TL 2104 PTL
TL 2104 PENGANTAR TEKNIK LINGKUNGAN Prodi Teknik Lingkungan Fakultas Teknik Sipil dan Lingkungan Institut Teknologi Bandung
TL 2104 PTL
Pendahuluan • Tugas seorang Environmental Engineer: • Desain unit-unit pengolahan • Supervisi keberlangsungan suatu operasi unit proses • Modifikasi/redesain unit proses apabila terjadi perubahan input atau output yang diinginkan • Konsekuensi tugas tsb: Mengetahui dan memahami jumlah, komposisi (karakteristik) dan kondisi material yg masuk dan keluar kualitas dan kuantitas
Pemahaman karakteristik fisik dan kimia fluida yang diolah: masa dan volume, laju aliran, neraca massa, dll
TL 2104 PTL
Proses dan Variabel Proses - 1
Massa dan Volume:
• • •
• •
Kerapatan (density) suatu bahan/zat: massa per satuan volume (kg/m3, gr/cm3) Untuk konversi, misal: kerapatan CCl4 adalah 1,595 gr/cm3 sehingga massa 20 cm3 CCl4 adalah 20 x 1,595 = 31,9 gr Volume spesifik suatu bahan: volume per satuan massa Kerapatan relatif: referensi standard (tdk dipengaruhi tekanan atau temperatur)
TL 2104 PTL
Proses dan Variabel Proses - 1 Massa dan Volume:
• •
•
Specifik gravity (SG) suatu bahan adalah perbandingan kerapatan bahan tsb dgn kerapatan bahan referensi ref pada suatu kondisi spesifik: SG = /ref Referensi yang umum digunakan adalah air (water) pada temperatur 40C yaitu: ref (H2O, 40C) = 1 g/cm3 = 1 g/ml = 1 kg/liter = 1000 kg/m3 = 62,43 lb/ft3 • Contoh: suatu benda memiliki berat 2 kg dalam 1 liter, artinya memiliki spesific gravity 2.
TL 2104 PTL
Contoh Specific Gravity • Air • Ethanol • Garam dapur • Aluminium • Besi • Tembaga • Mercury • Emas • Osmium
1 0,78 2,17 2,7 7,87 8,96 13,56 19,3 22,59
TL 2104 PTL
Proses dan Variabel Proses - 1 •
Contoh: SG Hg pd 200C = 13,546 berapa volume 215 kg Hg?
•
Hg = (13,546)(1 g/cm3) = 13,546 g/cm3 = 13,546 kg/dm3 = 13,546 kg/liter.
•
Volume 215 kg Hg = (215 kg/13,546) = 15,87dm3 = 15,87 liter
TL 2104 PTL
Proses dan Variabel Proses - 2 • Flow rate (debit)/laju aliran: • Proses kontinu melibatkan pergerakan bahan dari suatu titik ke titik lainnya
(transportasi). Kecepatan bahan ditransportasikan melalui suatu garis proses: flow rate • Ekspresi flow rate: massa (massa/waktu) atau volume (volume/waktu) m (kg/dtk) V (m3/dtk)
• Flow rate suatu fluida harus diketahui dalam suatu aliran proses untuk
perhitungan dan perancangan unit proses. • Flow rate volume untuk keperluan praktis lebih mudah karena dapat diukur secara cepat dengan menggunakan alat-alat tertentu
TL 2104 PTL
Proses dan Variabel Proses - 3 • Komposisi Kimiawi: • Mol dan Berat Molekul • Masa dan Fraksi Mol • Konsentrasi
• Tekanan • Temperatur • Pengaruh tekanan dan temperatur terhadap karakteristik fisik suatu
fluida
TL 2104 PTL
Neraca Massa - 1 • Hukum Kekekalan Massa: massa tidak dapat diciptakan/dibuat dan tidak
dapat dihancurkan/dimusnahkan, sehingga dalam suatu proses: Total massa input = total massa output • 150 kg sulfur dalam batu bara dibakar dalam suatu boiler di power plant
