Furnace [PDF]

Citation preview

Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



FURNACE Tugas : Menaikkan suhu methylcyclopentane sebagai umpan reaktor dari suhu 349,13 K menjadi 772 K sebanyak 78579,7938 kg/jam dengan bahan bakar gas alam Jenis



: Furnace box type



Asumsi yang dipakai : 1. Excess udara 25 % 2. Effisiensi panas 80 % 3. Radiant heat flux maksimum = 12000 Btu/ft2 4. Radiant duty = 0,7 dari q total Neraca Massa Komp. C5H9CH3 C6H6 H2O Jumlah



BM 84,161 78,114 18,015



Fw kg/jam 60266,4334 2149,1228 448,2789



lb/j 132745,448 4733,75066 987,398458 138466,597



Fm kmol/j 716,0850441 27,51264562 24,88364696 768,4813367



Neraca Panas Komp. C5H9CH3 C6H6 H2O



A B -9,3930 4,253E-01 -31,3680 4,746E-01 33,9330 -8,419E-03



Konstanta C 1,252E-05 -3,114E-04 2,991E-05



D -1,886E-07 8,524E-08 -1,783E-08



E 6,475E-11 -5,052E-12 3,693E-12



Persamaan : Cpg = A + BT + CT^2 + DT^3+ET^4 Dimana Cp dalam J/mol.K dan T dalam K(Yaws) Menghitung beban panas Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



Suhu Gas Masuk = 349,13 K = 169,0254088 F Suhu Gas Keluar = 772 K = 930,2 F Massa gas Komponen C5H9CH3 C6H6 H2O



= 768,4813367 Kmol/jam fraksi 0,931818393 0,035801319 0,032380288 1



Cp.dT 86015803,9642 62881663,6598 15198252,0629



Q = mCpdT(kJ/jam) 61594630,78 1730040,928 378187,9388 63702859,65



Cpcamp. 80151108,2 2251246,51 492123,778 82894478,5



Q = m.Cp.dT = 63702859,65 Kjoule/jam = 60377570,37 Btu/jam Panas netto yang dibutuhkan : Qn 



Q  75471962,97 Btu/jam effesiensi panas



Menghitung Bahan Bakar yang Dibutuhkan Kebutuhan fuel gas pada excess udara 25 % dapat dibaca dari fig. 1-6 Evans dan diperoleh Heating Value gas = 21238 Btu/lb Jumlah fuel gas yang dibutuhkan = 3553,628542 lb/jam



Komposisi fuel gas : C3H6



=



95%



= 0,95



C3H8



=



5%



= 0,05



Reaksi pembakaran : Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



1. C3H6 + 4,5 O2 → 3CO2 + 3H2O 2. C3H8 + 5 O2 → 3 CO2 + 4 H2O Fuel Gas : C3H6



=



0.95 x 3553,628542 = 187,136758 lbmol/jam 18,04



C3H8



=



0.5 x 3553,628542



= 98,4930305 lbmol/jam



18,04 Kebutuhan O2 teoritis : reaksi 1 = 4,5.mol C3H6 = 842,115411 lbmol/jam reaksi 2 = 5 . mol C3H8 = 492,4651527 lbmol/jam Jumlah Total O2



+



= 1334,580564 lbmol/jam



Kebutuhan aktual O2 25 % berlebih, sehingga kebutuhan O2 sebenarnya adalah : Kebutuhan aktual O2



= 1334,580564 x 1.25



N2 yang ada pada udara



= 1668,2257 lbmol/jam = 6275,706222



lbmol/jam



CO2 yang terbentuk : reaksi 1 = 3 . mol C3H6



= 561,410274 lbmol/jam



reaksi 2 = 3 . mol C3H8



= 295,4790916 lbmol/jam



+



Jumlah CO2 yang terbentuk = 856,8893656 lbmol/jam H2O yang terbentuk : reaksi 1 : 3 . mol C3H6 Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



