5 bab iv proses dengan sistem aliran kompleks

  

NME D3

Sperisa Distantina

BAB IV PROSES DENGAN SISTEM ALIRAN KOMPLEKS Dalam industri kimia beberapa macam sistem aliran bahan dilakukan dengan

  tujuan antara lain: 1. menaikkan yield.

  2. mempertinggi konsentrasi hasil. 3. menghemat energi yang dipakai/bahan kimia yang dipakai. 4. memperbaiki sistem pengendalian proses.

  Proses dengan aliran kompleks dijalankan pada proses kontinyu. Beberapa macam sistem aliran bahan yang dipakai antara lain:

  1. ALIRAN RECYCLE Contoh a: Produksi TiCl

  4

  dari HCl dan TiO

  2 .

  Contoh b: Pembentukan BaSO

  4

  dari H

  4

  dan HClO

  4

2 SO

  Contoh c: Pembentukan NO dari O dan NH

  2

  3

  2. ALIRAN BY-PASS

  3. ALIRAN RECYCLE DENGAN PURGING 4. ALIRAN RECYCLE DENGAN MAKE-UP.

  Contoh : Kolom distilasi memisahkan 10.000 lb/jam campuran benzen dan

  50% toluen. Arus uap masuk kondenser dari bagian atas menara mempunyai keceatan 8000 lb/jam. Distilat yang diperoleh berisi 95% benzen dan hasil bawah menara berisi 96% toluene. Sejumlah distilat dikembalikan (recycle) ke bagian atas menara sebagai arus refluk. Tentukan rasio arus refluk terhadap arus Distilat.

  Penyelesaian : Catatan: Di sini digunakan kondenser total,

  a. skema diagram alir: berarti : a. semua uap V akan terembunkan.

  Uap, V= 8000lb/j: b. Komposisi uap = komposisi distilat. Benzen = 0,95 Toluen=0,05 kondenser total Distilat, D:

  Refluk, L Benzen =0,95 Toluen =0,05 F=10.000lb/j:

  Benzen = 0,5 (fr.berat) Toluen =0,5 Reboiler parsial Bottom, B:

  Benzen =0,04 Toluen =0,96 Loop A

  Gambar menara distilasi sederhana

  Dicari: R=L/D

a. Penyusunan persamaan:

  NM Total di sekitar MD (loop A):

  Uap, V= 8000lb/j:

  Input = output

  Benzen = 0,95

  F = D + B

  Toluen=0,05

  10.000 = D + B (1)

  kondenser total Lb campuran input/jam Lb campuran output/jam

  Distilat, D Refluk, L Benzen =0,95 Toluen =0,05

  F=10.000lb/j Benzen = 0,5 (fr. berat) Toluen =0,5 Reboiler parsial

  Bottom, B: Benzen =0,04 Toluen =0,96 Loop A

  NM benzen di sekitar MD (loop A): Benzen input = benzen output 10.000 . 0,5 = D . 0,95 + B . 0,04 (2) jika ditulis satuannya:

  lb umpan lb benzen lb distilat lb benzen lb Bottom lb benzen

• =

  jam lb umpan jam lb distilat jam lb bottom

  Karena menyusun NM benzen, maka setiap suku harus mempunyai satuan yang sama, yaitu lb benzen/jam.

  Dari persamaan (1) dan (2) nilai D dan B dapat ditentukan. NM Total di sekitar kondenser (loop B):

  Uap, V= 8000lb/j:

  Input = output

  Benzen = 0,95 Toluen=0,05

  V = L + D (3)

  Loop B

  8000 = L + D Nilai D disubstitusi ke pers (3), kondenser total

  Distilat, D sehingga L dapat ditentukan. Refluk, L Benzen =0,95

  Toluen =0,05 F=10.000lb/j Benzen = 0,5 Toluen =0,5

  Reboiler parsial Bottom, B: Benzen =0,04 Toluen =0,96

  Maka rasio R = L/D =...................

