100.00 200.00 88.543 211.4570

TOTALF1+F2 = 300.00 V2+L1 = 300.00

Tabel Neraca Mol Dengan kapasitas CS2 15 kg /jam yang diserap pada bottom kolom

(note: untuk alat tanpa reaksi kimia makaneraca mol = neraca massa)

Senyawa

Input Output

F1 F2 V2 L1

mol mol mol mol

CS2 225 0 26,445 198,555

O2 + N2 1275 0 1275 0

Benzen 0 3000 26,7 2973,3

SUB TOTAL 1500 3000 1328,145 3171,855

TOTAL F1+F2 = 4500 V2+L1 = 4500

Gas Ideal

PV = n.R.T

Dimana:

P = tekanan absolut gas

V = volume total gas

n = jumlah mol gas

R = kosntanta gas ideal

T = suhu absolut

Nilai untuk R:

= 1,9872 cal/mol/K

= 82,057 cm3.atm/mol/K

= 0,082057 liter.atm/mol/K

= 10,73 ft3.psi/lbmol/oR

Copyright FTI-UJ

BOYLE-GAY LUSSAC

(n1) (V2 ) (P2) = (n2) (P1)(V1)

(T2) (T1)

Copyright FTI-UJ

Latihan Soal

Campuran amoniak dan udara dengan kadar amoniak 5 % pada tekanan 730 mmHg dan suhu 30oC dilewatkan ke kolom absorber dengan laju 100 liter/menit dimana seluruh amoniak terserap oleh solven berupa air yang mengalir berlawanan arah dengan campuranamoniak udara. Tentukana. Diagram Proses b. Laju alir udara keluar dari kolom jika udara pada 725 mmHg dan

20oC (liter/menit)(Gunakan konsep gas ideal V1P1/T1 = V2P2/T2)

c. Hitung fraksi massa amoniak pada aliran outlet bottom kolom

Jawaban: V2 = 92,5 liter/menit laju alir udarakeluar kolom absorber

Copyright FTI-UJ

MODUL 6

NERACA MASSA PADA MULTI UNIT TANPA REAKSI


Dosen: Ir. Herliati, M.T, Ph.D

Copyright FTI-UJ

Konsep Penyelesaian Kasus:

• Susun Neraca Massa Total Overall

• Susun Neraca Massa Komponen Overall

• Susun Neraca Massa Total Unit

• Susun Neraca Massa Komponen Unit

• Selesaikan persamaan-persamaan yang telahdisusun dengan eliminasi atau subtitusi.

Copyright FTI-UJ

Contoh: Dua Unit Alat Process

I IIF1= 100 Kg/j

0,5 A0,5B

F2 =40 Kg/j0,9 A0,1B

F6 = 30 Kg/j0,6 A0,4B

F4 = 20 Kg/j0,3 A0,7B

F3 F5 F7

Tentukan Flow rate pada F3, F5 dan F7 Serta komposisi pada stream F3, F5, dan F7

Copyright FTI-UJ

Diagram Proses dengan label yang lengkap

100 + 30 = 40 + 30 + F7Maka diperoleh: F7 = 60

Neraca komponen A Overall

0,5 x 100 + 0,3 x 30 = 0,9 x 40 + 0,6 x 30 + x7.60Maka diperoleh x7 = 0,0833

Neraca komponen A di unit IIx5.F5 = 0,6F6 + x 7.F7x5. 90 = 0,6 x 30 + 0,0833 x 60Maka diperoleh: x5 = 0,2555

Copyright FTI-UJ

I IIF1=100 Kg/j

0,5 A0,5B

F2 = 40 Kg/j0,9 A0,1B

F6 = 30 Kg/jam0,6 A0,4B

F4 =30 Kg/j0,3 A0,7B

F3 kg/j

x3 A(1-x3)B

F5 kg/j

x5 A(1-x5)B

F7 kg/j

x7 A(1-x7)B

Neraca Total Overall Neraca Total Unit IIF5 = F6 + F7 F5 = 30 + 60 = 90F1 + F4 = F2 + F6 + F7

0,5 x F1 + 0,3 F4 = 0,9 F2 + 0,6F6 + x7.F7

F2 = 40 Kg/jam0,9 A0,1B

F6 = 30 Kg/j0,6 A0,4B

I IIF1 =100 Kg/j0,5 A0,5B

F4 = 30 Kg/jam0,3 A0,7B

F3 kg/j

x3 A(1-x3)B

F5 kg/j

X5 A(1-x5)B

F7 kg/j

X7 A(1-x7)B

Neraca Total Unit IF1 = F2 + F3100 = 40 + F3 ; maka F3 = 60

Neraca komponen A di unit I0,5F1 = 0,9F2 + x3F30,5 x 100 = 0,9 x 40 + x3. 60 maka diperoleh: x3 = 0,233

Copyright FTI-UJ

Resume jawabanF3 = 60, F5 = 90; F7 = 60x3 = 0,233; x5 = 0,2555; x7 = 0,0833

Diagram Proses Lengkap dengan Hasil Perhitungan

I II100 Kg/jam

0,5 A0,5B

40 Kg/jam0,9 A0,1B

30 Kg/jam0,6 A0,4B

30 Kg/jam0,3 A0,7B

60 kg/j

0.233 A0.77B

90 kg/j

0.255 A0.75B

60 kg/j

0.0833A0.917B

Copyright FTI-UJ

Contoh Soal: Multi Unit (Pembuatan Coffee Instant)

Percolator

CyclonSeparator

Press

Dryer

Spray Dryer

F2 kg W

F1 kg Roasted ground coffeex1 I(1-x1) S

C

C

F5 kg C

20 % I80 % C

50 % I50 % C

1400 kg/h70 % IBalance S and W

500 kg S/h( instant coffee)

F3 kgF4 kg C

F6 kgF7 kg

F8 kg W

I = insolubleS = SolubleW = waterC = solution containing

35% S and 65 % W by mass

Calculate the flow rate (kg/h) stream 1 to 8 Copyright FTI-UJ

Penyelesaian

Copyright FTI-UJ

Neraca Massa Unit DryerNeraca Total

F7 = F8 + 1400 kg/h (1)Neraca Komponen I

0,5F7 = 0,7 x 1400Maka diperoleh F7 = 1960 kg/j

Subtitusikan nilai F7 ke pers (1)1960 = F8 + 1400Maka diperoleh F8 = 560 kg/j

Neraca Massa Unit PressNeraca Total

F3 = F5 + F7 (2)F3 = F5 + 1960 kg/h

Neraca Komponen I0,2F3 = 0,5F70,2F3 = 0,5 x1960 Maka diperoleh F3 = 4900 kg/j

Subtitusikan nilai F3 dan F7 ke pers (2) Maka diperoleh : F5 = 2940 kg/j

Neraca Massa Unit Spray DryerNeraca Total

F4 = F6 + 500 (3)Neraca Komponen S

0,35F4 = 500Maka diperoleh F4 = 1428,571 kg/j

Subtitusikan nilai F4 ke pers (3)1428,571 = F6 + 500Maka diperoleh F6 = 928,571 kg/j

Neraca Komponen Ix1F1 = 0,2F3x1F1 = 0,2 x 4900

x1F1 = 980 kg/j (5)Neraca Komponen S

(1-x1)F1 = 0,35F4(1-x1)F1 = 0,35 x 1428,571(1-x)F1 = 500 kg/j (6)

Subtitusikan (5) ke pers (6)(1-x)(980/x1) = 500 kg/jMaka x1 = 0,662(1-x1) = 0,338Subtitusikan nilai x1 ke pers ((5)Maka diperoleh F1 = 2899,4 kg/j

Subtitusikan F1 ke pers (4) akan diperolehF2 = 3.429,171

F1 kg Roasted ground coffeex1 I(1-x1) S

Percolator

CyclonSeparator

F2 kg W C

20 % I80 % C

F3 kg F4 kg C

Neraca Massa sekitarPercolator-Cyclon separator

Neraca Total OverallF1 + F2 = F3 + F4 (4)F1 + F2 = 4900 + 1428.571F1 + F2 = 6328.571 kg/h

C

Cek dengan Neraca Massa Total OverallF1 + F2 = F5 + F8 + F6 + + 1400 + 500

2899,4 + 3.429,171 = 2940 + 560 + 928.571 + 1400 + 5006328.571 kg/h = 6328.571 kg/h ceck

Evaporator

• Evaporator adalah alat industri yang digunakan untuk memekatkan larutan.

