i

DAFTAR ISI

BAB I PENDAHULUAN ……………………………………………………………..1 1.1 Definisi Teknik kimia dan Sarjana Teknik Kimia …………………………. 1 1.2 Ruang Lingkup Pekerjaan Insinyur Kimia ………..………..………….….. 5 1.3 Sejarah Teknik Kimia ……………………………………………………… 7 1.4 Profesi Teknik Kimia Dulu, Kini, dan Akan Datang ……………………... 11 1.4.1 Situasi Profesi Teknik Kimia Masa Lulu …………………………... 11 1.4.2 Prospek dan Tantangan Profesi Teknik Kimia Massa Kini ………... 13 1.4.3 Tantangan Profesi Teknik Kimia Masa Akan Datang ……………... 17 BAB II PENGANTAR PERHITUNGAN TEKNIK KIMIA……………………….23

2.1 Dimensi dan Satuan ………………………………………………………. 23 2.2 Konversi Satuan ………………………………………………………….. 24 2.3 Sistem Satuan …………………………………………………………….. 25 2.4 Gaya Berat ………………………………………………………………... 27 2.5 Kehomogenan Dimensi …………………………………………………… 29 2.6 Notasi Saintifik, Angka Signifikan, dan Presisi ………………………….. 30 2.7 Proses Penyajian dan Analisa Data ……………………………………… 32

2.7.1 Interpolasi Liniear Dua Titik …………………………………….... 33 2.7.2 Mencocokkan (fitting) Garis Lurus …………………………………34

BAB III PROSES DAN VARIABEL PROSES………………………………………37 3.1 Massa dan Volume ………………………………………………………... 37 3.2 Laju Alir ……………………………………………………………………39

3.2.1 Laju Alir Massa dan Volumetris …..…………………………………39 3.2.2 Pengukuran Laju Alir ………… …..…………………………………40

3.3 Komposisi Kimia……………………………………………………………40 3.3.1 Mol dan Berat Molekul ……….. …..…………………………………41 3.3.2 Fraksi Massa, Fraksi Mol, dan Berat Molekul Rata-rata …………… 43 3.3.3 Konsentrasi ………………….... …..…………………………………46 3.3.4 Bagian Per Juta dan Bagian Per Milyar ………………………………47

3.4 Tekanan ….…………………………………………………………………48 3.4.1 Tekanan Fluida dan Head Hidrostatik ..……………………………. 48 3.4.2 Tekanan Atmosfir, Tekanan Absolut dan Tekanan Pengukuran ..……50 3.4.3 Pengukuran Tekanan Fluida …...…..…………………………………51

3.5 Temperatur (suhu) ..………………………………………………………...55 BAB IV DASAR – DASAR NERACA MASSA ……………………………………..60 4.1 Klasifikasi Proses ………………………………………………………….. 60 4.1.1 Proses Fisika dan Proses Kimia ……………………………………... 60 4.1.2 Proses Batch, Kontinu dan Semi-Batch ……………………………….60 4.1.3 Proses Steadi dan Tak Steadi ………………………………………….62 4.2 Persamaan Neraca Umum ………………………………………………….. 62 4.3 Neraca untuk Sistem Fisika Tunggal dan Banyak ………………………… 65

ii

4.3.1 Prosedur Perhitungan Neraca Massa ………………………………….65 BAB V DASAR – DASAR NERACA ENERGI …………………………………….72

5.1 Jenis – jenis Energi …………………………………………………………72 5.2 Energi Kinetik dan Energi Potensial ………………………………………. 74 5.3 Neraca Energi pada Sistem Tertutup ……………………………………... .76 5.4 Neraca Energi Kondisi Steadi untuk Sistem Terbuka ………………........... 80

5.4.1 Kerja Aliran dan Kerja Poros …………………………………………80 5.4.2 Sifat Spesifik dan Entalpi ……………………………………………..81

LAMPIRAN : BERAT DAN NOMOR ATOM ………………………………………82 LAMPIRAN : KONSTANTA GAS …………………………………………..……….83

1

BAB 1

Pendahuluan

Ketika anda membuka materi ini dan mulai membaca dari halaman pertama, anda telah

memutuskan bahwa dalam beberapa tahun ke depan anda akan mengarahkan diri anda

menjadi seorang sarjana teknik kimia atau lebih tepat kalau disebut sebagai insinyur

(teknik) kimia. Dalam kurun 10-20 tahun ke depan anda berharap telah dapat

mengaplikasikan atau bahkan mengembangkan apa yang ada pelajari saat ini. Besar

kemungkinan ketika anda memasuki jurusan teknik kimia, anda hanya sekedar tahu atau

sama sekali belum tahu persis apa teknik kimia itu, siapa sarjana teknik kimia itu dan apa

profesinya, serta bagaimana prospeknya? Selain itu, apakah insinyur kimia itu sama

dengan sarjana kimia, kalau tidak sama dimana letak perbedaannya? Dan tentu saja masih

ada sejumlah pertanyaan lain yang dapat dilontarkan untuk mengetahui lebih banyak

mengenai teknik kimia. Untuk memberikan pencerahan bagi anda, Bab pertama ini

disusun sedemikian rupa guna menjawab pertanyaan-pertanyaan di atas. Kata insinyur

dalam buku ini memiliki arti sebagai seorang yang telah menyelesaikan pendidikan sarjana

keteknikan (sarjana teknik). Insinyur kimia, sebagai contoh berarti sarjana teknik kimia,

berbeda dengan sarjana kimia yang mengacu kepada seorang yang telah menyelesaikan

pendidikan sarjana sains kimia. Penggunaan kata insinyur dan sarjana dalam buku akan

sering ditemui, dan pembaca diminta merujuk kepada defenisi yang diberikan.

1.1 Defenisi Teknik Kimia dan Sarjana Teknik Kimia

Walaupun disiplin ilmu teknik kimia telah berumur lebih dari satu abad, sejauh ini belum

ada suatu defenisi teknik kimia yang dapat diterima oleh semua pihak. Para pendiri

Persatuan Insinyur Kimia, Institution of Chemical Engineers (IChemE), Inggris

mendefinisikan teknik kimia sebagai disiplin ilmu yang berhubungan dengan disain,

konstruksi dan operasi pabrik yang mengolah bahan baku dengan merubah sifat fisika atau

kimianya. Di lain pihak, Persatuan Insinyur Kimia Amerika Serikat, American Institute of

Chemical Engineers (AIChE) menyatakan bahwa teknik kimia adalah profesi dimana

pengetahuan tentang matematika, kimia dan ilmu lainnya, yang diperoleh dari studi,

pengalaman dan praktek, diterapkan dengan pertimbangan untuk mengembangkan cara-

cara yang ekonomis bagi penggunaan materi dan energi untuk kepentingan manusia.

Menurut the Free Dictionary (http://www.thefreedictionary.com/) teknik kimia

2

didefinisikan sebagai cabang keteknikan yang berhubungan dengan teknologi produksi

bahan kimia skala besar dan memproduksi produk melalui proses kimia. Ada lagi yang

mendefinisikan teknik kimia itu sebagai ilmu dan pekerjaan mengubah bahan dalam skala

besar guna meningkatkan kehidupan umat manusia secara nyata. Setelah membaca

berbagai definisi yang diberikan pada akhirnya andapun dapat membuat defenisi tersendiri

untuk teknik kimia. Akan tetapi sejumlah definisi telah dipaparkan, anda mungkin masih

belum bisa menyimpulkan apa sebenarnya teknik kimia itu. Oleh karena itu kita

tinggalkan saja usaha untuk membuat definisi yang baik terhadap teknik kimia. Untuk

mendapatkan gambaran yang lebih jelas mari kita bandingkan teknik kimia atau insinyur

kimia dengan disiplin ilmu kimia murni atau sarjana kimia.

Sarjana kimia mempelajari molekul dan reaksi kimia. Eksperimen-eksperimen terhadap

berbagai reaksi kimia secara ilmiah telah mulai dijalankan sejak tahun 1600an.

Pemahaman yang cukup dalam terhadap masalah ini memungkinkan sarjana kimia

menciptakan zat/bahan/material baru yang memiliki nilai bagi industri, pertanian atau

kesehatan. Dari sisi skala laboratorium, sarjana kimia mencari kondisi yang paling sesuai

untuk menghasilkan senyawa/produk tersebut. Misalnya, pada temperatur atau tekanan

berapa reaksi harus dijalankan agar diperoleh produk dengan jumlah dan kemurnian yang

tinggi. Sejak tahu 1800an, mulai timbul kebutuhan untuk memproduksi produk dalam

jumlah besar. Akan tetapi, sarjana kimia tidak dipersiapkan untuk merancang atau

memfabrikasi mesin atau reaktor yang dapat menghasilkan senyawa kimia (produk) dalam

skala besar atau skala komersil. Pada reaksi skala laboratorium, misalnya menggunakan

bunsen dan gelas beaker, akan dapat dihasilkan beberapa gram produk. Kalau ingin

dihasilkan sebesar 106 gram produk bukan berarti persolannya bukan hanya terletak pada

bagaimana prinsip memperbesar bunsen dan gelas baker saja, tapi banyak faktor-faktor

lain yang harus dipertimbangkan untuk mendapatkan produk yang diinginkan.

Sebaliknya insinyur kimia tidak memiliki pengetahuan yang cukup dalam tentang kimia

murni, seperti yang dimiliki oleh sarjana kimia, tetapi paling tidak memahami prinsip-

prinsip reaksi kimia skala laboratorium. Atas dasar pengetahuan ini, seorang insinyur

kimia mampu bertukar fikiran atau berkomunikasi dengan sarjana kimia. Insinyur kimia

dan sarjana kimia merupakan anggota-anggota teras di dalam tim pengembangan dan

perencanaan industri yang mengubah sebuah ide baru menjadi suatu produk, proses,

dan/atau alat yang aman, efisien, dan handal sehingga dapat menghasilkan uang dan

3

keuntungan. Untuk mengubah ide tadi, insinyur kimia memanfaatkan pengetahuan

tambahan berkenaan dengan aliran dan perpindahan massa dan panas guna memenuhi

berbagai tantangan mulai pembuatan mesin yang mampu menghasilkan produk berton-ton

per jam sampai menyusun molekul dan partikel.

Cerita berikut patut disimak untuk menghargai sumbangan insinyur kimia bagi umat

manusia. Penisilin ditemukan oleh Alexander Fleming pada tahun 1928 ketika secara

tidak sengaja dia mendapatkan jamur tumbuh pada salah satu cawan Petri (Petri dish) dan

mematikan kultur bakteri yang ada pada cawan tersebut. Persoalan paling mendasar pada

saat itu adalah bagaimana memproduksi antibiotik tersebut dalam jumlah besar dan usaha-

usaha yang dilakukan ke arah itu selama lebih dari 10 tahun mengalami kegagalan. Hal ini

dikarenakan para peneliti tidak mampu menghasilkan penisilin dalam jumlah skala pilot

sekalipun. Oleh karena itu pengujian dan pengembangan obat tersebut tidak dapat

dilakukan.

Pada tahun 1939, dua orang dokter Inggris Howard Florey dan Ernest Chain berhasil

mengekstrasi penicilin dalam jumlah yang cukup untuk pengujian klinis; dan dua tahun

kemudian, Florey pergi ke AS untuk mencari dukungan guna memproduksi penisilin

dalam skala besar. Pada waktu itu, dibentuklah sebuah komite kerjasama antara Dewan

Riset Inggris dan Amerika yang terdiri dari sarjana kimia, insinyur kimia, ahli

mikrobiologi, perwakilan pemerintah, dan pabrik kimia serta pabrik obat-obatan

Amerika Serikat melibatkan diri ke dalam Perang Dunia II setelah Pearl Harbour diserang

pada tahun 1941 oleh Jepang. Perang ini menyebabkan kebutuhan terhadap penisilin

meningkat tajam guna mengobati tentara AS dan sekutu yang terluka. Perusahaan-

perusahaan obat ditantang untuk dapat memproduksi penisilin dalam skala besar dalam

waktu yang singkat. Insinyur kimia di perusahaan obat berfikir keras untuk menjawab

tantangan ini. Perusahaan obat Pfizer menggunakan metoda fermentasi tangki-dalam

untuk menghasilkan asam sitrat dari tetes (molasses). Perusahaan Merck di lain pihak

mengembangkan proses fermentasi terendam. Sekitar Juni 1945, perusahaan obat AS

termasuk Abbott, Lederle, dan Squibb mampu menghasilkan penisilin sebanyak 646

milyar unit per bulan.

Ini merupakan salah satu kasus dimana teknik kimia atau insinyur kimia membuat suatu

perubahan dari suatu kejadian aneh di laboratorium menjadi suatu produk yang bernilai

4

ekonomi. Sebagai contoh, jumlah penisilin yang dapat dihasilkan oleh Florey dan ketiga

temannya di laboratorium tidak cukup untuk menyelamatkan nyawa pasien pertama –

sekalipun mereka memanfaatkan lagi penisilin yang didaurulang dari urin pasien. Untuk

menghasilkan produk yang bermanfaat dari penisislin, zat yang dikenal sangat tidak stabil,

insinyur kimia nharus mengembangkan bukan saja metoda fermentasi menggunakan

tangki, tetapi juga proses-proses tambhan yang didasarkan kepada satuan operasi

seterilisasi, ekstraksi pelarut, kristalisasi vakum dan pengeringan beku.

(a) (b)

(c)

Gambar 1.1 (a) Cawan petri eksperimen Fleming; (b) Fermentor lama berukuran 300 L; (c) Fermentor modern

Sulit membayangkan hanya dengan membaca penjelasan yang diberikan dengan kata-kata.

Gambar-gambar disajikan kepada pembaca untuk lebih memperjelas posisi insinyur kimia

dibandingkan dengan insinyur-insinyur lainnya dan sarjana kimia. Gambar 1.1 (a)

menunjukkan sebuah cawan Petri yang berisi agar padat yang dikulturkan dengan bakteri,

seperti yang dilakukan di laboratorium oleh Fleming. Pada mulanya bakteri tumbuh pada

seluruh permukaan agar. Ketika bagian tengah agar diberikan , maka cairan penisilin akan

berdifusi ke seluruh arah pada padatan agar. Pada daerah dimana terdapat penisilin bakteri

akan mati (bagian yang berwarna lebih terang). Dari kondisi eksperimen di laboratorium

5

seperti ini, insinyur kimia mengubahnya sehingga mampu menghasilkan produk dalam

jumlah besar seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1 (b) dan 1.1 (c). Gambar 1.1 (b)

menunjukkan fermentor (bioreaktor) berukuran 300 L yang dibuat pada tahun 1950an.

Alat ini digunakan oleh perusahan obat-obatan untuk menghasilkan turunan penisilin.

Yang terakhir Gambar 1.1 (c) merupakan fermentor ukuran ribuan liter yang beroperasi

saat ini.

Contoh di atas hanyalah salah satu dari sekian banyak kontribusi yang diberikan teknik

kimia kepada kehidupan manusia. Informasi lebih dalam mengenai kontribusi

monumental teknik kimia dalam kurun abad ke 20 kepada dunia, dapat dirujuk melalui

situs http://www.aiche.org/About/Foundation/CentennialCelebrationHighlights.aspx. Baik

dari penjelasan di atas maupun dari informasi yang didapat dari halaman web yang

disebutkan barusan, terlihat bahwa teknik kimia bukanlah sebuah profesi yang sempit dan

kaku, ia merupakan sebuah profesi yang luas dan universal. Seorang insinyur kimia

tidaklah sama dengan ”sarjana kimia yang mampu merancang atau membangun sesuatu”

dan juga tidak sama dengan ”seorang insinyur yang mampu meracik bahan kimia”.

Insinyur kimia pada hakikatnya memiliki kecakapan dalam berbagai bidang mulai dari

sains, rekayasa, ekonomi dan manejemen, sampai kepada masalah etika dan sosial,

sehingga membuat dia mampu menangani berbagai permasalahan teknis.

1.2 Ruang Lingkup Pekerjaan Insinyur Kimia

Satu pertanyaan yang paling sering diajukan oleh calon insinyur kimia adalah: ”Apa

sebenarnya pekerjaaan insinyur kimia?” atau ”Apa pekerjaan saya,setelah selesai kuliah di

jurusan teknik kimia?”. Sebelum menjawab pertanyaan ini, cobalah anda perhatikan dan

catat barang/produk yang ada di sekitar anda. Anda akan mendapatkan kain/tekstil yang

anda kenakan, anda akan melihat plastik yang ada pada pulpen anda, anda akan

mendapatkan juga tinta pada pulpen anda, anda akan melihat kertas yang ada pada buku

anda, anda akan mendapatkan karet pada sepatu anda, anda akan melihat semen yang telah

mengeras pada dinding beton dimana anda duduk sekarang, dan anda akan terus dapat

menuliskan daftar berbagai barang dimana teknik kimia memainkan peranan yang cukup

penting.

Seandainya dituliskan daftar seluruh barang/produk dan jasa yang melibatkan kontribusi

insinyur kimia, maka sebagian besar halaman materi ajar ini hanya berisi daftar

6

barang/produk mulai yang berukuran nano sampai yang berukuran tera ditambah dengan

berbagai jasa yang dapat diberikan oleh insinyur kimia. Jadi, insinyur kimia terlibat pada

berbagai aspek teknologi yang tidak mudah dijelaskan. Dalam arti yang luas, insinyur

kimia memanfaatkan sumberdaya alam yang paling dasar seperti minyak, gas alam, dan

mineral termasuk juga produk-produk pertanian, dan dengan penggunaan sains kimia dan

rekayasa mengubah sumberdaya ini menjadi sejumlah besar produk. Produk-produk

tersebut mulai dari chip komputer sampai ke kertas tissu, mulai dari bahan bakar sampai

sirup, mulai dari penisilin sampai cet, mulai dari batterai sampai sampo, dan seterusnya.

Dengan mengetahui industri-industri apa saja yang memperkerjakan insinyur kimia, anda

akan dapat membayangkan ruang lingkup pekerjaan mereka. Insinyur kimia bekerja

antara lain dalam bidang manufaktur, obat-obatan, kesehatan, rekayasa dan konstruksi,

pulp dan kertas, petrokimia, pengolahan makanan, bahan kimia, polimer, bioteknologi, dan

keselamatan dan kesehatan lingkungan industri. Pada industri-industri ini, insinyur kimia

mengandalkan pengetahuan matematika dan sains, terutama kimia, serta rekayasa untuk

mengatasi problema-problema teknis secara aman dan ekonomis. Jangan berfikir bahwa

insinyur kimia hanya menghasilkan suatu produk dalam jumlah besar. Insinyur kimia juga

memainkan peranan penting dalam bidang:

riset dan pengembangan

perancangan dan optimasi proses

konstruksi dan pemulaan (start-up) pabrik

penjaminan mutu, keselamatan, dan pengendalian lingkungan

pemasaran, jasa, dan penjualan

pendidikan (dosen)

kesehatan

keuangan

Secara lebih khusus, insinyur bekerja keras untuk meningkatkan teknik-teknik manufaktur

dan proses. Sebagai contoh, insinyur kimia memperbaiki metoda untuk pemrosesan

makanan dan metoda untuk memproduksi pupuk sehingga meningkatkan kuantitas dan

kualitas makanan. Para insinyur kimia juga merekayasa serat sintetis sehingga pakaian

yang kita kenakan menjadi lebih nyaman dan tahan air; mereka juga mengembangkan

metoda untuk menghasilkan obat dalam julah besar sehingga harganya terjangkau oleh

masyrakat luas; mereka juga menciptakan metoda pengolahan produk-produk minyak yang

lebih aman dan lebih efisien, sehingga membuat sumber energi dan kimia lebih produktif

7

dan effektif dalam hal biaya. Insinyur kimia juga memainkan peran penting dalam

mengembangkan solusi untuk masalah-masalah lingkungan, seperti pengendalian polusi

air, tanah dan udara.