  Soal latihan NERACA MASSA proses fisis DENGAN aliran KOMPLEK

  1. Akan dibuat konsentrat jeruk yang berisi 42 % padatan dari larutan jeruk 12% padatan. Mula-mula, larutan jeruk 12% padatan diumpankan ke evaporator, sehingga sebagian airnya teruapkan. Larutan yang dihasilkan evaporator ini berisi 58% padatan. Untuk mengganti aroma yang ikut teruapkan dalam evaporator, maka larutan jeruk 58% padatan ini dicampur dengan larutan jeruk 12% padatan, sehingga dihasilkan konsentrat jeruk 42 % padatan yang masih beraroma jeruk. Jika diinginkan 100 Kg/hari konsentrat jeruk, tentukan semua kecepatan arus lainnya.

  2. Larutan gula 25% dipekatkan dalam evaporator sehingga dihasilkan larutan gula 50%. Hasil evaporator ini diumpankan ke kristaliser, sehingga diperoleh kristal gula 95% dan arus larutan gula 37,5%. Larutan gula 37,5% ini dikembalikan (didaur ulang/recycle) ke evaporator lagi. Jika diproduksi kristal gula 100 Kg/jam, tentukan semua kecepatan arus yang belum diketahui.

  3. Kg/jam larutan 33,3% K CrO digabung dengan

  Empat ribu lima ratus

  2

  4

  arus recycle yang berisi 36,36% K CrO , dan campuran kedua arus ini

  

2

  4

  diumpankan ke evaporator. Larutan pekat hasil evaporator berisi 49,4% K CrO dan arus ini diumpankan ke kristaliser. Karena pendinginan di

  2

  4

  dalam kristaliser ini, terbentuklah kristal basah K CrO dan arus larutan

  2

  4

  induk berisi 36,36% K CrO yang direcycle ke evaporator. Kristal

  2

  4

  basah berisi 95% kristal K CrO dan 5% cairan yang berisi 36,36%

  2

4 K CrO . Rasio kristal yang terbentuk : cairan induk = 90 : 10 Tentukan

  2

  4

  kecepatan: a. air yang teruapkan di evaporator. b.Kristal yang terbentuk.

  c. Umpan evaporator.

  d. Recycle.

  Contoh Neraca Massa proses kimia dengan aliran komplek :

Kasus : TiCl dihasilkan dengan mereaksikan Titanium dioksid dengan asam

  4

  klorid di dalam reaktor. TiO disuplai dari bijih yang mengandung 78%

2 TiO . HCl yang tersedia terdapat dalam larutan HCl 45%. Konversi TiO

  2

  2

  adalah 75%. HCl yang diumpankan berlebihan 20%. Produk hasil reaktor diumpankan dalam separator. Dalam separator dapat dipisahkan TiO murni

  2

  yang kemudian didaurulang diumpankan kembali ke reaktor. Jika dihasilkan TiCl sebanyak 189,7 Kg/jam, tentukan Kg/jam:

  4 a. bijih yang dibutuhkan.

  b. larutan HCl yang dibutuhkan.

  c. TiO 2 yang didaurulang. (BM TiO =79,9; HCl = 36,47; TiCl 189,7). Lihat skema halaman 1.

  2

4 Penyelesaian:

a. Skema diagram alir

  1. Tulis reaksi,

  

Ingat : untuk NM yang melibatkan reaksi kimia maka bekerjalah

dengan satuan mol.

  = 189,7 Kg/j =1 kmol/j TiO ^{2 +4HCl TiCl 4 +2H 2} X=75%; excess HCl=20%

TiO

₂

Dicari :

HCl

TiO ₂ F1, H

^{2 O}

Inert

  F,

  

TiCL

₄ Inert R.

b. NM di sekitar keseluruhan alat:

  = 189,7 Kg/j =1 kmol/j TiO +4HCl TiCl +2H ₂

₄

₂ X=75%; excess HCl=20%

TiO

² TiO ² HCl Inert H O

₂

TiCL ⁴ Inert

  NM TiCL :

4 Input + reaksi = output

  0 + reaksi = 1 jadi TiCl yang dihasilkan dari reaksi = 1 kmol/jam.