• Proses evaporasi banyak dijumpai di industri makanan, farmasi dan industri bahan kimia.

• Tujuan utama evaporasi adalah menghilangkan kandungan air/solven yang terdapat di dalam larutan.

Copyright FTI-UJ

Contoh Soal di Evaporator (double effect)

F2 kg0,18 Gula0,82 H2O

Dicari: F3,F5, F4, dan P2

Basis : 1 Jam Operasi

F1 = 4000 kg

0,1 Gula0,9 H2O

F3 kg

100% H2O


F5 kg100% H2O

Kondensat H2O = V1

III

Petunjuk:1. NM Unit I2. NM Unit II3. Cek NM Overall

Copyright FTI-UJ

Dalam pembuatan gula tebu, 4000 Kg/j larutan gula 10% (% berat) diumpankan ke evaporator I yang menghasilkan larutan gula 18%. Larutan hasil evaporator I ini diumpankan ke evaporator II sehingga dihasilkan larutan gula 50%. Tentukan :✓Air yang teruapkan dari masing-masing evaporator. ✓Larutan yang diumpankan ke evaporator II.✓Produk yang dihasilkan.

Penyelesaian

Analisa di sekitar Evaporator I


F1= 4000 kg

0,1 Gula0,9 H2O

F2 kg

0,18 Gula0,82 H2O

F3 kg

100% H2O


F5 kg100% H2O

Kondensat H2O = F3

I II

Neraca Gula0,1 F1 = 0,18 F20,1 x 4000 = 0,18 x F2

F2 = 400/18 = 2222,22 kg

Neraca Total : F1 = F2 + F34000 = F3 + 2222,22

F3 = 1777,78 kg air yang menguap di Evaporator 1

Copyright FTI-UJ

Analisa di sekitar Evaporator II

Neraca H2OF3+0,82x2222,22= F5+0,5F4+F31822,22 = F5+0,5F4

F5 = 1822,22 – 0,5F4 (1)

Neraca TotalF2 + 2222,22 = F5 + F4 + F32222,22 = F5 + F4 (2)

Subtitusi Persamaan (1) ke (2) →

2222,22 = 1822,22 – 0,5F4 + F4F4 = 800 kg subtitusi ke (1)

Maka diperoleh F5 = 1422,22 kg air menguap di Evaporator 2

Copyright FTI-UJ


F1= 4000 kg

0,1 Gula0,9 H2O

F2 = 22222,22kg

0,18 Gula0,82 H2O

F3 kg

100% H2O


F5 kg100% H2O

Kondensat H2O = F3

I II

Analisa di keseluruhan sistem


F1 =4000 kg

0,1 Gula0,9 H2O

F2 = 2222,22kg

0,18 Gula0,82 H2O

F3 =1777,78 kg100% H2O

F4 =800 kg0,5 Gula0,5 H2O

F5 =1422,22 kg100% H2O

Kondensat H2O F3 = 1777,78 kg

III

Neraca Total4000 = F5 + F4 + F34000 = 1422,22 + 800 + 1777,784000 = 4000 cek

Copyright FTI-UJ

KesimpulanF2 = 2222,22 kg output bottom Evaporator 1F3 = 1777,78 kg air yang menguap di Evap 1F4 = 800 kg output bottom Evaporator 2F5 = 1422,22 kg air yang menguap di Evap 2

Tabel Neraca Massa

Copyright FTI-UJ

Senyawa

EVAPORATOR I EVAPORATOR II

Input (kg) Output (kg) Input (kg) Output (kg)

F1 F3 F2 F2 F3 F4 F5 F3

Gula 400 0.0 400 400 0.0 400 0.0 0

H2O 3600 1777,78 1822,22 1822,22 1777,78 400 1422,22 1777,78

Sub Total 4000 1777,78 2222,22 2222,22 1777,78 800 1422,22 1777,78

Total 4000 4000 4000 4000

Senyawa

OVERALL

Input (kg) Output (kg)

F1 F4 F5 F3

Gula 400 400 0.0 0

H2O 3600 400 1422,22 1777,78

Sub Total 4000 800 1422,22 1777,78

Total 4000 4000

Contoh Soal: Dua Kolom Distilasi

Copyright FTI-UJ

Campuran liquid yang terdiri dari 30.0 mol % benzene (B), 25 % toluene (T), dan sisanya xylene (X) diumpankan ke kolom distilasi. ProdukBottom mengandung 98 mol % X dan tidak ada B dan 96 % X di dalamumpan terdapat pada bottom. Produk overhead diumpankan ke kolomdistilasi ke dua dimana produk overhead kolom ke dua mengandung 97 % B yang diumpankan ke dalam kolom ini. Komposisi dari overhead kolom ke dua adalah 94 mol % B dan sisanya T.

Hitung:a. Persentasi benzen (dari umpan kolom pertama) yang keluar sebagai

overhead product dari kolom kedua. Jawab: 97% b. Persentasi toluene (dari umpan kolom pertama) yang keluar

sebagai bottom product dari kolom kedua. Jawab: 89%

Penyelesaian: Dua KolomDistilasi

Basis: 100 mol umpan

F3 mol

0,94 B0,06T

D1

D2

F1 =100 mol

0,3 B0,25 T0,45 X

F2 mol

0,98 X0,02 T

F4 mol

y X(1-y)T

Informasi soal:Xilene: 0,96 x 0,45 x 100 = 0,98 F2Maka diperoleh F2 = 44,082Benzen: 0,97 x 0,3 x 100 = 0,94F3Maka diperoleh F3 = 30,957 kg

Neraca Total Overall: 100 = F2 + F3 + F4 → F4 = 24,961

Neraca Benzen Total: 30 = 0,94F3 + y.F4 → y = 0,108

1-y = 0,892

Jawaban a : = 0,94 x 30,957/30 x 100% = 97%

Jawaban b : = 0,892 x 24,961/25 x 100% = 89 %

Copyright FTI-UJ

Jawaban b : = 0,892 x 24,961/25 x 100% = 89%

SOAL TUGAS

Sebuah double effect evaporator didesain untuk mengurangi air pada larutan garam NaCl dari 50 % (% berat) menjadi 13 %. Larutan garam yang keluar dari evaporator 1 dan 2 adalah 65 %, dan 87 % Jika rangkaian evaporator itu menghasilkan 1000 kg/jam larutan NaCl87%. Tentukan:

a. Gambar diagram proses

b. Kecepatan umpan (kg/jam)

c. kecepatan air menguap di masing-masing evaporator (kg/jam).

d. Buat Tabel Neraca Massa pada sistem ini

Copyright FTI-UJ

MODUL 7

NERACA MASSA TANPA REAKSIDENGAN BY-PASS



Copyright FTI-UJ

Sistem by-pass adalah→ sebuah sistem yang mempunyai satualiran dari umpan yang langsung menuju ke akhir proses.

Konsep Penyelesaian Neraca Massa

F1 = F2 + F3

F1

F2

F3

Aliran By-Pass

Note: Konsentrasi pada F1, F2 dan F3 sama

Splitting point

Persamaan Neraca Massa di splitting point

Tentukan:a. Mass Flow Rate (MFR) solid NaOH (F5) dan Pure Water (F1) agar

dihasilkan 1 ton/hari NaOH 24% b. Aliran by-pass (F3) dan aliran umpan dissolution tank(F2)

Sebuah industry tekstil, bermaksud untuk membuat larutan kaustik soda 24 % (w/w) untuk keperluan proses mercerisation. Sehubungan dengantingginya panas pelarutan kaustik soda di dalam air, larutan di atasdisiapkan melalui dua tahap proses.

