Azas Teknik Kimia (ATK) merupakan fondasi utama bagi setiap mahasiswa teknik kimia maupun praktisi di industri proses. Salah satu pilar terpenting dalam ATK adalah Neraca Massa. Prinsip ini didasarkan pada hukum kekekalan massa yang menyatakan bahwa massa tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan dalam suatu sistem tertutup melalui reaksi kimia atau proses fisik.
baca lagi : Tips Cepat Menghitung Varian Data Kelompok dan Contoh Soal Terbaru
Memahami neraca massa bukan sekadar menghitung angka, melainkan memahami bagaimana aliran material bergerak masuk, bereaksi, terakumulasi, atau keluar dari sebuah unit operasi. Artikel ini akan menyajikan 10 contoh soal neraca massa, mulai dari sistem sederhana hingga sistem dengan recycle dan reaksi kimia, lengkap dengan pembahasan mendalam untuk membantu Anda menguasai materi ini.
Konsep Dasar Neraca Massa
Sebelum masuk ke contoh soal, ingatlah persamaan umum neraca massa:
$$\text{Input} + \text{Generasi} – \text{Output} – \text{Konsumsi} = \text{Akumulasi}$$
Untuk sistem steady-state (tunak) tanpa reaksi kimia, persamaannya menjadi lebih sederhana:
$$\text{Input} = \text{Output}$$
Kumpulan Contoh Soal dan Pembahasan
Soal 1: Pencampuran Larutan (Mixing)
Sebuah tangki pencampur digunakan untuk membuat larutan garam 15% berat. Larutan A (garam 10%) dicampur dengan larutan B (garam 30%). Jika laju alir larutan A adalah 100 kg/jam, berapakah laju alir larutan B yang dibutuhkan?
Pembahasan:
Neraca Massa Total: $A + B = C \rightarrow 100 + B = C$
Neraca Massa Komponen (Garam): $0,10(100) + 0,30(B) = 0,15(C)$
substitusi: $10 + 0,30B = 0,15(100 + B)$
$10 + 0,30B = 15 + 0,15B$
$0,15B = 5 \rightarrow B = 33,33 \text{ kg/jam}$
Soal 2: Pengeringan Padatan (Drying)
Sebanyak 1000 kg/jam kayu basah mengandung 40% air dikeringkan hingga kadar airnya menjadi 5%. Hitunglah massa air yang diuapkan!
Pembahasan:
Basis: 1000 kg kayu basah.
Neraca Massa Padatan Kering (Solid):
Input: $60\% \times 1000 = 600 \text{ kg}$.
Output: $95\% \times \text{Produk Akhir} (P) = 600$.
$P = 600 / 0,95 = 631,58 \text{ kg}$.
Massa Air Teruap: $1000 – 631,58 = 368,42 \text{ kg/jam}$.
Soal 3: Distilasi Sederhana
Campuran Benzena (40%) dan Toluena (60%) dipisahkan dalam kolom distilasi. Hasil atas (Distilat) mengandung 95% Benzena, sedangkan hasil bawah (Bottom) mengandung 10% Benzena. Jika umpan masuk 500 kg/jam, hitung laju alir Distilat dan Bottom!
Pembahasan:
Neraca Total: $500 = D + B \rightarrow B = 500 – D$
Neraca Benzena: $0,40(500) = 0,95D + 0,10B$
$200 = 0,95D + 0,10(500 – D)$
$200 = 0,95D + 50 – 0,10D$
$150 = 0,85D \rightarrow D = 176,47 \text{ kg/jam}$
$B = 323,53 \text{ kg/jam}$
Soal 4: Evaporasi Larutan Gula
Evaporator digunakan untuk memekatkan larutan gula dari 10% menjadi 50%. Jika air yang berhasil diuapkan adalah 400 kg/jam, berapa laju umpan masuknya?
Pembahasan:
Neraca Total: $F = V + P \rightarrow F = 400 + P$
Neraca Gula: $0,10F = 0,50P$
$0,10(400 + P) = 0,50P$
$40 + 0,10P = 0,50P \rightarrow 40 = 0,40P \rightarrow P = 100 \text{ kg/jam}$
$F = 400 + 100 = 500 \text{ kg/jam}$
Soal 5: Kristalisasi
Larutan panas mengandung 40% $KNO_3$ didinginkan hingga mengkristal. Filtrat (larutan sisa) mengandung 20% $KNO_3$. Jika dihasilkan 100 kg kristal murni, berapa massa larutan awal?
