Kamis, 17 Desember 2009

PENGANTAR OPERASI TEKNIK KIMIA


PENDAHULUAN
Kalau diperhatikan proses-proses dalam berbagai industri kimia, maka seringkali terdapat proses dengan operasi teknik yang sama, serta berdasarkan prinsip-prinsip pengetahuan yang sama pula.
Misalnya :
1. Dalam pabrik gula, kotoran (residu) yang berupa endapan dalam nira perlu dipisahkan dari niranya dengan penyaringan (filtrasi).
2. Dalam pabrik bahan pewarna, endapan bahan pewarna dipisahkan dari cairan induknya dengan penyaringan.
Proses-proses penyaringan kotoran dari nira dan bahan pewarna dari cairan induknya adalah operasi teknik kimia yang berdasarkan kepada prinsip-prinsip yang sama. Oleh karena itu pembahasan mata pelajaran ini adalah unit proses atau unit operasi secara umum.
Operasi teknik kimia bersifat fisis, sehingga memerlukan pengetahuan dasar antara lain : fisika, mekanika, kimia dan matematika. Jadi operasi teknik kimia adalah pengetahuan yang mempelajari satuan operasi proses-proses fisika dalam berbagai industri kimia.
Dasar-dasar pokok yang digunakan dalam operasi teknik kimia ialah : neraca bahan, neraca tenaga, kesetimbangan statis, kesetimbangan dinamis, dan neraca ekonomi.


NERACA BAHAN
Neraca bahan merupakan bentuk lain dari hukum kekekalan massa, yaitu bahwa massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Secara khusus dapat diartikan sebagai berikut :
“jumlah massa yang masuk dan keluar dalam suatu proes di dalam keadaan tetap (steady state) adalah sama, sehingga selama proses tidak ada pembentukan atau kehilangan massa”
Kalimat yang lebih sederhana dapat dinyatakan bahwa :
Input = Output
Atau
“Jumlah massa yang dimasukkan dalam proses = jumlah massa yang dikeluarkan dari proses”
Proses di dalam keadaan tetap (steady state) yang dimaksudkan adalah proses dimana kondisi-kondisinya tidak berubah dengan perubahan waktu, sehingga bukan awal dari proses (penimbunan) atau akhir dari proses (pengosongan).
Dalam perhitungan neraca bahan dimana terjadi reaksi kimia, seringkali lebih sederhana digunakan satuan molekuler (mol) daripada satuan massa biasa. Satu mol dari sesuatu senyawa murni didefinisikan sebagai besaran yang massanya secara numeric sama dengan massa molekul relatifnya. Massa molar bersatuan gram/mol.
Massa molar rerata dari campuran zat-zat didapat dari persamaan :

Mrt =

Keterangan:
mA, mB, mC = Massa penyusun A, B,C dalam campuran, gram.
MA, MB, MC = massa molar penyusun A, B, C, gram/mol
Mrt = massa molar rata-rata.
Contoh soal: (1-1)
Suatu campuran zat cair tersusun dari 40% massa benzena dan 60% massa toluena. Jika Mr benzena 78 dan Mr toluena 92, tentukan massa molar rerata dari campuran tersebut!

Jawab:
Untuk 100 gram campuran, maka:
massa benzena(mA) = 40%(100) = 40 gram mol = 40/78 = 0,513 mol
massa toluena (mB) = 60%(100) = 60 gram mol = 60/92 = 0,652 mol
BM rata-rata (M) =

Di dalam beberapa hal sering lebih berfaedah menyatakan susunan tidak sebagai fraksi massa, atau persen massa, tetapi sebagai fraksi mol atau sebagai persen mol. Fraksi mol suatu penyusun adalah perbandingan mol penyusun itu dengan jumlah mol semua penyusun dalam campuran. Sehingga dengan menggunakan lambang-lambang seperti dalam persamaan (1-1), fraksi mol penyusun A (xA) adalah :
Fraksi mol penyusun A (xA ) =
Jumlah fraksi mol semua penyusun sama dengan satu. Sedangkan persen mol adalah fraksi mol dikalikan dengan seratus.

