Modul Neraca massa PDF

Preview

Summary

Mata Kuliah Perancangan Pabrik Modul 3 Neraca Massa PENDAHULUAN Neraca massa/material balance adalah suatu kegiatan menghitung aliran material dan perubahan pada material tersebut dalam sebuah sistem. Dalam modul ini saudara akan mempelajari mengenai tahapan – tahapan dalam perhitungan neraca massa ...

Description

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

Modul 3 Neraca Massa

PENDAHULUAN Neraca massa/material balance adalah suatu kegiatan menghitung aliran material dan perubahan pada material tersebut dalam sebuah sistem. Dalam modul ini saudara akan mempelajari mengenai tahapan – tahapan dalam perhitungan neraca massa suatu proses. Setelah menyelesaikan modul ini diharapkan saudara dapat menghitung dan memperkirakan sendiri jumlah aliran massa bahan baku untuk menjadi suatu produk jadi ketika terjun ke industri atau merancang usaha sendiri nantinya. Tujuan belajar neraca massa adalah : 1. Mendefinisikan sistem dan menggambar batasan – batasan sistem pada setiap neraca massa yang akan dibuat. 2. Menjelaskan perbedaan antara sistem terbuka dan tertutup 3. Menulis neraca massa umum dalam bentuk kata – kata termasuk semua aliran 4. Pisahkan proses yang tidak ada akumulasi, tidak ada generasi, atau konsumsi, tidak ada aliran massa masuk atau keluar 5. Masukkan persamaan material balance untuk menyederhanakan total massa masuk sama dengan keluar dan individualnya. 6. Jelaskan keadaan dimana massa senyawa masuk sistem sama dengan

massa

senyawa

keluar

sistem.

Ulangi

dengan

dibekali

dengan

menggunakan mole. Kompetensi yang diharapkan :  Menciptakan

sarjana

agroindustri

yang

pengetahuan yang lengkap mengenai perancangan proses industri yang bisa diterapkan di dunia industri pada bagian manajerial maupun untuk merancang membuat usaha sendiri (UMKM)

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

 Memahami dan memberi wawasan tentang mendefinisikan sistem, menggambarkan sistem pada setiap neraca massa yang akan diterapkan pada masing – masing peralatan.

KEGIATAN BELAJAR 1 A.

PENGERTIAN NERACA MASSA

Neraca massa adalah menghitung aliran material dan perubahan pada material tersebut dalam sebuah sistem.

Pada material balance kita tidak memperhatikan hal – hal yang kecil pada sistem, hanya material yang melewati sistem dan perubahan material dalam sistem yang diperhatikan.

B. Perhitungan dalam neraca massa Ada beberapa istilah yang digunakan dalam perhitungan neraca massa yang harus mahasiswa pahami. 1. Konversi : fraksi umpan atau beberapa material umpan yang dikonversi atau diubah menjadi produk

2. Selektivitas : Rasio mol produk yang diharapkan dan mol produk yang tidak diharapkan 3. Yield : fraksi mol produk yang dihasilkan dari umpan a. Untuk reaktan dan produk tunggal AB

b. Untuk double produk AB

Gusni Sushanti, S.T., M.T

dan A  C

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

4. Excess reaktan : reaktan yang ada berlebih dari limiting reaktan. % excess reaktan berdasarkan jumlah excess reaktan di atas jumlah yang dibutuhkan untuk bereaksi dengan limiting reaktan

5. Limiting reaktan : reaktan yang paling kecil jumlahnya dalam stoikiometri. 6. Rendemen : fraksi berat umpan yang berubah menjadi produk

Contoh : Berapa kg air yang keluar dari thickener per 100 kg wet sludge/lumpur basah yang masuk dalam thickener. Proses steady state seperti gambar : 100 kg

thickener

sludge

70 kg Sludge tanpa air

Air = ?