Untuk dapat memenuhi berbagai peran yang dijelaskan di atas, seorang insinyur kimia

harus dipersiapkan di universitas dengan kimia, matematika, pengetahuan komputer,

fisika, dan materi teknik kimia yang berkaitan. Seorang insinyur kimia haruslah memliki

kemampuan komunikasi baik secara lisa maupun tulisan. Oleh karena itu, selama

pendidikan sarjana di universitas anda akan mendpata penekanan untuk melakukan

presentasi dan membuat laporan-laporan teknis. Insinyur kimia yang mau meniti karir

dalam bidang risen dan pengembangan atau ingin duduk pada posisi manejemn level atas,

gelar sarjana saja sekarang ini dirasa tidak cukup, sehingga akan bermanfaat kalau

melanjutkan ke pendidikan pasca atau doktor dalam bidang teknik kimia. Sudahkan anda

menetapkan karir apa yang hendak anda jalani setelah selesai program sarjana teknik

kimia? Jika belum, sudah saatnya anda tetapkan dan fokuskan sumberdaya waktu dan

energi yang anda miliki untuk mencapai karir yang anda inginkan tersebut!

1.3 Sejarah Teknik Kimia

Dalam kurun tahun 1700an, terjadi permintaan yang besar terhadap natrium karbonat dan

kalium karbonat yang digunakan untuk memproduksi berbagai produk seperti kaca, sabun

dan tekstil. Nicholas Le Blanc seorang berkebangsaan Perancis menemukan metoda untuk

mengkonversikan garam laut menjadi natrium karbonat yang digunakan secara luas sejak

tahun 1810. Akan tetapi, proses Le Blanc ini menghasilkan produk samping yang

berbahaya seperti asam khlorida, oksida nitrogen, gas sulfur dan khlorin yang dibuang ke

atmosfir sehingga merusak kesehatan masyarakat dan lingkungan. Gambar 1.2

memberikan ilustrasi polusi yang ditimbulkan oleh proses Le Blanc.

A. J. Fresnel mengembangkan proses baru yang

lebih bersih pada tahun 1811. Sayang sekali usaha

untuk membangun pabrik dalam sekala besar gagal

terus menerus. Baru 50 tahun kemudian pada tahun

1863, seorang Belgia yang bernama Ernest Solvay

menerapkannya apa yang sekarang disebut dengan

proses Solvay.

8

Proses Solvay memiliki sebuah menara karbonasi yang sangat efisien dengan ketinggian

80 ft. Di dalam menara ini, air laut yang telah bercampur dengan ammonia dituangkan ke

bawah melalui puncak sedangkan dari bawah kolom dipompakan karbon dioksida

bergelembung sehingga naik ke atas kolom, sehingga menghasilkan natrium karbonat yang

diinginkan. Proses baru ini berjalan secara kontinu, bebas dari produk samping berbahaya

dan produk akhirnya mudah dipurifikasi. Proses Solvay tergantung pada kontak antara gas

dan cairan. Sekalipun pada saat itu belum dibentuk suatu profesi, hasil pekerjaan Solvay

dianggap sebagai salah satu kemenangan pertama Teknik Kimia.

Pada tahun 1800an, industri kimia mengalami pengkotakkan, pabrik-pabrik dirancang dan

dijalankan oleh ahlinya. George E Davis, (Gambar 1.3) diangkat sebagai sebagai Bapak

Teknik Kimia, memperkenalkan karakteristik yang sama yang berlaku untuk semua pabrik

kimia. Dia mengarang buku A Handbook of Chemical Engineering (Buku Pegangan

Teknik Kimia), juga mempublikasikan serangkaian kuliah yang cukup terkenal berkenaan

dengan teknik kimia dan melahirkan konsep operasi teknik kimia (unit operasi) yang

sekarang diajarkan pada pendidikan teknik kimia di seluruh dunia.

Davis memberikan 12 kuliah berkenaan dengan teknik kimia di Manchester Technical

School, Inggris pada tahun 1888. Pada tahun 1966,

sekolah ini berubah nama menjadi Manchester

Institute of Science and Technology (UMIST) dan

pada tahun 2004 bergabung dengan University of

Manchester (UM). Dalam kuliahnya, Davis

menganalisis proses-proses industri kimia pada masa

itu dan menjelaskannya sebagai suatu rangkaian dari

operasi-operasi dasar. Dia menyadari bahwa proses-

proses kimia tersebut dapat dipandang sebagai

kombinasi atau urutan beberapa prosedur. Jadi, ini

adalah masalah keteknikan, karenanya untuk

mempersiapkan calon professional yang akan bekerja

pada industri tidak perlu diajarkan mengenai industri

berkenaan secara rinci, tetapi cukup diajarkan prinsip-

prinsip ilmiah yang relevan dan bagaimana

menggunakannya. Dia menyatakan bahwa kuliah tersebut merupakan kuliah pertama

9

tentang teknik kimia yang pernah diberikan kepada bangsa yang berbahasa Inggris.

Walaupun kuliahnya telah membawa kepada perkembangan baru bagi teknik kimia, tapi

klaim yang menyatakan kuliah tersebut sebagai kuliah pertama sebenarnya masih dapat

dibantah. E.J.Mills (1875–1901), Ketua Jurusan Kimia Teknik pada Glasgow and West of

Scotland Technical College, telah memberikan kuliah dengan judul matakuliah “Teknik

Kimia” pada tahun 1887 seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.4. Dalam kuliah ini,

Mills memberikan 24 topik materi teknik kimia mencakup konstruksi dan operasi pabrik.

Hanya saja kuliah yang diberikan oleh Mills tidak sesistematis yang diberikan oleh Davis

dan gaungnya juga tidak setenar kuliah yang diberikan oleh Davis.

Gambar 1.4 Contoh silabus matakuliah Teknik Kimia yang diajarkan pada tahun 1887 di Glasgow and West of Scotland Technical College

10

Di Amerika Serikat, kuliah pertama Teknik Kimia dimulai di Massachusetts Institute of

Technology (MIT) pada tahun 1888 dan diajarkan oleh Lewis M. Norton. Harap diingat

pada waktu itu, kuliah ini diberikan kepada nmahasiswa jurusan kimia murni guna

memberikan pemahaman praktis keteknikan kepada mereka. Arthur D Little seorang

dosen (juga pendiri konsultan manejemen Arthur D Little yang cukup terkenal, lihat

http://www.adlittle.com/) kimia di MIT mendirikan Sekolah Praktek Teknik Kimia. pada

tahun 1916. Little juga menciptakan istilah yang kita kenal sekarang ini sebagai unit

operation (satuan operasi), yang memainkan peran penting dalam mencirikan Teknik

Kimia sebagai sebuah profesi. Warren Lewis, William Walker dan William McAdams

mendirikan jurusan Teknik Kimia pertama di AS pada tahun 1920, lagi-lagi di MIT.

Merekalah pertama sekali yeng menulis buku teks secara mendalam mengenai Prinsip-

Prinsip Teknik Kimia (Principles of Chemical Engineering) pada tahun 1923.

Dalam tahun 1950an dan 1960an, teknik kimia telah berkembang ke seluruh dunia.

Banyak jurusan teknik kimia di berbagai universitas di dunia. Di Indonesia sendiri,

pendidikan teknik kimia dibuka pada awal abad ke-20 dengan pendiri dari Sekolah, Teknik

Sipil Bandoeng Technische Hoogeschool untuk memenuhi tenaga kerja di bidang industri-

industri pertanian seperti gula dan karet, dan pada kilang-kilang minyak bumi. Pengenalan

pertama program teknik kimia dilakukan pada tahun 1940 di Bandoeng Technische

Hoogeschool. Selanjutnya pada September 1941, pendidikan teknik kimia di Bandoeng

Technische Hoogeschool diresmikan oleh pemerintah Hindia Belanda. Setelah itu, pada

tahun 1959 berdiri jursan Teknik Kimia Universitas Gajah Mada. Mingkatnya pertumbuha

industri dalam negeri dalam kurun tahun 1970an sampai 1980an, merangsang terbentuknya

jurusan Teknik Kimia barus di berbagai universitas seperti ITS, Unsri, Unsyiah, USU dll.

Dalam kurun era tahun 1970an, profesi teknik kimia menghadapi tantangan-tantangan

yang muncul akibat proses pemodernisasian industri-industri konvensional dan akibat

tekanan dari masyarakat. Bersamaan dengan itu, insinyur kimia harus menyadari

kenyataan bahwa kombinasi pengetahuan dan ketrampilan yang khas mempersiapkan diri

mereka untuk menghadapi berbagai peluang yang penting.

11

1.4 Profesi Teknik Kimia Dulu, Kini dan Akan Datang

1.4.1 Situasi Profesi Teknik Kimia Masa Lalu

Industri-industri kimia dan perminyakan mulai tumbuh pesat sejak akhir abad ke 19. Pada

tahun 1890an, perusahaan Jerman mulai memproduksi asam sulfat secara besar-besaran.

Kira-kira pada tahun yang sama sejumlah perusahaan kimia mulai menggunakan metoda

elektrolitik untuk menghasilkan soda kaustik dan khlorin, sekalipun metoda ini

memerlukan garam dan energi listrik yang cukup besar. Serat buatan mulai merubah

industri tekstil ketika rayon diperkenalkan pada tahun 1914. Peluncuran pupuk sintetis

oleh American Cyanamid Company pada tahun 1909 telah menyebabkan revolusi hijau

dalam bisang pertanian sehingga meningkatkan produksi pertanian secara drastis.

Kemajuan-kemajuan yang dicapai dalam produksi plastik telah menyebabkan terjadinya

penemuan seluloid pada tahun 1869 dan penciptaan produk nylon oleh Du Pont pada tahun

1928. Berkenaan dengan industri perminyakan, sekalipun minyak telah dikenal sepanjang

sejarah manusia, namun industri perminyakan moderen baru dikenal pada tahun 1859,

ketika pionir minyak Amerika E. L. Drake menemukan minyak di Titusville, Pensylvania.

Pada saat itu minyak tanah merupakan produk akhir utama, dan segera saja lampu dengan

bahan bakar minyak ikan dan lilin digantikan dengan lampu minyak tanah. Penggunaan

minyak sebagaian besar hanya untuk menghidupkan lampu, baru setelah ditemukan motor

(mesin) bensin maka pemakaian minyak menjalar ke mobil, truk, traktor dan pesawat

terbang. Penelitian kimia organik pada tahun 1910an telah memungkinkan berbagai

perusahaan memproduksi aneka bahan kimia dari minyak. Saat ini, industri petrokimia

yang berbahan baku minyak merupakan sektor indutri paling besar.

Pada awal pertumbuhan industri yang dipaparkan pada paragraf di atas, pabrik yang

memproduksi bahan kimia dibuat oleh insinyur mesin yang bekerjasama dengan sarjana

(ahli) kimia. Tetapi kedua profesi ini tidak mempunyai pengetahuan khusus tentang

perancangan pabrik. Maka pada akhir abad ke 19 muncul profesi baru yang dinamakan

teknik kimia yang dikonsepkan pertama sekali di Inggris, yang perkembangannya dimulai

dari sektor industri-industri kimia dan pendidikan. Segera setelah itu insinyur kimia bukan

saja bekerja pada industri kimia tetapi juga industri perminyakan. Akibat diperkenalkan

konsep unit operasi yang memungkinkan diterapkan pada berbagai industri proses, profesi

teknik kimia mulai bersifat universal, mampu bekerja di pabrik atau indutri manapun.

Oleh karena itu, dulu (bahkan sampai kinipun masih berlaku) profesi teknik kimia

diassosiasikan dengan orang-orang yang bekerja di industri kimia, plastik, kertas,

12

perminyakan, dan petrokimia dan industri-industri seperti ini dikatagorikan sebagai

industri kimia tradisional. Untuk saat ini, pendapat ini ini tidaklah tepat, mengingat

kurang dari 45% alumni teknik kimia di Amerika Serikat, misalnya, yang bekerja pada

sektor industri kimia tradisional, sementara sisanya bekerja di luar sektor ini.

A B C D E F G H0

5

10

15

20

25

30

35

40

Pers

enta

se, %

Jenis Pekerjaan

A: Industri kimia tradisionalB: Industri lainnyaC: Jasa ProfesionalD: UniversitasE: MakananF: Lembaga PemerintahanG: Lain-lainH: Obat-obatan & Biotek

Gambar 1.5 Profil bidang pekerjaan insinyur kimia di AS tahun 2005

1.4.2 Prospek dan Tantangan Profesi Teknik Kimia Masa Kini

Sifat sebagai “insinyur universal” telah memungkinkan profesi teknik kimia berkarya di

berbagai bidang, di luar sektor industri kimia tradisional. Dalam kurun tiga dekade

belakangan ini telah terjadi pergeseran yang mencolok dalam ruang lingkup pekerjaan

profesi teknik kimia. Industri kimia tradisional bukan lagi merupakan tujuan utama bagi

profesi teknik kimia. Gambar 1.5 menunjukkan profil bidang pekerjaan insinyur kimia di

AS pada tahun 2005 yang disurvei oleh American Chemical Society (ACS). Dari gambar

ini memang terlihat bidang pekerjaan yang paling banyak memperkerjakan insinyur kimia

masih didominasi oleh sektor industri kimia tradisional, sebesar 34% dari seluruh insinyur

kimia yang disurvei. Sebelum tahun 1970an, dominasi sektor ini sangat kuat, lebih dari

50%. Seiring dengan perubahan pasar global dan menguatnya prospek aktifitas ekonomi

di luar industri kimia tradisional, telah membuka pasar kerja baru bagi insinyur kimia.

Pasar kerja di luar industri konvensional ditunjukkan juga pada Gambar 5 dan beberapa

bidang pekerjaan yang potensil bagi profesi teknik kimia dan tantangan yang dihadapi oleh

profesi teknik kimia masa kini dipaparkan pada paragraf-paragraf berikut.

13

Profesi teknik kimia saat ini tidak hanya terbatas pada pengembangan dan pengoperasian

industri proses kimia. Kesempatan terbuka luas untuk berkiprah pada pasar kerja industri

jasa, seperti riset dan pengembangan yang diperkirakan akan terus meningkat terutama

dalam bidang energi, bioteknologi dan nanoteknologi. Berkurangnya cadangan sumber

energi tak-terbarukan telah mengarahkan berbagai sektor baik industri maupun

pemerintahan untuk menggalakkan pengembangan dan penggunaan sumber-sumber energi

baru terutama sumber energi terbarukan. mengembangkan dan menggunakan. Dalam

bidang energi, insinyur kimia dapat berperan dalam bidang proses produksi, pemantauan

lingkungan, riset dan pengembangan sumber-sumber energi alternatif, dan keselamatan

proses. Pada sektor lain, bioteknologi memanfaatkan sel-sel atau mikroorganisme dan

material yang dihasilkan oleh mikroorganisme tersebut untuk menghasilkan produk lain

yang bermanfaat bagi industri lain. Kegiatan dalam bidang bioteknologi ini telah

menghasilkan antibiotik, insulin, interferon, organ buatan, metoda pengurangan dan

pendaur-ulangan limbah, tanaman hibrida yang tahan terhadap serangga, dan lain lain.

Pada industri bioteknologi profesi teknik kimia berkecimpung dalam aspek

pengembangan dan perancangan proses untuk menumbuhkan, menangani dan memungut

mikroorganisme dan produk-produk samping yang dihasilkannya. Berkaitan dengan

nanoteknologi, bidang ini diperkirakan merupakan teknologi yang akan berkembang

dengan cepat di masa yang akan datang. Ditelusuri dari kata ‘nano’, dapat diartikan bahwa

teknologi ini berhubungan dengan dengan struktur yang berukuran nanometer (10-9 m atau

sepermilyar meter) atau lebih kecil, dan juga berhubungan dengan metoda untuk

mengembangkan material atau alat yang berukuran nano. Untuk dapat membayangkan

dimensi nanometer, bisa kita ambil contoh dari tubuh kita sendiri. Sehelai rambut manusia

kira-kira memiliki diameter 50 mikrometer. Satu mikrometer sendiri adalah seperseribu

milimeter. Dan satu milimeter adalah ukuran satuan panjang terkecil pada penggaris tulis

30 cm yang biasa dipakai anak-anak sekolah. Dan satu nanometer adalah seperseribu

mikrometer, atau kira-kira sama dengan diameter rambut kita yang telah dibelah 50.000

kali!!

Sejauh ini, teknologi nano masih dalam tahap penelitian dan pengembangan yang

dilaksanakan oleh multi profesi keilmuwan, termasuk di dalamnya teknik kimia. Namun,

beberapa hasil temuan dalam bidang nano telah dapat diterapkan secara nyata. Michael

Wong, seorang insinyur kimia dari Rice University, Houston, misalnya, menghasilkan

14

penemuan dalam bidang nanomaterial yang dapat dapat menyelesaikan masalah polusi air

tanah. Dia menciptakan nanopartikel yang terbuat dari emas dan palladium untuk

memecahkan polutan pada air tanah yang terpolusi. Dengan menambahkan partikel ke air

tanah, senyawa-senyawa beracun seperti trikhloroetilen akan berubah menjadi senyawa-

senyawa tak-beracun. Selain dalam pengembangan nanopartikel dan nanomaterial, profesi

teknik kimia dapat juga terlibat dalam riset dan pengembangan pengembangan karbon

nanotube, nanotoksikologi, nano-obat-obatan, sensor nano, dll.

Hampir setiap industri menghasilkan limbah baik dalam bentuk padat, cair atau gas.

Dewasa ini profesi teknik kimia terlibat dalam bidang-bidang yang berkaitan dengan

masalah pencemaran lingkungan, minimalisasi limbah dan kesehatan keselamatan kerja.

Peran insinyur kimia dalam mengurangi pencemaran dan meminimalisasi limbah industri

mencakup pengembangan proses yang menghasilkan minim limbah atau mengembangkan

proses yang tak menghasilkan limbah, pengolahan dan penanganan limbah, pengelolaan

kesehatan dan keselamatan kerja, dll. Industri-industri yang mengahasilkan material saat

ini juga memanfaatkan profesi teknik kimia untuk membantu mengembangkan material

dengan sifat-sifat yang berbeda dari bahan bakunya dalam hal berat, kekuatan,

perpindahan panas, reflektifitas, dan kemurnian. Industri-industri material yang merlukan

profesi teknik kimia termasuk di dalamnya industri dirgantara, otomotif, kaca, keramik,

elektronik, logam berharga, pemrosesan mineral (semen, pupuk fosfat, dll), dan produk-

produk photografi.

Penjelasan di atas menunjukkan bahwa profesi teknik kimia saat ini masih memainkan

peran yang cukup penting di berbagai sektor. Oleh karena itu, dapat dipastikan bahwa

permintaan insinyur kimia untuk mengisi industri kimia non-tradisional yang dipaparkan

di atas masih akan tetap stabil bahkan akan meningkat, terutama pada bidang bioteknologi,

energi alternatif dan nanoteknologi. Namun demikian, tantangan yang dihadapi profesi

teknik kimia saat ini semakin besar. Sebagian tantangan tersebut yang akan dihadapi oleh

insinyur kimia di tempat kerjanya antara lain disajikan berikut ini:

Pengembangan plastik yang lebih tahan dan kuat, kemungkinan untuk diterapkan

pada pesawat udara dan kederaan bermotor

Pemurnian minyak menjadi bahan bakar secara lebih efisien

15

Pengembangan metoda penghilangan sulfur dalam batu bara sehingga batu bara

yang potensinya cukup besar di Aceh Barat dan kalimantan dapat menjadi bahan

bakar yang ramah lingkungan

Perbaikan proses untuk fabrikasi chip semikonduktor untuk penggunaan pada

komputer dan alat elektronika lainnya

Memproduksi bahan bakar yang menghasilkan pembakaran lebih bersih dan lebih

efisien, sehingga dengan demikian akan mengurangi pencemaran lingkungan yang

disebabkan oleh kenderaan bermotor.

Mengembangkan serat sintetis baru sehingga dapat dihasilkan kain yang nyaman,

tahan lama, menolak noda, dan tak-kusut.