maka jumlah sulfur yang terkandung dalam bottom dan fly ash serta gas yang dialirkan melalui cerobong adalah 150 kg. • Desain atau analisis suatu unit proses harus dilengkapi dengan
perhitungan neraca massa • Berkaitan dengan jumlah massa yang akan diolah, jumlah massa di
output sebagai produk utama dan sampingan serta jumlah massa yang terakumulasi dalam proses
TL 2104 PTL
Neraca Massa - 2 • Klasifikasi Proses: • Batch: tidak ada masukan maupun keluaran selama proses • Kontinu • Semi batch
• Variabel proses (T, P, V, Q, dll) tidak berubah dengan waktu (relatif
konstan): Kondisi Tunak (steady state) • Variabel proses berubah dengan waktu: kondisi transien atau tidak tunak • Proses batch atau semi batch: transien, sedang proses kontinu dapat kondisi tunak maupun transien. • Proses batch digunakan dilakukan untuk produksi jumlah kecil atau proses tunggal (pencemar spesifik) sedangkan proses kontinu untuk jumlah besar dan diupayakan kondisi tunak.
TL 2104 PTL
Persamaan Umum Neraca Massa Input + Produksi – output – konsumsi = akumulasi • • • • •
Input = jumlah massa masuk ke dalam sistem Produksi = jumlah massa dihasilkan dalam sistem Output = jumlah massa meninggalkan sistem Konsumsi = jumlah massa dipakai dalam sistem Akumulasi = tersusun dalam sistem
• Contoh: setiap tahun 50000 org pindah ke kota dan 75000 org keluar kota.
Pada periode waktu yang sama, 22000 org lahir dan 19000 org mati. Maka neraca penduduk kota tersebut adalah: 50000 + 22000 – 75000 – 19000 = akumulasi (A) A = - 22000, artinya kota tersebut setiap tahun berkurang 22000 orang
TL 2104 PTL
Macam Neraca Massa • Neraca diferensial: • neraca yang menunjukkan perubahan yang terjadi dalam suatu periode waktu
tertentu. • Setiap bagian dari persamaan neraca merupakan suatu harga laju (laju pertumbuhan, laju masukan, laju pembentukan, dll) dgn satuan kuantitas per waktu (org/tahun, gr/dtk, m3/dtk, dll). • Biasanya digunakan dalam proses kontinu • Neraca Integral: • Menunjukkan perubahan sesaat yang terjadi antara dua waktu. • Setiap bagian dari neraca merupakan jumlah kuantitas neraca (orang, gram,
m3, dsb) • Biasanya digunakan dalam proses batch/curah dgn dua waktu sesaat: saat memberikan umpan/masukan dan saat sebelum produk dikeluarkan
Paul Ashall, 2008
Contoh – batch mixing process 200 kg larutan methanol (40%) dicampur dengan 100 kg larutan methanol (70%) dalam sebuah bejana pencampur. Berapa kuantitas dan komposisi akhir? 200 kg of a 40% w/w methanol/water solution is mixed with 100 kg of a 70% w/w methanol/water solution in a batch mixer unit. What is the final quantity and composition?
Paul Ashall, 2008
continued Total initial mass = total final mass = 300 kg Initial methanol mass = final methanol mass = (200 kg x 40%) + (100 kg x 70%) = 80 + 70 = final methanol mass = 150 kg Therefore final composition of batch is (150/300) x 100 = 50 % by weight.