Sistem dalam hal ini adalah thickener merupakan sistem terbuka tidak ada akumulasi, generasi dan konsumsi yang terjadi Maka rumus total neraca massa In = out 100 kg = 70 kg + air Air = 100 kg – 70 kg = 30 kg

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

KEGIATAN BELAJAR 2 Perhitungan neraca massa pada peralatan Perhitungan kesetimbangan massa dikembangkan dengan cara merunut jumlah bahan yang masuk dan jumlah bahan yang keluar dari suatu proses, dengan cara meng-hitung jumlah satuan semua bahan yang digunakan, jumlah satuan produk yang dihasilkan, jumlah satuan bahan yang tertahan dalam sistem, dan jumlah bahan yang terbuang selama proses. Massa masuk = massa keluar + massa tersimpan Bahan mentah = produk + limbah + massa tersimpan Prosedur perhitungan kesetimbangan massa sangat ber-guna antara lain untuk mengetahui formulasi bahan, meng-etahui komposisi produk yang dihasilkan dari suatu proses pencampuran, mengetahui besarnya rendemen dari suatu hasil produksi, dan atau untuk mengetahui efisiensi pemisahan dalam suatu sistem pemisah mekanik. Contoh : Ikan hasil tangkapan yang tidak segar dapat diolah menjadi tepung ikan. Pada saat pengolahan, ampas dari pengekstrakan minyak ikan dikeringkan dalam rotary dryer. Ampas ikan masih mengandung 85% air (sisanya ampas kering). Pengeringan menguapkan 10 kg air, dan ampas kering masih mengandung air 50%. Hitunglah bobot ampas ikan yang diumpankan ke dalam rotary dryer. Jawaban : Langkah 1: gambar blok diagram aliran massa alat pengering W F

Rotary dryer

Air 85% Padatan 15%

Gusni Sushanti, S.T., M.T

10 kg Air

P Air 50% Padatan 50%

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

Langkah 2: Tentukan basis perhitungan Basis : 10 kg air yang diuapkan

Langkah 3: Tentukan pertanyaan Berapa jumlah umpan (F) dan jumlah produk (P)

Langkah 4: Buat neraca massa total F=P+W F = P + 10

Langkah 5: Neraca massa komponen 

Air 0,85 F = W + 0,5 P 0,85 F = 10 + 0,5 P 0,85 (P + 10) = 10 + 0,5 P 0,85 P + 8,5 = 10 + 0,5 P 0,35 P = 1,5 P = 4,28 kg



Padatan 0,15 F = 0,5 P 0,15 F = 0,5 (4,28) F = 14,28 kg

Kesimpulan : Bobot umpan (F) = 14,28 kg dan bobot Produk (P) = 4,28 kg Bobot air pada umpan = 85% x 14,28 = 12,14 kg Bobot padatan umpan = 15% x 14,28 = 2,14 kg Bobot air pada produk = 50% x 4,28 = 2,14 kg Bobot padatan produk = 50% x 4,28 = 2,14 kg

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

Tabel neraca massa Komponen Air

Masuk F

Keluar W

P

12,14

10

2,14

2,14

-

2,14

Total

14,28

10

4,28

Total

14,28

Padatan

14,28

RANGKUMAN Salah satu tujuan dari program studi agroindustri adalah menciptakan mahasiswa yang mampu dan terampil dalam rekayasa yang dipadukan dengan

kemampuan

menajerial

yang

dapat

mengembangkan

agroindustri.

Terampil dalam merencanakan, melaksanakan kegiatan, memecahkan masalah dengan tanggungjawab mandiri. Dan mempunyai kemampuan dalam membangun usaha berbasis UMKM agroindustri yang dilandasi jiwa kewirausahaan. Agar usaha dapat dibangun, perlu perencanaan, dan dasar dari perencanaan adalah perhitungan aliran massa/bahan yang masuk

maupun

yang

dihasilkan.

Perhitungan

neraca

massa

ini

perhitungan aliran material dan perubahan yang terjadi dalam material tersebut dalam suatu sistem.