Mengembangkan perangkat lunak dan perangkat keras baru agar mampu

mengendalikan proses produksi kimia secara lebih baik sehingga proses menjadi

lebih aman, lebih bersih dan lebih ekonomis.

Memproduksi pupuk, pestisida dan herbisida yang ramah lingkungan dan mampu

meningkatkan produksi pertanian.

Riset untuk menghasilkan katalis baru yang mampu menyisihkan zat-zat keluaran

dari industri yang tak boleh dibuang ke lingkungan atau menyisihkan keluaran

kenderaan bermotor

Memproduksi obat-obatan secara murah sehingga dapat terjangkau oleh seluruh

masyrakat dunia ketiga, kemungkinan dapat dihasilkan dengan memanfaatkan

rekayasa genetika.

Mendaurulang logam, kaca dan plastik dengan cara yang lebih efektif dan lebih

murah

Memproduksi produk-produk kertas secara murah menggunakan sumber bahan

baku alternatif sehingga tidak merusak sumberdaya hutan

Mengembangkan jenis baterei baru yang lebih ringan dan memiliki kapasitas besar

sehingga mampu menggerakkan mobil listrik.

Mengembangkan berbagai material baru untuk digunakan pada berbagai bidang,

misalnya material baru untuk implant biologis atau material baru untuk

pembangkit listrik tenaga nuklir

Meningkatkan kualitas produk personal seperti sampo, sabun, kosmetika, dll.

Mengembangkan program komputer baru untuk merancang dan mengoptimasi

fasilatas produksi

16

Memproduksi produk-produk makanan pokok seperti tepung, gula, minyak, dll

secara efisien dengan memanfaatkan sumberdaya pertanian yang kita miliki,

sehingga mengurangi atau meniadakan impor sumberdaya pertanian dari luar

negeri.

Mengkaji teknik-teknik untuk memperoleh kembali (recovery) minyak secara

efisien dan lebih banyak, sehingga bekas ladang-ladang minyak di Aceh Timur dan

Tamiang dapat dihidupkan kembali.

Memproduksi produk-produk kimia dasar ramah lingkungan yang digunakan pada

pelarut, bahan pembersih, dll

Daftar persoalan yang bisa disajikan tentu masih cukup banyak. Namun dari daftar di atas, anda sudah dapat menentukan karir apa yang akan anda tekuni ketika anda selesai sebagai insinyur kimia. Ketika kita bicarakan bahwa daftar di atas merupakan tantangan yang dihadapi oleh profesi teknik kimia saat ini, tentu saja persoalan-persoalan di atas membutuhkan waktu paling tidak antara 10 – 25 tahun untuk diselesaikan. Ini merupakan tantangan sekaligus kesempatan bagi anda untuk menentukan arah karir anda di masa depan.

1.4.3 Tantangan Profesi Teknik Kimia Masa Akan Datang

Kecendrungan yang berlangsung sekarang ini adalah memperkecil ukuran produk dengan

tetap mempertahankan, bahkan meningkatkan, kinerja produk tersebut. Sebagai contoh,

salah satu kalkulator yang diproduksi pada sekitar tahun 1940 ditunjukkan pada Gambar

1.6 (a). Dari gambar tersebut anda bisa membayangkan ukuran kalkulator tersebut.

Dalam rentang waktu kurang dari 40 tahun, kalkulator sudah dapat diproduksi dengan

ukuran yang cukup kecil sehingga dapat digenggam tangan dengan kemampuan yang jauh

lebih baik dari kalkulator tahun 1940, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.6 (b).

Kencendrungan seperti ini juga terjadi dalam bidang teknik kimia.

Dalam bidang teknik kimia saat ini, istilah pembesaran (scale-up) lebih sering didengar

daripada istilah pengecilan (scale-down) atau proses skala kecil. Pengertian pembesaran

disini ditujukan kepada proses implementasi mengubah sistem/alat dari skala labortorium

atau skala pilot menjadi skala komersial/pabrik. Gambar pada kulit buku ini

menggambarkan bagaimana proses pembesaran itu. Di masa depan, istilah pengecilan

akan lebih sering terdengar dibandingkan dengan pembesaran. Proses atau pabrik akan

tampil dengan skala yang lebih kecil (baik dalam ukuran alat maupun lahan yang

17

diperlukan), biaya lebih murah, pengoperasian lebih aman, dan penampakan lebih rapi.

Gambar 1.7 menunjukkan sebuah ilustrasi pabrik saat ini (sebelah kiri) dan pabrik idaman

di masa yang akan datang (sebelah kanan). Penampilan pabrik di masa yang akan datang

berukuran mini dan kompak, tetapi kapasitas dan kinerjanya minimal sebanding dengan

pabrik yang sama saat ini. Ini merupakan paradigma baru yang akan dihadapi oleh profesi

teknik kimia.

(a) (b) Gambar 1.6 (a) Kalkulator pertama Konrad Z1 yang diproduksi pada tahun 1938; (b)

Kalkulator saintifik saat ini

Gambar 1.7 Intensifikasi proses dari skala besar menjadi pabrik mini dengan kinerja

yang sama

18

Jika pada paragraf sebelumnya diceritakan transformasi pabrik skala besar menjadi pabrik

berukuran mini, maka perkembangan lain yang menarik menyangkut intensifikasi proses

dalam skala mikro. Intensifikasi ini bukan saja memperkecil ukuran peralatan tetapi juga

penggabungan berbagai fungsi dan fenomena. Sebagai contoh, reaktor-mikro pada

Gambar 1.8 (a) merupakan alat yang berukuran sangat kecil dan mempunyai struktur yang

terdiri dari sejumlah lapisan dengan saluran mesin-mikro (berdiameter 10 – 100 mikron).

Setiap lapisan menjalankan fungsi yang berbeda, seperti pencampuran, reaksi katalitik,

perpindahan panas, dan pemisahan. Laju pindah panas yang cukup tinggi memungkinkan

proses eksotermis diperasikan pada temperatur tetap. Penggabungan beberapa fungsi ke

dalam satu alat ukuran mikro bukan saja mengurangi modal investasi tetapi juga

mengurangi konsumsi energi. Peralatan-peralatan seperti ini yang didasarkan pada chip

silikon dan arsitektur saluran-mikro yang ditunjukkan pada Gambar 1.8 (a) dan (b) yang

sekarang ini masih dalam penelitian untuk melaksanakan reaksi katalitik, pencampuran

cepat dan perpindahan panas. Namun, di masa yang akan datang sistem seperti

memungkinkan untuk menghasilkan produk spesifik berdasarkan permintaan konsumen.

Sehingga suatu saat kelak, pabrik miniatur seperti ini akan menghiasi rumah tangga untuk

menghasilkan berbagai kebutuhan, seperti gula non-kalor, cairan insulin, kopi tak-

berkafein, minuman berbagai rasa, dll

(a) (b)

Gambar 1.8 (a) Reaktor kimia mikro berdasarkan konsep chip silikon; (b) Alat penukar

panas mikro berdasarkan arsitektur saluran-mikro

Tantangan lain ke depan menyangkut rancangan material yang mampu berinteraksi dengan

sel atau jaringan hidup sehingga dapat digunakan untuk menggantikan organ tubuh

makhluk hidup atau dapat berfungsi secara berdampingan dengan jaringan pada makhluk

19

hidup. Berbagai fenomena yang berlangsung di dalam makhluk hidup berkaitan erat

dengan dasar-dasar ilmu teknik kimia, seperti perpindahan momentum, panas, dan massa.

Sebagai contoh, para peneliti telah berhasil merancang molekul-molekul yang disusun

dalam bentuk matrik, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.9, sehingga dapat berfungsi

sebagai template untuk pertumbuhan hidroksipatit, senyawa mineral yang terkandung

dalam tulang dan gigi. Matrik ini dapat dimasukkan ke bagian tulang atau gigi yang rusak

guna membantu pertumbuhan tulang. Proses pertumbuhan tulang melibatkan diffusi dan

reaksi kimia. Tulang secara perlahan akan berdifusi secara perlahan melalui pori-pori

berukuran nano hingga memenuhi seluruh matriks (lihat Gambar 1.9).

Matrik Difusi tulang Matrik telah ke dalam matrik dipenuhi tulang Gambar 1.9 Biomaterial matrik yang digunakan untuk membantu pertumbuhan tulang

yang rusak

Pada sub-bab sebelumnya telah disampaikan bahwa nanoteknologi akan berperan penting dan mampu merubah dunia di masa depan. Aplikasi nanoteknologi diperkirakan akan merambah berbagai bidang, mulai dari teknologi energi (sel bahan bakar, misalnya), teknologi lingkungan (siklus material dan pembuangan), teknologi informasi (memeori baru dan prosessor), sampai kepada teknologi kesehatan. Perkembangan nanoteknologi mengalami kepesatan yang sangat cepat. Investasi riset dan pengembangan yang ditanamkan oleh pemerintah seluruh dunia antara 1997 sampai 2005 mencapai 4,1 milyar dolar AS. Diperkirakan pada tahun 2015, produk-produk yang berkaitan dengan nanoteknologi akan menyumbang sebesar 1 trilliun milyar dolar AS bagi ekonomi dunia. Industri nanoteknologi akan menyerap jutaan tenaga kerja dalam kurun 1-2 dekade mendatang.

Salah satu tantangan yang akan dihadapi profesi teknik kimia berkaitan dengan teknologi ini menyangkut pengembangan dan produksi ‘material pintar’. Istilah ini merujuk kepada material apa saja yang dirancang dan direkayasa pada skala naometer guna melakukan tugas khusus, dan memiliki berbagai kemungkinan aplikasi komersil. Sebagai contoh, material pintar dirancang untuk mampu memberi respon yang berbeda terhadap molekul

20

yang berbeda; dengan memiliki kemampuan yang demikian memungkinkan untuk dibuat obat-obatan yang mampu mengenal dan membunuh virus tertentu. Untuk dapat menghasilkan material pintar ini perlu dikembangkan mesin yang dapat menghasilkan material yang dimaksud, yang disebut dengan assembler. Mesin ini selain menghasilkan material pintar, diperkirakan juga mampu menghasilkan robotnano. Robotnano akan memainkan peranan besar dalam bidang medis. Pasien, misalnya, akan meminum cairan yang mengandung robotnano yang diprogram untuk menyerang dan merekonstruksi struktur molekul kanker dan berbagai virus. Selain itu robot nano dapat juga diprogram untuk melakukan operasi sulit, seperti operasi nano yang dapat bekerja pada tingkat ketelitian ribuan kali dari pisau bedah paling tajam sekalipun.

Tantangan lain yang kontroversi bagi profesi teknik kimia adalah eksplorasi dan eksploitasi lingkungan angkasa luar. Di masa depan bumi dipastikan tidak akan mampu lagi menampung pertumbuhan penduduk dan menyediakan makanan bagi kehidupan di bumi. Ini merupakan salah satu alasan untuk mencari tempat kehidupan bagi manusia di luar bumi. Pilihan yang paling mungkin adalah planet Mars. Ada sejumlah alasan mengapa mars menjadi target kehidupan umat manusia di masa depan. Salah satunya adalah jarak paling dekat dengan bumi, dibandingkan dengan planet-planet lain. Namun, tantangan yang dihadapi untuk membentuk kehidupan di Mars jauh lebih berat. Hal ini menyangkut temperatur di planet rata-rata di planet ini yang sangat rendah -63oC, atmosfir yang cukup tipis dan beracun, radiasi tinggi karena tidak memiliki lapisan yang menghambat radiasi seperti lapisan ozon di bumi, dan gravitasi yang cukup rendah. Untuk memulai kehidupan di Mars, paling tidak diperlukan udara, air, makanan, bahan bakar, temperatur lingkungan yang hangat, pakaian, sinar matahari, dan bangunan. Bagi teknik kimia, tantangan yang harus dijawab adalah bagaimana menciptakan suatu proses yang dapat mengubah atmosfir Mars atau sumberdaya yang ada di Mars sehingga mendekati menghasilkan komponen-komponen yang diperlukan bagi kehidupan manusia.

Gambar 1.10 Kemungkinan proses-proses yang diperlukan untuk mengubah atmosfir Mars

21

Atmosfir Mars sebagian besar terdiri atas karbon dioksida (CO2), dan sejumlah kecil nitrogen, metana dan Ar. Sementara atmosfir bumi terdiri 79% N2 dan 21% O2. Tekanan atmosfir Mars sangat rendah hanya 0,6 kPa, bandingkan dengan tekanan atmosfir bumi 101,3 kPa. Prinsip-prinsip teknik kimia memungkinkan mengubah atmosfir Mars sehingga mendekati kondisi atmosfir bumi. Tahap awal dari proses keseluruhan, seperti yang ditujukkan pada Gambar 1.10, adalah menaikkan tekanan dan memisahkan komponen-komponen atmosfir Mars menjadi komponen individu, seperti CO2, N2 dan CH4. Kebutuhan O2 dapat diperoleh dengan memproses senyawa-senyawa seperti CO2, H2O, Fe2O3, SiO2 yang memang tersedia di Mars. Dari pandangan teknik kimia, secara teoritis memungkinkan membangun kehidupan di Mars. Apakah secara praktis memungkinkan, itulah tantangan bagi anda insinyur kimia masa depan!!

22

BAB 2

Pengantar Perhitungan Teknik Kimia

2.1 Dimensi dan Satuan

Setiap kuantitas yang dapat diukur atau dihitung memiliki nilai angka (1.4,

misalnya) dan satuan (1.4 ???). Satuan merupakan hal yang sangat penting pada

perhitungan keteknikan, kesalahan menuliskan satuan akan menyebabkan kesalahan

interpretasi. Misalnya 1 m ≠ 1 ft, oleh karena itu biasakan menulis nilai dan satuan dari

setiap kuantitas yang dapat diukur. Misalnya;

2 m; 1,5 ft; 3.7 det; 2 lembar kertas; 5 kg; 10 mayam emas, dll

Dimensi adalah suatu sifat/karakteristik yang dapat diukur, misalnya : panjang (L),

waktu (t), massa (M), atau temperature (T). Contoh dimensi yang diberikan ini merupakan

dimensi dasar yang berhubungan dengan teknik kimia. Dari sini, kita dapat menentukan

dimensi yang lain dengan cara mengalikan atau membagikan dengan dimensi dasar,

misalnya kecepatan (L/t), volume (L3), atau densitas (M/L3). Satuan yang dapat diukur

(kebalikan dari satuan yang dapat dihitung) merupakan sifat spesifik dimensi yang

didefinisikan atas dasar perjanjian (konvensi), kebiasaan, atau hukum seperti gram untuk

massa, detik untuk waktu, meter atau feet untuk panjang. Satuan dapat diperlakukan seperti

variabel aljabar, bisa ditambahkan atau dikurangkan, dan bisa dikalikan atau dibagikan.

Namun harap diingat bahwa nilai angka dari dua kuantitas dapat ditambahkan atau

dikurangkan kalau satu sama lain memiliki satuan yang sama. Misalnya;

3 kg + 5 kg = 8 kg 3x + 5x = 8x

15 cm - 12 cm = 3 cm 15x - 12x = 3x

Tetapi,

3 kg + 4 detik = ? tak bermakna, seperti 3x + 4y = ?

Di sisi lain, nilai angka dan satuannya dapat digabungkan lewat perkalian ataupun

pembagian. Seperti;

jamkm50

jam 2km100

23

km90 x 4 jam = 360 kmjam

12 km x 6 = 36 (kuantitas tak berdimensi)2 km

23 ft x 6 ft = 18 ft

2.2 Konversi Satuan

Suatu kuantitas terukur dapat dinyatakan dalam berbagai satuan yang memiliki dimensi

yang sesuai. Misalnya ,)jammenit,detik,(waktu)milkm,ft,cm,(panjangkecepatan sehingga satuan

kecepatan dapat dalam bentuk: ft km , ,dsbdetik jam

. Besarnya nilai angka sangat

tergantung kepada satuan yang dipilih.

Faktor konversi adalah rasio yang digunakan untuk mengkonversikan suatu kuantitas yang

dinyatakan pada satuan tertentu menjadi kuantitas yang sebanding pada satuan lain.

)milimeters10percentimeter(1mm10cm1

)centimeterpermilimeters(10cm1mm10

2

22

cm1mm100

1cm10mm

Contoh, untuk mengkonversikan 36 mg menjadi g, dapat ditulis sebagai berikut:

g0,036mg1000

g1xmg)(36

Cara lain dapat ditempuh dengan menulis garis vertikal, sebagai pengganti perkalian

sebagai berikut:

Contah lain

g0.036mg1000

g1mg36

24

Contoh soal:

1. Konversikan laju alir 5 ft3/det menjadi m3/hari

harim12,233

hari1jam24

jam1menit60

menit1det60

ft1m0,028317

detft5 3

3

33

2. Nayatakan densitas air 1000 kg/m3 dalam lbm/ft3

3m

3

3m

3 ftlb62,4

ft 35,3145m1

kg1lb 2,20462

mkg 1000

Garis vertikal setelah satuan yang akan dikonversikan memuat faktor konversi untuk

satuan-satuan yang akan dikonversikan. Untuk memudahkan konversi dari suatu satuan ke

satuan lain dapat gunakan tabel konversi yang dapat diperoleh dari Perry: Chemical

Engineer Handbook (tersedia juga dalam bentuk pdf) atau gunakan tabel konversi yang

ada pada bagian akhir bab ini atau dapat juga menggunakan perangkat lunak konversi yang

dapat diunduh secara gratis dari internet.

2.3 Sistem Satuan

Secara umum dikenal tiga (3) sistem satuan, yaitu sistem satuan cgs, SI, Amerika. Setiap

sistem satuan ini memiliki komponen-komponen yang berhubungan dengan teknik

kimia, seperti:

- Satuan dasar: satuan panjang, massa, waktu dan temperatur

- Satuan perkalian: yang didefenisikan sebagai parkalian atau fraksi dari unit

dasar, misalnya cm, m, km, menit, jam dll.

- Satuan turunan: diperoleh dengan cara mengalikan atau membagikan satuan

dasar atau satuan perkalian, seperti ft2, ft/menit, kg/m3, dll.

Tabel 2.1 Satuan dasar untuk berbagai sistem satuan

Satuan Dasar Kuantitas CGS SI Amerika

Panjang centimeter (cm) meter (m) foot (ft)

Massa gram (gr) kilogram (kg) Pound mass (lbm)

Waktu detik (det) detik (det) detik (det)

Temperatur Kelvin (K) Kelvin (K) Rankine (R)

25

Tabel 2.1 Satuan turunan untuk berbagai sistem satuan Satuan Turunan

Kuantitas CGS SI Amerika

Volume liter (l) liter (l) feet kubik (ft3)

Gaya dyne (dyn ) Newton (N) pound force (lbf)

Tenaga Pascal (Pa) lbf/in2 (psi)

Energi, Kerja Erg, kalori joule (J) Btu

Daya watt (W) watt (W) dayakuda (hp)

“Sistem International d’Unités” atau disingkat dengan sistem SI dipakai di banyak

negara. Namun pada negara-negara persemakmuran Inggris, sistem Amerika/Inggris

lebih sering digunakan daripada sistem SI. Sistem cgs mirip dengan sistem SI,

perbedaan utama terletak pada gram yang digunakan untuk massa dan centimeter yang

digunakan untuk panjang. Secara internasional detik sering diringkas dengan s atau sec

yang berasal dari second. Dalam buku ini diusahakan sedemikian rupa dalam satuan det.

Pada sistem SI digunakan awalan untuk menyatakan sebagai kelipatan pangkat 10.

