Soal dan Pembahasan Neraca Massa - Azas Teknik Kimia 3 (Konsep Evaporasi pada Evaporator)

Soal 1 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Air laut yang mengandung 3,5%-berat garam mengalir melalui 10 evaporator yang disusun seri. Jumlah air yang teruapkan ditiap 10 unit evaporator adalah sama yang kemudian seluruh air ini dikondensasi dan digabung alirannya hingga didapatkan 1 aliran produk "fresh water". Produk Air garam yang keluar dari evaporator ke-10 mengandung 5%-berat garam.

Tentukanlah:
(a) Yield "fresh water" dari proses ini (kg H2O yang terambil/kg H2O dari umpan)
(b) Persen berat garam dari air garam yang keluar dari evaporator ke-4

JAWABAN

(a) Diagram berikut menggambarkan proses evaporasi 10 tahap dengan evaporator ke-1, ke-4 dan ke-10 yang menjadi perhatian

Untuk menghitung yield fresh water, kita membutuhkan data massa H2O yang berada diumpan dan H2O yang terambil. Diagram dibawah ini menampilkan neraca massa overall dari kasus evaporator 10 tahap ini. Aliran air yang disimbolkan [FA] merupakan total air yang diperoleh ditiap tahap evaporasi. 

Jumlah garam di umpan air laut [F1] adalah sama dengan jumlah garam di akhir tahap evaporasi [F11] 

Dari neraca massa overall, didapat bahwa

Sehingga Yield H2O bisa dihitung sebagai berikut: 

(b) Jumlah air yang keluar dari evaporator adalah sama untuk setiap 10 evaporator tersebut. Jumlah air total yang berhasil diambil keluar dari sistem 10 evaporator adalah sama dengan nilai FA=30 kg. Sehingga, dari 1 evaporator, air yang keluar adalah sebesar =30/10 =3 kg

Umpan dari evaporator ke-4 merupakan keluaran dari evaporator ke 3 yang sudah mengalami 3 kali proses evaporasi sehingga jumlah garamnya sekarang adalah = 100 - (3 x 3 kg) = 91 kg

Keluaran dari evaporator ke-4 adalah [F5] = 91 kg - 3 kg = 88 kg. 

Berikutnya, jumlah garam yang berada di keluaran evaporator ke-4 adalah sama dengan jumlah garam yang berada di line umpan awal (F1) yaitu sebesar 3,5% x 100 kg= 3,5 kg

Sehingga, %berat garam dalam aliran keluaran evaporator ke-4 adalah

Soal 2 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Sebuah Produk Jus Jeruk Pekat (JJP) mengandung 42% berat padatan dibuat dari Jus Jeruk Segar (JJS) yang mengandung 12%-berat padatan dan sisanya air. Awalanya, untuk mengurangi kandungan air, digunakan proses evaporasi, namun ternyata ada sebagian kandungan jus yang ikut teruapkan bersama air yang menyebabkan rasa jus menjadi berubah. Untuk mengatasi masalah ini, dibuat jalur bypass untuk sebagian Jus Jeruk Segar tanpa harus melewati proses evaporasi. Jus yang keluar dari evaporator mengandung 58%-berat padatan dan aliran keluar evaporator ini dicampur dengan sebagian Jus Jeruk Segar yang dibypass dari umpan awal tadi untuk mendapatkan konsentrasi yang diinginkan pada Produk Jus Jeruk Pekat. 

Asumsi : 
1. Didalam sistem ini hanya ada 2 komponen yaitu padatan dan air. 
2. Tidak ada padatan yang terbawa bersama air yang teruapkan dari evaporator

Tentukanlah:
(a) Jumlah Produk Jus Jeruk Pekat yang diproduksi per 100 kg Jus Jeruk Segar
(b) Fraksi Umpan yang di-bypass

JAWABAN

(a) Diagram proses untuk kasus ini ditampilkan pada gambar dibawah ini

Neraca overall sistem ini adalah sebagai berikut: 

Sedangkan neraca padatan overall adalah sebagai berikut

Substitusi F5 pada persamaan pertama, didapat nilai F3 sebesar 71,43 kg.

Sehingga didapatlah Jumlah Produk Jus Jeruk Pekat yang diproduksi sebesar F5=28,57 kg dan air sebanyak F3=71,43 kg

(b) Untuk menghitung fraksi umpan yang dibypass, kita memerlukan data flow aliran F6 yang dapat dihitung menggunakan neraca massa pada alat mixing yang melibatkan aliran 4,5,6. 