4 NM TiO4 :

  Input – reaksi = output (F. 0,78)/79,9 - reaksi = 0 Kmol TiO /j

  4 Tetapi F adalah Kg TiO /j.

  4 Berdasarkan persamaan reaksi, jika TICL 4 yang dihasilkan dari reaksi = 1 kmol/jam, maka TiO yang bereaksi = 1 kmol/jam.

  4 Maka, F = (1 . 79,9 )/ 0,78 = 102,435 kg/jam.

c. NM di sekitar separator :

  = 189,7 Kg/j =1 kmol/j TiO +4HCl TiCl +2H ₂

₄

₂ X=75%; excess HCl=20%

TiO

²

TiO ₂ 102,435 Kg/j HCl Inert H

^{2 O}

TiCL

⁴ Inert

  NM TiCL :

4 Input=output

  Input = 1 kmol/j Jadi TiCl input separator = 1 kmol/j.

  4 NM TiO :

  2 Input =output

  Input = R R belum diketahui.

d. NM di sekitar reaktor:

  = 189,7 Kg/j =1 kmol/j TiO ^{2 +4HCl TiCl 4 +2H 2} X=75%; excess HCl=20% 102,435 Kg/j TiO = R

₂

TiO ₂ HCl Inert

  

H O

₂

TiCL = 1 kmol/j ₄ Inert

  NM TiCl :

4 Input + reaksi = output

• reaksi = 1 kmol/j maka TiCl yang dihasilkan dari reaksi di reaktor = 1 kmol/jam.

  4 NM TiO 2 :

  Input – reaksi = output Input – reaksi = R

  Jika TiCl yang dihasilkan dari reaksi di reaktor = 1 kmol/jam, maka TiO

  4 2 yang bereaksi = 1 kmol/j. TiO umpan reaktor = 1,333 kmol/j

  2

  = TiO

  

2 input = Ti0

2 dalam G

  maka : 1,333 - 1 = R R = 0,333 kmol/j.

  NM HCl: Input – reaksi = output (0,45. F1 / 36,46) – reaksi = output HCl yang bereaksi = 4 x (Ti0 yang bereaksi) = 4. 1 = 4 kmol/j

2 Dari definisi % excess :

  20% = (kelebihan HCL jika TiO habis bereaksi) dibagi (kebutuhan HCL jika

  2 Ti0 2 habis bereaksi)

  kelebihan HCL = ( 0,45. F1 / 36,46) – ( 4 . 1,333) = (0,0123. F1 - 5,332) kmol/j kebutuhan HCL teoritis = 4 . 1,333 = 5,332 kmol/j

  0,0123 .F1 5,332

−

maka, 20%

  = 5,332 F1 520,195 Kg/j

  =

  maka NM HCL: Output = (0,45. F1/36,46) – 4 = 2,420 kmol/j NM H

2 Input + reaksi = output

  (0,55. F1/18) + 2 ( Ti02 yang bereaksi) = output output = (0,55. F1/18) + 2. 1 = 17,895 kmol/j

  e. kesimpulan: = 189,7 Kg/j =1 kmol/j TiO ^{2 +4HCl TiCl}

^{4 +2H}

² X=75%; excess HCl=20% 520,195 kg/j

  102,435 Kg/j

TiO

^{2 =0,333 Kgmol/j} HCl=2,42 kmol/j TiO ^{2 =1,333 kmol/j} H O=17,895kmol/j

₂

Inert

TiCL

^{4 = 1 kmol/j}

Inert

  0,333 kmol/j

  Soal latihan Neraca Massa proses kimia dengan aliran komplek

  1. Pada produksi amoniak dari gas H

  2 dan N 2 . Bahan baku berisi gas H 2 , N 2 ,

  dan 0,2% Ar. Gas hasil reaktor mengalir ke kondenser sehingga amoniak dapat mengembun, sedangkan gas-gas yang lain tidak mengembun. Diinginkan gas H dan N yang belum bereaksi diumpankan lagi ke

  2

  2 reaktor. Jika arus recycle ini hanya boleh berisi gas Ar sebanyak 5%.