Awalan yang paling sering digunakan ditunjukkan sebagai berikut.

tera (T) = 1012 centi (c) = 10-2

giga (G) = 109 milli (m) = 10-3

mega (M) = 106 micro (µ) = 10-6

kilo (k) = 103 nano (n) = 10-9

2.4 Gaya dan Berat

Menurut Hukum Newton II tentang gerak, gaya berbanding lurus terhadap hasil

perkalian massa dan percepatan (panjang/waktu2). Oleh karena itu, satuan asli gaya

adalah kg m/det2 (SI), g cm/det2 (cgs) dan lbm ft/det2 (Amerika). Untuk menghindari

satuan yang rumit seperti ini pada berbagai perhitungan yang melibatkan gaya, satuan

turunan gaya telah didefenisikan untuk setiap sistem (Newton dalam SI; dyne dalam

cgs).

1 Newton (N) = 1 kg m/det2

1 dyne = g cm/ det2

26

Pada sistem Amerika, satuan turunan gaya disebut pound-force (lbf) yang didefenisikan

sebagai hasil perkalian satu satuan massa (1 lbm) dengan percepatan grafitasi di

permukaan laut dan pada garis lintang 45o, yang besarnya 32,174 ft/det2, sehingga:

1 lbf = 32,174 lbm.ft/det2

Persamaan-persamaan di atas sekaligus berfungsi sebagai faktor konversi antara satuan

asli terhadap satuan turunan. Sebagai contoh, hitunglah gaya dalam Newton yang

diperlukan untuk mempercepat suatu massa 4 kg dengan laju 9.0 m/det2

N36,0m/det . kg 1

N1det

m9,00kg4,00F 22

Gaya dalam lbf yang diperlukan untuk mempercepat 4,00 lbm pada laju 9,00 ft/ det2

adalah:

f2m

f2

m lb1,12ft/det . lb 32,174

lb1det

ft9,00lb4,00F

Simbol gc kadang-kadang digunakan untuk menyatakan faktor konversi dari satuan asli

ke satuan turunan untuk gaya:

22m

cf

32,174 lb .ft/det1 kg.m/detg1 N 1lb

Sehingga persamaan gaya dapat ditulis:

cgamF ..... [2-1]

Berat suatu objek adalah gaya yang dikenakan kepada objek tersebut oleh gaya tarik

gravitasi. Sehingga dapat ditulis menurut persamaan [2-2]

cggmW ..... [2-2]

dimana g adalah percepatan gravitasi yang besarnya:

c2

m Ng 9,8066 g/g 9,8066det kg

27

c2

cm dyng 980,66 g/g 980,66det g

fc2

m

lbftg 32,174 g/g 1det lb

..... [2-3]

Perlu diingat bahwa simbol g dipakai untuk menyatakan percepatan grafitasi yang

nilainya bervariasi tergantung pada posisi di muka bumi dan ketinggian dari permukaan

laut, sementara gc adalah faktor konversi dan mempunyai nilai konstan. Bandingkan

dengan g yang berubah-ubah, inilah yang sering menjadi sumber kerancuan pada sistem

satuan Amerika.

Contoh soal:

Air mempunyai densitas 62,4 lbm/ft3. Berapakah berat air sebanyak 2 ft3 (1) pada

permukaan laut dan garis lintang 45o dan (2) di Denver, Colorado dimana ketinggiannya

dari permukaan laut 5374 ft dan percepatan grafitasi 32,139 ft/det2

m3

3m 124,8lb)(2ft

ftlb

62,4M

2

m

f2m .ft/slb 32,174

lb 1sft)glb(124,8W

1. pada permukaan laut, g = 32,174 ft/det2, sehingga W= 124,8 lbf

2. di Denver g = 32,139 ft/det2, sehingga W = 124,7 lbf

Dari contoh ini terlihat, kesalahan yang terjadi cukup kecil sekalipun ketinggian dari

permukaan laut cukup signifikan. Kesalahan akan signifikan kalau anda berada di satelit

atau planet lain.

2.5 Kehomogenan Dimensi

Sebagai suatu peraturan, setiap persamaan dapat dikatakan sah jika mempunyai dimensi

yang seragam, artinya seluruh suku-suku pada bagian kiri dan kanan tanda sama dengan

harus mempunyai dimensi yang sama.

28

Contohnya: 2V (m/det) = Vo (m/det) + g (m/det ) t (det)

Dimensi seragam

Sementara V= Vo + g ; dimensinya tidak seragam

Jika suatu persamaan memiliki dimensi yang seragam tapi satuannya tidak konsisten,

maka suku-suku dapat dibuat sedemikian rupa sehingga satuannya konsisten dengan cara

mengalikan suku-suku dengan faktor konversi. Contohnya, jika pada persamaan di atas t

ingin dinyatakan dalam menit, bukan dalam detik, sementara satuan lain tetap.

2V (m/det) = Vo (m/det) + g (m/det ) t (menit) (60 det/menit)

Contoh soal:

Tinjaulah persamaan

D (ft) = 3 t (det) + 4

1. Jika persamaan di atas sah, apakah dimensi konstanta 3 dan 4?

2. Jika persamaan konsisten satuannya, apakah satuan 3 dan 4?

Penyelesaian:

1. Agar persamaan dinyatakan sah, maka dimensinya harus homogen. Oleh karena

itu suku-suku pada persamaan di atas harus mempunyai dimensi panjang.

Konstanta 3 karenanya harus memiliki dimensi (panjang/waktu), dan konstanta 4

harus memiliki dimensi panjang.

2. Untuk konsistensi satuan, maka satuannya adalah 3 ft/det dan 4 ft

2.6 Notasi Saintifik, Angka Signifikan, dan Presisi

Baik angka besar maupun kecil akan sering sekali dijumpai pada proses perhitungan.

Suatu cara yang gampang untuk mewakili bilangan seperti itu adalah menggunakan

notasi saintifik, dimana bilangan dinyatakan sebagai perkalian antara suatu bilangan

dengan pangkat dari 10. Sebagai contoh:

123.000.000 = 1.23 x 108 atau 0.123 x 109

0,000028 = 2.8 x 10-5 atau 0.28 x 10-4

Angka signifikan dari suatu bilangan merupakan digit dari angka pertama bukan nol dari

kiri ke (a) ke digit terakhir (nol maupun bukan nol) pada bagian kanan jika ada tanda

29

koma yang menunjukkan desimal, atau (b) angka bukan nol terakhir jika tidak ada tanda

koma.

Contoh:

2300 atau 2.3 x 103 => memiliki dua angka signifikan

2300,1 atau 2.3001 x 103 => memiliki lima angka signifikan

23040 atau 2.304 x 104 => memiliki empat angka signifikan

0.035 atau 3.5 x 10-2 => memiliki dua angka signifikan

0.03500 atau 3.500 x 10-2 => memiliki empat angka signifikan

Dari contoh di atas terlihat bahwa angka signifikan akan dengan mudah dapat diketahui

bila menggunakan notasi saintifik.

Angka signifikan dari suatu bilangan baik yang dihasilkan dari suatu perhitungan

ataupun pengukuran menunjukkan tingkat presisi nilai tersebut. Semakin banyak angka

signifikan, semakin presisi nilai tersebut. Umumnya, jika suatu kuantitas terukur anda

tulis dengan tiga angka signifikan, maka anda menyatakan bahwa angka ketiga dari

bilangan ini besarnya setengah satuan. Jadi jika anda laporkan massa sebesar 8.3 g (dua

angka signifikan), anda menunjukkan bahwa massa berada antara 8.25 dan 8.35.

Sedangkan jika anda laporkan massanya sebesar 8.300 (empat angka signifikan) berarti

anda menunjukkan bahwa massa berada antara 8.2995 dan 8.3005 g. Harap diingat

bahwa aturan di atas hanya berlaku untuk kuantitas atau angka yang dihitung dari

kuantitas diukur. Jika kuantitasnya diketahui secara pasti, berarti angka signifikannya

tak berhingga. Misalnya 5 ekor sapi, betul-betul berarti 5,000000......sapi.

Jika dua atau lebih kuantitas digabung melalui perkalian dan/atau pembagian, jumlah

angka signifikan pada hasil harus sama dengan angka signifikan terendah dari pengali

atau pembagi.

Contoh:

(3,57)(4,286) = 15,30102 => 15,3

Angka signifikan (3) (4) (7) (3)

30

Tabel 2.3 Faktor konversi untuk berbagai kuantitas

Kuantitas Nilai Equivalen

Massa 1 kg = 1000 g = 0,001 metrik ton = 2,20462 lbm = 35,27392 oz

1 lbm = 16 oz = 5 x 10-4 ton = 453,593 g = 0,453593 kg

Panjang

1 m = 100 cm = 1000 mm = 106 microns (µm) = 1010 angstroms (Å)

= 39,37 in = 3,2808 ft = 1,0936 yd = 0,0006214 mile

1 ft = 12 in = 1/3 yd = 0,3048 m = 30,48 cm

Volume

1 m3 = 1000 L = 106 cm3 = 106 mL

= 35,3145 ft3 = 220,83 imperial gallons = 264,17 gal

= 1056,68 qt

1 ft3 = 1728 in3 = 7,4805 gal = 0,028317 m3 = 28,317 L= 28.317 cm3

Force

1 N = 1 kg.m/det2 = 105 dynes = 105 g.cm/det2 = 0,22481 lbf

1 lbf = 32,174 lbm.ft/det2 = 4,4482 N = 4,4482 x 105 dynes

Pressure

1 atm = 1,01325 x 105 N/m2 (Pa) = 101,325 kPa = 1,01325 bar

= 1,01325 x 106 dynes/cm2

= 760 mmHg pada 0oC (torr) = 10,333 mH2O pada 4oC

= 14,696 lbf /in2 (Psi) = 33,9 ft H2O pada 4oC= 29,921 inHg

pada 0oC

Energy

1 J = 1 N.m = 107 ergs = 107 dyne.cm

= 2,778 x 107 kWh = 0,23901 cal = 0,7376 ft.lbf = 9,486 x 104 Btu

Power 1 W = 1 J/det = 0,23901 cal/det = 0,7376 ft.lbf /det = 9,486 x 10-4

Btu/s = 1,341 x 10-3 hp

Contoh: Faktor untuk mengkonversikan gram ke lbm adalah

g1000lb2,20462 m

2.7 Proses Penyajian dan Analisa Data

Operasi setiap proses kimia sering sekali didasarkan pada pengukuran, seperti temperatur,

tekanan, laju alir, konsentrasi, dll. Tidak selamanya memungkinkan mengukur variabel ini

secara langsung, karenanya pengukuran secara tidak langsung terpaksa harus dilakukan.

Misalkan anda ingin mengukur konsentrasi zat terlarut, C, di dalam suatu larutan. Untuk

melaksanakan pengukuran tersebut, anda biasanya akan mengukur suatu kuantitas, X,

31

seperti konduktivitas panas atau listrik, absorbansi cahaya, atau volume titer, yang

bervariasi dengan berubahnya harga C. Kemudian nilai C dapat deketahui dari nilai X yang

diukur. Hubungan antara nilai C berbagai konsentrasi terhadap X yang diukur dibuat dalam

suatu experimen sehingga diperoleh persamaan atau grafik, yang disebut kalibrasi.

Misalkan eksperimen kalibrasi dimana, variabel y diukur untuk berbagai nilai x seperti

ditunjukkan pada tabel berikut :

x 1,0 2,0 3,0 4,0

y 0,3 0,7 1,2 1,8

Kalau kita kaitkan dengan apa yang sudah kita ulas pada paragraf sebelumnya, dalam hal

ini y dapat berupa konsentrasi reaktan atau proses variabel yang lain, dan x merupakan

kuantitas yang dapat diukur langsung (seperti konduktivitas) yang nilainya berkorelasi

terhadap y. Sasaran kita adalah menggunakan data kalibrasi untuk mengestimasi nilai y

dari satu nilai x diantara dua titik tabulasi (interpolasi) atau di luar rentang data yang ada

pada tabel (ekstrapolasi).

Gambar 2.1 Plot data eksperimen

Gambar 2.1 menunjukkan beberapa plot hubungan x,y. Jika plot data eksperimen

ditunjukkan seperti 2.1a dan 2.1b, garis lurus kemungkinan besar paling sesuai dengan data

sehingga dapat digunakan sebagai dasar untuk interpolasi atau ekstrapolasi. Sebaliknya

kalau plot data eksperimen seperti pada Gbr 2.1c, maka untuk interpolasi dapat dibuat garis

lurus segmen atau fungsi non-linear y (x) akan sesuai dengan kecenderungan data.

32

2.7.1 Interpolasi Linear Dua-Titik

Persamaan garis yang melewati titik (x1, y1) dan (x2, y2) pada plot y lawan x ditulis menurut

pers. 2.4 :

)y(yxx

xxyy 1212

11

..... [2-4]

Saudara dapat menggunakan persamaan ini untuk mengestimasi nilai y untuk sebuah nilai x

yang berada diantara x1 dan x2. Persamaan ini dapat juga digunakan untuk menebak nilai y

untuk x yang berada di luar rentang x1 dan x2.

Contoh: Nilai variabel (f) diukur pada berbagai waktu (t)

f 1 4 8

t 1 2 3

Tunjukkan bahwa jika digunakan interpolasi linear dua-titik (a) f ( t = 1,3)≈1,9; t ( f =

5)≈2.25

a) 1,3 1( 1,3) 1 4 1 1,92 1

f t

b) 5 4( 5) 2 3 2 2, 258 4

t f

2.7.2 Mencocokkan (fitting) Garis Lurus

Cara yang mudah untuk menunjukkan hubungan antara satu variabel dengan variabel

lainnya adalah dengan menyatakannya dalam bentuk persamaan, seperti:

y = 3x + 4

y = 4,24 (x – 3)2 - 23

y = 1,3 x 107 sin (2x)/(x1/2 + 58,4 )

Jika saudara memiliki persamaan seperti di atas, maka akan sangat mudah menentukan nilai

y(x) untuk berbagai nilai x atau sebaliknya menentukan nilai x untuk berbagai nilai y.

Menggunakan program Excel, akan sangat mudah bagi saudara menentukan nilai-nilai yang

anda inginkan.

33

Persamaan garis lurus dapat dinyatakan menurut persamaan 2.5 dan kelandaian dan intersep

garsi dapat ditentukan menggunakan pers. 2.6 dan 2.7:

y ax b ..... [2-5]

Kelandaian (slope) : 12

12axxyy

..... [2-6]

Perpotongan (intersep) :

22

11

axyaxy

b ..... [2-7]

Contoh; Menggambarkan garis lurus untuk data kalibrasi flowmeter

Data kalibrasi rotameter (laju alir lawan bacaan rotameter) adalah sebagai berikut:

Laju alir, V (L/min) Bacaan Rotameter, R 20,0 52,1 84,6 118,3 151,0

10 30 50 70 90

1. Gambarkan kurva kalibrasi dan tentukan persamaan V(R)

2. Hitunglah laju alir yang berhubungan dengan bacaan rotameter = 36.

Penyelesain:

1. Kurva kalibrasi akan terlihat seperti gambar berikut:

Garis di atas ditarik atas dasar visual. Dari gambar tersebut, anda lihat bahwa garis

tersebut melawati titik-titik (R1=20, V1=20) dan (R2=60, V2=101), sehingga,

baRV

34

1,62106020101

RRVVa

12

12

3,8(1,62)(10)20aRVb 11

Dengan demikian persamaannya diperoleh : 3,81,62RV Periksa pada titik 2, 22 1018,3)60()62,1( VbaR 2. Pada

L/min62,13,8(1,62)(36)V36,R

35

BAB 3

Proses dan Variabel Proses Proses merupakan suatu operasi atau serangkaian operasi yang menyebabkan terjadinya

perubahan kimia atau perubahan fisika terhadap suatu zat atau campuran zat sehingga

tujuan yang diinginkan tercapai. Bahan/zat/material yang masuk ke dalam proses

tersebut disebut Masukan (Input) atau Umpan, sedangkan yang keluar disebut

Keluaran/Luaran (Output) atau Produk. Sering sekali proses-proses tersebut terdiri

dari banyak tahap, dimana untuk setiap tahap dijalankan di dalam suatu unit proses, dan

pada setiap unit proses terdiri dari serangkaian aliran umpan dan keluaran.

Sebagai seorang insinyur teknik kimia, saudara akan terlibat dalam mendisain

(merancang) atau mengoperasikan (menjalankan) suatu proses. Aktifitas rancangan

termasuk memformulasikan diagram-alir (flowsheet) atau tata letak (layout) proses serta

spesifikasi masing-masing unit proses (seperti reaktor, alat pemisah, alat penukar panas)

dan variabel operasi (temperatur, laju alir, tekanan, dll), sedangkan operasi merupakan

aktifitas menjalankan proses dari ke hari. Proses dan peralatan harus dapat memproduksi

produk dengan laju yang ditentukan dan spesifikasi yang diharapkan. Selain itu, saudara

juga akan bertanggung jawab menjaga keekonomisan proses dengan cara melakukan

penghematan penggunaan bahan baku atau energi. Ketika proses tidak berfungsi

sebagaimana mestinya maka anda harus mencari dan memecahkan permasalahannya

(troubleshooting). Kondisi pasar kadang-kadang menghendaki laju produksi yang lebih

besar dari laju yang dapat dipenuhi oleh peralatan yang ada sehingga usaha-usaha untuk

meminimalkan hambatan ini perlu dilakukan. Kadang-kadang bisa juga terjadi

sebaliknya, dimana laju produksi perlu diturunkan sehingga perlu dipikirkan apakah

biaya produksi mencukupi untuk produksi yang rendah tersebut.

Hubungan antara seluruh aktifitas dan fungsi yang dijabarkan di atas adalah aliran proses

yang menghubungkan antar unit proses sehingga membentuk diagram alir. Pelaksanaan

fungsi tersebut memerlukan pengetahuan terhadap jumlah, komposisi, dan kondisi aliran

proses dan material di dalam unit proses. Anda harus mampu menghitung informasi

tersebut untuk unit-unit yang ada atau menghitung informasi tersebut untuk unit-unit

yang akan di disain. Pada Bab 3 ini, metoda-metoda untuk menghitung variabel-variabel

36

yang terlibat dalam operasi proses dan masing-masing proses akan dipaparkan.

3.1 Massa dan Volume

Densitas suatu bahan/zat/material adalah massa per satuan volume (kg/m3, gr/cm3,

lbm/ft3).

Volume spesifik suatu bahan/zat/material adalah volume yang ditempati oleh satu satuan

massa zat, sehingga merupakan kebalikan dari densitas.

Densitas padatan murni dan cairan biasanya tidak tergantung pada tekanan dan sedikit

bervariasi terhadap temperatur. Densitas air misalnya meningkat dari 0,999868 gr/cm3

pada 0oC menjadi 1.00000 gr/cm3 pada 3,98 oC, dan kemudian menurun menjadi

0,999868 gr/cm3 pada 100 oC. Densitas berbagai senyawa murni, larutan, dan campuran

dapat dirujuk referensi standar seperti Chemical Engineers’ Handbook oleh Perry. Pada

buku ini juga anda dapat mendapatkan metoda untuk mengestimasi densitas gas dan

campuran cairan.

Densitas suatu zat dapat digunakan sebagai faktor konversi untuk menghubungkan massa

dan volume suatu zat. Misalnya densitas carbon tetrakhlorida 1,595 gr/cm3, jika

volumenya 20 cm3 maka massa CCl4:

g31,9cm

g1,595cm20,03

3

dan volume CCl4 yang memiliki massa 6,20 lbm adalah

33

m

m cm1760g 1,595

cm1lb

g454lb6,20

Spesifik Graviti suatu zat adalah rasio densitas suatu zat, ρ terhadap desitas zat referensi

ρref pada kondisi tertentu

refρρSG ..... [3-1]

Referensi yang paling sering digunakan adalah air pada 4oC yang memiliki densitas

sebagai berikut:

37

ρH2O(l) (4oC) = 1,000 g/cm3

= 1000 kg/m3

= 62,34 lbm/ft3 ..... [3-2]

Perlu dicatat bahwa densitas cairan atau padatan dalam gr/cm3 nilainya sama dengan

spesifik graviti dari zat tersebut.