Kita tinjau terlebih dahulu neraca massa mixing sebagai berikut:

Berikutnya, untuk  neraca massa padatan pada alat mixing adalah sebagai berikut :

Dengan menyelesaikan kedua persamaan diatas, didapat F4=18,63 kg dan F6=9,94 kg
Sehingga rasio bypass dapat dihitung sebagai berikut:

Referensi:
[1] Elementary Principles of Chemical Processes, Felder and Rousseau

Soal dan Pembahasan Neraca Massa - Azas Teknik Kimia 2

Soal 1 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Lower Flammability Limit (LFL) adalah presentase bahan bakar terendah dalam suatu campuran bahan bakar-udara agar dapat terbakar. Sebagai contoh, LFL propana dalam udara adalah 2,05% mol propana. Bila presentase propana dalam campuran propana-udara lebih besar dari 2,05% mol, maka campuran gas tersebut akan terbakar bila terdapat api atau percikan api disekitarnya. Sebaliknya, bila presentasenya lebih kecil dari LFL, campuran tidak akan terbakar. (Perlu dicatat bahwa, ada juga istilah Upper Flammability Limit, tapi hal ini diluar konteks persoalan)

Campuran propana dan udara mengandung 4,03 % mol propana diumpankan dalam furnace. Bila terdapat masalah operasi didalam furnace, udara perlu dialirkan kedalam campuran bahan bakar ini sebelum masuk kedalam furnace untuk memastikan pembakaran tidak terjadi. 

(a) Gambarkan diagram masalahnya bila diasumsikan gas yang masuk ke dalam furnace setelah sistem pengenceran menggunakan udara ini berada pada kondisi LFLnya. 
(b) Bila propana memiliki laju alir 150 mol/detik sebelum masuk kesistem pengenceran ini, maka berapakah laju alir molar udara agar campuran propana-udara yang masuk kedalam furnace berada pada kondisi LFLnya. 

JAWABAN

(a) Diagram permasalahannya adalah sebagai berikut:

(b) Bila propana memiliki laju alir 150 mol/detik, maka bisa dihitung laju alir campuran (F1) sebagai berikut:

Dari neraca mol propana, bisa kita hitung laju alir campuran setelah di encerkan (F3) sebagai beirkut:

Sehingga, bisa kita hitung laju alir molar udara (F2) dengan menggunakan neraca mol overall

Soal 2 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Dua buah larutan aqueous asam sulfat mengandung 20%-berat H2SO4 (SG=1,139) dan 60%-berat H2SO4 (SG=1,498) dicampurkan untuk membentuk 4 Molar larutan (SG=1,213).

(a) Hitunglah fraksi massa asam sulfat pada aliran produk
(b) Dengan asumsi massa umpan dengan SG=1,139 adalah 100 kg, berapakah rasio umpan? (Liter larutan SG 1,139/Liter larutan SG 1,498)


JAWABAN

(a) Mr H2SO4 = 2 + 32 + 64 = 98 g/mol = 0,098 kg/mol
SG larutan hasil pencampuran = 1,213 atau dengan kata lain densitas larutan tersebut adalah 1,213 kg/L apabila densitas air yang kita gunakan sebagai referensi adalah sebesar 1 kg/L

(b) Dari Neraca Massa Overall, didapat persamaan sebagai berikut:

Berikutnya, dari neraca massa air, didapat persamaan sebagai berikut:

Dengan menyelesaikan persamaan 1 dan persamaan 2, didapat nilai F2 = 44,4 kg dan F3 = 144,4 kg.

Dikarenakan dalam soal diminta menghitung rasio umpan dalam satuan volume per volume, maka nilai F2 dan F3 ini perlu dikonversi dahulu menjadi satuan volume dengan menggunakan nilai SG. Dengan asumsi bahwa fluida referensinya adalah air dengan densitas 1 kg/L, maka nilai SG masaing-masing larutan setara dengan nilai densitasnya. Sehingga, nilai volume untuk H2SO4 SG=1,139 (aliran 1) dan nilai volume untuk H2SO4 SG=1,498 (aliran 2) dapat dihitung sebagai berikut:

Sehingga dapat dihitung rasio umpan (V1/V2) sebagai berikut:

Soal 3 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Campuran cat mengandung 25% pigment dan sisanya air dijual seharga Rp.180.000/kg dan Campuran cat dengan 12% pigment dijual seharga Rp.100.000/kg. Bila anda adalah seorang retailer cat dengan kandungan pigment sebesar 17% dan hanya memiliki 2 opsi campuran cat diatas untuk dicampurkan, harus dijual pada harga berapa rupiah per kg cat supaya anda bisa menghasilkan profit 10%?