Pertama, di dalam sebuah dissolution tank, kaustik soda (padatan) dilarutkan dengan sejumlah air murni sehingga dihasilkan larutan kaustiksoda 50 % (w/w). Setelah pelarutan sempurna dan didinginkankemudian larutan ini diencerkan di dalam sebuah dilution tank dimanasejumlah air ditambahkan melalui aliran by-pass sehingga dihasilkanlarutan kaustik soda 24%. Dua tahap proses yang dimaksud digambarkanseperti berikut ini:

Aplikasi di industri Tekstil: Pembuatan larutan NaOH

DIAGRAM PROSES:

Neraca Total OverallF1 + F5 = F6F1 + F5 = 1000 (1)

Neraca NaOH OverallF5 = 0,24 x F6F5 = 0,24 x 1000 = 240 kgumpan NaOH

Subtitusikan ke pers (1)Maka diperoleh : F1 = 760 kg H2O murni

Neraca Total di splitting pointF1 = F2 + F3; subtitusikan nilai F1760 = F2 + F3 (2)

Neraca NaOH di Dissolution TankF5 = 0,5 F4 ; subtitusikan nilai F5

F4 = 240/0,5 = 480 kgNeraca air di Dilution Tank

0,5 F4 + F3 = 0,76F6 0,5 x 480 + F3 = 760 x 1000 F3 = 520 kg aliran air by-passSubtitusikan ini ke pers (2)Maka diperolehF2 = 240 kg aliran air Umpan dissolution tank.

Dissolution Tank DilutionTank

F6 = 1000 kg

0,24 NaOH0,76 H2O

F1 kgH2O

F3 kg H2O By-pass

F2 kgH2O

F5 kg NaOH

F4 kg0,5 NaOH0,5 H2O

Aplikasi di industri Pengolahan Limbah

Basis : 1 Liter umpan Limbah

F1= 1 liter

500 mg I/liter

I = impurities

F3 liter

Asumsi:Karena F5 <<< , maka F5 ≈ 0F5 diabaikan pada neraca total overall

F2 liter

500 mg I/liter

F4 liter

10 mg/liter I

F6 liter

100 mg I/liter

F5 mg I

Sebuah proses pengolahan limbah yang mengandung 500 ppm zat pengotor. Proses dapat menurunkan impuritis sehingga menjadi 10 ppm. Regulasi pemerintah membolehkan limbah dibuang dengan kadar pengotor 100 ppm. Tentukan berapa liter aliran limbah yang perlu di by-pass guna mengurangi beban proses (F2).

OverallNeraca TotalF1 = F5 + F6 ; bahwa F5 ≈ 0F6 = 1 liter.

500 mg I/liter

Mixing point

UPL

Neraca Impurities di Mixing Point500F2 + 10 F4 = 100 F6 (2)subtitusikan pers (1) ke (2)500F2 + 10 (1-F2) = 100F6500F2 + 10 - 10F2 = 100

F2 = 0,1836 liter

Neraca Total Mixing PointF6 = F2 + F41 = F2 + F4F4 = 1-F2 (1)

F1= 1 liter

500 mg I/liter

F3 iter

F2 liter

500 mg I/liter

F4 liter

10 mg/liter I

F6 liter

100 mg I/liter

F5 mg I

500 mg I/liter

Mixing point

UPL

Basis : 100 kg umpan

Deb

uta

niz

er

Iso

Pen

tan

aTo

wer

F1 = 100 kg

0,8 n-C5H120,2 i-C5H12

F2 kg

F4 kg0,99 n-C5H120,01 i-C5H12

F3 kg 0,98 i-C5H120,02 n-C5H12

0,9 n-C5H120,1 i-C5H12

F5 kg

Contoh SoalPada pembuatan feedstok di pabrik bensin, isopentana dihilangkan dari bensin bebas butana. Proses yang terjadi seperti pada gambar berikut.Tentukan X, S dan Y.Asumsi: proses tidak ada reaksi

Basis : 100 kg umpan

Neraca Total Overall100 = F3 + F5F5 = 100 – F3 (1)

Neraca n-C5H12 Overall0,8F1 = 0,02F3 + 0,9F5

80 = 0,02F3 + 0,9F5 (2)subtitusikan (1) ke (2)80 = 0,02F3 +0,9(100-F3)80 = 0,02F3 + 90 – 0,9F3F3 = 11,36 kg Subtitusikan F3 ke pers (1)Diperoleh: F5 = 88,64 kg

Isopentan Tower

Neraca Komponen n-C5H120,8F2 = 0,02F3 + 0,99F4 (4)subtitusikan (3) ke (4)0,8(11,36+F4) = 0,02F3 + 0,99F49,088 + 0,8F4 = 0,2272 + 0,99F4F4 = 46,64 kg dan F2 = 58 kg

Neraca TotalF2 = F3 + F4F2 = 11,36 + F4 (3)

Deb

uta

niz

er

Iso

Pen

tan

aTo

wer

F1 = 100 kg

0,8 n-C5H120,2 i-C5H12

F2 kg

F4 kg0,99 n-C5H120,01 i-C5H12

F3 kg 0,98 i-C5H120,02 n-C5H12

0,9 n-C5H120,1 i-C5H12

F5 kg

Soal Tugas 5: Pengolahan Susu

Basis : 1 Liter umpan Susu

Asumsi:Massa Ca yang hilang sangat kecil sehingga diabaikan pd neraca overall

J.Silverman menemukan proses untukmenghilangkan kandungan strontium (Sr) darisusu dengan mengkontakan susu dengan CaHPO4

bed. Seluruh Sr dapat dihilangkan, namundemikian proses ini juga menghilangkankandungan Calsium susu sehingga kurang dari0,05 mg/l (97 % Ca hilang). Susu yang diolahmengandung 4,85 x 10-11 mg/l dan 1 mg/l Ca. Tentukan jumlah aliran bypass sehingga komposisiCa pada aliran keluar sesuai dengan regulasi.

MODUL 8

NERACA MASSA TANPA REAKSIDENGAN SISTEM RECYCLE



Copyright FTI-UJ

DEFINISI

Sistem recycle adalah→ sebuah sistem yang mempunyai satu atau lebih aliran yang kembali ke awal proses

Sistem recycle ini bertujuan untuk:Meningkatkan kemurnian produkMenekan biaya bahan baku (raw material cost)

Copyright FTI-UJ

Keterangan:F2 = Feed reactor yaitu umpan reactor yang merupakan

gabungandari aliran umpan segar dan aliran recycle

FF = Fresh Feed yaitu umpan segar yang berasal darireservoir/storage

Konsep Penyelesaian Neraca Massa

Persamaan Neraca Massa di mixing point F2 = FF + F3

Mixing point

FF kg

F3 kg recycle

F2 kg

Copyright FTI-UJ

Evaporator-KristalizerDengan Recycle

Copyright FTI-UJ

Evaporator-KristalizerF2 kg/jamH2O

EVAPORATOR KRISTALIZER/CENTRIFUGE

FF kg/jamxFF solid(1- xFF) Liq

F5 kg/jamx5 solid(1- x5) liq

F3 kg/jam

x3 solid(1- x3) liq

F4 kg/jam x4 FC(1- x4 ) solution

x 5 solid(1- x 5) liq

Note: di dalam solution terdapat padatan dan air

F1x1 solid(1- x1) Liq

FF = Fresh FeedFC = Filter Cake

Copyright FTI-UJ

Contoh soal Pada Evaporator-Kristalizer

Fresh Feed sebanyak 10.000 kg/jam dari 40% (w/w) larutanNaOH. Aliran FF bergabung dengan filtrat yang direcycle dariunit kristalizer, dan diumpankan ke evaporator dimana sebagianair dipisahkan sehingga larutan NaOH menjadi lebih pekat yaitu50% yang kemudian diumpankan ke dalam unit kristalizer. Output kristalizer menghasilkan filter cake yang berupa 95% NaOH crystals dan 5% larutan yang terdiri dari 45% NaOH. Filtratyang direcycle ke evaporator mengandung memiliki kandunganNaOH yang sama dengan yang terdapat di dalam larutan yang keluar dari kristalizer.a. Tentukan flow rate air yang diuapkan dari evaporator

(kg/jam). b. Tentukan laju aliran recycle (kg/jam)

Copyright FTI-UJ

Neraca massa Overall NaOH

(0.4)(10,000) = [0.95 + (0.45) (O.O5)]F4

F4 = 4113 kg produk keluar darikristalizer

Basis: 1 jam operasiMaka: FF NaOH = 10.000 kg

FF, 10.000 kg

0,4 NaOH


F3 kg

0,5 NaOH

F5 kg Filtrat

0,45 NaOH

F4 kg Produk

0,95 FC 0,05 solution (0,45 NaOH)

F2 kgH2O

F1 kg

Neraca massa Overall H2O

(0.6)(10,000) = F2 + [ (0.55) (O.O5)]F4 (1)

subtitusikan nilai F4 ke pers (1);

