Simulasi Soal Azas Teknik Kimia 1: Contoh Soal Sistem Tanpa Reaksi Kimia

Memasuki dunia Teknik Kimia, mata kuliah Azas Teknik Kimia 1 (ATK 1) sering kali dianggap sebagai “gerbang pendewasaan” bagi mahasiswa. Di sinilah logika keteknikan Anda mulai dibentuk, terutama melalui pemahaman sistem tanpa reaksi kimia. Meskipun terlihat sederhana karena tidak melibatkan stoikiometri yang rumit, sistem ini menuntut ketelitian tinggi dalam melacak perpindahan massa di setiap unit operasi.

baca lagi : Contoh Soal Listening Narrative Terbaru dan Cara Menjawabnya dengan Tepat

Sistem tanpa reaksi kimia berfokus pada perubahan fisik, seperti pemisahan, pencampuran, penguapan, atau pengeringan. Artikel ini akan menyajikan simulasi soal yang komprehensif, mulai dari konsep dasar hingga penyelesaian kasus aliran kompleks, untuk membantu Anda menguasai kompetensi dasar seorang process engineer.

Memahami Logika Sistem Tanpa Reaksi

Dalam sistem tanpa reaksi kimia, prinsip utama yang kita pegang adalah Hukum Kekekalan Massa yang sangat murni: Input = Output. Tidak ada massa yang hilang karena berubah menjadi zat lain, dan tidak ada massa baru yang tercipta.

Variabel yang biasanya kita manipulasi meliputi:

• Laju alir total: Massa atau mol per satuan waktu.
• Komposisi: Fraksi massa atau fraksi mol dari setiap komponen dalam aliran.
• Kelarutan dan Fase: Memahami apakah suatu zat tetap berada di fase cair, padat, atau berubah menjadi uap.

Strategi Penyelesaian Soal (Problem Solving Strategy)

Sebelum melihat contoh soal, Anda harus membiasakan diri dengan langkah-langkah sistematis berikut:

1. Identifikasi Sistem: Tentukan batas sistem (boundary) yang akan dianalisis.
2. Gambar Flowchart: Visualisasikan aliran masuk dan keluar dengan jelas.
3. Tentukan Basis: Pilihlah angka yang memudahkan perhitungan (misal: 100 kg umpan).
4. Derajat Kebebasan (DOF): Pastikan jumlah variabel yang tidak diketahui sama dengan jumlah persamaan independen yang tersedia.
5. Eksekusi Neraca Massa: Mulailah dari komponen yang paling mudah diisolasi (biasanya komponen tie atau inert).

Simulasi Contoh Soal 1: Unit Ekstraksi Single Stage

Sebuah aliran umpan sebesar 500 kg/jam mengandung campuran 30% berat asam asetat dan 70% berat air. Campuran ini akan diekstraksi menggunakan pelarut murni isopropil eter untuk mengambil asam asetatnya. Jika 90% asam asetat dalam umpan berhasil berpindah ke fase ekstrak (isopropil eter), dan fase rafinat (sisa umpan) diketahui mengandung 5% berat asam asetat, hitunglah laju alir fase ekstrak dan rafinat yang dihasilkan.

Pembahasan:

Langkah 1: Neraca Massa Komponen Asam Asetat

• Asam asetat masuk umpan ($F$) = $30\% \times 500 = 150 \text{ kg/jam}$.
• Asam asetat yang berpindah ke Ekstrak ($E$) = $90\% \times 150 = 135 \text{ kg/jam}$.
• Asam asetat yang tersisa di Rafinat ($R$) = $150 – 135 = 15 \text{ kg/jam}$.

Langkah 2: Menghitung Laju Alir Rafinat ($R$)

Diketahui kadar asam asetat di rafinat adalah 5% berat ($0,05$).

• $0,05 \times R = 15 \text{ kg/jam}$
• $R = 15 / 0,05 = 300 \text{ kg/jam}$.

Langkah 3: Menghitung Laju Alir Ekstrak ($E$)

Gunakan Neraca Massa Total:

• $F (\text{Umpan}) + S (\text{Solvent}) = E (\text{Ekstrak}) + R (\text{Rafinat})$
• Asumsi awal kita fokus pada komponen yang berpindah. Jika kita mencari total massa ekstrak, kita harus tahu jumlah solvent yang ditambahkan. Namun dalam soal ini, fokus utama adalah pemisahan massa asam asetat.

