Neraca Massa — Teknik Kimia

Neraca massa, yang juga disebut neraca material, adalah aturan bahwa massa yang masuk ke suatu sistem dikurangi massa yang keluar harus sesuai dengan apa yang terakumulasi di dalamnya. Dalam teknik kimia, ini adalah titik awal untuk menganalisis mixer, separator, reaktor, evaporator, dan tangki penyimpanan.

Gagasan intinya adalah kekekalan massa. Untuk massa total, proses kimia biasa tidak menciptakan atau memusnahkan massa, sehingga setiap selisih antara aliran masuk dan keluar harus muncul sebagai akumulasi. Untuk neraca komponen seperti air, garam, atau etanol, reaksi dapat menghasilkan atau mengonsumsi komponen tertentu itu meskipun massa total tetap kekal.

Persamaan Neraca Massa: Bentuk Dasar

Tempat paling aman untuk memulai adalah persamaan neraca umum:

$$\text{accumulation} = \text{in} - \text{out} + \text{generation} - \text{consumption}.$$

Persamaan itu hanya bekerja jika Anda terlebih dahulu menyatakan apa yang sedang Anda neracakan.

• Untuk massa total, suku pembangkitan dan konsumsi bernilai nol dalam soal teknik kimia biasa, sehingga

$$\text{accumulation of total mass} = \text{mass in} - \text{mass out}.$$

• Untuk neraca komponen, pembangkitan dan konsumsi dapat bernilai tidak nol jika terjadi reaksi.

Jika proses berada pada keadaan tunak, suku akumulasi bernilai nol. Maka persamaannya menjadi

$$\text{in} + \text{generation} = \text{out} + \text{consumption}.$$

Jika sistem sedang terisi, terkuras, atau berubah terhadap waktu, jangan hilangkan suku akumulasi.

Apa yang Sebenarnya Dilakukan Neraca Massa

Neraca massa adalah pembukuan fisik. Anda menggambar batas di sekitar bagian proses yang ingin Anda perhatikan dan melacak apa yang melintasi batas itu.

Dalam kebanyakan soal pemula, tiga pertanyaan sudah cukup:

• Apa yang melintasi batas masuk?
• Apa yang melintasi batas keluar?
• Apakah ada sesuatu yang terakumulasi, dihasilkan, atau dikonsumsi di dalam?

Jika jawaban atas pertanyaan-pertanyaan itu jelas, aljabarnya biasanya langsung.

Contoh Dikerjakan: Pencampuran Keadaan Tunak

Misalkan sebuah mixer menerima:

• $100\ \mathrm{kg/h}$ larutan garam yang mengandung garam $10\%$ berdasarkan massa
• $50\ \mathrm{kg/h}$ air murni

Asumsikan keadaan tunak dan tidak ada reaksi. Tentukan laju alir keluar dan komposisi garam pada aliran keluar.

Langkah 1: Lakukan neraca massa keseluruhan

Pada keadaan tunak, akumulasi total bernilai nol, sehingga

$$\text{mass in} = \text{mass out}.$$

Total aliran masuk adalah

$$100 + 50 = 150\ \mathrm{kg/h}.$$

Jadi laju alir keluar adalah

$$150\ \mathrm{kg/h}.$$

Langkah 2: Lakukan neraca komponen garam

Hanya aliran pertama yang mengandung garam. Laju alir garamnya adalah

$$0.10 \times 100 = 10\ \mathrm{kg/h}.$$

Aliran air menyumbang $0\ \mathrm{kg/h}$ garam. Karena tidak ada reaksi dan tidak ada akumulasi garam,

$$\text{salt out} = 10\ \mathrm{kg/h}.$$

Langkah 3: Ubah menjadi komposisi aliran keluar

Fraksi massa garam pada aliran keluar adalah

$$w_{\mathrm{salt}} = \frac{10}{150} = 0.0667.$$

Jadi aliran keluar mengandung sekitar $6.67\%$ garam berdasarkan massa.

Ini adalah pola standar dalam banyak soal proses: neraca massa keseluruhan memberikan laju alir total, dan neraca komponen memberikan komposisinya.

Kesalahan Umum dalam Neraca Massa

Mencampuradukkan massa total dan neraca komponen

Untuk massa total, reaksi tidak menciptakan atau memusnahkan massa dalam proses kimia biasa. Untuk suatu komponen, reaksi dapat menghasilkan atau mengonsumsi komponen itu. Jika Anda memakai bentuk yang salah, seluruh penyusunan soal akan rusak.

Mengasumsikan keadaan tunak tanpa memeriksa

Keadaan tunak berarti tidak ada akumulasi terhadap waktu. Tangki yang sedang terisi atau terkuras biasanya bukan pada keadaan tunak. Jika kondisi berubah, suku akumulasi harus tetap ada dalam neraca.

Melupakan basis

Neraca massa memerlukan basis yang jelas seperti per jam, per batch, atau per $100\ \mathrm{kg}$ umpan. Banyak jawaban salah berasal dari satuan yang tidak konsisten, bukan dari kimia yang sulit.

Menulis satu neraca ketika sebenarnya perlu dua

Neraca keseluruhan saja sering tidak cukup untuk menentukan komposisi. Jika Anda memerlukan laju alir dan komposisi sekaligus, biasanya Anda memerlukan satu neraca keseluruhan ditambah setidaknya satu neraca komponen.

Di Mana Neraca Massa Digunakan

Neraca massa digunakan di seluruh bidang teknik kimia:

• menentukan ukuran dan memeriksa mixer serta splitter
• melacak kehilangan pelarut dalam proses pemisahan
• menganalisis reaktor bersama stoikiometri
• memperkirakan aliran recycle dan purge
• memeriksa aliran lingkungan seperti polutan dalam air atau udara

Neraca massa juga menjadi titik awal untuk neraca energi, pengendalian proses, dan rekonsiliasi data pabrik.

Cara Sederhana Menyusun Soal Neraca Massa

Ketika suatu soal terlihat rumit, gunakan urutan ini:

1. Gambar batas sistem.
2. Beri label semua laju alir dan komposisi aliran yang diketahui.
3. Pilih basis dan jaga agar satuan tetap konsisten.
4. Tentukan apakah proses berada pada keadaan tunak.
5. Tulis satu neraca keseluruhan lalu neraca komponen yang diperlukan.

Metode itu lebih andal daripada mencoba menghafal rumus khusus untuk setiap jenis proses.

Coba Soal Neraca Massa yang Mirip

Coba ubah contoh tadi sehingga aliran masuk kedua bukan air murni, melainkan larutan garam $20\ \mathrm{kg/h}$ dengan kandungan garam $5\%$ berdasarkan massa. Gunakan struktur dua langkah yang sama: tulis satu neraca massa keseluruhan untuk mendapatkan laju alir keluar, lalu tulis satu neraca garam untuk mendapatkan komposisi aliran keluar.