Neraca massa merupakan cabang keilmuan yang berkaitan erat dengan bidang teknik kimia. Keterkaitan ini timbul dikarenakan neraca massa berlandaskan Hukum Kekekalan Massa yang merupakan satu dari dua hukum yang mutlak diketahui oleh seorang ahli teknik kimia. Oleh karena itu, bagi seorang ahli teknik kimia, membaca artikel ini akan sangat membantu dalam proses pembelajaran menjadi ahli teknik kimia yang handal. Selamat membaca dan semoga memahami uraian singkat saya.
Sekilas Tentang Neraca Massa
Neraca massa atau neraca bahan merupakan perincian banyaknya bahan-bahan yang masuk (input), bahan-bahan yang keluar (output), bahan-bahan yang menumpuk (terakumulasi) dan bahan-bahan yang terbuang dalam suatu alat pemroses atau dalam sistem.
Sehingga jika kita mempelajari neraca massa kita lebih cenderung berhitung dibandingkan berteori karena neraca massa merupakan perhitungan kuantitatif.
Pemanfaatan Neraca Massa
Neraca massa sebagai cabang keilmuan tentu memiliki manfaat bagi kehidupan umat manusia. Disini akan saya paparkan 2 manfaat mempelajari neraca massa.
Merancang Reaktor
Dalam perancangan reaktor, neraca massa sangat diperlukan untuk menyusun variabel-variabel/bahan-bahan yang masuk sehingga produk yang dihasilkan nanti sesuai dengan yang diinginkan oleh industri.
Menganalisis Berbagai Alternatif Proses Produksi Bahan Kimia
Dengan neraca massa, proses produksi bahan kimia bisa dicari berbagai alternatifnya untuk menghasilkan produk yang banyak dengan input yang sedikit. Atau bisa juga mengurangi bahan-bahan yang menumpuk dalam sistem sehingga bahan yang keluar (produk) konversi dari bahan yang masuk (input) mendekati 100% atau tidak ada sisa.
Pentingnya Penyusunan Neraca Massa
Penyusunan neraca massa oleh ahli teknik kimia sangat penting karena dengan neraca massa, seorang ahli teknik kimia dapat mencari variabel proses yang belum diketahui berdasarkan variabel proses yang telah diketahui. Misal jumlah bahan yang ingin diolah dapat dicari berapa keluarannya/hasilnya dengan neraca massa.
Dalam mencari variabel proses yang belum diketahui, perlu disusun persamaan yang menghubungkan data variabel proses yang diketahui dengan variabel proses yang ingin dicari.
Prinsip Neraca Massa
Seperti telah disinggung diatas, neraca massa merupakan penerapan dari Hukum Kekekalan Massa terhadap suatu proses. Jumlah massa tetap, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi prinsip ini tidak berlaku bagi proses yang menyangkut reaksi inti/reaksi nuklir karena reaksi nuklir berdasarkan prinsip pada pemusnahan massa menjadi energi. Prinsip reaksi nuklir ini dirumuskan oleh fisikawan terkenal yaitu Albert Einstein dalam rumusannya yang tak asing lagi bagi kita, yaitu:
E = Jumlah energi yang timbul, erg
m = jumlah massa yang musnah, gram
c = kecepatan cahaya = 3 x 1010 cm/detik
Dalam neraca massa sendiri, nanti akan dikenal istilah sistem dan lingkungan yang nantinya akan berkaitan dengan proses. Yang pertama akan dibahas adalah sistem. Sistem adalah sesuatu yang menjadi fokus pengamatan. Pada sistem inilah semua fenomena diamati baik itu fenomena kimia, fisika atau biologis. Salah menentukan sistem maka akan salah dalam menentukan fenomena apa sajakah yang terjadi.
Contohnya kita memiliki sebuah gas yang ditaruh dalam sebuah wadah tertutup. Wadah ini memiliki suhu diatas suhu rata – rata gas dan lingkungan sekitar. Sekarang kita pilih sistemnya adalah gas saja. Karena suhu gas lebih kecil dari suhu wadah. Maka akan ada fenomena perpindahan panas dari wadah menuju gas atau perpindahan panas menuju sistem.
Namun, jika sistemnya adalah gas dan wadahnya, maka fenomena yang terjadi adalah perpindahan panas keluar sistem.
Contoh lainnya adalah sebuah gas yang ada di dalam wadah. Sistem pertama adalah gas sebesar volume wadah. Sistem yang kedua adalah elemen kecil dari gas, misalkan sebesar molekul atau atomnya. Maka, untuk sistem yang pertama, karena gas tidak kemana – mana, atau diam tak bergerak, maka energi kinetiknya adalah sama dengan nol. Sedangkan untuk sistem kedua, karena molekul ini bergerak, maka energi kinetik tidak sama dengan nol.
Kemudian kita akan membahas mengenai lingkungan. Lingkungan yaitu, segala sesuatu yang berada di sekitar sistem yang kita pilih atau bukan sistem. Contoh lingkungan berdasarkan contoh diatas adalah wadah jika sistemnya adalah gas yang terdapat dalam wadah.
Jenis Neraca Massa
Neraca massa dapat berjenis integral atau diferensial. Suatu neraca massa integral berfokus pada karakteristik menyeluruh dari sistem. Sementara itu, neraca massa diferensial berfokus pada detail yang terjadi dalam sistem (yang juga memengaruhi karakteristik menyeluruh). Sehingga dapat disimpulkan bahwa neraca massa integral cakupannya umum sedangkan neraca diferensial cakupannya khusus.
Proses Batch dan Proses Berkesinambungan
Ada 2 macam proses yang dapat dilakukan di industri, yaitu proses secara batch (per angkatan) dan secara berkesinambungan. Pada proses batch pemasukan reaktan (input) dan pengeluaran hasil (output) dilakukan sekali-sekali dalam selang waktu tertentu. Contoh proses batch adalah proses memasak makanan di rumah.
Dengan neraca massa, proses produksi bahan kimia bisa dicari berbagai alternatifnya untuk menghasilkan produk yang banyak dengan input yang sedikit. Atau bisa juga mengurangi bahan-bahan yang menumpuk dalam sistem sehingga bahan yang keluar (produk) konversi dari bahan yang masuk (input) mendekati 100% atau tidak ada sisa.
Pentingnya Penyusunan Neraca Massa
Penyusunan neraca massa oleh ahli teknik kimia sangat penting karena dengan neraca massa, seorang ahli teknik kimia dapat mencari variabel proses yang belum diketahui berdasarkan variabel proses yang telah diketahui. Misal jumlah bahan yang ingin diolah dapat dicari berapa keluarannya/hasilnya dengan neraca massa.
Dalam mencari variabel proses yang belum diketahui, perlu disusun persamaan yang menghubungkan data variabel proses yang diketahui dengan variabel proses yang ingin dicari.
 |
| Sumber gambar : rieko.wordpress.com |
Prinsip Neraca Massa
Seperti telah disinggung diatas, neraca massa merupakan penerapan dari Hukum Kekekalan Massa terhadap suatu proses. Jumlah massa tetap, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi prinsip ini tidak berlaku bagi proses yang menyangkut reaksi inti/reaksi nuklir karena reaksi nuklir berdasarkan prinsip pada pemusnahan massa menjadi energi. Prinsip reaksi nuklir ini dirumuskan oleh fisikawan terkenal yaitu Albert Einstein dalam rumusannya yang tak asing lagi bagi kita, yaitu:
E = m.c2Dengan:
E = Jumlah energi yang timbul, erg
m = jumlah massa yang musnah, gram
c = kecepatan cahaya = 3 x 1010 cm/detik
Dalam neraca massa sendiri, nanti akan dikenal istilah sistem dan lingkungan yang nantinya akan berkaitan dengan proses. Yang pertama akan dibahas adalah sistem. Sistem adalah sesuatu yang menjadi fokus pengamatan. Pada sistem inilah semua fenomena diamati baik itu fenomena kimia, fisika atau biologis. Salah menentukan sistem maka akan salah dalam menentukan fenomena apa sajakah yang terjadi.
Contohnya kita memiliki sebuah gas yang ditaruh dalam sebuah wadah tertutup. Wadah ini memiliki suhu diatas suhu rata – rata gas dan lingkungan sekitar. Sekarang kita pilih sistemnya adalah gas saja. Karena suhu gas lebih kecil dari suhu wadah. Maka akan ada fenomena perpindahan panas dari wadah menuju gas atau perpindahan panas menuju sistem.
 |
| Perpindahan panas dari wadah menuju gas. Gas disini sebagai sistem. Sumber gambar : dokumen penulis |
Namun, jika sistemnya adalah gas dan wadahnya, maka fenomena yang terjadi adalah perpindahan panas keluar sistem.
 |
| Perpindahan panas keluar sistem. Yang berperan sebagai sistem adalah gas dan wadahnya. Sumber gambar : dokumen penulis |
Contoh lainnya adalah sebuah gas yang ada di dalam wadah. Sistem pertama adalah gas sebesar volume wadah. Sistem yang kedua adalah elemen kecil dari gas, misalkan sebesar molekul atau atomnya. Maka, untuk sistem yang pertama, karena gas tidak kemana – mana, atau diam tak bergerak, maka energi kinetiknya adalah sama dengan nol. Sedangkan untuk sistem kedua, karena molekul ini bergerak, maka energi kinetik tidak sama dengan nol.
Kemudian kita akan membahas mengenai lingkungan. Lingkungan yaitu, segala sesuatu yang berada di sekitar sistem yang kita pilih atau bukan sistem. Contoh lingkungan berdasarkan contoh diatas adalah wadah jika sistemnya adalah gas yang terdapat dalam wadah.
Jenis Neraca Massa
Neraca massa dapat berjenis integral atau diferensial. Suatu neraca massa integral berfokus pada karakteristik menyeluruh dari sistem. Sementara itu, neraca massa diferensial berfokus pada detail yang terjadi dalam sistem (yang juga memengaruhi karakteristik menyeluruh). Sehingga dapat disimpulkan bahwa neraca massa integral cakupannya umum sedangkan neraca diferensial cakupannya khusus.
Proses Batch dan Proses Berkesinambungan
Ada 2 macam proses yang dapat dilakukan di industri, yaitu proses secara batch (per angkatan) dan secara berkesinambungan. Pada proses batch pemasukan reaktan (input) dan pengeluaran hasil (output) dilakukan sekali-sekali dalam selang waktu tertentu. Contoh proses batch adalah proses memasak makanan di rumah.
Selain proses batch juga ada proses berkesinambungan. Proses berkesinambungan banyak dilakukan dalam industri. Bahan dimasukkan dan hasil dikeluarkan secara berkesinambungan (terus menerus dengan laju tertentu). Contoh proses berkesinambungan adalah sebuah cairan yang secara tetap mengalir terus menerus memasuki alat penukar panas, steam pemanas juga dimasukkan terus menerus.
Persamaan Neraca Massa
Berdasarkan Hukum Kekekalan Massa, banyaknya bahan yang masuk, keluar dan menumpuk dalam sistem (akumulasi massa) yang batasnya telah kita tetapkan, berlaku hubungan berikut :
[massa masuk] = [massa keluar] + [akumulasi massa]
Massa masuk merupakan massa yang masuk ke dalam sistem, massa keluar merupakan massa yang keluar dari sistem, dan akumulasi massa merupakan akumulasi massa dalam sistem. Akumulasi massa sendiri dapat bernilai negatif atau positif.
Pada umumnya, neraca massa dibangun dengan memperhitungkan total massa yang melalui suatu sistem. Pada perhitungan teknik kimia, neraca massa juga dibangun dengan memperhitungkan total massa komponen-komponen senyawa kimia yang melalui sistem (contoh: air) atau total massa suatu elemen (contoh: karbon). Bila dalam sistem yang dilalui terjadi reaksi kimia, maka ke dalam persamaan neraca massa ditambahkan variabel produksi sehingga persamaan neraca massa menjadi:
[massa masuk] + [produksi] = [massa keluar] + [akumulasi massa]
Variabel produksi pada persamaan neraca massa termodifikasi merupakan laju reaksi kimia. Laju reaksi kimia dapat berupa laju reaksi pembentukan ataupun laju reaksi pengurangan. Oleh karena itu, variabel produksi dapat bernilai positif atau negatif.
Keadaan Mantap dan Tak Mantap
Proses dalam keadan mantap (steady) adalah proses dimana semua aliran yang masuk dan keluar, laju dan komposisinya tetap (tidak bergantung dari waktu). Pada keadaan seperti ini jumlah massa yang menumpuk juga tetap (laju akumulasi/penumpukan = 0 ) dan tidak turut diperhitungkan. Pada keadaan ini persamaan neraca massa menjadi :
[massa masuk] = [massa keluar]
Pada proses yang tidak/belum mantap (unsteady), laju alir maupun komposisi senantiasa berubah (merupakan fungsi waktu). Untuk keadaan ini akumulasi selalu diperhitungkan.
 |
| Sumber gambar : selfinagala.wordpress.com |
qi = qo = tetap
tinggi permukaan tetap
Pada keadaan tak mantap :
qi = qo = q (t), fungsi waktu (t)
tinggi permukaan berubah
Pembuatan Neraca Massa
Sebelum membuat neraca massa, harus diketahui terlebih dahulu apakah prosesnya berlangsung secara mantap atau tidak. Apabila proses tidak menyangkut reaksi kimia, neraca massa dapat dibuat dengan satuan-satuan kg, lb, kmol dsb. Dalam hal ada reaksi kimia, sebaiknya dipakai satuan mol karena zat-zat bersangkutan secara stoikiometri.
Adapun langkah-langkah pembuatan neraca massa sendiri adalah sebagai berikut.
- Buat diagram proses (block diagram)
- Tuliskan besaran, data yang diketahui dan diperlukan pada diagram tersebut.
- Tuliskan persamaan reaksi kimianya.
- Tetapkan dasar perhitungan. Semua perhitungan bahan (total maupun untuk masing-masing komponen) harus dilakukan pada dasar yang sama. Dasar perhitungan dapat berupa sejumlah massa aliran tertentu atau jangka waktu tertentu.
- Buat persamaan neraca massa (keseluruhan dan komponen-komponen yang diperlukan.
- Selesaikan persamaan-persamaan neraca bahan tersebut.
Referensi
- Materi Teknik Kimia. "Mass Balance, Neraca Massa." Diakses tanggal 6 September 2015
- Wikipedia bahasa Indonesia. "Neraca Massa." Diakses tanggal 6 September 2015
- Rieko. "Dasar Neraca Massa dan Energi." Diakses tanggal 6 September 2015
- Selfinagala. "Neraca Massa (Neraca Bahan)." Diakses tanggal 6 September 2015
EmoticonEmoticon