F2=5887 kg

Copyright FTI-UJ

Komponen NaOH:0,5 F3 = [0.95 + (0.45) (O.O5)]4113 + 0,45 F5

Komponen H2O:0,5F3 = (0,55)(0,05)F4 + 0,55 F5 ; subtitusikan nilai F4 = 4113

Eliminasi persamaan (2) dan (3) di atas didapat;F5 = 38.870 kg aliran recycle ke evaporator

KRISTALIZER/CENTRIFUGE

F3 kg

0,5 NaOH

F5 kg Filtrat

0,45 NaOH

F4 kg Produk

0,95 FC 0,05 solution (0,45 NaOH)

Neraca Massa Pada Unit Kristalizer

0,5 F3 = 4000 + 0,45 F5 (2)

0,5F3 = 113 + 0,55 F5 (3)

Copyright FTI-UJ

Contoh Soal 2Fresh Feed nira 12 % bergabung dengan aliran filtrat recycle dipekatkan dalam evaporator sehingga dihasilkan larutan gula yang lebih pekat. Hasil evaporator ini diumpankan ke kristaliser, sehingga diperoleh produk dengan komposisi kristal gula 95% dan sisanya larutan yang masih mengandung padatan. Filtrat dengan komposisi yang sama dengan larutan yang keluardari kristalizer direcycle ke evaporator. Jika output kristalizer sebanyak12.000 kg/hari. Jika diketahui data kelarutan gula pada suhu 70 dan 25oC berturut-turut adalah 357 g/100 g H2O dan 91 g/100 g H2O.

Tentukan:

a. Gambar diagram proses

b. Jumlah air yang menguap di evaporator (kg/jam)

c. Jumlah umpan segar nira, FF (kg/jam)

d. Jumlah aliran recycle (kg/jam)

e. Tabel Neraca Massa

Copyright FTI-UJ

Menentukan Konsentrasi x3

x3 = 357/(357+100) = 0,781

FF, 100 kg0,12 G0,88 H2O


F3 kg

x3 G

F5 kg

x5 G

F4 kg

0,95 G0,05 larutan

(x5 G)

F2 kg H2O

F1 kgx1 G

Penyelesaian Basis = 100 kg umpan segar

Menentukan Konsentrasi x5

x5 = 91/(91+100) = 0,476

FF, 100 kg0,12 G0,88 H2O


F3 kg

0,781 G0,219 H2O

F5 kg

0,476 G0,524 H2O

F4 kg

0,95 G0,05 larutan

0,476 G0,524 H2O

F2 kg H2O

F1 kgx1 G

Copyright FTI-UJ

Diperoleh diagram sbb:

Neraca Overall

FF, 100 kg0,12 G0,88 H2O


F3 kg

0,781 G0,219 H2O

F5 kg

0,476 G0,524 H2O

F4 kg

0,95 G0,05 larutan

0,476 G0,524 H2O

F2 kg H2O

F1 kgx1 G

Neraca Gula

0,12 x 100 = (0,95 + 0,476 x 0,05) F4

F4 = 12/0,9738 = 12,323 (1)

Neraca air:

0,88 x 100 = F2 + 0,524 x 0.05 x F4 (2)

Subtitusikan nilai F4 ke persamaan (2)

F2 = 88 – 0,524 x 0,05 x 12,323

F2 = 87,677 kg air yang menguap

Copyright FTI-UJ

Massa Gula di F4 = (0,95 + 0,476 x 0,05)F4

= 0,9738 x 12,323 = 12 kg

Massa Air di F4 = 12,323 – 12 = 0,323 kg

Komponen Gula :0,781 F3 = [0.95 + (0.476) (O.O5)]12,323 + 0,476 F5

Komponen H2O:0,219 F3 = (0,524)(0,05)F4 + 0,524 F5 ; subtitusikan nilai F4 = 12,323

KRISTALIZER/CENTRIFUGE

F3 kg

0,781 G0,219 H2OF5 kg Filtrat

0,476 G0,524 H2O

F4 kg Produk

0,95 FC 0,05 solution

0,476 G0,524 H2O

Neraca Massa Pada Unit Kristalizer

0,781 F3 = 12 + 0,476 F5 (3)

0,219F3 = 0,323 + 0,524 F5 (4)

Copyright FTI-UJ

Eliminasi pers. (3) dan (4) di atas;0,781 F3 = 12 + 0,476 F5 x 0,2190,219F3 = 0,323 + 0,524 F5 x 0,781

0,17104 F3 = 2,628 + 0,10424 F5 0,17104 F3 = 0,25223 + 0,40924 F5

-

0 = 2,37574 – 0,305 F5

F5 = 7,7893 kg massa aliran recycleF3 = 20,1123

Copyright FTI-UJ

Massa Gula di F3 = 0,781 x 20,1123 = 15,71Massa Air di F3 = 20,1123 – 15,71 = 4,4023

Massa Gula di F5 = 0,476 x 7,7893 = 3,7077Massa Air di F5 = 7,7893 – 3,7077 = 4,0816

Neraca Total:F1 = F2 + F3

Fraksi gula di F1:x1 F1 = 0,781 F3 ; subtitusikan nilai F1 dan F3

EvaporatorF1 kg

x1 G(1-x1) H2O

F3 kg

0,781 G0,219 H2O

Neraca Massa Pada Unit Evaporator

F1 = 87,677 + 20,1123

x1 = (0,781)(20,1123)/(107,7893) x1 = 0,1457

F2 = 87,677 kg H2O yang menguap

F1 = 107, 7893 kg umpanevaporator

Copyright FTI-UJ

Massa Gula di F1 = massa gula di F3 = 15,71 kg Massa Air di F1 = 107,7893 – 15,71 = 92,0793

Menentukan angka faktor pengali:Dengan basis 100 kg umpan segar Niradihasilkan 12,323 kg produk keluar kristalizerKapasitas yang diinginkan = 12.000 kg/hari (1 hari = 24 jam)

= 50 kg/jam

FP = 50 kg /12,323 kg = 4,05745

Copyright FTI-UJ

Tabel Neraca Massa Basis Fresh Feed 100 kg/jam

Senyawa

EVAPORATOR KRISTALIZER OVERALL

Input Output Input Output Input Output

F1 F2 F3 F3 F4 F5 FF F2 F4

Gula 15,7100 0 15,71 15,71 12 3,7077 12 0 12

H2O 92,0793 87,677 4,4023 4,4023 0,323 4,0816 88 87,677 0,323

Subtotal 107,789 87,677 20,112 20,112 12,323 7,7893 100 87,677 12,323

Total 107,789 107,789 20,112 20,1123 100 100

Senyawa



F1 F2 F3 F3 F4 F5 FF F2 F4

Gula 63.743 0 63.743 63.743 48.689 15.044 48.689 0 48.689

H2O 373.607 355.745 17.862 17.862 1.311 16.561 357.056 355.745 1.311

Subtotal 437.350 355.745 81.605 81.605 50.000 31.605 405.745 355.745 50

Total 437.350 437.350 20.112 81.605 405.745 405.745

Tabel Neraca Massa dengan kapasitas 1.200 kg/hari produk

SOAL TUGAS

4500 kg/jam larutan 33,3 % K2CrO4 (K) digabungkan dengan aliran recycle yang mengandung 36,36 % K2CrO4 kemudian campuran ini diumpankan ke evaporator. Konsentrasi meninggalkan evaporator adalah 49,4 % K2CrO4 , aliran ini laludiumpankan ke kristalizer untuk dikristalkan kemudian dipisahkan dengan filter antara filtrat dan filter cake. Filter cake terdiri dari K2CrO4 kristal dan larutan yang juga mengandung 36,36 % K2CrO4 .jumlah kristal adalah 95 % dari filter cake. Filtratyang juga mengandung 36,36 % K2CrO4 direcycle ke evaporator.