Contoh 1-2:
Lima ribu liter per jam larutan garam dapur (NaCl) 5% diuapkan untuk mendapatkan larutan garam dapur 25 %, semua dalam persen massa. Kerapatan larutan garam dapur 5 % = 1,034 g/mL. Susunlah neraca bahannya .
Penyelesaian :
Larutan garam mengandung dua komponen , natrium chlorida padat dan air. Selama penguapan hanya air yang hilang menguap sedang jumlah natrium chlorida padat tidak berubah (Gambar 1-1). Tahap pertama yang diperlukan ialah menentukan kecepatan massa umpan.

Umpan = 5000 liter/jam
Kecepatan umpan (F) = (5000 liter/jam) (1,034 kg/liter)
= 5170 kg/jam
Kadar NaCl dalam umpan (xF) = 5% = 0,05
Kadar NaCl dalam larutan pekat (xL) = 25% = 0,25

Persamaan neraca bahan total :
F = V + L
5170 = V + L...............(1)

Persamaan neraca bahan penyusun:
Pers untuk NaCl : xF.F = xL.L
0,05.5170 = 0,25. L
L =
Dari pers (1) diperoleh :
V = F – L
V = 5170 – 1034
= 4136 kg/jam
Jadi, aliran air yang diuapkan (V) adalah 4136 kg/jam
Susunan umpan (F) diketahui, yaitu:
Aliran massa NaCl = (5170) (0.05) = 258,5 kg
Aliran massa H2O = 5170 – 258,5 = 4911,5 kg +
Jumlah = 5170,0 kg

Selama penguapan banyaknya natrium klorida tidak berubah dan banyaknya yang tertinggal dalam larutan pekat juga sama seperti semula ketika masih dalam larutan encer.

Jadi, dalam larutan pekat(L):
L = 1034,0 kg/jam
Aliran massa NaCl dalam larutan 25% = 258,5 kg/jam
Aliran massa H2O dalam larutan 25% = 775,5 kg/jam


TABEL NERACA BAHAN PENGUAPAN NaCl DALAM KG/JAM

Penyusun
Masuk
Keluar
Umpan (F)
Larutan pekat (L)
Uap (V)
NaCl
H2O
258,5
4911,5
258,5
775,5
-
4136
Jumlah
5170
1034
4136


Bila bahan berada dalam bentuk gas, dan gas tersebut dapat dianggap ideal maka hubungan antara massa, suhu, tekanan, dan volume dapat diperoleh dengan
meggunakan persamaan sebagai berikut ;

P.V = n.R.T (1-3)
Dimana :
P = tekanan, atm
V = Volume, liter
N = jumlah zat gas, mol
R = tetapan gas ideal, 0,082 liter atm/mol/K
T = suhu mutlak, K
Kalau persamaan gas ideal dikenakan pada keadaan 1 (awal) dan keadaan 2 (akhir), maka didapat hubungan sebagai berikut :
(1-4)
Misalnya V1 gas ideal pada tekanan P1 dan suhu mutlak T1 akan mempunyai volume V2 pada suhu T2 dan tekanan P2 dimana harga V2 diberikan oleh :

Dari persamaan gas ideal, maka secara numerik R dapat dievaluasikan dari kenyataan yang dikenal bahwa satu mol sesuatu gas pada keadaan standar (1 atm dan 00 C) menempati volume 22.414 liter. Maka untuk satu mol gas persamaan 1-3 menjadi :

Nilai R ini hanya dapat digunakan bila tekanan dinyatakan dalam atmosfer, volume dinyatakan dalam liter dan suhu dalam Kelvin. Bila untuk tekanan dan volume dipakai satuan-satuan lain, maka R juga akan mempunyai nilai yang lain pula. Maka kalau P dinyatakan dalam atm dan V dalam ml maka :