  Berapa kecepatan purging?

  2. Di pabrik asam sulfat, sulfur dibakar menggunakan udara sehingga diperoleh gas sulfur dioksid. Gas SO ini diumpankan ke reaktor dan

  2

  bereaksi dengan oksigen sehingga terbentuk gas sulfur trioksid. Udara dari lingkungan dengan 10% berlebihan diumpankan ke reaktor ini.

  o

  Reaktor beroperasi pada 1500 C dan 1 atm. Konversi dalam reaktor ini 75%. Gas hasil reaktor dipisahkan dalam separator, sehingga gas SO

  2

  6

  3

  yang belum bereaksi dapat didaurulang. Jika 10 m /jam gas SO pada

  2 o

  1000 C dan 1 atm diumpankanke reaktor, hitung: a. kecepatan Produk keluar separator.

  b. Kecepatan Recycle. petunjuk tambahan:

  1. Lengkapi skema dengan persamaan reaksi, data kualitatif arus G dan arus keluar converter, gunakan SO dalam F sebagai basis perhitungan.

  2 2. Hitung F dalam Kgmol/hr.

  3. Susun NM SO dan NM SO di keseluruhan alat.

  2

  3 4. Susun NM SO di sekitar separator .

  3 5. Susun NM SO dan SO di sekitar reaktor , gunakan data konversi.

  3

  2 6. Susun NM SO di sekitar gas mixer.

  2

  4

  )

  4

  2

  )

  4

  dalam suatu reaktor, dengan reaksi: Ba(ClO

  4

  2 SO

  dan H

  2

  4

  3. Pabrik asam sulfat dengan proses kontak, yaitu penyerapan gas SO

  4. Asam perclorat dihasilkan dengan mereaksikan Ba(ClO

  c. larutan asam sulfat 98% yang dihasilkan.

  b. larutan asam sulfat 97,3% yang diumpankan ke dalam menara.

  sulfat 97,3% diumpankan pada bagian atas menara. Proses ini menghasilkan larutan asam sulfat 98%. Asam sulfat 97,3% yang digunakan dihasilkan dengan mencampur sebagian asam sulfat 98% dengan asamsulfat 95,9%. Tentukan berapa lb/jam: a. larutan asam sulfat 95,9%.

  3 yang terserap sebanyak 98,5% pada menara ini. Larutan asam

  dialirkan ke bagian bawah menara absorber dengan kecepatan 28 lbmol/jam dan SO

  3

  menggunakan larutan asam sulfat 97,3%. Gas yang berisi 8% SO

  3

• H
• > BaSO
• 2HClO

2 SO

  umpan Ba(ClO

  )

  2 .

  b. lb/jam H

  2 SO

  4 yang dibutuhkan.

  ( BM: Ba(ClO

  4

  2

  4

  =336; BaSO4 =233; H

  2 SO

  4

  =98; HClO

  4

  =100,5 ) Lihat skema di halaman 1.

  )

  a. konversi Ba(ClO

  4

  0,729% mol dan HClO

  )

  2

  berasal dari arus yang berisi Ba(ClO

  4 Asam sulfat 100% diumpankan dengan 20% berlebihan, sedangkan

  )

  2

  4 . Hasil reaktor diumpankan dalam separator untuk memurnikan

  didaurulang , tentukan :

  hasil. Jika dihasilkan 17,400 lb/jam HClO

  4

  dari separator, dan 6125 lb/jam Ba(ClO

  4

  )

  2

  4