Jika data yang diberikan adalah spesifik graviti suatu zat, maka nilai spesifik graviti

tersebut dikalikan dengan densitas referensi (pada satuan tertentu) untuk mendapatkan

densitas zat pada satuan yang sama. Misalnya, jika spesifik graviti cairan 2,00 maka

densitasnya 200 x 103 gr/cm3 atau 125 lbm/ft3. Spesifik graviti untuk sejumlah senyawa

tersebut dapat dilihat pada Felder dan Rousseau (Referensi no 1), yang sebagian

ditunjukkan pada Tabel 3.1. Satuan densitas khusus, seperti derajad Baume (oBe),

derajad API (oAPI) dan derajad Twaddell (oTw) kadang-kadang dipakai, terutama pada

industri perminyakan. Defenisi dan faktor konversi untuk satuan-satuan ini dapat anda

rujuk ke Chemical Engineers’ Handbook.

Tabel 3.1 Data spesifik grafiti untuk untuk beberapa senyawa kimia

SG Tm ΔĤm(Tm)

c,,j Tb ΔĤv(Tb)e,,j Tc Pc (ΔĤfo)h,,j (ΔĤc

o)i,,j Compound Formula Mol.Wt (20o/4o) (oC)b kJ/mol (oC)d kJ/mol (K)f (atm)g kJ/mol kJ/mol

Sodium thiosulfate Na2S2O3 158,11 1,667 - - - - - - -1117,1(c) - Sulfur (rhombic) S8 256,53 2,07 113 10,04 444,6 83,7 - - 0(c) - Sulfur (monoclinic) S8 256,53 1,96 119 14,17 444,6 83,7 - - +0,3(c) - Sulfur dioxide SO2 64,07 - -75,48 7,402 -10.02 24,91 430,7 77,8 -296,9(g) - Sulfur trioxide SO3 80,07 - 16,84 25,48 43,3 41,80 491,4 83,8 -395,18(g) -

Sulfuric acid H2SO4 98,08 1,83418o 10,35 9,87 Decomposes at

340oC - - -811,32(l) -907,51(aq)

- -

Toluene C7H8 92,13 0,866 -94,99 6,619 110,62 33,47 593,9 40,3 +12,00(l) +50,00(g)

-3909,9(l) -3947,9(g)

Water H2O 18,016 1,004o 0,00 6,0095 100,00 40,656 647,4 218,3 -285,84(l) -241,83(g)

- -

m-Xylene C8H10 106,16 0,864 -47,87 11,569 139,10 36,40 619 34,6 -25,42(l) +17,24(g)

-4551,9(l) -4594,5(g)

o-Xylene C8H10 106,16 0,880 -25,18 13,598 144,42 36,82 631,5 35,7 -24,44(l) +18,99(g)

-4552,9(l) -4596,3(g)

p-Xylene C8H10 106,16 0,861 13,26 17,11 138,35 36,07 618 33,9 -24,43(l) 17,95(g)

-4552,91(l) -4595,2(g)

Zinc Zn 65,38 7,140 419,5 6,674 907 144,77 - - 0(c) -

38

Contoh:

Tentukan densitas air raksa (merkuri) dalam lbm/ft3 dari tabel spesifik graviti, dan

tentukan juga volume dalam ft3 yang ditempati oleh 215 kg merkuri

Dari Tabel 3.1, diperoleh spesifik graviti merkuri pada 20 oC = 13.546, sehingga:

3m

3m

ftlb

845,7ftlb

62,4313,546)(ρHg

3

m

3m ft 0,560

lb 845,7ft1

kg 0,454lb1 kg215V

3.2 Laju Alir

3.2.1 Laju Alir Massa dan Volumetris

Sebagian proses melibatkan pemindahan bahan dari satu tempat ke tempat lain, kadang-

kadang antara satu unit proses ke unit proses yang lain dan kadang-kadang antara satu

fasilitas produksi ke tempat penyimpanan. Laju dimana material/bahan/zat itu

dipindahkan melalui suatu alur proses disebut laju alir bahan tersebut. Laju alir dari

suatu aliran proses dapat dinyatakan dalam laju alir massa (massa/waktu) atau laju alir

volumetris (volume/waktu). Misalkan suatu fluida (gas atau cair) mengalir di dalam

pipa yang ditunjukkan di bawah ini, dimana bagian yang terarsir menunjukkan luas

penampang yang tegak lurus terhadap arah aliran.

Gambar 3.1 Laju alir fluida di dalam pipa

Jika laju alir massa fluida = m (kg/det), maka berarti setiap detik sebanyak m kg fluida

melewati luas penampang tersebut. Jika laju alir volumentris fluida yang melawati luas

penampang tersebut sebesar V (m3/det), maka berarti untuk setiap detik ada sebanyak V

meter kubik fluida yang melewati penampang tersebut. Massa dan volume berhubungan

satu sama lain melalui densitas fluida, menurut persamaan 3.3.

39

Vm

Vmρ

..... [3-3]

Jadi, densitas fluida dapat digunakan untuk mengkonversikan laju alir volumetris suatu

aliran proses menjadi laju alir massa pada aliran tersebut, demikian juga sebaliknya.

3.2.2 Pengukuran Laju Alir

Flowmeter merupakan alat yang dipasang pada suatu aliran proses agar dapat

memberikan bacaan laju alir secara terus menerus. Ada dua jenis flowmeter yang sering

digunakan, rotameter dan orifis meter, seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.2. Buku

Chemical Engineers’ Handbook memuat sejumlah alat pengukur laju alir.

Gambar 3.2 (a) Rotameter (b) Orifis meter

Rotameter pada Gambar 3.2 (a) terdiri dari tabung vertikal yang didalamnya terdapat

sebuah pelampung. Semakin besar laju alir semakin tinggi pelampung di dalam tabung.

Pada Gambar 3.2 (b), orifis meter terdiri dari sebuah plat penghambat yang memiliki

lubang yang jauh lebih kecil dari diameter pipa untuk melewatkan fluida. Fluida

mengalami kehilangan tekanan (berkurang) dari bagian hulu orifis ke bagian hilir;

kehilangan tekanan ini (dapat diukur dengan sejumlah alat seperti manometer

differensial) bervariasi atas dasar laju alir. Semakin besar laju alir akan semakin besar

perbedaan tekanan.

3.3 Komposisi Kimia Sebagian besar bahan yang dijumpai di alam dan di dalam sistem proses kimia merupakan

campuran berbagai unsur/senyawa. Sifat-sifat fisika campuran sangat tergantung pada

40

komposisi campuran. Pada bagian ini kita akan mengkaji berbagai cara menyatakan

komposisi campuran.

3.3.1 Mol dan Berat Molekul

Berat molekul suatu senyawa merupakan jumlah berat atom dari unsur-unsur yang

membentuk molekul senyawa tersebut. Atom Oksigen (O) misalnya, memiliki berat atom

16, sehingga molekul oksigen O2 mempunyai berat molekul kira-kira 32.

Gram-mol (g-mol, atau mol dalam satuan SI) dari suatu spesies (unsur atau senyawa)

adalah banyaknya spesies tersebut yang massanya dalam gram sama dengan berat

molekulnya. Kg-mol atau kmol, lb-mol, ton-mol, dll mempunyai defenisi yang sama.

Karbon monoksida (CO), misalnya, mempunyai berat molekul 28; 1 mol CO berarti sama

dengan 28 gr, 1 lb-mol CO sama dengan 28 lbm, 1 ton-mol CO sama dengan 28 ton, dsb.

Jika berat molekul suatu zat sama dengan M, maka berarti zat tersebut memiliki M

kg/kmol, M g/mol, dan M lbm/lb-mol. Berat molekul oleh karenanya dapat digunakan

sebagai faktor konversi yang menghubungkan massa dengan jumlah mol suatu zat.

Sebagai contoh,

34 kg amonia (BM NH3 = 17) sebanding dengan:

33

33 NHkmol 2,0NH kg 17NHkmol1 NH kg34

4 lb-mol amonia sebanding dengan

3m3

3m3 NHlb 68NH mol-lb 1

NHlb 17 NH mol-lb 4,0

Perlu dicatat bahwa 1 mol spesies terdiri dari 6,023 x 1023 molekul spesies tersebut Contoh; Konversi antara massa dan mol

Hitunglah jumlah mol atau massa dari senyawa atau atom yang disebut berikut ini di

dalam 100 gr CO2 (BM = 44,01) ; (1) mol CO2, (2) lb-mol CO2; (3) mol C; (4) mol O; (5)

mol O2; (6) gr O; (7) gr O2; (8) jumlah molekul CO2

41

Penyelesaian:

1. 22

22 COmol 2,273CO g 44,01

COmol1 CO g 100

2. 23-2 COmol-lb 10 x 5,011

mol 453,6mollb1 CO mol 2,273

Setiap molekul CO2 terdiri dari 1 molekul C dan 1 molekul O2 atau 2 molekul O, oleh karena itu 1 mol CO2 terdiri dari 1 mol C dan 1 mol O2 atau 2 mol O. Jadi

3. Cmol 2,273CO mol 1

Cmol1 CO mol 2,273

2

2

4. Omol 4,546CO mol 1

Omol2 CO mol 2,273

2

2

5. 22

22 Omol 2,273CO mol 1Omol1 CO mol 2,273

6. Og 72,7O mol 1Og16,0 O mol 4,546

7. 22

22 Og 72,7O mol 1Og32,0 O mol 2,273

8. molekul 10 x 1,37mol 1

molekul10x6,02 CO mol 2,273 2423

2

Berat molekul suatu spesies dapat digunakan untuk menghubungkan laju alir massa aliran

kontinu dengan laju alir massa. Contohnya, jika karbon dioksida (CO2, BM = 44)

mengalir melalui sebuah pipa dengan laju alir 100 kg/jam, maka laju alir molar CO2 :

jam

CO kmol 2,27

CO kg 44,0COkmol1

jam CO kg 100 2

2

22

Jika aliran keluar dari suatu reaktor mengandung CO2 dengan laju 850 lb-mol/menit, maka

laju alir massanya adalah :

42

2m

2

2m2 COminlb

37,4CO mol-lbCOlb44

min CO moles-lb 850

3.3.2 Fraksi Massa, Fraksi Mol dan Berat Molekul Rata-rata

Aliran proses jarang sekali yang terdiri dari hanya satu zat, biasanya merupakan campuran

cairan atau gas, atau larutan terdiri dari satu atau lebih zat terlarut di dalam cairan pelarut.

Istilah-istilah berikut digunakan untuk menyatakan komposisi campuran zat-zat, dimana di

dalamnya ada spesies A.

Fraksi Massa:

mA

m

lb Amassa A kg A g Axtotal massa kg total g total lb total

atau atau

..... [3-4]

Fraksi Mol :

Amol A kmol A mol A lb-mol Ay

total mol kmol mol lb-molatau atau

..... [3-5]

Persen massa A = 100xA, persen mol = 100yA Contoh: Konversi menggunakan Fraksi massa dan fraksi mol Suatu cairan/larutan terdiri dari 15% (massa) zat A (xA= 0,15) dan 20% mol zat B (yA=

0,20)

1. Hitung massa zat A dalam 175 kg larutan

Akg 26larutan kg

Akg0,15larutan kg 175

2. Hitung laju alir massa A di dalam aliran larutan yang mengalir dengan laju 53

lbm/jam

Ajamlb

8,0 lb

Alb0,15jam

lb 53 m

m

mm

(Jika pada satuan massa atau molar tidak disebutkan nama spesies, seperti 53 lbm/jam,

maka itu berarti menunjukkan laju alir campuran total atau larutan, bukan menunjukkan

komponen tertentu)

43

3. Hitunglah laju alir molar zat B di dalam aliran yang mengalir dengan laju 1000 mol/menit

Bminmol 200

molBmol0,2

min mol 1000

4. Tentukan laju alir total larutan jika laju alir molar zat B = 28 kmol/detik

larutandet

kmol 140B kmol 0,20

larutankmol1det

B kmol 28

5. Tentukan massa larutan jika di dalamnya terdapat 300 lbm zat A

larutan lb 2000A lb 0,15

larutanlb1A lb 300m

m

mm

Serangkaian fraksi massa dapat dikonversikan ke dalam fraksi mol dengan cara:

1. membuat dasar perhitungan terhadap massa campuran, misalnya 100 kg atau 100

lbm

2. memanfaatkan fraksi massa yang diketahui untuk menghitung massa setiap

komponen di dalam kuantitas dasar, dan mengkonversikan massa ini ke dalam mol

3. menentukan rasio mol setiap komponen terhadap jumlah mol total

Cara yang sama dapat digunakan untuk mengkonversikan fraksi mol menjadi fraksi massa,

perbedaannya hanya terletak pada jumlah mol total (misalnya 100 mol atau 100 lb-mol)

yang diambil sebagai dasar perhitungan.

Contoh; Konversi komposisi massa menjadi komposisi molar

Suatu campuran gas mempunya komposisi massa sebagai berikut:

O2 16 % (xO2 = 0,16 g O2/g total) CO 4,0 % CO2 17 % N2 63 %

Tentukan komposisi molarnya. Penyelesaian: Dasar Perhitungan 100 gr campuran

Akan memudahkan kalau dibuat dalam tabulasi seperti berikut:

44

Komponen i

Fraksi massa xi (g i / g)

Massa (gr) mi = xi mtotal

Berat Molekul Mi (g/mol)

Mol ni = mi / Mi

Fraksi Mol yi = ni / n=total

O2 CO CO2 N2

0,16 0,04 0,17 0,63

16 4 17 63

32 28 44 28

0,500 0,143 0,386 2,250

0,150 0,044 0,120 0,690

Total 1,00 100 3,279 1,000 Massa suatu spesies di dalam campuran adalah hasil perkalian antara fraksi massa spesies

tersebut dengan massa total (dalam hal ini 100 gr, yang ditetapkan sebagai dasar

perhitungan). Jumlah mol spesies adalah massa spesies tersebut dibagi dengan berat

molekul spesies tersebut. Fraksi mol spesies adalah jumlah mol spesies tersebut dibagi

dengan jumlah mol total.

Berat molekul rata-rata suatu campuran M (kg/kmol; lbm/lbmol, dsb), adalah rasio massa

suatu sampel dalam campuran (ml) terhadap jumlah mol seluruh species (nl) di dalam

sampel. Jika yi merupakan fraksi mol komponen i di dalam campuran dan Mi adalah berat

molekul masing-masing komponen, maka

1 1 2 2 . . . i iseluruhkomponen

M y M y M y M ..... [3-6]

Jika xi fraksi massa komponen i maka

1 2

1 2

1 . . . i

seluruh ikomponen

xx xM M MM

..... [3-7]

Contoh: Perhitungan berat molekul rata-rata.

Hitunglah berat molekul rata-rata udara:

1. dari komposisi molarnya dimana N2 79% dan O2 21%, dan

2. dari komposisi massanya dimana N2 76,7% dan O2 23,3%

Penyelesaian:

1) 79,0y2N 21,0y

2O

2222 OONN MyMyM

kmol Okg32

kmol O kmol 0,21

kmol Nkg28

kmol N kmol 0,79 2222

45

molkg29

molelblb

29kmol

kg29 m

g/mol29M

gmol0,035

/molOg32/gOg0,233

/molNg28/gNg0,767

M1)2

2

2

2

2

Perlu diingat bahwa udara mengandung sejumlah kecil karbon dioksida, argon, dan gas-

gas lain yang diabaikan dalam perhitungan ini karena tidak secara signifikan

mempengaruhi nilai M hitung.

3.3.3 Konsentrasi

Konsentrasi massa suatu komponen di dalam campuran atau larutan adalah massa

komponen tersebut per satuan volume campuran (gr/cm3, lbm/ft3, kg/m3, …).

Konsentrasi Molar suatu komponen adalah jumlah mol komponen per satuan volume

campuran (kmol/m3, lb-mol/ft3,…). Molaritas suatu larutan adalah nilai konsentrasi

molar zat terlarut yang dinyatakan dalam gr-mol zat terlarut/liter larutan (misalnya, larutan

2 molar A yang mengandung 2 mol A/liter larutan).

Konsentrasi suatu zat di dalam campuran atau larutan dapat digunakan sebagai faktor

konversi untuk menghubungkan massa (atau mol) suatu komponen terhadap volume, atau

menghubungkan laju alir massa (atau molar) suatu komponen di dalam aliran kontinu

terhadap laju alir volumetris total. Sebagai contoh tinjaulah 0,02 molar larutan NaOH

(yang artinya larutan yang mengandung 0,02 mol NaOH/L), maka di dalam 5 L larutan ini

mengandung;

NaOHmol0,1L

NaOHmol0,02L5

Jika pada suatu aliran, larutan ini mengalir dengan laju 2 L/menit, maka laju alir molar

NaOH adalah

NaOHminmol0,04

LNaOHmol0,02

minL2

46

Contoh: Konversi antara laju alir massa, molar dan volumetric suatu larutan

Larutan asam sulfat encer 0,50 mol mengalir ke dalam sebuah unit proses dengan laju

1,25 m3/menit. Spesifik graviti larutan tersebut 1,03. Hitunglah; 1) konsentrasi massa

H2SO4 dalam kg/m3; 2) laju alir massa H2SO4 dalam kg/detik, dan 3) fraksi massa H2SO4

Penyelesaian:

3

3

342

342

SOH m1L10

g10kg1

molg98

LSOHmol0,05

mSOHkg

C.142

342

mSOHkg

49

detSOH kg

0,1det 60

min1m

SOH kg49min

m 1,25det

SOHkgm.2 42

342

342

SOH 42

3. Fraksi massa H2SO4 sama dengan rasio laju alir massa H2SO4 terhadap laju alir massa

total. Laju alir massa total dapat dihitung dari laju alir volumetris total dan densitas larutan

larutankgSOHkg0,048

tlarutan/dekg21,46/detSOHkg1,0

mm

X

detkg21,46

det60min1

larutanmkg1030

minlarutanm1,25

detkgm

mkg1030

mkg1000(1,03)ρ

4242

larutan

SOHSOH

3

3

SOH

33solution

42

42

42

3.3.4 Bagian per juta (parts per million) dan bagian per milyar (part per billion)

Satuan part per million (ppm) dan part per billion (ppb) digunakan untuk menyatakan

konsentrasi trace species (spesies dalam jumlah cukup kecil) dalam campuran gas atau

cairan. Defenisi satuan ini dapat didasarkan pada rasio massa (biasanya untuk cairan) atau

rasio mol (biasanya untuk gas), dan jumlah bagian (gram, mol) spesies yang ada dalam

satu juta atau satu milyar bagian (gram, mol) campuran. Jika yi adalah fraksi komponen i,

maka menurut defenisi

ppmi = yi x 106 ..... [3-8]

ppbi = yi x 109 ..... [3-9]

47

Sebagai contoh, misalkan udara di sekitar pembangkit tenaga listrik mengandung 15 ppm

SO2. Jika diassumsikan bahwa dasar molar yang digunakan (kebiasaan untuk gas), maka

pernyataan ini mempunyai arti bahwa untuk setiap 1.000.000 mol udara terkadung 15 mol

SO2, atau dengan kata lain fraksi mol SO2 di dalam udara adalah 15 x 10-6. Satuan-satuan

seperti ppm dan ppb semakin umum akhir-akhir ini dikarenakan perhatian masyarakat

yang semakin meningkat terhadap potensi bahaya yang dapat ditimbulkan oleh trace

spesies kepada lingkungan.

3.4 Tekanan

3.4.1 Tekanan Fluida dan Head Hidrostatik

Tekanan adalah rasio gaya terhadap luas dimana gaya tersebut bekerja. Oleh karena itu,

satuan tekanan merupakan satuan gaya dibagi dengan satuan luas (N/m2, dyne/cm2, lbf/in2

atau psi). Satuan tekanan dalam sistem SI, N/m2, disebut pascal (Pa).