Tentukan

1. Diagram alir proses

2. Jumlah air yang menguap di evaporator

3. Jumlah kristal yang diproduksi (K2CrO4 )

4. Rasio kg recycle/kg fresh feed

5. Jika produk yang diharapkan adalah 150 ton per hari tentukanTabel Neraca Massa

Copyright FTI-UJ

FF, 12114,36 kg

0,333 K0,667 H


18737,22 kg

0,494 K

14570,55 kg0,3636 K

4166,667 kg

0,95 K0,05 solution (0,3636 K)

7947,698 kg H2O

Penyelesaian

Senyawa



F1 F2 F3 F3 F4 F5 FF F2 F4

K2CrO4 9331.94 0.00 9256.19 9256.19 4034.08 5297.85 4034.08 0.00 4034.08

H2O 17352.98 7947.70 9481.03 9481.03 132.58 9272.70 8080.28 7947.70 132.58

Subtotal 26684.92 7947.70 18737.22 18737.22 4166.67 14570.55 12114.36 7947.70 4166.67

Total 26684.92 26684.92 18737.22 18737.22 12114.36 12114.36

MODUL 9

NERACA MASSA DENGAN REAKSI DAN SISTEM RECYCLE



Copyright FTI-UJ

Neraca Massa dengan Reaksiganda dan System Recycle

DEFINISI

Sistem reaksi dengan recycle adalah→ sebuah sistem dimana output reactor diumpankan ke dalam sebuah alat pemisah guna memisahkanreaktan yang tidak bereaksi kemudian bergabung dengan umpansegar untuk diumpankan kembali ke reaktor

Tujuan yang ingin dicapai adalah:Untuk meningkatkan konversi overall limiting reaktan

Copyright FTI-UJ

REAKTOR SEPARATOR

FF F2 F3 kgF1

F4 kmol recycle

A kmolB kmol

A kmolB kmolC kmol

x3 C(1- x3) A

x4 A(1- x4)B

A kmolB kmol

SINGLE PASS CONVERSION (SPC) DAN OVERALL CONVERSION (OC)

Copyright FTI-UJ

Perhatikan Diagram di atas jika A sebagai Limiting Reactan (LR); maka

REAKTOR SEPARATORFF F2 F3 kgF1

F4 kmol recycle

A kmolB kmol

A kmolB kmolC kmol

x3 C(1- x3) A

x4 A(1- x4)B

A kmolB kmol

% 𝑆𝑖𝑛𝑔𝑙𝑒 𝑃𝑎𝑠𝑠 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 =𝐴𝐹1 − 𝐴𝐹2

𝐴𝐹1x 100%

% 𝑆𝑖𝑛𝑔𝑙𝑒 𝑃𝑎𝑠𝑠 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 =𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑈𝑚𝑝𝑎𝑛 −𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑆𝑖𝑠𝑎

𝑚𝑜𝑙 𝐿𝑅 𝑈𝑚𝑝𝑎𝑛x 100%

%𝑂𝑣𝑒𝑟𝑎𝑙𝑙 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 =𝐴𝐹𝐹 − 𝐴𝐹3

𝐴𝐹𝐹x 100%

Etilen oksida dihasilkan dengan oksidasi katalitik etilen sbb:

2C2H4 + O2 → 2C2H4O (1)

Selain itu terjadi reaksi samping sbb:

C2H4 + 3O2 → 2CO2 + 2H2O (2)

Umpan reaktor mengandung 3 mol C2H4 per mol O2. Single-pass conversion CH4

adalah 20% dimana untuk setiap 100 kmol etilen terpakai direaktor maka 80 kmol C2H4O akan dihasilkan sebagai produk. Digunakan separator untukmemisahkan produk. C2H4 dan O2 direcycle ke reaktor dan C2H4 O, CO2 dan H2O dimurnikan lagi untuk meningkatkan kemurnian C2H4 O.

Tentukan:a. Molar flow rate C2H4 dan O2 pada aliran FF agar dihasilkan 1500 kg/jam

C2H4Ob. Tabel Neraca Massa di reactor dan Overall

Contoh Soal: Pembuatan Etilen OksidaPerhitungan dimulai dari Umpan reaktor

Copyright FTI-UJ

DIAGRAM PROSESReaksi Kimia:2 C2H4 + O2 → 2 C2H4 O ( 1)C2H4 + 3O2→ 2CO2 + 2H2O ( 2)

FF C2H4

FF O2

F1 C2H4=3 kmol

F1 O2= 1 kmol

F1 kmol

F2 C2H4

F2 O2

F2 C2H4 OF2 CO2

F2 H2O

1500 kg C2H4 O

F3 CO2

F3 H2O

F5 C2H4

F5 O2

F2 kmol

F3

F4

F5 kmol recycle

Reaktor

Sep

arat

or

FF kmol

digunakan basis perhitungan 3 Kmol C2H4 umpan reaktorMaka: Oksigen Umpan = 1 kmol (informasi dari soal rasio mol 3: 1)

Copyright FTI-UJ

Reaksi adalah:2 C2H4 + O2 → 2 C2H4 O ( 1)C2H4 + 3O2→ 2CO2 + 2H2O ( 2)

Persamaan-persamaan aljabar yang dapat disusun adalah :F2C2H4 = 3 – 2 1 – 2 (1)F2O2 = 1 – 1 – 3 2 (2)F2C2H4O = 2 1 (3)F2CO2 = 2 2 (4)F2H2O = 2 2 (5)


Menentukan nilai Yield: gunakan informasi dari soalBahwa untuk setiap 100 kmol etilen terpakai di reaktormaka 80 kmol C2H4O akan dihasilkan sebagai produk.

Fraksi Yield=𝑚𝑜𝑙 C2H4O ℎ𝑎𝑠𝑖𝑙

𝑚𝑜𝑙C2H4umpankmol C2H4 umpan = 100/fraksi konversi

=100/0,2 = 500maka: Fraksi Yield = 80/500 = 0,16

Copyright FTI-UJ

Menentukan nilai 1 menggunakan informasi yield;Fraksi Yield = F2C2H4O/C2H4 umpan ; dari persamaan (3) diketahuk: F2C2H4O = 2 1Dari basis ditentukan C2H4 umpan = 3 kmol

Maka: Fraksi Yield = 2 1/3

0,16 = 2 1/3Maka diperoleh: 1 = 0,24

Menentukan nilai 2 : menggunakan informasi konversiFraksi konversi = C2H4 bereaksi/ C2H4 umpan

0,2 = C2H4 bereaksi/3 C2H4 bereaksi = 0,6 kmol

Maka, C2H4 sisa = 3 – 0,6 = 2,4 kmol (ini adalah nilai F2C2H4)

Subtitusikan nilai 1 dan F2C2H4 ke persamaan (1); F2C2H4 = 3 – 2 1 – 2 Sehingga:

2,4 = 3 – 2 x 0,24 – 2 ; maka diperoleh 2 = 0,12

Copyright FTI-UJ

F2O2 = 1 – 0,24 – 3 x 0,12 = 0,4 kmol yaitu Oksigen sisaF2C2H4O = 2 1 = 2 x 0,24 = 0,48 kmol yaitu produk C2H4O hasilF2CO2 = 2 2 = 2 x 0,12 = 0,24 kmol yaitu CO2 hasil reaksiF2 H2O = 2 2 = 2 x 0,12 = 0,24 kmol H2O

Subtitusikan nilai 1 dan 2 ke pers (1) sampai (5) akan diperoleh:

Menentukan Aliran Fresh Feed untuk kedua reaktan:FFC2H4 = F1C2H4 – F5C2H4= 3 – 2,4 = 0,6 kmolFFO2 = F1O2 – F5O2 = 1 – 0,4 = 0,6 kmol

Menentukan angka faktor pengali:Dengan basis 3 kmol umpan C2H4 dihasilkan 0,48 kmol C2H4OSementara kapasitas yang diinginkan = 1500kg/44(kg/kmol) = 34,1 kmol

FP = 34,1 kmol /0,48 kmol = 71,0417

Copyright FTI-UJ

Menentukan umpan aktual kapasitas 1500 kg C2H4O untuk keduareaktan:F1C2H4 = 3 kmol x 71,0417 = 213,1251 kmol

= 213,1251 kmol x 28 kg/kmol = 5967,5028F1O2 = 1 kmol x 71,0417 = 71,0417 kmol

= 71,0417 kmol x 32 kg/kmol = 2273,3344

Menentukan aliran fresh feed actual kapasitas 1500 kg C2H4O: FC2H4 = 0,6 kmol x 71,0417 = 42, 62502 kmol