Supaya R mempunyai satuan erg maka P harus dinyatakan dalam dine/cm2 dan V dalam cm3. Tekanan 1 atm adalah tekanan yang dinyatakan oleh suatu kolom air raksa setinggi 76 cm dan luas penampang lintang 1 cm2 pada suhu 273.16 K. Volum dari kolom demikian adalah 76 cm3. Karena massa sama dengan (kerapatan) (volum) maka massa dari kolom ialah (13.595 g/cm3) (76 cm3). Besaran ini dikalikan dengan percepatan gravitasi (tarikan) bumi (980.66cm/det2) terdapatlah gaya dalam dyne.
= 8.314 x 107
Karena erg = 1 dine x 1 cm
Dari daftar konversi terbaca bahwa
1 joule = 107 erg dan 1 kelori = 4.184 joule
maka R = 8.314 joule/mol0K dan
Hubungan yang penting untuk campuran gas yang bersifat ideal adalah hukum Dalton yang menyatakan bahwa : “Tekanan total suatu campuran gas merupakan jumlah tekanan parsil masing-masing penyusun campuran gas, atau dapat dinyatakan dengan persamaan berikut “:
P = PA + PB + PC + …… (1-5)
dimana
P = tekanan total campuran gas
PA , PB , PC­ , ……= tekanan parsil gas A, B, C, …….
Hubungan lain yang identik dengan hukum Dalton adalah hukum Amagat yang menyatakan bahwa, “dalam suatu campuran gas ideal, volume total adalah sama dengan jumlah volume parsil masing-masing penyusun gas, atau secara matematis dapat dinyatakan dalam persamaan” :
V = VA + VB + VC + ….. (1-6)
Dimana
V = volume total campuran gas
VA, VB, VC, …. = volume parsil dari gas A,B, C,
Mengingat hukum-hukum diatas didapatkan hubungan yang sederhana untuk campuran gas yaitu :
% volume = % tekanan = % mol




NERACA TENAGA (ENERGI)

Neraca tenaga didasarkan pada hukum kekekalan tenaga dan merupakan salah satu cabang ilmu teknik yang dikenal sebagai termodinamika. Termodinamika mempelajari hukum-hukum yang menyangkut hubungan kwantitatif antara panas dan bentuk lain dari tenaga. Keuntungan dengan termodinamika ialah tidak perlu diketahui jalan proes melainkan cukup diketahui keadaan awal dan akhir saja. Ada tiga buah hukum termodinamika , tetapi dalam buku ini hanya akan dibicarakan hukum pertama saja.
Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dilenyapkan tetapi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain dengan jumlah tenaga yang tetap selama transformasi.
Tenaga mempunyai bentuk yang bermacam-macam , antara lain tenaga panas, tenaga mekanis, tenaga radiasi, tenaga listrik, tenaga kimia . tenaga potensial, dan tenaga kinetik. Karena tenaga dapat mempunyai berbagai macam bentuk, maka suku-sulu dalam neraca tenaga harus mempunyai satuan-satuan yang sama.

GAYA

Gaya dapat diartikan sebagai dorongan atau tarikan. Hukum II Newton, tentang benda bergerak menyatakan bahwa gaya berbanding lurus dengan hasil kali massa dan percepatan, atau :
(1-8)
Rumusan di atas adalah gaya berdasarkan Sistem British atau Imperial. Dalam satuan internasional (SI), maka gaya dirumuskan sebagai hasil kali antara massa dengan percepatan:

F = m.a satuannya kg.m/s2 atau Newton

dimana
F = resultan gaya-gaya yang bekerja pada benda, Newton.
m = massa benda, kilogram.
a = percepatan benda pada arah resultan gaya.
= tetapan penyehat satuan (faktor koreksi) yang harga numeriknya tergantung pada satuan yang akan dipilih untuk gaya, massa, panjang, dan waktu.
Gravitasi standar yaitu percepatan gravitasi pada permukaan laut pada garis lintang 450 besarnya 980.665 cm/det2.
Maka 1 gram gaya = (1 gram massa) (980.665 )
Tetapan gc dengan menggunakan gram gaya sebagai satuan dasar dari gaya harganya adalah 980.665 dan satuannya (gram massa) (cm) / (gram gaya) (detik2).
Dapat ditulis 1 gram gaya =
Variasi gravitasi di atas seluruh permukaan bumi jarang melampaui 0.25 %. Sehingga percepatan karena gravitasi dalam batas ketelitian teknik, 980.665 cm/ det2 berlaku di mana saja di bumi.