Tinjaulah suatu fluida (gas atau cairan) yang terkurung pada tangki tertutup atau mengalir

melalui sebuah pipa dan sebuah lubang dengan luas A dibuat pada dinding tangki, seperti

ditunjukkan pada Gambar 3.3 Tekanan fluida dapat didefenisikan sebagai rasio F/A,

dimana F adalah gaya minimum yang diberikan kepada lubang untuk menahan air agar

tidak keluar dari lubang

Gambar 3.3 Tekanan fluida di dalam (a) tangki (b) pipa

48

Gambar 3.4 Tekanan fluida pada dasar tangki

Disini kita harus memperkenalkan defenisi tambahan terhadap tekanan fluida guna

menjelaskan konsep tekanan atmosfir dan memaparkan metoda umum untuk mengukur

tekanan fluida di dalam tangki dan pipa. Tinjaulah kolom vertikal yang berisi fluida

dengan tinggi h (m) dan mempunyai luas penampang yang seragam A (m2). Misalkan

fluida tersebut mempunyai densitas ρ (kg/m3). Pada permukaan kolom bekerja tekanan P0

(N/m2), seperti ditunjukkan pada Gambar 3.4 Tekanan fluida P pada dasar kolom disebut

dengan tekanan hidrostatik fluida, yang didefenisikan sbb:

hgρPP o ..... [3-10]

Karena luas penampang A tidak muncul pada persamaan di atas, maka rumus tersebut

dapat digunakan untuk menghitung tekanan fluida dalam kolom kecil maupun besar.

Selain dinyatakan dalam satuan gaya per satuan luas, tekanan dapat juga dinyatakan

sebagai head (ketinggian) fluida tertentu, yaitu, tinggi hipotetikal kolom fluida yang

memberikan tekanan tertentu di dasar kolom dengan kondisi tekanan permukaan sama

dengan nol. Sehingga kita dapat mengatakan bahwa tekanan 14,7 psi sama dengan tekanan

(head) air 33,9 ft (33,9 ft H2O) atau 76 cm air raksa (76 cm Hg). Kesamaan antara tekanan

P (gaya/luas) dan head Ph (tinggi fluida) diberikan pada persamaan berikut dengan

menetapkan P0 = 0.

fluida hgayap ρ g P (head fluida)luas

..... [3-11]

Contoh: Perhitungan Tekanan sebagai Head (ketinggian) Fluida

49

Nyatakan tekanan 2,00 x 105 Pa dalam mm Hg

Anggap bahwa g = 9,807 m/det2 dan densitas air raksa 13,6 x 1000 kg/m3

gρHPP

gh

Hg mm10 x 1,50m

mm10N

kg.m/det 1m9,807

detkg13.600

mm

N10 x 2,00 33223

2

5

Hubungan antara tekanan pada dasar kolom fluida dengan ketinggian h dengan tekanan

pada permuakaan akan lebih mudah jika tekanan dinyatakan dalam ketinggian fluida

tertentu. Jika kolomnya air raksa, maka hubungannya dapat digambarkan dengan

persamaan 3.12.

(mm Hg) (mm Hg) (mm Hg)h oP P h ..... [3-12]

Kita bisa saja menggunakan satuan panjang lain atau spesies kimia lain, selain Hg.

Tabel konversi pada Bab 2 memuat nilai-nilai tekanan yang dinyatakan dalam satuan

gaya/luas dan head air raksa dan air. Menggunakan tabel tersebut, konversi 20 psi ke cm

Hg

Hgcm103psi14,696

Hgcm76,0psi20,0

3.4.2 Tekanan Atmosfir, Tekanan Absolut dan Tekanan Pengukuran (gauge

pressure)

Tekanan atmosfir dapat dianggap sebagai tekanan di dasar kolom fluida udara yang diukur

pada permukaan laut. Tekanan atmosfir pada permukaan laut, 760 mm Hg, digunakan

sebagai tekanan standar 1 atmosfir. Tekanan fluida yang kita bicarakan ini merupakan

tekanan absolut, tekanan nol menunjukkan kondisi vakum sempurna. Sejumlah alat

pengukur tekanan memberikan tekanan pengukuran (gauge) fluida, atau tekanan relatif

terhadap tekanan atmosfir. Hubungan antara tekanan absolut dan tekanan pengukuran

adalah:

50

katmospherigaugeabsolut PPP ..... [3-13]

Dalam satuan British (Amerika), singkatan psia dan psig digunakan untuk menyatakan

tekanan absolut dan tekanan pengukuran. Jika tekanan pengukuran lebih kecil dari

tekanan atmosfir, hal itu menunjukkan situasi tekanan vakum.

3.4.3 Pengukuran Tekanan Fluida

Secara umum alat pengukuran tekanan atas dasar metodanya dapat diklasifikasikan

menjadi:

- metoda element elastis – tabung Bourdon atau diaphragma

- metoda kolom cair – manometer

- metoda elektrik – strain gauge, piezoresistive transducers, dll

Disini kita akan bahas berkenaan dengan Bourdon gauge dan manometer. Bordon gauge

terdiri atas tabung berlubang berbentuk huruf C dimana salah satu ujungnya tertutup

sementara ujung yang lain terbuka. Lubang yang terbuka dihubungkan dengan fluida yang

akan diukur tekanannya. Peningkatan tekanan fluida akan menyebabkan tabung bergerak

ke atas sehingga penunjuk yang melekat pada tabung berputar. Alat ini ditunjukkan pada

Gambar 3.5 Bourdon gauge digunakan untuk mengukur tekanan fluida mulai dari tekanan

vakum sempurna sampai 7000 atm.

Gambar 3.5 Bourdon Gauge

Pengukuran tekanan di bawah 3 atm akan lebih akurat dilakukan dengan manometer.

Manometer terdiri atas tabung berbentuk U yang di dalamnya diisi dengan fluida yang

densitinya telah diketahui. Jika kedua ujung tabung dihubungkan kepada tekanan yang

berbeda, maka permukaan fluida pada tekanan tinggi akan turun dan sebaliknya

51

permukaan fluida pada tekanan rendah akan naik. Perbedaan tekanan dapat dihitung dari

perbedaan tinggi permukaan fluida yang diukur pada tabung.

Gambar 3.6 Cara pemasangan Manometer

Berbagai cara pemasangan manometer ditunjukkan pada Gambar 3.6, dimana pada setiap

diagram P1>P2. Gambar 3.6a menunjukkan manometer ujung-terbuka, dimana satu ujung

dihubungkan dengan fluida yang akan diukur tekanannya, sedangkan ujung yang satu lagi

terbuka ke atmosfir. Gambar 3.6b menunjukkan manometer differensial, yang digunakan

untuk mengukur tekanan antara dua titik pada aliran proses. Gambar 3.6c menunjukkan

manometer ujung tertutup, dimana salah satu ujungnya tertutup dengan tekanan mendekati

vakum. Jika salah satu ujung terbukanya dihubungkan dengan tekanan atmosfir, maka

manometer seperti ini disebut barometer.

Gambar 3.7 Variabel Manometer

52

Rumus yang menghubungkan antara perbedaan tekanan P1 – P2 terhadap perbedaan

ketinggian fluida pada manometer didasarkan pada prinsip-prinsip bahwa tekanan fluida

harus sama di setiap dua titik yang memiliki tinggi yang sama di dalam fluida statis.

Sehingga, tekanan pada permukaan fluida rendah akan sama pada tabung sebelah kiri dan

kanan (lihat Gambar 3.7). Secara umum persamaan untuk tekanan pada titik (a) dan (b)

pada Gambar 3.7 untuk manometer umum dapat ditulis:

hgρdgρPdgρP f222111 ..... [3-14]

Pada manometer dofferensial, fluida 1 dan 2 sama, sehingga ρ1 = ρ2= ρ. Persamaan umum

untuk manometer menjadi

hgρ)(ρPP f21 ..... [3-15]

Jika salah satu fluida 1 atau fluida 2 adalah gas pada tekanan sedang (misalnya, salah satu

ujung terbuka ke atmosfir), densitas fluida ini 100 sampai 1000 kali lebih rendah dari

densitas fluida manometer, maka suku ρgh pada persamaan di atas dapat diabaikan. Jika

kedua fluidanya adalah gas maka persamaannya menjadi:

hgρPP f21 ..... [3-16]

Jika kedua P1 dan P2 dinyatakan sebagai ketinggian (head) fluida manometer, maka

persamaannya menjadi:

hPP 21 ..... [3-17]

Kalau P2 adalah tekanan atmosfir, maka tekanan pengukuran pada titik 1 adalah perbedaan

ketinggian fluida manometer.

Contoh:

1. Sebuah manometer differensial digunakan mengukur penurunan tekanan antara dua

titik di dalam aliran proses yang mengandung air. Spesifik graviti fluida

manometer 1,05. Hasil pengukuran tinggi cairan di dalam tabung ditunjukkan pada

53

gambar di bawah ini. Tentukanlah penurunan tekanan antara titik 1 dan 2 dalam

dyne/cm2.

2. Tekanan gas yang dihisap melalui pipa menggunakan pompa vakum diukur dengan

manometer air raksa ujung terbuka. Pembacaan menunjukkan 2 in. Berapakah

tekanan pengukuran (gauge) gas dalam inci air raksa? Berapakah tekanan

absolutnya jika Patm = 30 in Hg

1. h = (382 - 374) mm = 8 mm. Dengan persamaan berikut,

P1 - P2 = (ρf - ρ)gh

2

223

dynes/cm40

mm 10cm1mm8

g.cm/det 1dyne1

detcm980,7

cmg1,00 - 1,05

2. Persamaan

54

P1 - P2 = h

Dapat diubah menjadi

P1 - Patm = Pgauge = - 2 in Hg

P1 = Patm + Pgauge = (30 - 2) in.Hg = 28 in Hg

3.5 Temperatur (Suhu)

Temperatur suatu zat/material/bahan dalam keadaan padat, cair atau gas merupakan suatu

pengukuran energi kinetik rata-rata yang dimiliki oleh molekul zat/bahan/material tersebut.

Karena energi kinetik ini tidak dapat diukur secara langsung, maka temperatur ditentukan

secara tidak langsung dengan mengukur sifat-sifat fisika zat yang nilainya tergantung

kepada temperatur. Sifat-sifat dan alat pengukur temperatur yang seperti itu termasuk

tahanan listrik konduktor (thermometer tahanan), voltase pada sambungan dua logam

berbeda (thermocouple), emisi radiasi spektra (pyrometer) dan volume massa tetap fluida

(thermometer).

Skala temperatur dapat didefenisikan menurut sifat-sifat fisik ini, atau menurut kejadian

fisika, seperti pembekuan dan pendidihan yang terjadi pada temperatur tetap. Daripada

menggunakan sifat-sifat dan kejadian fisika yang diutarakan di atas, akan lebih mudah

menggunakan skala numerik temparatur. Skala temperatur dapat dibuat dengan, misalnya

mengatur bahwa nilai 0 sama dengan titik beku air dan 100 sama dengan titik didih air

pada 1 atm. Skala temperatur seperti inilah yang paling sering dijumpai sekarang ini.

Skala Celsius (Centigrade): Titik beku (Tf) ditetapkan 0oC dan titik didih (Tb) ditetapkan

nilai 100oC

Nol absolut (secara teoritis merupakan temperatur terendah yang ada di alam), pada skala

Celsius nilainya adalah -273,15 oC.

Skala Fahrenheit : Tf ditetapkan dengan nilai 32 oF, dan Tb diberikan nilai 212 oF. Nol

absolut berada pada nilai -459.67 oF pada skala ini.

55

Skala Kelvin dan Rankine didefenisikan sedemikian rupa sehingga nol absolut mempunyai

nilai 0 dan ukuran satu derajadnya sama seperti satu derajad pada skala Celsius (skala

Kelvin) atau satu derajad pada skala Fahrenheit (skala Rankine).

Hubungan berikut dapat digunakan untuk mengkonversikan temperatur yang dinyatakan

dalam satu jenis skala ke jenis skala yang lain.

T(K) = T(oC) + 273,15 ..... [3-18]

T(oR) = T(oF) + 459,67 ..... [3-19] T(oR) = 1,8 T (K) ..... [3-20] T(oF) = 1,8 T (oC) + 32 ..... [3-21]

Persamaan seperti di atas selalu mempunyai bentuk persamaan garis lurus (y = ax + b).

Jika (oA) dan (oB) merupakan dua satuan temperatur yang berbeda, untuk menurunkan

persamaan untuk T (oB) sebagai fungsi T (oA), maka kita harus mengetahui ekwivalensi

nilai pada setiap skala dari dua temperatur tersebut, katakanlah T1 dan T2. Kemudian:

1. Tuliskan T (oB) = a T(oA) + b

2. Substitusikan T1 (oB) dan T1(oA) ke dalam persamaan di atas –

sekarang kita punya satu persamaan untuk dua variablel yang tidak

diketahui ( a dan b). Substitusi T2 (oB) dan T2 (oA) untuk

mendapatkan persamaan kedua, dan kemudian hitung nilai a dan b.

Contoh:

Turunkan persamaan T (oF) sebagai fungsi dari T (oC). Gunakan T1 = 0 oC (32 oF) dan T2

= 100 oC (212 oF)

T(oF) = aT(oC) + b

Substitusi T1 : 32 = (a)(0) + b b = 32

Substitusi T2 : 212 = (a)(100) + 32 a = 1,8

T(oF) = 1,8 T (oC) + 32

1 derajad dapat berarti satu temperatur atau satu interval temperatur, sehingga bisa

membuat kita bingung. Contohnya, tinjaulah interval temperatur dari 0 oC sampai 5 oC.

Pada interval tersebut terdapat 9 derajad Fahrenheit dan 9 derajad Rankine, dan hanya 5

56

derajad Celsius dan 5 Kelvin. Setiap interval 1 derajad Celsius atau Kelvin memuat 1,8

derajad Fahrenheit atau Rankine, sehingga diperoleh faktor konversi:

1KC1,

R1F1,

1KR1,8,

C1F1,8 o

o

oo

o

o

..... [3-22]

T(oF) 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41

T(oR ) 492 493 494 495 496 497 498 499 500 501

Catatan: Faktor konversi di atas merujuk kepada interval temperatur, bukan temperatur.

Contohnya, untuk mendapatkan angka derajad Celsius antara 32 oF dan 212 oF, saudara

dapat mengatakan bahwa:

C100

F1,8C1F32212CΔT oo

ooo

Tetapi untuk mendapatkan temperatur Celsius yang sebanding dengan anda harus gunakan

persamaan 3.21. Jangan lakukan perhitungan misalnya seperti dibawah ini,

Contoh; Konversi temperatur.

Tinjaulah interval dari 20 oF sampai 80 oF,

1. Hitunglah temperatur equivalent dalam oC dan interval antara keduanya

2. Hitunglah secara langsung interval dalam oC antara kedua temperatur tersebut.

Penyelesaian:

F1,8

C1F32CT o

ooo

temperatur interval temperatur

T(oC) 0 1 2 3 4 5 T(K) 273 274 275 276 277 278

57

1. 1,8

32F)T(C)T(o

o

C6,7C1,8

3220F)(20T 00

o1

C6,62C1,8

3280F)(80T 00

o2

T2 – T1 = (26,6 – (-6,7))oC = 33,3oC

C33,3F1,8

C1F2080F1,8

C1FΔTCΔT2. oo

oo

o

ooo

Contoh; konversi temperatur dan kehomogenan dimensi.

Kapasitas panas amonia, didefenisikan sebagai panas yang diperlukan untuk menaikkan

temperatur satu satuan massa amonia sebesar 1o tekanan konstan, untuk rentang temperatur

terbatas diberikan dengan persamaan:

F)T(10x2,290,487F.lb

BtuC o4o

mp

Tentukan persamaan untuk Cp dalam J/(g. oC) sebagai fungsi T (oC)

Penyelesaian:

Temperatur oF dalam satuan Cp merujuk kepada interval, sedangkan pada T adalah

temperatur. Perhitungan sebaiknya dilakukan dalam dua tahap:

1. Substitusi untuk T (oF) dan sederhanakan persamaannya.

32C)(1,8T10x2,290,487F.lb

BtuC o4o

mp

= 0,494 + 4,12 x 10-4 T(oC)

2. Konversikan interval tremperatur yang diinginkan,

C)T(10x1,722,06Cg

JC

kg454lb1

BTU10x9,486J1

C1,0F1,8

F)(lbBTUCT10x4,120,494

CgJC

o3op

m4o

o

om

o4op

58

BAB 4

Dasar-Dasar Neraca Massa Ketika melakukan eksperimen kimia semasa di SMA atau ketika praktikum kimia dasar,

anda diajarkan dan melaksanakan prosedur yang berhubungan dengan perhitungan jumlah

senyawa kimia (reaktan) yang diperlukan untuk melaksanakan reaksi sehingga dihasilkan

suatu produk sesuai dengan jumlah yang diinginkan. Perhitungan yang sama juga

diperlukankan ketika reaksi kimia dijalankan pada skala industri. Akan tetapi, format

perhitungannya berbeda dengan yang anda lakukan untuk skala laboratorium. Perbedaan

pola perhitungan terjadi karena pada skala laboratorium reaksi umumnya dijalankan dalam

sistim tertutup, sementara sebagian besar industri proses dijalankan dalam sistim terbuka.

Sistim terbuka yang dimaksud di sini merujuk kepada terjadinya aliran masuk material

masuk dan keluar dari peralatan proses. Pada sistem yang demikian, energi panas atau

kerja dapat diberikan kepada unit proses tertentu dan dihilangkan atau diambil dari unit

proses yang lain dengan tujuan bukan saja untuk memenuhi kebutuhan operasional, tetapi

juga untuk mengopaerasikan secara ekonomis. Penyelesaian perhitungan seluruh massa

dan energi pada suatu proses kimia disebut dengan neraca material dan neraca energi.

Pada bab ini, akan dibahas yang berkaitan dengan neraca material saja, yang lebih sering

disebut dengan neraca massa. Oleh karena itu, dalam buku ini istilah neraca material

mempunyai arti yang sama dengan neraca massa.

Suatu perhitungan neraca massa dapat dilakukan tanpa harus menghitung neraca energi,

tetapi sebaliknya neraca energi tidak dapat dihitung tanpa melakukan perhitungan neraca

massa sebelumnya. Kombinasi neraca massa dan neraca energi merupakan cara yang

paling ampuh yang digunakan pada tahapan-tahapan yang diperlukan untuk mewujudkan

reaksi kimia, mulai dari ide dasar menjadi proses komesrsil skala besar. Konsep neraca

massa pada prinsipnya cukup sederhana, sehingga mahasiswa sering beranggapan salah

bahwa dia dapat menerapkan perhitungan neraca massa ini tanpa harus banyak berlatih.

Oleh karena itu, pada bab ini akan didiskusikan prinsip-prinsip dasar neraca massa dan

bagaimana penerapannya pada kasus-kasus industri sederhana. Namun sebelum memasuki

pada permasalahan neraca massa, terlebih dahulu dijelaskan klasifikasi proses yang

biasanya terdapat pada industri.

59

4.1 Klasifikasi Proses

Proses dapat diklasifikasikan berdasarkan aspek yang berbeda, seperti yang diutarakan

berikut ini.

4.1.1 Proses Fisika dan Proses Kimia

Proses-proses fisika di dalam industri dapat berupa pencampuran, perpindahan panas

(pemanasan atau pendinginan), kondensasi, penguapan (evaporasi), pemisahan (separasi)

dan proses pemurnian seperti distilasi, ekstraksi, dan absorpsi. Pada proses-proses seperti

ini tidak terjadi perubahan molekul sehingga spesies baru tidak terbentuk atau

terkonsumsi. Sebaliknya, proses kimia melibatkan reaksi kimia dimana atom-atom disusun

kembali atau diredistribusi membentuk molekul atau produk baru dan sebagian atau

seluruh reaktan terkonsumsi.