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

LATIHAN SOAL Membran digunakan untuk memisahkan kandungan oksigen dan nitrogen pada limbah udara. Hitung komposisi keluaran limbah bila jumlah limbah 80% dari umpan.

W=80%F X% O2 Y% N2

F 21% O2 79% N2

Membran

P 25% O2 75% N2

(jawaban: 20% O2, 80% N2)

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

DAFTAR PUSTAKA Himmelblau, Riggs and David.M, James, 1989. Basic Principles and Calculation in Chemical Engineering, Fifth Edition. Prentice Hall International Series in the Physical and Chemical Engineering Sciences. New Jersey

Brennan, et.all, 1974. Food Engineering Operation. Applied Science Publisher limited, London.

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

Modul 4 Perancangan Peralatan

PENDAHULUAN Tahap-tahap Kegiatan dalam Mempersiapkan Suatu Rancangan Sistem Produksi

. Perancangan Awal •

Merumuskan tujuan dari perancangan : – Produk apa yang hendak dihasilkan? – Proses apa yang perlu disusun untuk menghasilkan produk itu? – Bahan apa yang hendak diproses? – Apa saja persyaratan dan kendala yang ada?

•

Merumuskan struktur proses untuk merealisasikan konversi dari bahan asal menjadi produk

•

Merumuskan struktur sistem pemroses yang dapat mengakomodasi dan merealisasikan proses

•

Merumuskan menggerakkan

sistem

manajemen

beroperasinya

untuk

mengendalikan

sistem organisasi

kerja

dan untuk

mengoperasikan sistem pemroses •

Merumuskan

sistem

manajemen

untuk

mengendalikan

dan

menggerakkan beroperasinya sistem organisasi kerja •

Melakukan penilaian keekonomian sistem secara keseluruhan

•

Melakukan analisis untuk menilai dampak keseluruhan sistem terhadap lingkungannya.

B. Kaji Kelayakan Melakukan penilaian kelayakan diwujudkannya sistem produksi tersebut untuk menjawab tuntutan kebutuhan nyata.

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

C. Rancang bangun (perancangan teknis/engineering desain) Merumuskan secara terinci dan spesifik : •

spesifikasi sistem

•

petunjuk kerja untuk membangun sistem produksi

D. Konstruksi •

Merumuskan secara terinci rencana kerja untuk mengkonstruksi

•

Melaksanakan konstruksi

E. Uji Coba dan Commisioning Menguji apakah sistem berfungsi sesuai dengan yang dikehendaki dan mendemonstrasikan serta mendapatkan kesepakatan bahwa sistem berfungsi sesuai dengan yang dikehendaki F. Operasi Melaksanakan operasi sistem dan menjaga agar sistem berfungsi sesuai tujuan. Dalam industri proses, pengolahan bahan mentah menjadi produk umumnya mengalami beberapa tahap yaitu a. proses penyiapan bahan mentah, b. proses reaksi kimia, c. proses pemisahan produk, d. dan proses penyempurnaan produk e. Jika pabrik penghasil bahan baku berdekatan, penyimpanan bahan baku biasanya dibuat untuk beberapa jam, setiap hari. f. Storage yang dibutuhkan tergantung pada keadaan material, metode pemesanan, apakah terjamin suplai kontiniu atau tidak. g. Jika material dipesan melalui kapal diperlukan stok beberapa minggu. Jika melalui rel atau jalan raya, tidak diperlukan stok

Persiapan umpan reaktor Bahan - bahan yang masuk ke suatu proses sebahagian besar kondisi operasi seperti konsentrasi, temperatur, dan tekanan sering tidak sesuai dengan kondisi yang diinginkan dalam reaktor. Blok ini dibutuhkan untuk

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

mengubah kondisi aliran umpan menjadi kondisi seperti yang dibutuhkan oleh reaktor Sebagai contoh, – Jika temperatur umpan 30oC sedangkan reaksi dalam reaktor

membutuhkan

beroperasi

secara

temperatur

isotermal

80 oC,

maka

dan

pelu

reaktor

dilakukan

pemanasan umpan – Jika bahan baku masih berbentuk padat, sedangkan reaksi membutuhkan fasa cair, maka padatan tadi harus dilarutkan. – Jika bahan baku mengandung impuritis, dan mengganggu reaksi, maka impuritis harus dihilangkan.