JAWABAN

Diagram berikut dibuat untuk membantu kita memahami permasalahan:

Neraca Massa Overall untuk sistem pencampuran dua jenis cat ini adalah sebagai berikut

Sedangkan untuk neraca massa pigment adalah sebagai berikut

Dengan menyelesaikan persamaan 1 dan persamaan 2 baik menggunakan metode substitusi maupun eliminasi, didapat nilai F1 = 0,385 kg dan F2 = 0,615 kg. Sehingga, dapat kita hitung biaya pencampuran kedua jenis cat tersebut untuk mendapatkan cat dengan 17% pigment sebagai berikut:

Agar mendapatkan untung 10%, maka Campuran cat tersebut harus dijual dengan harga

Referensi:
[1] Elementary Principles of Chemical Processes, Felder and Rousseau

Soal dan Pembahasan Neraca Massa - Azas Teknik Kimia

Soal 1 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Streptomycin digunakan sebagai antibiotik untuk melawan penyakit yang disebabkan oleh bakteri dan diproduksi melalui proses fermentasi bakteri dalam sebuah reaktor biologi berisi glukosa dan asam amino sebagai sumber makanannya. Setelah proses fermentasi selesai, Streptomycin diambil dengan mengontakkan larutan kaldu fermentasi dengan sebuah pelarut organik dalam suatu proses ekstraksi. Proses ekstrasi dapat berlangsung karena Streptomycin memiliki sifat afinitas yang lebih besar dalam pelarut organik daripada dalam larutan fermentasi. Gambar dibawah menunjukkan proses keseluruhan

Tentukan fraksi massa Streptomycin dalam larutan organik keluaran proses dengan asumsi tidak ada air dalam yang terkandung dalam pelarut dan tidak ada pelarut yang terbawa di larutan fermentasi. Asumsi densitas larutan fermentasi 1 g/cm3 dan densitas pelarut organik 0,6 g/cm3. 

JAWABAN

Untuk memudahkan penulisan, 

Larutan Fermentasi disimbolkan "A", Pelarut Organik disimbolkan "S", subscript "in" menunjukkan aliran masuk, subscript "out" menunjukkan aliran keluar.

Tinjau Neraca Massa Streptomycin disetiap aliran

Untuk menghitung fraksi massa Streptomycin dalam larutan organik keluaran proses ekstraksi, kita perlu menentukan massa Streptomicyn dan masssa solvent terlebih dahulu

massa solvent pada pelarut organik yang masuk dan keluar proses ekstraksi adalah sama karena asumsi "tidak ada pelarut yang terbawa ke larutan fermentasi"

Sehingga, massa solvent pada aliran keluaran dapat dihitung sebagai berikut:

Sedangkan, massa Streptomicyn dipelarut dapat dihitung sebagai berikut

Sehingga, fraksi massa Streptomicyn di pelarut organik keluaran proses ekstraksi adalah 

Soal 2 : Neraca Massa 1 unit tanpa reksi

Titanium dioksida, TiO2, adalah sebuah pigmen yang diproduksi secara masif dan digunakan secara luas pada industri cat dan kertas. Pada sebuah pabrik pigmen yang memproduksi 4000 lb/jam TiO2-basis kering, terdapat sebuah proses intermediate untuk memurnikan larutan garam yang mengandung TiO2 sehingga didapat produk akhir yang mengandung maksimal 100 ppm garam (1 ppm = fraksi massa 10-6) basis kering. Proses penghilangan garam ini menggunakan air sebagai pencucinya. Bila larutan pigmen yang masuk ke unit penghilangan garam ini mengandung 40% TiO2, 20% garam, dan sisanya air (%massa) dan bila pigmen yang sudah dicuci tersebut diharapkan mengandung 50% padatan TiO2, berapa %massa garam pada aliran air limbah bila F2/F1=6 ? 

JAWABAN

Dari soal, diketahui bahwa fraksi massa garam pada aliran produk bersih adalah 100 ppm basis kering. Artinya, dalam perhitungan fraksi tersebut tidak melibatkan air dalam perhitungan massa totalnya. Sehingga, fraksi massa garam dalam aliran produk bersih dapat dituliskan sebagai berikut:

Bagi kedua bagian pecahan (penyebut dan pembilang) dengan F3, dan masukkan fraksi massa TiO2 pada aliran 3 sebesar 50%, didapat:

Sehingga, didapat fraksi garam pada aliran produk bersih (3)

Berikutnya, dari neraca total pada aliran 3 basis kering, didapat laju massa total aliran 3 (F3) basis basah:

Kemudian, tinjau neraca massa TiO2 total dalam sistem. TiO2 hanya berada di aliran 1 dan 3, sehingga massa TiO2 pada aliran 1 sama dengan massa TiO2 pada aliran 3. Sehingga, didapat laju alir massa total aliran 1 (F1)

Dengan menggunakan perbandingan antara F2 dan F1, didapat nilai F2 sebagai berikut:

Dengan meninjau neraca massa total dari sistem, dapat dihitung nilai F4 sebagai berikut

Akhirnya, dengan menggunakan neraca massa garam, dapat dihitung fraksi massa garam di aliran air limbah (4). Garam berada pada aliran 1, 3, dan 4. Sehingga neraca massa garam tersebut dideskripsikan sebagai berikut:

Referensi:
[1] Introduction to Material and Energy Balances, Reklaitis and Schneider
[2] Basic Principles and Calculations in Chemical Engineering, Himmelblau and Riggs