Proses Hilir (Umumnya

proses fisika)

Proses Hulu (Umumnya

proses fisika)

Bahan Baku

Proses Inti (Biasanya proses

kimia)

Produk

Gambar 4.1 Struktur proses pada suatu industri

Seperti yang ditunjukkan oleh diagram balok pada Gambar 4.1, suatu industri proses

biasanya terdiri dari proses kimia sebagai jantung/inti pabrik yang didahului dan diikuti

oleh proses-proses fisika. Proses-proses sebelum memasuki proses inti biasanya disebut

dengan proses hilir, sedangkan proses-proses setelah proses inti disebut dengan proses

hulu.

4.1.2 Proses Batch, Kontinu dan Semi-Batch

Pada proses batch, umpan dimasukkan ke dalam sistem/alat pada saat dimulainya proses

dan kemudian isi dikeluarkan dari alat/sistem setelah selesai reaksi/proses. Tidak ada

perpindahan massa ke luar dari sistem antara saat pemasukkan umpan dengan saat produk

dikeluarkan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.2 di bawah ini.

PROSES

Gambar 4.2 Blok diagram menggambarkan proses batch

60

Sebaliknya pada proses kontinu, masukan dan keluaran mengalir secara kontinu selama

proses dijalankan, seperti yang dilustrasikan pada Gambar 4.3. Contoh, campuran cairan

yang masuk ke dalam kolom distilasi dipompakan dengan laju konstan dan produk

dikeluarkan secara steadi baik dari atas maupun dari bawah kolom.

Gambar 4.3 Blok diagram menggambarkan proses kontinu

Selain kedua proses di atas yang umum dikenal, ada juga istilah yang dikenal dengan

proses semibatch. Pada prinsipnya, setiap proses yang bukan batch dan juga bukan

kontinu dikatagorikan ke dalam proses semibatch, yang diilustrasikan pada Gambar 4.4

Misalnya, kita biarkan gas keluar ke atmosfir dari reaktor bertekanan, sementara cairan

yang ada di dalam reaktor tersebut terus diaduk tanpa dikeluarkan sampai prosesnya

selesai.

Gambar 4.4 Blok diagram menggambarkan proses semi-batch

4.1.3 Proses Steadi dan Tak-Steadi

Jika nilai-nilai seluruh variabel dalam suatu proses (seperti temperatur, tekanan, volume,

laju alir) tidak berubah terhadap waktu, kecuali kemungkinan fluktuasi minor terhadap

nilai rata-rata, proses dikatakan beroperasi pada keadaan steadi (tunak, mantap).

Sebaliknya jika ada variabel proses yang berubah terhadap waktu, maka operasi atau

61

proses tersebut dikatakan sebagai proses transien atau tidak steadi atau tak-tunak atau tak-

mantap. Atas dasar sifatnya, maka proses batch dan proses semibatch merupakan proses

tak mantap atau transient, karena proses tersebut tidak mampu mempertahankan seluruh

variable proses konstan terhadap waktu. Sebaliknya proses kontinu dapat dalam keadaan

tunak atau tak-tunak. Namun, biasanya proses kontinu beroperasi pada keadaan steadi.

Proses batch biasanya dilakukan jika ingin dihasilkan produk dalam jumlah kecil,

sementara proses kontinu cocok untuk laju produksi besar. Proses kontinu sedapat

mungkin biasanya dijalankan mendekati keadaan steadi atau tunak; kondisi tak-mantap

terjadi selama proses start-up dan perubahan-perubahan baik disengaja atau tidak selama

proses berlangsung.

4.2 Persamaan Neraca Umum

Pembangkit listrik tenaga uap biasanya mengunakan batu bara sebagai bahan bakar untuk

menghasilkan uap guna menggerakkan turbin uap. Jika saudara ketahui batu bara yang

dibakar setiap hari pada pembangkit tersebut mengandung 1500 kg sulfur, anda tidak perlu

buang waktu menganalisa abu dan gas yang keluar dari cerobong untuk mengetahui berapa

banyak sulfur yang keluar dari pembangkit tersebut. Pasti rata-rata sulfur dalam berbagai

bentuk yang keluar setiap hari adalah sebesar 1500 kg !!!!!

Dasar dari observasi ini adalah hukum konservasi (kekekalan) massa, yang menyatakan

bahwa massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi hanya berubah bentuk.

Pernyataan hukum konservasi massa ini memberi arti bahwa ”total massa masuk = total

massa keluar” atau (kg sulfur/hari) masuk = (kg sulfur/hari) keluar . Ini merupakan contoh

neraca massa atau neraca material. Perancangan suatu proses baru atau analisa proses

yang ada tidak akan lengkap kalau neraca massa tidak dibuat sedemikian rupa sehingga

masukan (input) dan keluaran (output) keseluruhan proses dan unit individu memenuhi

persamaan neraca.

Andaikan metana merupakan komponen, baik pada aliran masuk maupun pada aliran

keluar dari suatu unit proses kontinu yang ditunjukkan pada diagram di bawah ini. Laju

alir massa pada kedua aliran masuk dan keluar diukur dan didapati tidak sama (min ≠ mout).

Mengapa hal seperti itu bisa terjadi?

62

m in (kg CH4/h) m out (kg CH4/h)

UNIT PROSES

Ada beberapa penjelasan terhadap perbedaan antara laju alir metana masuk dan keluar:

1. Metana dikonsumsi sebagai reaktan atau dihasilkan sebagai produk di

dalam unit tersebut.

2. Metana terakumulasi di dalam unit, mungkin teradsorbsi oleh dinding

3. Adanya kebocoran pada unit

4. Pengukuran yang salah

Kalau pengukuran benar dan tidak ada kebocoran, maka kemungkinan yang lain, seperti

produksi atau konsumsi akibat reaksi dan akumulasi di dalam unit proses yang

menyebabkan terjadinya perbedaan antara laju alir masukan dan laju alir keluaran.

Suatu neraca terhadap kuantitas kekal (massa total, massa spesies tertentu, energi,

momentum) di dalam suatu sistem (unit proses tunggal, kumpulan sejumlah unit proses,

atau proses keseluruhan) dapat ditulis menurut persamaan 4-1.

[Masuk melalui batas [Dihasilkan di dalam batas [keluar dari batas sistem] [dikonsumsi di dalam [penumpukan disistem] sistem] batas sistem] dalam sistem]

Masukan Generasi Keluaran Konsumsi Akumulasi [4-1]

Arti masing-masing suku dari persamaan diatas diilustrasikan pada contoh berikut. Contoh: Setiap tahun sebanyak 50.000 penduduk/pendatang baru masuk ke kota Banda Aceh dan

75.000 orang keluar/pindah dari kota ini. Sebanyak 22.000 bayi dilahirkan dan 19.000

orang meninggal setiap tahun di Banda Aceh. Tulislah neraca populasi kota Banda Aceh.

Penyelesaian: Misalkan P menyatakan penduduk atau orang Masukan + Generasi (Pembangkitan) - Keluaran - Konsumsi = Akumulasi 50.000 P/tahun + 22.000 P/tahun – 75.000 P/tahun – 19.000 P/tahun = A (P/tahun)

63

Sehingga diperoleh A = - 22000 P/tahun Tanda minus dari hasil di atas menunjukkan bahwa terjadi pengurangan penduduk Banda

Aceh sebanyak 22.000 orang per tahun. Seandainya hasil di atas positif, maka terjadi

penambahan penduduk Banda Aceh sebanyak 22.000 orang per tahun.

Aturan-aturan berikut dapat digunakan untuk menyederhanakan persamaan 4-1.

1. Jika keadaan proses yang ditinjau dalam keadaan steadi, maka suku akumulasi

= 0, tanpa mempertimbangkan apapun yang dineracakan. Atas dasar defenisi

ini, dalam sistem steadi tidak ada yang variabel berubah terhadap waktu,

termasuk kuantitas yang neracanya saudara kerjakan.

2. Jika zat/bahan/material yang dineracakan bukan spesies yang bereaksi (baik

itu pada reaktan maupun produk), maka suku generasi/pembangkitan

dinyatakan = 0 dan suku akumulasi = 0

3. Jika kuantitas yang dineracakan adalah massa total, maka suku generasi/

pembangkitan = 0 dan konsumsi = 0. Kecuali pada reaksi-reaksi nuklir, massa

tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan.

Atas dasar batasan-batasan di atas, untuk proses-proses yang berlangsung dalam keadaan

steadi, suku akumulasi pada persamaan umum neraca massa sama dengan nol, sehingga

persamaan 4.1 dapat disederhanakan menjadi persamaan 4-2.

Masukan + Generasi = Keluaran + Konsumsi ..... [4-2]

Jika neraca hanya berhubungan dengan spesies tak-reaktif atau massa total, suku

pembangkitan dan konsumsi sama dengan nol dan persamaan 4-1 dapat disederhanakan

menjadi persamaan 4-3.

Masukan Keluaran ..... [4-3]

4.3 Neraca untuk Sistem Fisika Tunggal dan Banyak 4.3.1 Prosedur Perhitungan Neraca Massa Pada persoalan neraca material, kepada anda biasanya diberikan gambaran mengenai proses,

nilai beberapa variable proses, dan daftar kuantitas yang harus dihitung. Agar terlatih

64

menggunakan prosedur sistematis untuk menyelesaikan persoalan neraca massa, anda

disarankan mengikuti langkah-langkah seperti dirangkumkan berikut:

1. Buatlah diagram balok untuk menggambarkan proses dan beri tanda panah untuk

menunjukkan aliaran masuk dan keluar. Pada setiap tanda aliran masuk dan keluar,

tuliskan simbol (senyawa, atom, laju alir, dll) dan kuantitas (jumlah atau persentase)

aliran yang diketahui.

2. Pilihlah basis perhitungan. Ini biasanya berupa laju alir yang diberikan baik pada

masukan maupun keluaran. Kalau kuantitas ini tidak diberikan, maka buat anggapan

terhadap jumlah aliran masukan yang komposisinya diketahui. Selain itu, seandainya

proses kontinu dan steadi, basis waktu misalnya 1 jam operasi juga sangat membantu

dalam perhitungan neraca massa.

3. Tulis persamaan neraca massa. Perlu dicatat disini bahwa jumlah maksimum

persamaan independen untuk setiap sistem sama dengan jumlah spesies pada input dan

output sistem tersebut. Perlu juga diingatkan nuntuk memulai membuat neraca dari

variabel yang paling sedikit tak-diketahui.

4. Selesaikan persamaan yang diturunkan dari langkah 3 guna memperoleh nilai kuantitas

variabel tak-diketahui yang ingin dicari.

Contoh-contoh berikut memberikan pemahaman tentang penggunaan prosedur sistematis

menyelesaikan persoalan neraca massa.

Contoh 1 ; Neraca Massa pada Proses Distilasi Kontinu

Petani minyak nilam di berbagai daerah di Aceh melakukan proses distilasi secara batch

untuk mendapatkan minyak nilam. Daun nilam dimasukkan ke dalam tangki uap,

kemudian uap yang dihasilkan dialirkan melalui pipa yang didinginkan, seperti yang

ditunjukkan pada Gambar 4.5. Hasil yang keluar berupa campuran antara air dan minyak

nilam. Andaikan produksi minyak nilam di Aceh cukup besar untuk skala industri, maka

campuran minyak nilam-air tadi akan lebih mudah dipisahkan secara distilasi kontinu,

sehingga didapat minyak nilam dengan kemurnian yang tinggi. Andaikan di dalam

campuran air-minyak nilam terdapat sebanyak 50% massa air dan sebanyak 500 kg/jam

campuran ingin dipisahkan di dalam kolom distilasi kontinu. Laju alir air pada aliran

puncak 200 kg/jam dan laju alir minyak nilam di aliran bawah sebesar 225 kg/jam.

Operasinya berjalan mantap/keadaan steadi sta Tuliskan persamaan neraca untuk air dan

65

minyak nilam sehingga kuantitas-kuantitas yang belum diketahui pada aliran keluaran

dapat ditentukan.

Gambar 4.5 Produksi minyak nilam Aceh secara tradisional

Penyelesaian,

1. Sesuai dengan prosedur, buat diagram balok proses distilasi minyak nilam seperti

pada Gambar 4.6. Tuliskan komponen-komponen yang diketahui beserta

besarannya. Mair (atas) = 200 kg/jam

MNatas = ?? kg/jam

Mair (masuk) = 250 kg/jam MNmasuk = 250 kg/jam M(air) bawah = ?? kg/jam MNbawah = 225 kg/jam

DISTILASI MINYAK NILAM

Gambar 4.6 Diagram balok proses distilasi minyak nilam

2. Basis Perhitungan : Ambil saja basis waktu, misalnya 1 jam.

Dengan basis seperti ini upan yang masuk setiap jam = 500 kg

3. Susun persamaan neraca massa:

Neraca Air : 250 kg = 200 kg + Mair (bawah) : Mair (bawah) = 250 – 200 = 50 kg

Neraca Minyak Nilam : 250 kg = 225 kg + MMN (atas)

MMN (top) = 250 – 225 = 25 kg/jam

66

Periksa hasil perhitungan

Neraca Massa Total 500 kg = 200 kg + Mair (bawah) + MMN (atas) + 225 kg Mair (bawah) = 50 kg MMN (atas) = 25 kg

Sehingga, 500 kg/jam = 500 kg Contoh 2, neraca pada sebuah unit pencampuran

Suatu larutan natrium hidroksida mengandung 20% NaOH (atas dasar massa). Larutan ini

ingin diubah menjadi larutan 8% NaOH dengan mengencerkannya melalui penambahan air

murni.

1. Tentukan rasio (gr H2O/gr larutan umpan) dan (gr larutan produk/gr larutan umpan).

2. Tentukan laju umpan larutan 20% NaOH dan air yang diperlukan untuk menghasilkan

2310 lbm larutan 8% NaOH/menit

Penyelesaian,

Kita bisa saja mengambil basis 2310 lbm produk/menit, tetapi pada contoh disini diambil basis

perhitungan atas dasar nilai yang memudahkan perhitungan, misalnya 10, 100, atau 1000.

Untuk dapat memenuhi besar produk sebenarnya yang diinginkan, kita dapat melakukan

pensekalaan.

Basis perhitungan : 100 gr larutan umpan (larutan 20% NaOH)

Gambarkan diagram balok dan beri label aliran masuk dan keluar, ingat bahwa jumlah

produk keluar tidak diketahui.

PENCAMPURAN

100 gr Umpan

0,2 gr NaOH/gr 0,8 gr H2O/gr

MH2O = ??? gr

0,08 gr NaOH/gr 0,920 gr H2O/gr

Mproduk = ??? gr

(Karena seluruh besaran pada setiap aliran yang diketahui dinyatakan dalam satuan gr,

maka untuk besaran komponen-komponen yang tidak diketahui juga kita nyatakan

dalam satuan ini)

Ada dua komponen yang tidak diketahui pada persoalan di atas, yaitu MH2O dan MProduk,

67

dan karena hanya ada dua zat baik pada aliran umpan (masukan) dan aliran produk

(keluaran), yaitu NaOH dan H2O, maka dua persamaan neraca cukup untuk

menyelesaikan persoalan di atas. Kedua neraca massa total dan neraca massa air

melibatkan komponen-komponen tak diketahui, sedangkan neraca NaOH hanya

melibatkan satu komponen tak-diketahui saja. Oleh karena itu, neraca massa akan lebih

mudah jika kita mulai dari membuat neraca NaOH.

NaOH Balance

(gr NaOH)masuk = ( gr NaOH)keluar

(0,20)(100) = (0,080)(MProduk)

Diperoleh, MProduk= 250 gr

Setelah nilai variable yang tak diketahui dihitung, biasakanlah memasukkan nilai tersebut

ke diagram balok. Hal seperti ini akan memudahkan anda dalam perhitungan selanjutnya.

Sampai disini berarti, nilai Mproduk pada diagram balok sebesar 250 gr.

Neraca Massa Total

100 gr + MH2O = MProduk

MH2O = 250 gr - 100 gr

MH2O = 150 gr

Jawaban pertanyaan 1, rasio (gr H2O/gr larutan umpan) dan (gr larutan produk/gr larutan

umpan).

Rasio gr H2O/gr larutan umpan = (MH2O/ gr larutan umpan)

= (150 gr/100 gr)

= 1,5

Rasio larutan produk/gr larutan umpan = (Mproduk/ gr larutan umpan)

= (250 gr/100 gr)

= 2,5

Pada pertanyaan 2, diinginkan untuk menghasilkan sebanyak 2310 lbm larutan 8%

NaOH/menit. Untuk itu perlu dicari faktor skala, yang diperoleh dari pembagian antara

besaran produk sebenarnya dengan besaran produk yang dihitung atas dasar basis

perhitungan. Sehingga,

68

2310 lbm produk/minFaktor skala =250 gr

lbm/min= 9,24gr

Laju alir larutan umpan

100 gr 9,24 lbm/min lbm larutan umpan= 924 gr min

Laju alir air pengencer

2lbm H O150 gr 9,24 lbm/min = 1386 gr min

Periksa: (924 + 1386) lbm/min = 2310 lbm/min Contoh 3, Pembesaran proses pemisahan

Suatu campuran yang terdiri dari 60% mol A dan 40% mol B dipisahkan menjadi dua bagian.

Proses pemisahannya berlangsung secara batch. Bagan alir proses batch serta besaran-besaran

komponen yang terlibat ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Unit distilasi 100 mol

0,60 mol A/mol 0,40 mol B/mol

0,95 mol A/mol 0,05 mol B/mol

12,5 mol A 37,5 mol B

50 mol

Selanjutnya pemisahan ingin dilakukan secara kontinu dengan umpan 1250 lb-mol/jam.

Jika diharapkan hasil-hasil yang dicapai sama seperti pada proses batch, tentukan skala

pembesaran untuk. umpan sebesar ini?

Penyelesaian:

1250 lb mol/jamFaktor skala =100 mol lb mol/jam= 12,5

mol

69

Massa seluruh aliran pada proses batch dikonversikan menjadi laju alir sebagai berikut:

Umpan 100 mol 12,5 lbmol/jam lbmol = 1250 mol jam

Aliran produk puncak (50,0)(12,5) = 625 lbmol/jam

Aliran produk bawah (12,5)(12,5) = 156 lb-mol A/jam

(37,5)(12,5) = 469 lb-mol B/jam

Satuan fraksi mol pada aliran produk atas dapat saja dirubah dari mol/mol menjadi

lbmol/lbmol, namun nilainya akan tetap sama. Bagan alir setelah dilakukan pembesaran

sesuai dengan umpan sebenarnya ditunjukkan pada gambar berikut.

70

BAB 5

Dasar-dasar Neraca Energi

Salah satu aspek penting yang perlu diketahui oleh seorang insinyur kimia yang bekerja di

industri adalah mengetahui perubahan energi yang terjadi pada suatu proses kimia.

Perubahan energi dan aliran energi dapat ditentukan menggunakan neraca energi. Neraca

energi pada prinsipnya sama dengan neraca massa karena sama-sama didasarkan pada

hukum kekekalan. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak bisa

diciptakan dan juga tidak bisa dimusnakan, namun hanya mengalami perubahan bentuk.

Energi dapat muncul dalam berbagai bentuk seperti energi kinetik, energi potensial, panas,

kerja, energi listrik dll. Namun karena bentuk-bentuk energi ini saling berkonversi,

tidaklah mudah untuk mengisolasi masing-masing komponen energi ini pada neraca

massa. Akan tetapi, pada sejumlah situasi aspek-aspek tertentu mendominasi. Sebagai

contoh, pada neraca panas bentuk-bentuk energi lain tidak signifikan; pada situasi reaksi

kimia energi mekanis sama sekali tidak berperan, dan pada beberapa situasi energi

mekanis seperti aliran fluida melalui pipa, kehilangan karena gesekan muncul dalam

bentuk panas tetapi tetapi berapa panas yang diperlukan tidak perlu dipertimbangkan.

Oleh karena itu, penerapan neraca energi cenderung untuk memusatkan pada aspek yang

dominan.