= 42,62502 kmol x 28 kg/kmol = 1193,5F1O2 = 0,6 kmol x 71,0417 = 42,62502 kmol

= 42,62502 kmol x 32 kg/kmol = 1364

Copyright FTI-UJ

BLOK DIAGRAM KUANTITATIF

1.193,5 C2H4

1.364 O2

5.967,5 C2H4

2.273,3 O2

F1 kg

4.774 C2H4

909,44 O2

1500 C2H4O750,2 CO2

306,9 H2O

1500 C2H4 O

750,2 CO2

306,9 H2O

4.774 C2H4

909,44 O2

F2 kg

F3 kg

F4 kg

F5 kg recycle

Reaktor

Sep

arat

or Fresh Feed kg

Copyright FTI-UJ

TABEL NERACA MASSA DI REAKTOR

Komp BM

Input, FI Output, F2 % massa

kmol kg kmol kg

C2H4 28 213,12 5.967 170,5 4774 57.93

O2 32 71,04 2273 28,42 909 11.03

C2H4O 44 - - 34,1 1.500 18.20

CO2 44 - - 17,05 750 9.10

H2O 18 - - 17,05 307 3.72

TOTAL 8240 267.12 8240 100

TABEL NERACA MASSA OVERALL

Komp

Input, FF (kg) Output (kg)

F3 F5

C2H4 1.193,36 - -

O2 1.363,84 - -

C2H4O - - 1.500

CO2 - 750,2 -

H2O - 306,9 -

Sub Total 2.556 1.057,1 1500

TOTAL 2.557 2.557

CONTOH SOALPerhitungan dimulai dari Output reaktor

Metanol dihasilkan dengan cara mereaksikan gas CO dan H2. Aliran fresh feed yang mengandung CO dan H2 bergabungdengan aliran recycle (disebut combined stream), combined stream lalu diumpankan ke reaktor. Produk keluar reaktordilewatkan melalui kondensor dimana sebagian besar metanoltercairkan dan dipisahkan, sementara reaktan sisa dan metanolyang tidak tercairkan dikembalikan ke reaktor. Aliran darireaktor menuju kondensor sebesar 275 Kmol/Jam dengankomposisi 63,25 % mol H2, 27,27 % CO, dan 9,48 % CH3OH. Fraksi mol metanol dalam aliran recycle adalah 0,004. Tentukan: Tabel neraca massa jika kapasitas produk 30.000 kg/jam

Copyright FTI-UJ

Yang akan ditentukan selanjutnya adalah:

1. Diagram alir proses lengkap dengan label yang diperlukan2. Laju alir produk metanol cair (kg/Jam)3. Laju Aliran Recycle (Kmol/Jam)4. Laju Aliran Fresh feed (Kmol/Jam)5. Laju Aliran Umpan Reaktor (Kmol/Jam)6. Faktor Pengali jika ingin diproduksi metanol sebanyak 30.000 kg/jam7. Tabel neraca massa di reaktor sesuai kapasitas8. Tabel neraca massa overall sesuai kapasitas

Copyright FTI-UJ

Basis : 1 Jam operasi

REAKTOR KONDENSOR

F3 kmol recycle

0,004 CH3OH

F1COF1H2

0,004F3 CH3OH

FFCOFFH2

F4 kmol, CH3OHF2 = 275 kmol

75,01 CO173,937 H2

26,05 CH3OH

Reaksi: CO + 2H2 → CH3OH

FF kmol F1 kmol

Copyright FTI-UJ

Menentukan F3 dan F4Neraca Massa Overall di Kondensor

275 = F3 + F4 (1) Neraca Massa CH3OH di Kondesor

26,04955 = 0,004F3 + F4 (2)Eliminasi persamaan (1) dan (2) diperoleh:

Maka Diperoleh:F3 = 249,95 Kmol recycle F4 = 25,05 Kmol /Jam produk CH3OH

= 25,05 kmol x 32 kg/kmol = 801,6 Kg/jam

275 = F3 + F4 26,04955 = 0,004F3 + F4

248,95045 = 0,996F3 + 0-

Copyright FTI-UJ

Menentukan umpan reactor F1CO dan F1H2

Neraca CH3OH di reaktor26,05 = 0,004F3 + CO yang bereaksi (3)

Dimana CO yang bereaksi = F1CO – 75,01 (4)

Subtitusikan pers (4) ke (3)Maka:

26,05 = 0,004F3 + F1CO – 75,01 (5)subtitusikan nilai F3 ke persamaan (5)

F1CO = 26,05 -0,04(249,95 )+75,01= 100,0602 kmol CO umpan reaktor

= 100,06 kmol x 28 kg/kmol = 2801,7 kgF1H2 = 2 x CO yang bereaksi + H2 Sisa

Maka:F1H2 = 224,0404 kmol H2 umpan reactor

= 224,04 kmol x 2 kg/kmol = 448,08 kg

Copyright FTI-UJ

Menentukan Aliran Fresh Feed, FFFFCO = F1CO – 75,01FFCO = 100,06 – 75,01

Maka FFCO = 25,05 kmol CO fresh feed = 25,05 kmol x 28 kg/kmol

= 701,4 kgFFH2 = F1H2 – 173,937FFH2 = 224,04 – 173,937

Maka FF2 = 50,103 kmol H2 fresh feed= 50,103 x 2 = 100.207 kg

Menentukan Faktor PengaliProduk CH3OH sesuai kapasitas = 30000/32 = 937,5 kmolMaka:

FP = 937,5/25,05 =37,425

Copyright FTI-UJ

FF kmol

REAKTOR KONDENSOR

F3 = 249,95 kmol recycle

0,004 F3 kmol CH3OH

100,06 kmolCO224,04 kmol H2

0,9998 kmol CH3OH

25,05 kmol CO50,103 kmol H2

F4 = 25,05 kmol, CH3OH

F2 = 275 kmol

75,01 CO173,937 H2

26,05 CH3OH

F1 kmol

Reaksi: CO + 2H2 → CH3OH

BLOK DIAGRAM KUANTITATIF

Copyright FTI-UJ

Tabel Neraca Massa di Reaktordengan Basis Perhitungan 275 Output Reaktor


kmol F1 kg kmol F2 kg

CO 28 100.06 2801.68 75.01 2100.28

H2 2 224.04 448.08 173.937 347.874

CH3OH 32 0.9998 31.9936 26.05 833.6

TOTAL 325.1 3281.75 274.997 3281.75

Copyright FTI-UJ

Tabel Neraca Massa di Reaktordengan Kapasitas Produksi CH3OH 30.000 kg/Jam


kmol kg kmol kg

CO 28 3744.75 104853 2807.249 78602.98

H2 2 8384.7 16769.4 6509.592 13019.18

CH3OH 32 37.4175 1197.36 974.9213 31197.48

TOTAL 12166.9 122820 10291.76 122820

Copyright FTI-UJ

Tabel Neraca Massa Overalldengan Kapasitas Produksi CH3OH 30.000 kg/Jam

Senyawa BMInput, FF Output, F4

kmol kg kmol kg

CO 28 937.496 26249.9 0 0

H2 2 1875.1 3750.21 0 0

CH3OH 32 0 0 937.4963 29999.88

TOTAL 2812.6 30000 937.4963 30000

Copyright FTI-UJ

MODUL 10

NERACA MASSA DENGAN REAKSI DAN SISTEM RECYCLE DAN PURGING



Copyright FTI-UJ

NERACA MASSA DENGAN REAKSIDAN SISTEM RECYCLE_PURGING

DEFINISI

Sistem reaksi dengan purging adalah→ sebuah sistem dimanaSebagian aliran recycle dibuang agar tidak mengganggu proses reaksi. Hal ini dimungkinkan karena terdapat senyawa/bahan inert dalamaliran recycle.

Tujuan yang ingin dicapai dengan purging adalah:Untuk mencegah penumpukan inert pada reaktor

Copyright FTI-UJ

REAKTOR SEPARATOR

FF F2 F3 kgF1

F5 kmol recycle

A kmolB kmol

A kmolB kmolC kmol

x3 C(1- x3) A

x3 A(1- x3)B

A kmolB kmol

F6 kmol Purging

x6 A(1- x6)B

Contoh: Recycle dan Purging Pada Sintesis Amoniak

Sebuah aliran fresh feed yang mengandung 24,75 % mol nitrogen, 74,25 % mol hidrogen dan sisanya inert (I). Aliran ini bergabung dengan aliranrecycle dimana memiliki senyawa yang sama menuju reactor gunamemproduksi amoniak dimana single-pass conversion terhadap nitrogen adalah 25%. Output reactor dilewatkan menuju kondensor untukmemisahkan amoniak secara sempurna, dan gas sisa selain amoniakdirecycle. Namun, untuk mencegah tumpukan zat inert di dalam system, maka harus digunakan system purging. Dari hasil analisis diketahui aliranrecycle mengandung inert 12,5 % mol.