15
CHBI 201
STEADY-STATE (TUNAK) Steady-State (Tunak) Tidak ada perubahan terhadap waktu akumulasi = 0
100 kg/mnt H2O
500 kg H2O
100 kg/mnt H2O
Rate of addition = Rate of removal Unsteady-State (transient system) {Input} ≠ {Output}
16
CHBI 201
JENIS PROSES Proses Batch Memasukkan hanya diawal proses
Proses Kontinyu Aliran masukan dan keluaran terus-menerus terjadi selama proses berlangsung
Proses Semibatch Setiap proses diluar batch dan kontinyu
TL 2104 PTL
Neraca Massa Proses Kontinu yang Tunak • Persamaan umum:
Masukan + pembentukan = keluaran + pemakaian (Input) (produksi) (ouput) (konsumsi) • Akumulasi = 0 krn jumlah massa dalam sistem tidak berubah dengan
waktu • Contoh: 1000 kg/jam suatu campuran mengandung 50% benzene (B) dan 50% toluene (T) yang akan dipisahkan dengan cara destilasi pada kondisi tunak menjadi 2 fraksi. Laju aliran B pd bagian atas adalah 450 kg B/jam dan laju aliran T pd bagian bawah adalah 475 kg T/jam. Tuliskan neraca massanya. • Jawab:
Pd kondisi tunak: akumulasi = 0. Tidak ada reaksi kimia, sehingga produksi = konsumsi = 0. Sehingga neraca massanya: Input = Output
18
CHBI 201
Balances on Continuous Steady-state Processes Input + Generation = Output + Consumption If the balance is on a nonreactive species, the generation and consumption will be 0. Thus, Input = Output Example Input of 1000 kg/h of benzene+toluene containing 50% B by mass is separated by distillation column into two fractions. B: the mass flow rate of top stream=450 kg/h T: the mass flow rate of bottom stream=475 kg/h m1 kg Toluene/h 450 kg Benzene/h 1000 kg /h Benzene + Toluene %50 Benzene by mass
Distillation 475 kg Toluene/h M2 kg Benzene/h
19
CHBI 201
Balances on Continuous Steady-state Processes Solution of the example Benzene balance
Input = Output
.
1000 kg/h · 0.5 = 450 kg/h + m2 . m2 = 50 kg/h Benzene Toluene balance
. 1000 kg/h · 0.5 = 475 kg/h + m1 . m1 = 25 kg/h Toluene
TL 2104 PTL
Neraca Integral Proses Batch • Pada proses bacth tidak ada massa yg masuk dan keluar meninggalkan reaktor
selama proses, sehingga persamaan umum: pembentukan = akumulasi • Massa yg terakumulasi = keluaran akhir – masukan awal = pembentukan – konsumsi
• Sehingga:
Masukan awal + pembentukan = keluaran akhir + konsumsi • Contoh:
2 campuran methanol-air terdapat dalam wadah yg terpisah. Campuran 1: 40%(berat) methanol dan campuran 2: 70% (berat). Jika 200 gr campuran 1 dicampur dengan 150 gr campuran 2, brp massa dan komposisi produk • Jawab: • tdk ada reaksi, sehingga input = output • Neraca massa total = 350 gr • Neraca Methanol = 200 (0,4) + 150 (0,7) = 185 = 350 x 53% = massa total x %methanol • Neraca Air = 200 (0,6) + 150 (0,3) = 165 = 350 x 47% = massa total x (1- %output methanol)
TL 2104 PTL
Neraca Integral dalam Semi Batch • Persamaan neraca diferensial dalam sistem jika diintegrasikan diantara 2
waktu sesaat dapat diperoleh dengan persamaan necara integral. • Contoh:
Udara dihembuskan ke dalam suatu tangki cairan hexan dengan laju aliran sebesar 0,100 k mol/menit. Aliran gas yg meninggalkan tangki mengandung 10 mol % uap hexan. Dengan asumsi udara tidak larut dalam dalam hexan, gunakanlah neraca integral untuk memperkirakan waktu yang diperlukan untuk menguapkan 10 m3 hexan. • Jawab:
Neraca diferensial udara: input = output Neraca hexan: akumulasi = - output akumulasi = -10 (0,659 x 1000) (1 k mol/86 kg) = -76,45 kmol = 0,1 Q dt = 0,1 Q tt