5.1 Jenis-jenis Energi

Sebelum dapat melakukan perhitungan neraca energi, kita perlu mengetahui energi apa

saja yang dapat masuk dan keluar dari suatu sistem. Energi total suatu sistem terdiri dari 3

komponen:

1. Energi kinetic; Energi ini timbul karena adanya gerakan massa yang masuk ke

dalam atau keluar dari sistem. Akumulasi massa di dalam sistem (proses) pada

hakikatnya tidak menghasilkan pergerakan massa yang signifikan. Oleh karena itu,

hanya aliran masuk dan aliran keluar saja yang memiliki energi kinetik.

2. Energi Potensial; Energi ini timbul karena posisi sistem dalam medan potensial

(seperti medan grafitasi atau medan elektromagnet) dengan merujuk kepada suatu

bidang referensi dalam ruang. Di sini kita hanya akan membahas energi potensial

akibat grafitasi.

71

3. Energi dalam: Seluruh energi yang dimiliki sistem selain energi kinetik dan

energi potensial, seperti energi karena gerakan molekul relatif terhadap pusat

massa sistem, terhadap gerakan rotasi dan vibrasi, dan karena interaksi

molekul secara elektromagnetik serta karena gerakan dan interaksi molekul

penyusun atom dan subatom.

Andaikan suatu sistem tertutup, yang berarti tidak ada massa yang berpindah

melewati batas sistem selama berlangsungnya proses. Energi dapat dipindahkan

dari sistem tertutup ke sekelilingnya dengan dua cara:

2 Dalam bentuk panas, atau energi yang mengalir akibat adanya perbedaan

temperatur antara sistem dan lingkungannya. Arah aliran panas selalu dari

temperatur yang lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Di dalam buku

ini, panas MASUK ke dalam suatu sistem dinyatakan positif dan panas KELUAR

sistem dinyatakan negatif, karena sistem menerima energi ketika panas memasuki

sistem.

2 Sebagai kerja, atau energi yang mengalir sebagai reaksi terhadap gaya dorong selain

perbedaan temperatur, seperti gaya, torsi, atau voltase. Contohnya, jika gas dalam

silinder berekspansi (dinaikkan tekanannya) dan menggerakkan piston melawan gaya

yang menahannya, gas melakukan kerja terhadap piston (artinya energi dipindahkan

oleh gas dalam bentuk kerja ke sekelilingnya, termasuk piston). Dalam buku ini,

kerja yang dilakukan OLEH suatu sistem terhadap sekelilingnya adalah positif.

Sebaliknya, kerja yang dilakukan TERHADAP sistem adalah negatif. Perlu dicatat

bahwa literatur lain bisa saja menggunakan tanda yang berlawanan. Anda boleh saja

menggunakan tanda yang berlawanan dari yang disarankan dalam buku ini, asalkan

tetap konsisten dalam pemakaiannya.

Istilah “kerja” dan “panas” merujuk hanya kepada energi yang dipindahkan: anda

dapat berkata panas atau kerja ditambahkan ke atau dikeluarkan oleh suatu sistem,

tetapi akan tidak bermakna kalau kita katakan panas atau kerja dimiliki oleh atau

terkandung di dalam sistem.

Energi, seperti halnya kerja, mempunyai satuan gaya dikalikan dengan jarak:

yaitu joule (N.m), ergs (dyne-cm), dan ft.lbf. Sering juga dipakai satuan energi

yang dinyatakan dalam jumlah panas yang harus dipindahkan ke massa air tertentu

72

untuk menaikkan temperatur air dengan interval tertentu pada tekanan konstan 1

atm. Satuan-satuan yang paling sering digunakan ditunjukkan pada Tabel 5.1

Tabel 5.1 Satuan energi yang berkaitan dengan kenaikan temperatur massa air

Unit Simbol Massa air Rentang temperatur

Kilogram-calorie atau

kilocalorie

kcal 1 kg 15°C to 16°C

Gram-calorie atau calorie cal 1 g 15°C to 16°C

British thermal unit Btu 1 Ibm 60°F to 61°F

Prinsip yang mendasari seluruh neraca energi adalah hokum konservasi energi

yang menyatakan bahwa energi tak dapat diciptakan dan juga tak dapat

dimusnahkan. Hukum ini juga disebut hukum pertama thermodinamika.

Dalam bentuk umum, hukum pertama thermodinamika menyatakan bahwa laju

energi (kinetik + potensial + internal) yang terbawa oleh aliran masuk ke dalam

sistem, ditambah dengan laju energi masuk dalam bentuk panas, dikurangi dengan

laju energi keluar dari sistem yang terbawa oleh aliran keluar dikurangi dengan laju

energi keluar dalam bentuk kerja sama dengan laju akumulasi energi di dalam

sistem. Konsep ini sama saja dengan akumulasi = masukan – keluaran.

5.2 Energi Kinetik dan Energi Potensial

Energi kinetik, Ek (J) dari suatu objek massa m (kg) yang bergerak dengan kecepatan v

(m/det) relatif terhadap permukaan bumi dinyatakan dengan persamaan 5-1.

2k vm

21E ..... [5-1]

Seandainya fluida masuk ke dalam sistem dengan laju alir massa m (kg/det) dan dengan

kecepatan seragam v (m/det), maka

2k vm

21E ..... [5-2]

kE (J/det) dapat dipandang sebagai laju dimana energi kinetik dipindahkan ke dalam

sistem oleh fluida.

73

Contoh 5.1; Energi kinetik yang dibawa oleh aliran

Air mengalir ke dalam suatu unit proses melalui pipa berdiameter dalam 2 cm dengan laju

2,00 m3/jam. Hitunglah kE untuk aliran ini dalam joule/det.

Penyelesaian:

Pertama-tama hitung kecepatan linear (yang sama dengan laju alir volumetris dibagi

dengan luas penampang pipa) dan laju alir massa fluida.

3 2 2 2 2

2 2 2 2

2,00 m 100 cm 100 cm 1 jam = 1,77 m/detjam 1 m (1 ) cm 3600 det

v

3

3

2,00 m 1000 kg 1 jam = 0,556 kg/det jam m 3600 det

m

Kemudian, dari persamaan 5-2, 2 2

2 2

0,556 kg/det (1,77) m 1 N = 0,870 N.m/s = 0,870 J/det2 det 1 kg.m/detkE

Energi potensial grafitasi suatu objek massa m didefenisikan menurut persamaan 5-3.

zgmE p ..... [5-3]

Dimana g adalah kecepatan grafitasi dan z adalah ketinggian objek dari bidang referensi

dimana Ep secara sembarang ditetapkan sama dengan nol. Bila fluida memasuki sistem

dengan laju alir massa m (kg/det) dan ketinggian z (m) relatif terhadap bidang referensi

energi potensial, maka laju energi potensial dapat dinyatakan dengan persamaan 5-4.

zgmE p ..... [5-4]

pE dapat dipandang sebagai laju dimana energi potensial grafitasi dibawa ke dalam sistem

oleh fluida. Karena kita biasanya berkepentingan dengan perubahan energi potensial

ketika sebuah benda atau suatu fluida bergerak dari satu ketinggian ke ketinggian yang lain

2 2 2 1p pE E mg z z . Ketinggian yang dipilih sebagai bidang acuan tidak menjadi

74

permasalahan, boleh dimana saja. Kenyataan ini menunjukkan bahwa jika tidak terjadi

perbedaan atau perubahan elevasi maka tidak akan terjadi perubahan energi potensial.

Contoh 5.2; Peningkatan energi potensial pada fluida mengalir

Minyak mentah dipompakan dengan laju 15.0 kg/det dari suatu titik 200 m di bawah

permukaan bumi ke suatu titik yang berada 20 m di atas permukaan tanah. Hitunglah

peningkatan laju energi potensial.

Penyelesaian:

Misalkan subsript 1 dan 2 masing-masing menyatakan titik pertama dan titik kedua:

1 2 2 1

2 2

- -

20- -220 m15,0 kg 9,81 m 1 N= det det 1 kg.m/det

= 35300 N.m/det = 35300 J/det

p p pE E E mg z z

Jawaban dapat juga dinyatakan sebagai 35300 W atau 35,3 kW. Untuk pelaksanaan

pemindahan minyak mentah ini diperlukan yang paling tidak mampu memindahakan daya

sebsar di atas.

5.3 Neraca Energi Pada Sistem Tertutup

Sebuah sistem dikatakan terbuka atau tertutup tergantung apakah ada atau tidaknya massa

melewati batas sistem selama periode waktu dalam cakupan neraca energi. Suatu sistem

proses batch menurut defenisinya termasuk ke dalam sistem tertutup sementara proses

semibatch dan kontinu termasuk ke dalam sistem terbuka.

Untuk sistem tertutup, integral neraca energi dapat diturunkan dari dua waktu sesaat.

Karena energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, maka suku pembakitan dan

konsumsi pada persamaan neraca dapat diabaikan, sehingga menjadi

Akumulasi Energi Energi masuk Energi keluardalam sistem ke sistem dari sistem ..... [5-5]

Pada persamaan 5-5, suku akumulasi akan sama dengan nilai akhir dari kuantitas yang

dineracakan, dalam hal ini sistem energi, dikurangi dengan nilai mula-mula kuantitas ini.

Dengan demikian persamaan 5-5 dapat diubah menjadi persamaan 5-6.

75

Energi netto yang Sistem energi sistem energi - = dipindahkan ke sistem akhir awal (masuk-keluar)

..... [5-6]

Masing-masing suku pada persamaan 5.6 dijabarkan berikut ini

Sistem energi mula-mula = Sistem energi akhir =Energi yang dipindahkan=

i ki pi

f kf pf

U E EU E EQ W

Dimana subscript i dan f merujuk kepada keadaan sistem mula-mula dan akhir dan U, Ek,

Ep, Q dan W masing-masing mengacu kepada energi dalam, energi kinetik, energi

potensial, panas yang dipindahkan ke sistem dari sekeliling dan kerja yang dilakukan oleh

sistem terhadap sekeliling. Persamaan 5 kemudian dapat ditulis:

f i k f ki pf piU U E E E E Q W ..... [5-7]

Atau jika simbol ∆ dipakai untuk menyatakan (akhir – awal), maka persamaan 5.7 dapat

disederhanakan menjadi:

k pU E E Q W ..... [5-8] Persamaan 5-8 merupakan bentuk dasar hukum pertama thermodinamik untuk sistem

tertutup. Penerapan persamaan 5-8 untuk proses yang ditinjau perlu memperhatikan hal-

hal berikut:

1. Energi dalam suatu sistem sangat tergantung pada komposisi kimia, wujud zat

(padat, cairan atau gas) dan temperatur bahan di dalam sistem. Untuk gas ideal

internal energi tidak tergantung pada tekanan, sedangkan untuk cairan dan padatan

hampir tidak bergantung pada tekanan. Jika di dalam sistem tertutup tidak terjadi :

perubahan temperatur, perubahan fasa, atau reaksi kimia, dan perubahan tekanan

kurang dari beberapa atmosfir, maka ∆U≈ 0.

2. Jika sistem tidak mengalami percepatan, maka ∆Ek= 0. Jika sistem tidak naik atau

turun, maka ∆Ep= 0

3. Jika suatu sistem dan sekelilingnya berada pada temperatur yang sama atau

sistemnya secara sempurna diinsulasi, maka Q = 0. Proses seperti ini dinamakan

adiabatik.

76

4. Kerja yang dilakukan terhadap atau oleh suatu sistem tertutup terjadi akibat

perpindahan batas sistem melawan gaya dorong. Contohnya gerakan piston atau

rotasi poros yang bergerak melalui batas sistem. Jika tidak ada bagian-bagian

yang bergerak pada batas sistem, maka W = 0.

Contoh 5.3; Neraca Energi pad Sistem tertutup

Suatu gas terkukung di dalam selinder yang dilengkapi dengan piston yang dapat bergerak.

Temperatur gas mula-mula 25oC. Silinder ditempatkan di dalam air mendidih sementara

piston tetap pada posisinya. Jumlah panas yang dipindahkan ke gas 2,00 kcal yang

mencapai setimbang pada temperatur 100oC (dan tekanan lebih tinggi). Clamp piston

kemudian dilepaskan, dan gas memberikan kerja sebesar 100 Joule kepada piston yang

bergerak hingga mencapai posisi kesetimbangan baru. Temperatur gas akhir adalah

100oC.

Tulislah persamaan neraca energi untuk masing-masing tahap proses ini, dan pada setiap

kasus selesaikan suku energi yang tidak diketahui pada persamaan tersebut. Dalam

menyelesaiakan persoalan ini, anggaplah gas di dalam silinder sebagai sistem, abaikan

perubahan energi potensial gas karena piston bergerak secara vertikal, dan anggap gas

berperilaku sebagai gas ideal. Nyatakan seluruh energi dalam joule.

Penyelesaian:

1. Tahap pertama: Temperatur gas berubah dari 25oC menjadi 100oC, tetapi piston tidak

bergerak karena ditahan oleh clamp, seperti digambarkan berikut ini.

77

0 (sistem dalam keadaan tetap)0 (tidak ada perpindahan secara vertikal)0 (tidak ada pergerakan batas sistem)

k p

k

p

U E E Q WEEW

↓

3

2,00 kcal

2,00 kcal 10 cal 1 JU=kcal 0,23901 cal

8370 J

U Q

Q

Jadi gas mendapat 8370 J energi dalam ketika berubah dari 25oC menjadi 100oC

2 Tahap kedua: temperatur gas tetap berada pada 100oC, namun ketika clamp dilepas

piston bergerak ke atas akibat tekanan gas sampai mencapai kondisi kesetimbangan.,

seperti ditunjukan pada gambar berikut.

0 (sistem dalam keadaan tetap pada awal dan akhir)0 (anggap diabaikan)0 (U tergantung pada T untuk gas ideal, dan T tidak berubah)

k p

k

p

U E E Q WEEU

0

+100 J (mengapa positif)

Q=100 J

Q W

W

Jadi ada tambahan panas sebesar 100 J yang dipindahkan ke gas ketika gas mengembang

dan mencapai kesetimbangan pada 100oC

78

5.4 Neraca Energi Kondisi Steadi untuk Sistem Terbuka

Menurut defenisi, suatu sistem proses terbuka ditandai dengan adanya massa yang

melawati batas sistem ketika proses masih berlangsung. Kerja harus dilakukan terhadap

sistem yang demikian guna mendorong massa masuk, dan kerja diberikan ke sekeliling

oleh massa yang timbul. Oleh karena itu, kedua kerja tersebut harus dimasukkan ke dalam

neraca energi.

5.4.1 Kerja Aliran dan Kerja Poros

Laju kerja netto yang dilakukan oleh sistem terbuka terhadap sekelilingnya dapat ditulis

sebagai:

s flW W W ..... [5-9]

Dimana

sW = kerja poros, atau laju kerja yang dilakukan oleh fluida proses terhadap bagian

bergerak di dalam sistem (misalnya, rotor pompa)

flW = kerja aliran, atau laju kerja yang dilakukan oleh fluida pada keluaran sistem

dikurangi dengan laju kerja yang dilakukan pada masukan sistem.

Untuk menurunkan persamaan flW , kita mula-mula meninjau sistem yang mempunya

masukan dan keluaran tunggal seperti yang ditujukkan berikut ini.

Unit Proses Vin (m3/det) Vout (m3/det)

Pin (N/m2) Pout (N/m2)

Fluida pada tekanan Pin (N/m2) memasuki pipa dengan laju volumetric Vin (m3/det) dan

keluar pada tekanan Pout (N/m2) dan laju volumetric Vout (m3/det). Fluida yang masuk ke

system memiliki kerja yang dilakukan terhadap sistem oleh fluida di belakang sistem

dengan laju:

2 3N.m/det N/m m /detin in inW P V ..... [5-10]

79

Sedangkan fluida yang keluar sistem melakukan kerja ke sekeliling dengan laju:

2 3N.m/det N/m m /detout out outW P V ..... [5-11]

Laju netto kerja yang dilakukan sistem pada masukan dan keluaran dapat ditulis sebagai

berikut:

fl out out in inW P V P V ..... [5-12]

Jika ada beberapa aliran yang masuk dan keluar sistem, masukan dan keluaran, hasil

perkalian PV untuk setiap aliran harus dijumlahkan untuk menentukan Wfl.

5.4.2 Sifat Spesifik dan Entalpi

Sifat-sifat material proses dapat diklasifikasikan ke dalam ekstensif (yang berhubungan

langsung dengan quantitas material) atau intensif (tidak tergantung pada kuantitas).

Massa, jumlah mol, volume (atau laju alir massa, laju alir molar, laju alir volumetris untuk

aliran kontinu), energi kinetik, energi potensial, dan energi dalam merupakan contoh sifat

ekstensif, sementara temperatur, tekanan dan densitas merupakan contoh sifat intensif.

Sifat spesifik merupakan kuantitas intensif yang diperoleh dengan membagi suatusifat

ektensif (atau laju alirnya) dengan jumlah total (atau laju alir) material proses. Jadi

misalnya volume fluida 200 cm3 dan massa fluida 200 gr, maka volume spesifik fluida

adalah 1 cm3/gr. Juga, jika laju alir massa suatu aliran 100 kg/menit dan laju alir

volumetris 150 L/menit, maka volume spesifik aliran material tersebut (150 L/menit /100

kg/menit) = 1,5 L/kg; jika laju energi kinetik yang dibawa oleh aliran ini 300 J/menit,

maka energi kinetik spesifik aliran material tersebut adalah (300 J/menit) = 3 J/kg. Simbol

ˆ akan digunakan untuk menyatakan suatu sifat spesifik: V volume spesifik, U energi

dalam spesifik, dan sebagainya.

Jika pada temperatur dan tekanan tertentu suatu material proses memiliki U (J/kg), maka

massa m (kg) material ini mempunyai energi dalam total sebesar:

ˆ(J/det) (kg) (J/kg)U m U ..... [5-13]

80

Dengan cara yang sama, aliran kontinu material tersebut dengan laju alir massa

( / det)m kg akan memindahkan energi dalam dengan laju:

ˆ(J/det) (kg) (J/kg)U m U ..... [5-14]

Sebua sifat yang sering terlibat pada persamaan neraca energi untuk sistem terbuka adalah

entalpi spesifik yang didefenisikan sebagai:

ˆ ˆ ˆH U PV ..... [5-15]

Dimana P adalah tekanan total dan U dan V adalah energi dan volume spesifik. Nilai-

nilai konstanta gas ditabulasi di Lampiran untuk digunakan sebagai faktor konversi yang

diperlukan untuk menentukan H pada persamaan 5.15, seperti yang diberikan pada contoh

berikut.

Contoh 5.4; Perhitungan Entalpi

Energi dalam spesifik helium pada 300 K dan 1 atm adalah 3800 J/mol, dan volume molar

spesifik pada temperatur dan tekanan yang sama adalah 24,63 L/mol. Tentukan entalpi

spesifik helium pada tekanan dan temperatur ini, dan laju entalpi yang dipindahkan oleh

aliran helium pada 300 K dan 1 atm dengan laju molar 250 kmol/jam.

Penyelesaian:

ˆ ˆ ˆ 3800 J/mol + (1 atm) (24,63 L/mol)H U PV

Untuk mengkonversikan suku kedua menjadi joule, kita memerlukan faktor J/(L.atm).

Dari konstanta gas yang terdapat pada Lampiran diperoleh

0,08206 L.atm/(mol.K) = 8,314 J(mol.K)

Dengan membagi sebelah kanan dengan sebelah kiri akan diperoleh faktor:

8,134 J/mol.K =101,3 J/(L.atm)0,08206 L.atm/(mol.K)

Sehingga,

24,63 L.atm 101,3 JH = 3800 J/mol + = 6295 J/molmol 1 L.atm

81

Jika n = 250 kmol/jam

9250 kmol 6295 JˆH = nH= = 1,57 x 10 J/jamjam mol

82

LAMPIRAN

BERAT DAN NOMOR ATOM Berat atom berlaku untuk komposisi isotop yang terjadi secara alami dan didasarkan pada massa 12C = 12 Unsur Simbol Nomor Berat Unsur Simbol Nomor Berat Atom Atom Atom Atom

83

KONSTANTA GAS