Dasar Neraca Massa dan Energi

Dasar Neraca Massa dan Energi

Definisi Teknik Kimia:

Pemakaian prinsip-prinsip fisis bersama dengan prinsip-prinsip ekonomi dan human relations ke bidang yang menyangkut proses dan peralatannya dimana suatu bahan berubah bentuk, kandungan energinya, dan komposisinya.

Teknik Kimia berhubungan dengan:

1. Produksi bahan kimia baik di skala besar maupun kecil.
   
2. Membuat produk berskala besar (pabrik), berbeda dengan skala lab.
   
3. Merubah bahan baku menjadi produk bernilai ekonomi lebih tinggi.
   
4. Sektor: bahan kimia sampai energi, makanan dan minuman, obat-obatan.
   
5. Produk, yang dibuat melalui perubahan kimia (reaksi) atau/dan fisis (pemisahan).
   
6. Proses Industri kimia, seperti industri: pupuk, kimia murni, cat, zat warna, tinta, petrokimia, plastik, resin, sabun, deterjen, parfum, kosmetik, lemak dan minyak nabati, katalis, gas, minyak bumi, polimer, kertas, tekstil, makanan dan minuman, bioteknologi, dll.
   

Pentingnya penyusunan neraca: Neraca massa atau panas suatu sistem proses dalam industri merupakan perhitungan kuantitatif dari semua bahan-bahan yang masuk, yang keluar, yang terakumulasi (tersimpan) dan yang terbuang dalam sistem itu. Perhitungan neraca digunakan untuk mencari variable proses yang belum diketahui, berdasarkan data variable proses yang telah ditentukan/diketahui. Oleh karena itu, perlu disusun persaman yang menghubungkan data variable proses yang telah diketahui dengan varaiabel proses yang ingin dicari.

Dalam banyak kasus, diskripsi verbal (narasi) yang menjelaskan proses perlu disajikan dalam diskripsi visual, yaitu dalam bentuk gambar proses atau diagram alir proses. Beberapa definisi penting yang akan dibahas antara lain : variable proses, diagram alir proses, sistem, dan proses –proses di industri kimia.

Variabel Proses.

Beberapa variable proses yang berhubungan erat dengan bidang teknik kimia antara lain:

1. Massa dan volum. Hubungan massa dan volum adalah berat jenis atau densitas. Seringkali juga dinyatakan dalam specific volume dan specific gravity.
   
2. Kecepatan alir (flow rate). Proses yang berlangsung sinambung atau kontinyu memerlukan data kecepatan bahan yang disebut kecepatan alir. Alat yang dapat mengukur kecepatan alir antara lain, pitot tube, orifice meter, venturi meter, flow nozzle, dan rotameter.
   Macam-macam jenis kecepatan alir :
   a. kecepatan alir linier rata-rata dalam pipa, dinyatakan dalam satuan panjang linier setiap satuan waktu.
   b. Kecepatan alir volumetric (volumetric flow rate), kecepatan alir yang dinyatakan dalam banyaknya volum fluida yang mengalir setiap satuan waktu.
   c. Keceparan alir massa ( mass flow rate), kecepatan alir yang dinyatakan dalam banyaknya massa yang mengalir setiap satuan waktu.
   
   1. Komposisi kimia. Berat atom dan berat molekul merupakan hubungan mol dengan massa bahan. Bahan campuran berisi lebih dari satu komponen, untuk itu perlu diketahui isi (atau komposisi) masing-masing komponen penyusun bahan itu. Komposisi dapat dinyatakan dalam beberapa cara, yaitu:
      a. fraksi massa atau fraksi bera, Biasanya untuk komposisi bahan berbentuk cair atau padat dinyatakan dalam fraksi massa. Total fraksi massa adalah 1,00.
      b. fraksi mol, Komposisi bahan dalam fase gas biasanya dinyatakan dalam fraksi mol. Total fraksi mol = 1,0.
      c. konsentrasi, Konsentrasi adalah banyaknya bahan dalam campuran setiap satuan volum. Ppm = part per million = bagian per sejuta.
      
   2. Tekanan. Hubungan tekanan yang ditunjukkan alat ukur (gauge) dengan tekanan sesungguhnya (absolute) adalah:
      Tekanan absolute = tekanan gauge + tekanan atmosfer.
      1 atm = 14,696 psi = 760 mmHg = 10,333 mH₂O.
      
   3. Temperatur.
      

Contoh :

Suatu botol bertuliskan larutan HCl teknis 28% (w/w). Tentukan dalam % mol larutan itu.

Penyelesaian:

Misal 100 g larutan HCl 28% maka:

Komponen		% Berat		Berat, g	Mol	% Mol
HCl		28		28	28/36.5=0.77	(0.77/4.77)×100%=16.14
H2O	72	72	72/18=4	(4/4.77)×100%=83.86
Total		100		100	4.77	100

Jadi larutan itu larutan HCl 16,14% (%mol).

Diagram Alir Proses

Adalah gambaran visual yang menunjukkan semua aliran bahan-bahan baik yang masuk alat maupun yang keluar, disertai data-data susunan dari campuran bahan-bahan aliran. Gambaran ini bisa bersifat kualitatif dan kuantitatif.