Simulasi Contoh Soal 2: Sistem Kristalisasi dengan Penguapan

Sebanyak 10.000 kg/jam larutan $Na_2CO_3$ panas dengan konsentrasi 30% berat didinginkan hingga $20^\circ\text{C}$. Pada proses pendinginan ini, sebagian air menguap sebanyak 5% dari total umpan awal. Kristal yang terbentuk adalah $Na_2CO_3.10H_2O$ (dekahidrat). Jika kelarutan $Na_2CO_3$ pada $20^\circ\text{C}$ adalah 21,5 kg per 100 kg air murni, hitunglah massa kristal yang terbentuk.

Pembahasan:

Langkah 1: Menentukan Komposisi Kristal

Kristal adalah $Na_2CO_3.10H_2O$.

• $\text{BM } Na_2CO_3 = 106$
• $\text{BM } 10H_2O = 180$
• $\text{BM Total} = 286$
• Fraksi massa $Na_2CO_3$ dalam kristal ($X_c$) = $106/286 = 0,3706$.

Langkah 2: Neraca Massa Air Teruap ($V$)

• $V = 5\% \times 10.000 = 500 \text{ kg/jam}$.

Langkah 3: Neraca Massa Total

• $F = V + L (\text{Larutan sisa}) + C (\text{Kristal})$
• $10.000 = 500 + L + C \rightarrow L = 9.500 – C$.

Langkah 4: Neraca Massa Komponen $Na_2CO_3$

• $0,30(10.000) = 0(\text{uap}) + X_L(L) + 0,3706(C)$
• Fraksi di larutan sisa ($X_L$) berdasarkan kelarutan: $21,5 / (100 + 21,5) = 0,1769$.
• $3.000 = 0,1769(9.500 – C) + 0,3706(C)$
• $3.000 = 1.680,55 – 0,1769C + 0,3706C$
• $1.319,45 = 0,1937C$
• $C = 6.811,82 \text{ kg/jam}$.

Simulasi Contoh Soal 3: Pencampuran (Blending) Bertahap

Sebuah pabrik minuman ingin mencampur sirup gula konsentrasi tinggi (70% Brix) dengan air untuk menghasilkan produk antara (25% Brix). Produk antara ini kemudian dicampur lagi dengan jus buah (10% gula) untuk menghasilkan produk akhir 1000 kg/jam dengan konsentrasi gula 15% Brix. Berapa laju alir sirup gula yang dibutuhkan di awal?

Pembahasan:

Kerjakan dari titik akhir (Backward Analysis).

• Titik Campur Akhir: Produk Antara ($A$) + Jus ($J$) = 1000.
• Neraca Gula Akhir: $0,25A + 0,10J = 0,15(1000) = 150$.
• Substitusi $J = 1000 – A$:
• $0,25A + 0,10(1000 – A) = 150$
• $0,25A + 100 – 0,10A = 150$
• $0,15A = 50 \rightarrow A = 333,33 \text{ kg/jam}$.

Sekarang cari Sirup Gula ($S$) untuk menghasilkan $A$:

• Titik Campur Awal: Sirup ($S$) + Air ($W$) = 333,33.
• Neraca Gula Awal: $0,70S + 0 = 0,25(333,33)$.
• $0,70S = 83,33$
• $S = 119,04 \text{ kg/jam}$.

Pentingnya Komponen Tie (Inert)

Dalam banyak soal sistem tanpa reaksi, kunci kecepatan mengerjakan terletak pada identifikasi komponen yang “tidak berubah”. Misalnya, dalam unit pengeringan kayu, serat kayu kering adalah komponen tie karena massanya konstan dari awal hingga akhir, sementara air adalah komponen yang berubah-ubah. Dengan menyamakan massa serat kayu di input dan output, Anda bisa langsung menemukan massa total produk tanpa perlu persamaan simultan yang panjang.

baca lagi : Teknokrat Academic Expo: Rektor Nasrullah Yusuf Tegaskan Tiga Pilar UTI Kampus Inovatif, Berdampak, dan Berkelanjutan

Kesimpulan

Menguasai simulasi soal ATK 1 untuk sistem tanpa reaksi kimia adalah tentang ketajaman logika dalam memetakan aliran massa. Jangan terburu-buru menghitung angka; pastikan diagram alir Anda sudah benar dan basis yang dipilih sudah tepat. Dengan memahami unit operasi seperti pencampuran, penguapan, ekstraksi, dan kristalisasi secara terpisah, Anda akan lebih siap menghadapi sistem industri yang terdiri dari banyak unit operasi terintegrasi.

penulis : dinda