= 561,410274 lbmol/jam Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



reaksi 2 : 4 . mol C3H8



= 393,9721221 lbmol/jam



+



Jumlah H2O yang terbentuk = 955,3823961 lbmol/jam



Menghitung Berat Molekul Campuran Flue Gas : O2 yang tersisa = 333,6451409 lbmol/jam Komponen O2 N2 CO2 H2O Total



BM 32 28 44 18



lbmol/jam 333,6451409 6275,706222 856,8893656 955,3823961 8421,623125



fraksi mol BM x fraksimol 0,039617677 1,26776565 0,74518963 20,8653096 0,101748719 4,47694364 0,113443974 2,04199153 1 28,6520105



Jumlah flue gas yang terbentuk : O2 yang tersisa + N2 + CO2 + H2O



= 8421,623125 lbmol/jam = 241296,4339 lb/jam = 67,02678721 lb/s = 30,43016139 kg/s



Radiant Section Diinginkan bagian radiasi memanaskan bahan dari 349.13 K menjadi 772 K, sehingga : Qr =



63702859,65 kJ/jam



= 60377570,37 Btu/jam Suhu fluida rata-rata, tf 



772  6 13  2



560,5626136 K = 549,6127044 F



Suhu dinding pipa diperkirakan nilainya sama dengan menambah 100 °F pada suhu fluida rata-rata. (Evans, 1974) Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



Suhu dinding pipa rata-rata = 649,6127044 F Menghitung Luas Bagian Radiasi,



ART =



Qr max radiant heat flux



ART = 5031,464198 ft2 Dipilih pipa yang dipakai dengan spesifikasi : IPS



= 3 in, Sch 40



Panjang tube



= 30,5 ft



Out side diameter, OD = 8,625 in In side diameter, ID



= 7,981 in = 0,6648173 ft



Surface per lin ft



= 2,258 out side 2,09 in side ART



Total panjang tube "exposed" = Outside surface per lin ft = 2228,28352 ft Menghitung jumlah tube bagian radiasi : dicoba ukuran furnace panjang (P)



= 30,5 ft



jumlah tube



=



Total panjang tube' exposed' = 73,0584762 buah panjang tube



Jadi jumlah tube yang dibutuhkan, Nt = 74 buah Tube spacing center to center, (syarat 1,5 - 2,5 kali OD) Diambil



= 17,25 in



Jumlah baris



=1



Jumlah shield



=5



Jumlah tube / baris vertical



= 35 buah



Tinggi bagian radiasi



= 344,5 in = 28,70833333 ft



Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



Jumlah tube / baris horizontal



= 39 buah



Lebar bagian radiasi



= 664,125 in = 55,34375 ft



Luas permukaan pipa, At =



panjang tube Inside surface per lin=ft 63,745 ft2



Luas permukaan total pipa = Nt x At = 4717,13 ft2 Spacing ratio 



Jarak spacing  OD



2



Dengan menggunakan fig 1.18 (Evans, 1974) diperoleh faktor pembanding antara tube bank dan plane θ = 0,88 Cold plate area wall tube Acpw = Panjang tube x (Jumlah tube - shield tube) x jarak center = 3025,21875 ft2 Cold plate area shield tube Acps = Panjang tube x Jumlah shield x jarak center = 219,21875 ft2 αAcp = Acps + θ x Acpw = 2881,41125 ft2 Luas envelope = 2(Lebar x Tinggi) + 2(Lebar + Tinggi ) x Panjang Tube = 8304,830729 ft2 Luas daerah radiasi, Ar = Luas envelope – αAcp = 5423,419479 ft2 Aw 1149.8 1,882209448    Acp 282.2



Volume furnace = Panjang tube x Lebar x Tinggi Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



= 48459,2181 ft3 Mean beam length, L = (2/3) x (Volume furnace)1/3 L = 24,3052938 ft Dari fig 1.7 (Evans, 1974) diperoleh tekanan parsial CO2 + H2O, P° = 0,23 sehingga, P° x L = 5,590217573 atm.ft Dalam perancangan alat ini tidak ada udara preheat ataupun fuel preheat. Sehingga kecepatan panas untuk udara, Qa dan fuel, Qf adalah sama dengan nol, sedangkan panas hilang diperkirakan 2 % dari panas netto (Evans, 1974) Menentukan suhu fire box Dicoba pada suhu = 1200 °F Menggunakan fig 1.8 (Evans, 1974) diperoleh emisivitas gas sebesar



= 0,44



Dengan menggunakan fig 1.9 (Evans, 1974) diperoleh exchange factor f = 0,52



α Acp x f = 1498,33385 ft2 Qn   . Acp . f



50370,59195 Btu/ft2Jam



Untuk furnace jenis fire box, dianggap bahwa suhu gas sama di seluruh box, Tg2 = 1200 Dengan menggunakan fig 1.10 (Evans, 1974) diperoleh =



Qg2 = 0,32 Qn



Dengan menggunakan neraca panas diperoleh persamaan berikut : QR  Qa Qf Qg2 Qn  1   x   =  . Acp. f  Qn Qn Qn  34252,0025  . Acp. f Btu/ft2Jam



Dengan menggunakan fig 1.11 (Evans, 1974), untuk: QR/α x Acp x f = 34252,00253 Btu/ft2Jam Tg



= 1200 F



Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



Diperoleh titik pada sebelah kiri kurva t = 1780 F (Tube wall temperature) Dengan cara yang sama Dicoba pada suhu = 1500 °F Menggunakan fig 1.8 (Evans, 1974) diperoleh emisivitas gas sebesar



= 0,32



Dengan menggunakan fig 1.9 (Evans, 1974) diperoleh exchange factor f = 0,54 α Acp x f = 1555,962075 ft2 Qn   . Acp . f



48505,01447



Untuk furnace jenis fire box, dianggap bahwa suhu gas sama di seluruh box, Tg2 = 1500 F



Qg2



Dengan menggunakan fig 1.10 (Evans, 1974) diperoleh = Qn = 0,38 Dengan menggunakan neraca panas diperoleh persamaan berikut : QR  Qa Qf Qg2 Qn  1   x    . Acp. f  Qn Qn Qn   .=Acp .f 29103,0087 Btu/ft2Jam



Dengan menggunakan fig 1.11 (Evans, 1974), untuk: QR/α x Acp x f = 29103,00868 Btu/ft2Jam Tg



= 1500 F



Diperoleh titik pada sebelah kiri kurva t = 600 F (Tube wall temperature) Plot titik ini pada fig 1.11 dan tarik garis pada dua titik Tg diperoleh suhu fire box = 1450 F Dari fig 1.10 (Evans, 1974) diperoleh =



Qg2 = 0,39 Qn



QR  Qa Qf Qg2 Qn  1   x = 28617,95854    . Acp. f  Qn Qn Qn   . Acp. f



QR = 44528458,15 Btu/jam QR



 Sri Pardyanah (03020051) ART Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



8850 Btu/ft2Jam Karena QR/ART < 12000 Btu/ft2jam (Evans, 1974) maka asumsi suhu furnace benar Convection Section Beban panas untuk bagian konveksi : Qc = Qd - QR Qc = 15849112,22 Btu/jam



= 16722398 kJ/jam



 qa   qf Stack heat content     qs/qn  1   release  qn   qn



  qc  qr   -      qn  0,18400



Dari fig 1.10 (Evans, 1974), diperoleh suhu stack = 800 °F Cross over temperature = Tgout - 0,7(Tgout - Tgin) = 397,3777862 °F Beda suhu = Hot = 1052,622214 F Cold = 630,9745912 F LMTD 



Bagian panas - Bagian dingin  823,8940526 F Bagian panas ln Bagian dingin



Temperature rata-rata bagian konveksi untuk : Fluida tube



= 549,6127044 F



Tube wall



= fluida tube +100 = 649,6127044 F



Gas



= Fluida tube + LMTD = 1373,506757 F



Gas film



= Fluida tube + LMTD/2 = 961,5597307 F



Dipilih spesifikasi tube bagian konveksi : IPS



= 3 in, Sch 40



Out side diameter, OD = 4,5 in Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