Reaktor Semua reaksi berlangsung dalam blok ini. Aliran yang meninggalkan blok ini mengandung produk yang diinginkan, reaktan yang tidak bereaksi, dan produk samping yang tidak diinginkan yang dihasilkan dari persaingan reaksi dan produk samping yang tidak diinginkan yang dihasilkan dari persaingan reaksi.

•

Persiapan Umpan Separator Aliran yang keluar dari reaktor umumnya belum berada pada

kondisi yang sesuai untuk pemisahan produk, produk samping, aliran buangan, dan reaktan sisa. Unit yang termasuk dalam blok ini adalah mengubah temperatur dan tekanan terhadap aliran keluar reaktor. •

Blok Pemisah Pemisahan produk, produk samping, aliran buangan, dan umpan

sisa melalui proses fisika. Contoh distilasi, absorpsi, ekstraksi dll •

Blok Recylce (pengembalian umpan ke reaktor) Setelah produk reaktor dan produk samping dipisahkan dari

material yang tidak bereaksi. Jika jumlah cukup, material yang tidak bereaksi akan di recycle ke reaktor. Material tersebut dapat direcycle

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

secara langsung ke reaktor atau ke bagian pemurnian umpan dan tahap persiapan. •

Pemurnian Sebelum dijual, produk utama biasanya membutuhkan pemurnian

untuk mencari spesifikasi produk. Jika produk samping dihasilkan dalam jumlah ekonomis, maka produk samping tersebut juga dapat dimurnikan untuk dijual •

Pengontrolan Lingkungan Semua proses kimia menghasilkan limbah dan wajib dikontrol untuk

menghindari pencemaran lingkungan •

Penyimpanan produk Ketentuan pengemasan produk dan transport tergantung pada

keadaan produk. Produk yang berbentuk cairan biasanya dikirim dalam drum dan tanker curah ( jalan, rel kereta api, dan laut) sedangkan padatan biasanya dikemas dalam karung, karton atau bungkus.

Dalam suatu industri, selain proses utama juga harus ada proses pelengkap. Proses pelengkap yang umumnya dibutuhkan di pabrik adalah air proses, air pendingin, udara kompresi dan steam. Fasilitas lain yang juga dibutuhkan adalah untuk maintenance, pemadam api, kantor, laboratorium dan akomodasi lain.

Bagaimana membuat proses input dan output perbagian peralatan Contoh : Gambarkan model input / output untuk : a. Pompa b. Heat exchanger dimana aliran proses yang dipanaskan menggunakan steam kondensat c. Kolom destilasi

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

a. Neraca massa pada pompa mempunyai 1 input dan 1 output. Neraca energi pada pompa menandakan bahwa ada energy yang masuk kedalam aliran proses b. Heat exchanger menggunakan utilitas dimana ada salah satu aliran masuk proses dan yang lainnya keluar proses. Utilitas juga mengalirkan steam (input) dan kondensat (output) dari heat exchanger. c. Kolom destilasi Aliran prosesnya adalah : umpan, bottom dan destilat. Aliran utilitas adalah steam pada reboiler dan air pendingin pada condenser. Aliran recyclenya, reflux dari condenser dan boil-up dari reboiler.

Gusni Sushanti, S.T., M.T

Mata Kuliah Perancangan Pabrik

Daftar Pustaka Backhurst and J.H. Harker, 1973.Process Plant Design.Heineman Educational Books. London.

Mc. Cabe and Smith , 1983. Unit Operation Chemical Engineering.

Jone, D.S.J, 1996. Elements Chemical Process Engineering. John Wiley & sons. New York.

Gusni Sushanti, S.T., M.T...