Contoh 1-2
Berapa tenaga tempat (dalam Joule) dari suatu massa 10 kg, yang terletak 6 m di atas bidang banding (datum ) tertentu di suatu tempat di bumi ?
Penyelesaian :
Tenaga tempat = (10 kg) (6m) (9.80 m/det2)
= (60)(9,8) (kg)(m)(m/s2)
= 588 kg.m2/s2
= 588 Joule
Persamaan 1-8 memberi hubungan antara empat besaran dasar, yaitu massa, gaya, panjang serta waktu yang berlaku tanpa memperhatikan sistim satuan apa yang dipakai. Bila waktu diukur dalam detik, panjang dalam centimeter, dan massa dalam gram, maka satuan gaya yang dipilih dalam dine, didefinisikan sebagai gaya yang dapat membangkitkan suatu massa 1 gram dengan percepatan sebesar 1 cm / det2.
Substitusi ke dalam persamaan 1-8 memberi hasil :
1 dine =
gc = 1 dine.cm / dine.det2
gc disini sebenarnya ac (dalam teknik terpakai dibedakan antara gaya inertia dan gaya berat). Satuan gaya sistem cgs ialah g.cm det-2 diberi nama dine dan dalam sistem mks ialah kg.m.det-2 yang diberi nama newton.
1 N = 1 Newton = (1000 g) (100 cm) det-2
= 105 g.cm.det-2
= 10 5 dine



PENGUBAHAN SATUAN

Bila satuan besaran sekunder dinyatakan dalam satu sistem satuan (misalnya sistem inggris) dan akan diubah menjadi besaran yang setara dalam sistem yang lain (misalnya sistem metrik) maka perlu digunakan faktor pengubah (faktor konversi). Faktor pengubah adalah bilangan murni tidak berdimensi yang merupakan perbandingan besaran dalam satu sistem satuan dengan besaran dalam sistem satuan yang lain.
Misalnya satu jam = 60 menit atau .
Bilangan 60 adalah faktor pengubah satuan jam ke satuan menit.

Contoh 1-3
Suatu benda mempunyai koefisien perpindahan panas h sebesar
Berapa harga koefisien ini dalam kkal/(m2) (C0) (jam) ?
Penyelesaian :
Dari daftar konversi pada apendiks diperoleh
1 Btu = 0.252 kkal 1 ft = 0.3048 m
1 Co = 1.8 Fo
Maka harga koefisien perpindahan panas adalah :
=


SOAL-SOAL

Larutan NaCl 6% massa dengan densitas 1,036 g/cm3 akan dipekatkan dengan proses evaporasi sehingga menghasilkan larutan NaCl 30% massa. Kecepatan umpan pada evaporator adalah 100 liter per menit. Berapa kg/menit larutan pekat yang dihasilkan dan susunlah neraca bahannya.
Campuran etanol dan air hasil fermentasi tetes tebu diperkirakan berkadar etanol 15% massa, akan disuling (didistilasi) agar diperoleh distilat etanol 96% massa, sedangkan hasil bawah (bottom) mengandung 90% massa air. Susunlah neraca bahannya bila umpan masuk 100 kg/jam.
Berapa Joule energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air, dengan kalor jenis 1 kalori/gram. 0C dari suhu 200C menjadi 900C?
Ubahlah besaran berikut ini ke dalam satuan yang diminta:
Tetapan gas ideal: R = 0,082 liter atm/mol.K
= ..............................Joule/mol K
Kalor jenis air, c = 1 kalori/gram K
= ......Btu/lb.F
Massa jenis air pada suhu 4oC adalah 1 kg/liter, ubahlah menjadi lb/ft3
Udara diperkirakan mengandung 79% volume gas nitrogen (N2) dan 21% volume oksigen (O2). Jika massa atom relatif nitrogen = 14 dan oksigen = 16, dan udara diukur pada suhu 27oC dan tekanan 1 atm, maka tentukan massa jenis udara tersebut dalam satuan g/L. Nyatakan pula kadar penyususn udara dalam persen massa
Asam klorida di laboratorium tersedia dalam kadar 12 M dengan massa jenis 1,2 kg/L. Nyatakan kadar asam klorida tersebut dalam persen massa.

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar