ITK 224 Pemodelan Teknik Kimia Oleh Dr. Budi H. Bisowarno Jurusan Teknik Kimia Universitas Katolik Parahyangan

Silabus - 1 Pendahuluan Persoalan Sistem Teknik Kimia Analisis dan Sistem Sistem Teknik Kimia Cakupan Bidang Teknik Kimia Persoalan Sistem Teknik Kimia Konsep Dasar Analisis Sistem Teknik Kimia Pemodelan Sistem Teknik Kimia Model Sistem Persamaan Pembentuk Model Pemodelan Matematika Analisis Dimensional

Silabus - 2 Pemodelan Sistem Isotermal Pemodelan Sistem Non-Isotermal Sistem Isotermal tanpa Reaksi Kimia Sistem Isotermal dengan Reaksi Kimia Pemodelan Sistem Non-Isotermal Persoalan Analisis Sistem Teknik Kimia Konsep Dasar Analisis Sistem Teknik Kimia Pemodelan Sistem (dengan tujuan) Model Proses untuk Perancangan Model Proses untuk Pengendalian Model Empiris (catatan penting) Lampiran Metode Linearisasi Model Non-Linear Transformasi Laplace

Modul 01 PENDAHULUAN

Analisis Sistem Fenomena  peristiwa  gejala dikehendaki Tidak dikehendaki  persoalan / problem Upaya penyelesaian persoalan Mengetahui semua unsur pembentuk persoalan Mengetahui keterkaitan / struktur semua unsurnya  pendifinisian ulang struktur fenomena sesuai yg dikehendaki Sistem  fenomena yang diketahui strukturnya Fungsi sistem dlm lingkungan bergantung pada strukturnya Operasi sistem dlm lingkungan ditunjukkan dengan kelakuan / pola dinamika sistem Analisa Sistem Mengetahui struktur, kelakuan / pola dinamika dan fungsi sistem

Sistem Teknik Kimia Teknik Kimia Sistem Produksi Bidang Kajian: Ilmu teknik (engineering), berfokus ke proses-proses konversi dan memfungsikannya dalam suatu sistem produksi Proses konversi: pencampuran, reaksi kimia, dan pemisahan Proses Konversi: mekanis-termal, elektrokimia, biologis Proses penunjang: pemanasan-pendinginan, kompresi-pengurangan tekanan, pengubahan bentuk-ukuran, pemindahan bahan, dst Sarana pemroses: reaktor, kolom distilasi, tangki, kompresor, pipa, dst. Sistem Produksi integrasi proses dan sarana pemroses utk mencapai tujuan tertentu Organisasi kerja dan manajemen organisasi Analisa dampak lingkungan – fisika, kimia, sosial, … Bidang Kajian: Analisis – memahami fenomena Pengendalian – mempengaruhi fenomena Sistesis / Perancangan – menciptakan fenomena

Cakupan Bidang Teknik Kimia Proses Sistem Pemroses Sistem Organisasi Kerja Sistem Manajemen mengakomodasi mengoperasikan mengendalikan tujuan SISTEM PRODUKSI Analisis Ekonomi Analisis Dampak Lingkungan Keuntungan EVALUASI DAMPAK LINGKUNGAN EVALUASI EKONOMI Masukan bahan baku energi Produk utama samping Modal

Persoalan Sistem Teknik Kimia Modul 02 Persoalan Sistem Teknik Kimia

Pendahuluan Pokok Persoalan Proses konversi / proses penunjang Sarana pemroses Sistem produksi Fenomena yang ada  Analisis dan Pengendalian Fenomena yang belum ada  Sintesis dan Pengendalian Analisis Sistem Teknik Kimia mencakup: Menggambarkan peristiwa proses dalam suatu model matematika Menggunakan model matematika untuk memahami kelakuan / pola dinamika proses (simulasi) Membandingkan kelakuan yang teramati dari model matematika dengan kelakuan dalam proses nyata Menentukan batas keberlakuan dan keterbatasan model matematika dalam mewakili / menginterprestasi proses nyata Contoh persoalan sistem Teknik Kimia