Kualitatif : menunjukkan macam-macam bahan yang masuk dan keluar.

Kuantitatif : menunjukkan macam-macam bahan dan kuantitasnya.

Jadi, dalam membuat diagram alir proses, harus mencantumkan data kualitatif dan kuantitatif.

Suatu unit proses dapat digambarkan dalam sebuah kotak atau simbol alat, dan garis panas yang menunjukkan arah aliran bahan. Arus dalam diagram alir harus diberi label yang menunjukkan:

1. Variable proses yang diketahui dan
   
2. Permisalan variable yang akan dicari dengan simbol variable.
   

Beberapa cara memberi label pada arus:

1. Tulis nilai dan satuan semua variabel yang diketahui di arus dalam gambar.
   

Contoh:

Narasi: gas berisi 21% mol O2 dan 79% N2 pada suhu 320 ^oC dan 1,4 atm mengalir dengan kecepatan 400 gmol/jam.

Diagram alir :

1. Tandai dengan symbol untuk variable yang akan dicari
   

Contoh:

Diagram alir berfungsi sebagai papan hitung untuk menyelesaikan masalah neraca, baik neraca massa maupun neraca panas.

Untuk dapat menggambarkan proses dari suatu narasi, seseorang harus mempunyai pengetahuan tentang proses dan sifat-sifat bahan (termodinamika). Oleh karena itu mahasiswa dituntut sering membaca buku tentang proses dan laporan praktek kerja.

Beberapa cara memberi label pada arus dapat dibaca di buku Felder and Rousseau.

Contoh:

Sistem adalah bagian atau keseluruhan proses yang ditinjau, yang biasanya untuk memisahkan antara sistem dengan bagian luar sistem.

Proses adalah suatu peristiwa dimana bahan mengalami perubahan fisis atau kimia atau keduanya.

Perubahan fisis : tidak ada reaksi kimia.

Perubahan kimia : mengalami reaksi-reaksi.

Peran proses pemisahan di industri kimia:

Ditinjau secara makro, proses-proses yang terjadi secara alamiah dapat diartikan sebagai proses pencampuran yang terjadi secara spontan dan merupakan proses yang tidak dapat balik. Berarti untuk memisahkan suatu konstituen dari campurannya diperlukan suatu usaha yaitu usaha termodinamika sehingga terjadi proses berlawanan terhadap proses alam. Maka dalam operasi pemisahan campuran perlu dimasukkan sejumlah “separating
agent ” tertentu.

Separating agent yang biasa digunakan:

1. tenaga panas, seperti steam, bahan bakar. Contoh alat : distilasi, evaporasi, pengeringan, alat penukar panas dll.
   
2. Sejumlah massa bahan, seperti pelarut atau penjerap. Contoh alat: ekstraksi, absorbsi, adsorpsi, stipping dll.
   
3. Tenaga mekanik (tekanan). Contoh alat : filtrasi, sentrifugasi, sedimentasi dll.
   
   Metode pemisahan konstituen dari campurannya, dapat dibedakan menurut kategori:
   
   
   1. Pemisahan menurut dasar operasi difusional. Pemisahan ini dipilih jika umpannya homogen. Transfer massa dan pana konstituen berlangsung secara difusi antara 2 fase atau lebih. Contoh: distilasi (flash, kontinyu, batch), absorpsi, striping, ekstraksi, adsorpsi, ion exchange dll.
      
   2. Pemisahan secara mekanik. Pemisahan ini dilakukan untuk campuran heterogen. Contoh : decanter, sedimentasi, sentrifuge, filtrasi, screening, dll.
      
   3. Pemisahan menggunakan reaksi kimia.
      
   Di dalam proses dan peralatan di industri, rangkaian peralatan menyangkut kedua jenis proses itu, yaitu:
   
   
   1. Unit operation (satuan operasi): unit dengan perubahan fisis atau seringkali disebut Operasi Teknik Kimia.
      
   2. Unit processes (satuan proses): unit dengan reaksi kimia.
      
   Unit operation meliputi:
   
   
   1. transportasi fluida (perpindahan pada proses alir),
      
   2. perpindahan panas dalam alat penukar panas ( heat exchanger),
      
   3. separator, padat-padat : screening. Padat-cair : sedimentasi, filtrasi, Cair – gas : absorpsi, stripper, distilasi, evaporasi. Cair-cair : ekstraksi cair-cair, dekantasi, dll.
      
   4. pencampuran
      
   Unit Processes meliputi:
   
   
   1. pembakaran bahan bakar dalam burner, furnace.
      
   2. Reaksi kimia dalam reaktor.
      
   3. Fermentasi.
   Unsteady State: proses tidak ajeg adalah proses dimana semua variable proses mengalami perubahan nilai terhadap waktu.
   
   Steady State: proses dalam keadaan ajeg adalah proses dimana semua variable porses yang ditinjau tidak berubah terhadap waktu.
   
   Penggolongan Proses :
   

1. batch : tidak ada bahan masuk atau keluar. Jadi prosesnya USS.
2. kontinyu : kecepatan arus masuk sama dengan kecepatan arus keluar, jadi prosesnya SS.
3. Semi batch atau semi kontinyu, prosesnya USS.