Tentukan: Perhitungan Neraca Massa untuk system di atas

Copyright FTI-UJ

REAKTOR SEPARATOR

100 kmolFF F2

F3 kmol NH3

F1

F5 kmol recycle

F1N2 kmolF1H2 kmolF1I kmol

F2N2 kmolF2H2 kmolF2NN3 kmolF1I kmol

0,125 I x5 N2

(0,875- x5) H2

0,2475 N2

0,7425 H2

0,01 I

F6 kmol Purging

0,125 I x5 N2

(0,875- x5) H2

Basis: 100 kmol FF

Reaksi: N2 + 3H2 → 2NH3

Konsep perhitugan neraca massaFF = F6 + F3

Perhitungan akan menggunakan neraca atom

Copyright FTI-UJ

Neraca Atom I, N, dan H overall:Neraca I overall:0,01FF = 0,125F6(0,01)(100) = 0,125 F6

Maka diperoleh F6 = 8 kmol gas purging

Neraca atom N overall:(2)(0, 2475)FF = (2) (F6) (x5) + F3(2)(0,2475)(100) = (2) (8) (x5) + F3

49,5 = 16 x5 + F3 (1)

Neraca atom H overall:(2)(0,7425)FF = (2) (F6) (0,875-x5) + F3)(2)(0,7425)(100 = )(2)(8)(0,875-x5)+ 3F3

148,5= 16(0,875- x5) + 3F3 (2)

Copyright FTI-UJ

Eliminasi persamaan (1) dan (2)Maka:

49,5 = 16 x5 + F3 x 3148,5= 16(0,875- x5) + 3F3 x 1

Maka:148,5 = 48 x5 + 3F3 148,5 = 16(0,875- x5) + 3F3

0 = 48 x5 - 14 + 16x5 - 0

Maka diperoleh:x5 = 0,219 , subtitusikan nilai x5 ke pers (1)

Akan diperoleh F3 = 46 kmol NH3

-

Copyright FTI-UJ

Sehingga persamaan menjadi:

𝑆𝑖𝑛𝑔𝑙𝑒 𝑃𝑎𝑠𝑠 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑟𝑠𝑖𝑜𝑛 =𝐹1𝑁2−𝐹2𝑁2

𝐹1𝑁2(3)

Menentukan F1N2 dan F2N2 dengan data konversi

0,25 =𝑚𝑜𝑙 𝑁2𝑏𝑒𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖

𝐹1𝑁2(4)

Dari persamaan reaksi diperoleh N2 bereaksi = ½ x NH3 hasilSubtitusikan NH3 hasil = 46 kmol ke persamaan (4)

Maka akan diperoleh:F1N2 = 92 kmol Nitrogen umpan; subtitusikan ke pers (3)

Maka akan diperoleh:F2N2 = 69 kmol Nitrogen sisa

0,25 =(0,5)(46)

𝐹1𝑁2

Copyright FTI-UJ

Neraca N2 sekitar titik purging-recycle F2N2 = x5 F5 + x5 F6

Subtitusikan nilai F2N2 =69 ; x5 = 0,219; F6 = 869 = 0,219 x F5 + 0,219 x 8Maka diperoleh:

F5 = 307,07 kmol recycle

sep

arat

or

0,125 I x5 N2

(0,875- x5) H2

0,125 I x5 N2

(0,875- x5) H2

F5 kmol recycle F6 kmol Purging

F2N2 kmolF2H2 kmolF2NN3 kmolF1I kmol

Copyright FTI-UJ

Neraca H2 sekitar mixing point:(0,7425)FF + (0,875-x5) F5 = F1H2 ;Subt nilai F5 = 307,07 dan x5 = 0,219(0,7425)(100) + (0,875- 0,219)(307,07)

Maka diperoleh F1H2 = 276 kmol H2 umpan reaktorF2H2 =276 – 3 x 23 = 207 kmol

Neraca I sekitar mixing point:(0,01)FF + 0,125F5 = F1 I Subt nilai F5 = 307,07(0,01)(100) + 0,125 x 307,07 = F1 IMaka diperoleh F1 I = 39,384 kmol I umpan reaktor

100 kmol FF

0,2475 N2

0,7425 H2

0,01 I

F1N2 kmolF1H2 kmolF1I kmol

F5 kmol recycle

0,125 I x5 N2

(0,875- x5) H2

F1 kmol

Copyright FTI-UJ

Reaksi adalah:N2 + 3H2 → 2NH3 ( 1)

Persamaan-persamaan aljabar yang dapat disusun adalah :F2N2 = 92 – 1 (5)F2H2 = 276 – 31 (6)F2NH3 = 21 (7)F2 I = F1 I = 1

Selanjutnya akan ditentukan nilai 1 dengan menggunakaninformasi F2N2 = 69 kmol ; subtitusikan ke persamaan (1) akan diperoleh 1 = 23

Copyright FTI-UJ

Subtitusikan nilai 1 = 23 ke persamaan (5) sampai (7) di atasdiperoleh jumlah aliran semua output reaktor:F2N2 = 92 – 23 = 69 kmol Nitrogen sisaF2H2 = 276 – 3 x 23 = 207 kmol hydrogen sisaF2NH3 = 2 x 23 = 46 kmol amoniak hasilF2 I = F1 I = 1 (inert tidak berubah)

92,9% % 100FF mol 24,75

effluent) mol (0,219)(8) - FF mol 75,24(== x

Overall Conversion N2 :

Mol N2 purge per mol leaving condenser := 8/(8+307) x 100 % = 2,54 %

Mol FF per mol Feed reaktor := (100)/(92+ 276 + 39,4) x 100 % = 24.546 %

TABEL NERACA MASSA DI REAKTOR

Komp BM

Input, FI Output, F2

kmol kg kmol kg

N2 28 92 2576 69 1932

H2 2 276 552 207 414

NH3 17 0 0 46 782

I

TOTAL3128 3128

TABEL NERACA MASSA OVERALL

Komp Input, FF (kg)

Output (kg)

F3 F6

N2 693 0 48.16

H2 148.5 0 10.496

NH3 0 782 0

I 1 1

Sub Total 842.5 782.000 59.656

TOTAL 841.5 842

LATIHAN SOAL 1



Copyright FTI-UJ

Soal Latihan 1

• buah dikeringkan dengan alat pengering kontinyu. Buah yangmengandung sejumlah air, diumpankan ke dalam alat pengering dengan laju aliran 100 kg/jam, dan keluar dari alat pengering dengan laju aliran F2 kg/jam. Buah kering mengandung 0.050 kg H2O/kg.

TENTUKAN:

a. Diagram Alir Proses

b. Untuk basis 1 jam operasi, berapa Laju aliran air yang menguap (kg) jika 80 % air yang terdapat dalam buahumpan teruapkan.

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian:

F2 = 80(1-x) kg H2O

BDF = Bone Dry Fruit

Neraca BDF:

Neraca Total:

Copyright FTI-UJ

Tentukan F3 dan F2 jika F1 = 100 kg

100x = 0,95 F3

100 = F2 + F3

100 = 80(1-x) + F3 subtitusikan nilai F3 100 = 80(1-x) + (100/0,95)xx = 0,7917 subtitusikan nilai x ke dalam F2

F3 = (100/0,95)x (1) F2 = 16,664 kg

F3 = 83.336 kg

(2)

Soal Latihan 2• Pada sebuah kristaliser ingin dikristalkan Na2SO4.

• Data yang diberikan:

✓ Kelarutan Na2SO4 pada 104oC = 29,6 g/100 g H2O

✓ Kelarutan Na2SO4 pada 20oC = 19,1 g/100 g H2O

Jika ingin diproses 1000 kg umpan kristalizer (F3). Buktikan bahwapenyelesaian berikut benar!

Copyright FTI-UJ

F3 F4

1000 kg CR 85.283 kg

0.228 Na2SO4 25oC 0.95 Kristal murni

0.772 H2O 0.05 Larutan

0.160 Na2SO4

F5 0.840 H2O

914.717 kg

0.160 Na2SO40.840 H2O

LATIHAN SOAL 2



Copyright FTI-UJ

SOAL 1

Sebuah evaporator didesain untuk mengurangi air pada larutan garam NaNO3 dari 85% (%berat) menjadi 13%. Jika evaporator itu menghasilkan 5.700 kg/jam konsentrat NaNO3. Tentukan

a. Gambar diagram prosesb. Kecepatan umpan (Kg/jam)c. kecepatan air menguap di evaporator (kg/jam).