Konsep Dasar Analisis Sistem Teknik Kimia Tujuan  memahami struktur sistem Unsur-unsur pembentuk sistem Keterkaitan antara unsur-unsur tersebut mengenali susunan proses: tahap proses, pola aliran bahan, dan pola aliran energi mengenali bahan: jumlah dan komposisi bahan dalam tiap aliran mengenali perubahan yang terjadi: jenis perubahan (fisika dan kimia), laju perubahannya, dan lama/batas perubahan mengenali energi yang terlibat: jumlah dan jenis energi serta perubahan energi Penggambaran struktur proses (sistem)  Model Proses Upaya untuk menggambarkan struktur proses  Pemodelan Proses (Teknik Kimia)

Pemodelan Sistem Teknik Kimia Modul 03 Pemodelan Sistem Teknik Kimia

Siklus Pemodelan Model Proses Siklus Pemodelan Penggambaran struktur proses --- lebih sederhana dari sistem nyata Jenis model: ikonik, grafik, experimental, matematika Siklus Pemodelan Formulation Real System Model Deduction Real Conclusion Model Conclusion Interpretation PLAN – system analysis and model formulation REFLECT – Interpretation of model and Conclusions ACT – model Implementation OBSERVE – Model Behaviour and Conclusions

Prinsip Pemodelan Prinsip: Model Proses Pertimbangan dalam pemodelan terlalu sederhana – aspek penting dari sistem nyata tidak masuk terlalu detail – tidak praktis untuk diimplementasikan KISS – keep it simple, stupid! Pertimbangan dalam pemodelan Tujuan model proses Basis Teoritis atau Empiris? Data – untuk validasi / verifikasi Sistem disederhanakan dalam sub-sistem? Tunak atau Dinamik? Kondisi-kondisi batas Persamaan Pembentuk Model (Matematika) Persamaan konservasi: massa, energi, momentum Persamaan keadaan Fungsi-fungsi termodinamika Hukum-hukum termokimia

Pemodelan Matematika Mengenali aspek-aspek penting dari sistem nyata Memilih satu himpunan fundamental dependent variables Sistem Teknik Kimia: massa, energi, momentum Tidak mudah diukur/ditentukan Memilih kelompok himpunan variabel / characterizing dependent variables Contoh: fdv = laju massa, cdv = densitas x laju alir volumetrik cdv  mendifinisikan keadaan pada posisi dan waktu tertentu  state variables Merumuskan hubungan dependent variables dan independent variables Penggunaan hukum konservasi massa, energi, dan momentum Independent variables = waktu dan posisi (x, y, z) Penggunaan persamaan konstitutif? Jika rumusan hubungan dv dan iv terlalu rumit atau tak mencukupi

Pemodelan Matematika Fenomena Pemilihan FDV Pemilihan CDV Penerapan hukum-hukum konservasi Persamaan dasar model Apakah jumlah persamaan mencukupi ? Model matematika ! Apakah semua FDV dipakai ? Persamaan konstitutif

Contoh Pemodelan Matematika Pengisian Tangki Bagaimana perubahan massa air (M) di dalam tangki setiap waktu (t) jika pada awalnya massa air di dalam tangki (Mo) dan tinggi permukaan air di dalam tangki (ho)? Bagaimana ketinggian permukaan air (h) di dalam tangki berubah terhadap waktu (t)? Pengosongan Tangki Bagaimana laju alir volumetrik (q) berubah terhadap ketinggian permukaan air (h)? Berapa waktu yang dibutuhkan untuk mengosongkan tangki? Catatan untuk diskusi: Bagaimana menerapkan langkah-langkah pemodelan matematika? Bagaimana membangun persamaan konstitutif?

Control Volume Pengertian dan arti pentingnya: Batas-batas yang ditinjau (sistem), diluarnya disebut lingkungan Semua variabel dalam control volume = f(waktu)  pendekatan neraca makroskopik  lumped parameter model representasi model = persamaan differensial biasa Variabel dalam control volume = f(waktu, posisi)  pendekatan neraca massa mikroskopik  distributed parameter model representasi model = persamaan differensial parsial Contoh distributed parameter model Pengosongan tangki dengan densitas = f(waktu, posisi) Pemodelan matematika direvisi dengan memasukkan pemilihan Control Volume

Pemodelan Matematika Fenomena Pemilihan FDV Pemilihan CDV Pemilihan CV Penerapan hukum-hukum konservasi Persamaan dasar model Apakah jumlah persamaan mencukupi ? Model matematika ! Apakah semua FDV dipakai ? Persamaan konstitutif Pemilihan CV Apakah pemilihan CV memadai?