Pembahasan:
Neraca Total: $F = L + 100$
Neraca $KNO_3$: $0,40F = 0,20L + 100$ (asumsi kristal 100% $KNO_3$)
$0,40F = 0,20(F – 100) + 100$
$0,40F = 0,20F – 20 + 100 \rightarrow 0,20F = 80 \rightarrow F = 400 \text{ kg}$
Soal 6: Absorpsi Gas
Gas mengandung 5% $NH_3$ dan 95% udara dikontakkan dengan air dalam menara absorpsi untuk mengambil $NH_3$. Udara yang keluar menara mengandung 0,1% $NH_3$. Jika laju gas masuk 100 kmol/jam, berapa $NH_3$ yang terserap air?
Pembahasan:
Neraca Udara (Inert): $0,95 \times 100 = 0,999 \times \text{Gas Keluar} (G_2)$
$G_2 = 95 / 0,999 = 95,1 \text{ kmol/jam}$
$NH_3$ masuk: $5 \text{ kmol}$
$NH_3$ keluar gas: $0,001 \times 95,1 = 0,095 \text{ kmol}$
$NH_3$ terserap: $5 – 0,095 = 4,905 \text{ kmol/jam}$
Soal 7: Neraca Massa dengan Aliran Recycle
Sistem distilasi dengan recycle memproses 100 kg/jam umpan segar. Produk bawah di-recycle sebagian ke umpan masuk. Jika konversi sekali lewat adalah 20%, hitung total laju alir masuk reaktor!
Pembahasan:
Konsep recycle membutuhkan pemahaman titik pencampuran dan titik pemisahan.
Rumus: $\text{Umpan Total} = \frac{\text{Umpan Segar}}{\text{Konversi Sekali Lewat}}$
$\text{Umpan Total} = 100 / 0,20 = 500 \text{ kg/jam}$.
Soal 8: Ekstraksi Cair-Cair
100 kg campuran air-aseton (40% aseton) dikontakkan dengan metil isobutil keton (MIBK) murni untuk mengekstrak aseton. Jika 90% aseton berpindah ke fase pelarut, berapa massa aseton dalam ekstrak?
Pembahasan:
Aseton awal: $0,40 \times 100 = 40 \text{ kg}$.
Aseton terekstrak: $90\% \times 40 = 36 \text{ kg}$.
Soal 9: Pembakaran (Reaksi Kimia)
1 mol Metana ($CH_4$) dibakar dengan udara berlebih 20%. Reaksi: $CH_4 + 2O_2 \rightarrow CO_2 + 2H_2O$. Hitung jumlah mol udara yang dibutuhkan!
Pembahasan:
$O_2$ teoretis: 2 mol (dari koefisien reaksi).
$O_2$ masuk: $1,20 \times 2 = 2,4 \text{ mol}$.
Udara masuk: $2,4 / 0,21 = 11,43 \text{ mol}$ (karena udara 21% $O_2$).
Soal 10: Neraca Massa Bypass
Dalam sistem pengolahan air, 20% umpan di-bypass (dilewatkan) dari unit filter untuk menjaga konsentrasi mineral tertentu di akhir. Jika umpan total 1000 L/jam, berapa laju alir yang melewati filter?
Pembahasan:
Laju Bypass: $0,20 \times 1000 = 200 \text{ L/jam}$.
Laju masuk filter: $1000 – 200 = 800 \text{ L/jam}$.
Tips Menjawab Soal Azas Teknik Kimia
Gambar Diagram Alir: Selalu mulai dengan menggambar kotak unit operasi dan panah aliran masuk/keluar.
Tentukan Basis: Jika tidak ada laju alir yang diketahui, tentukan basis (misal: 100 kg atau 1 jam).
Identifikasi Komponen Inert: Cari komponen yang jumlahnya tetap (tidak bereaksi atau tidak berpindah fase) untuk menyederhanakan hitungan.
Cek Satuan: Pastikan semua satuan konsisten (fraksi massa vs fraksi mol).
baca lagi : Universitas Teknokrat Indonesia Bekali Siswa SMKN 8 Bandar Lampung Keterampilan Professional Secretary
Kesimpulan
Neraca massa adalah keterampilan dasar yang akan terus digunakan sepanjang karier teknik kimia. Dengan sering melatih 10 variasi soal di atas, Anda akan lebih terbiasa melihat pola penyelesaian sistem proses yang kompleks. Kunci utamanya adalah ketelitian dalam menyusun persamaan linear dari diagram alir yang telah dibuat.
penulis : dinda
Post Comment