Penyelesaian soal 1:

Evaporator

F2 kg H2O

F1 kg lar. NaNO3

0,85 H2O0,15 BDS

0,13 H2O0,87 BDS

BDS = Bone Dry Salt

F3 =5.700 kg lar. NaNO3 Pekat

Neraca BDS: Neraca Total:

Copyright FTI-UJ

Tentukan F1 dan F2 jika F3 = 5.700 kg

0,15x F1 = 0,87 F3 F1 = F2 + F3

F2 = 33.060 – 5.700F2 = 27.360 kg aliran air yang menguap di evaporatorF1 = 33.060 kg

Aliran umpan evaporator

Basis 1 Jam Operasi

0,15x F1 = 0,87 x 5.700

SOAL 2Sebuah proses ingin memisahan senyawa CO2 dari Campuran gas Etilen (C2H4), H2, dan CO2 menggunakan alat Absorber. Umpan gas masuk dari dasar menara absorber terdiri dari 11% CO2 (% mol) yang merupakan senyawa yang akan diserap. Digunakan solvenMEA untuk menyerap solut yang mengalir berlawanan arah dengancampuran gas, dimana hampir semua solut terlarutkan namuntidak sama sekali komponen lainnya. Perbandingan mol solventerhadap umpan gas adalah 1.5:1. Tidak ada MEA cair yang masukke kolom yang menguap dan meninggalkan puncak kolom. Gas yang meninggalkan kolom terdiri dari 2% CO2.

Solven yang mengikat solute keluar dari dasar kolom

Tentukan:

a.Diagram proses untuk basis 100 kmol umpan gas.

b.Buatkan tabel neraca jika ingin dihasilkan 1.210 kg/jam CO2 yang keluar dari bottom absorber yang terlarut dalam solven. (note: untuk alat tanpa reaksi kimia maka neraca mol = neraca massa)

Absorber

F1= 100 kmol

0.89 ቊC2H4

H2

0,11 CO2

F2 =150 kmol M

L 1 kmol (Solven + Solut)x1 CO2

(1-x1) M

V2 kmol0,02 CO2

0,98(C2H4+H2)

Basis 100 kmol umpan gas

Petunjuk!!1. Gunakan Neraca Total2. Gunakan neraca C2H4 +H2

3. Gunakan Neraca MEA

Menghitung Massa CO2:Massa CO2 pada outlet bottom kolom = x 1 .L 1

= 0,05769 x 159,1837 = 9,1833 kmol= 404,0652 kg

CO2 yang dapat diabsorb

Neraca Total: 100 + 150 = V 2 + L 1

250 = V 2 +L 1 (1)

Neraca C2H4 +H2 : 0,89 x 100 = 0,98V 2

V 2 = 90,8163Subtitusikan V 2 ke (1) → L 1 = 159,1837

Neraca MEA:150 = (1-x 1)L 1 (2)

Subtitusikan nilai L 1 ke (2) x 1 = 0.05769

Maka: MEA umpan (M)= 150 mol

Menghitung Mol CO2 di puncakkolomCO2 = 11 – 9,1833 = 1.8167 kmol

Tabel Neraca Massa Dengan Basis Umpan Absorber 100 kmol Gas/jam

Menentukan angka faktor pengali:Dengan basis 100 kmol umpan Gas dihasilkan 9,1833 kmol x 44 kmol/kg

=404.0652 kg CO2

Kapasitas yang diinginkan = 1.210 kg/jam CO2

FP = 1.210 kg /404.0652 kg = 2,9946

Senyawa

Input Output

F1 F2 V2 L1

kmol kmol kmol kmol

C2H4 +H2 89 0 89 0

CO2 11 0 1,8167 9,1833

MEA 0 150 0 150

SUB TOTAL 100 150 90,8167 159,1833

TOTAL F1+F2 = 250 V2+L1 = 250

Tabel Neraca Massa Dengan Kapasitas 1.210 kg CO2/jam

Senyawa

Input Output

F1 F2 V2 L1

kmol kmol kmol kmol

C2H4 +H2 266,5194 0 266,5194 0

CO2 32,9406 0 5,4402898 27,5003

MEA 0 449,19 0 449,1900

SUB TOTAL 299,46 449,19 271,95969 476,6903

TOTAL F1+F2 = 748,65 V2+L1 = 748,65

SOAL 3

Proses Haber Bosch dikenal sebagai salah satu metodeuntuk menghasilkan amoniak. Reaksi berlangsungmenggunakan katalis. Nitrogen yang digunakanmengandung rare gas (spt argon) yang inert. Aliran umpanreactor terdiri dari 75,16% H2, 24,57% N2 dan 0,27 % Ar. Reaksi yang terjadi adalah sbb: N2 + 3H2 → NH3. Untukbasis perhitungan 100 kmol/jam umpan reaktor dimana 13 % konversi terhadap N2 tentukan:

a. Komposisi massa output reaktor

b. Tabel Neraca massa untuk kapasitas 2500 kg/jam amoniak dengan kemurnian 99 %.

Penyelesaian

Menentukan Mol Umpan masing-masing

H2 = 0,7516 x 100 = 75,16 kmol H2 = 0,2457 x 100 = 24,57 kmolAr = 0,0027 x 100 = 0,27 kmol

Total = 100 kmol

Diagram Proses

100 kmol

0,7516 H2

0,2457 N2

0,0027 Ar

P1 kmol H2

P2 kmol N2

P3 kmol NH3

P4 kmol Ar

Reaksi: N2 + 3H2→ NH3

Penyelesaian

Menentukan Flow Rate Produkjika Konversi 13 % thd N2

N2 sisa = N2 mula-mula - N2 bereaksi= 24,57 – 0,13 x 24,57

= 21,3759 kmol = P1

Subtitusikan P1 ke pers (1)21,3759 = 24,57 -

maka = 3,1941

Masukkan nilai ke persamaan 1 sampai 3 sehingga

nH2 = P2 = 75,16 -3 (2)

nNH3 = P3 = 2 (3)

nAr = P4 = 0,27 kmol

nN2 = P1 = 24,57 - (1)

P1 = 21,3759 kmol N2 sisaP2 = 65.5777 kmol H2 sisaP3 = 6.3882 kmol NH3 hasilP4 = 0,27 kmol (inert)

Diagram Proses

100 kmol

0,2457 N2

0,7516 H2

0,0027 Ar

P1 kmol N2

P2 kmol H2

P3 kmol NH3

P4 kmol Ar

Reaksi: N2 + 3H2→ 2NH3

Susun Persamaan Aljabar:


% Massakmol kg kmol kg

N2 28 24,57 687.96 21,3759 598.5252 70.49%

H2 2 75,16 150.32 65,5777 131.1554 15.45%

NH3 17 0 0 6,3882 108.5994 12.79%

Ar 39,9 0,27 10.773 0,27 10.773 1.27%

TOTAL 100 849.053 93.6118 849.053 100.00%

Diagram Proses

100 kmol

0,2457 N2

0,7516 H2

0,0027 Ar

P1 = 21,3759 kmol N2 sisaP2 = 65.5777 kmol H2 sisaP3 = 6.3882 kmol NH3 hasilP4 = 0,27 kmol (inert)

Reaksi: N2 + 3H2→ NH3

Tabel Neraca Massa Dengan Basis Umpan Reaktor 100 kmol


% Massakmol kg kmol kg

N2 28 559,95 15678,6084 487,157 13640,389 70.49%

H2 2 1712,9 3425,7928 1494.516 2989,0316 15.45%

NH3 17 0 0 145,587 2474,9803 12.79%

Ar 39,9 6,1533 245,51667 6,153 245,51667 1.27%

TOTAL 2279.000 19349,9179 2133,413 19349,9179 100.00%

Tabel Neraca Massa Dengan Kapasitas 2.500 kg/jam produk NH3 99%

Menentukan angka faktor pengali:Dengan basis 100 kmol/jam umpan dihasilkan 108.5994kg/jam NH3

Kapasitas yang diinginkan = 2.500 kg/jam produk amoniakdengan kemurnian 99 %. = 2.500 kg/jam x 0,99

= 2.475 kg/jamFP = 2.475 kg/108,5994 = 22.79

mata kuliah: azas teknik kimia i

Documents