In side diameter, ID



= 4,026 in = 0,3353658 ft



Surface per lin ft



= 1,178 out side 1,055 in side



Jarak center to center



= 11,25 in = 0,937125 ft



Jumlah tube tiap baris



= 12 buah



Gross width = (Jumlah tube tiap baris + 0,5) x tube spacing = 140,625 in = 11,71875 ft



Free width = Gross width - (jumlah tube tiap baris x OD) = 86,625 in = 7,21875 ft Panjang tube exposed = 38,5 ft Luas = free width x panjang tube exposed = 277,921875 ft2 Kecepatan massa gas pada minimum cross section : G = kec aliran gas/luas = 0,241171326 lb/ft2detik Perhitungan selanjutnya menggunakan "detail film transfer coefficient" 1. Dengan fig 1.12 menggunakan "gas film temperature" = 961,5597307 F, diperoleh convection coefficient, hcc = 3,4 Btu/ft2jam°F 2. Dengan fig 1.13 (Evans, 1974) dengan "avarage gas temperature" = 1373,50676 F dan "avarage tube wall



temperature " = 649,6127044 °F



diperoleh gas radiation coefficient, hcr = 3,3 Btu/ft2jam°F 3. Dengan fig 1.14 (Evans, 1974) dengan "avarage tube wall temperature" = 649,612704 F. Diperoleh "wall radiation coefficient", hcw = 16,5 Btu/ft2jam°F Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



Koefisien perpindahan panas total : hc = hcc + hcr + hcw = 23,2 Btu/ft2jam°F Jarak antara baris = 1/2 * √3 * tube spacing = 0,676054486 ft = 8,112653833 in Lebar seksi konveksi = 329,625 in = 27,46875 ft Tinggi seksi konveksi = 379,75 in = 31,64583333 ft



Luas area dinding tiap baris = 2 x ( jarak antar baris x panjang tube) Acw = 52,05619543 ft2 Luas tube tiap baris = jumlah tube tiap baris x panjang tube exposed x luas pipa/ft Act = 487,41 ft2 Menghitung faktor radiasi dinding pada bagian konveksi, dengan persamaan : f 



hcw Acw x  0,075958075 hc total Act



Sehingga diperoleh harga koefisien transfer panas film bagian konveksi : hc = (1 + f) x (hcc + hcr) = 7,208919101 Menghitung koefisien transfer panas dalam tube : Dari fig 1.15 (Evans, 1974) diperoleh nilai koefisien transfer panas overall, Uc = 6,3 Btu/ft2jam°F Luas area untuk bagian konveksi, Ac 



Qc  LMTD x Uc



Jumlah tube =



3053,465541 ft2



= 67,32114907 Ac  x OD x L



Jumlah tube = 68 buah Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



Tiap baris ada 12 tube maka jika diambil jumlah baris 9 sehingga jumlah tube total = 68 Stack Suhu flue gas



= 1000 F



Suhu udara luar = 100 F Dengan menggunakan fig 1.16 (Evans, 1974) diperoleh : Draft



= 0.86 in / 100 ft



Asumsi Shiels Tube



= 10 ft



Draft



= 0,086 in



Convection Section G = 0,241171326 lb/ft2detik Density of flue gas = 0,026 lb/ft3 Velocity head, V = 0.0030 x G2 / rho-g = 0,006711186 ft Friksi = Shield tube x valocity head/2 = 0,033555928 in Asumsi Stack Temperature = 800 F Satck Temperatur = 700 F Densitas gas stack = 0,033 lb/cu ft Volume gas



= 0,564198546 cu^ft/sec



Trial ID stack = 6 ft G stack = 0,019954442 ft/sec Velocity head, V = 0.0030 x G2 / rho-g = 4,59438E-05 in Estimate Head



= 100 ft



Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



Asumsi L/D



= 50



L/50D



= 0,333333333



Loss



= (3+L/50D).V = 3,333379277 in



Total Draft = Draft + friction + Loss = 3,452935205 in Draft dari stack = 0.74/100 ft, fig. 1.16 (kern) Head



= 466,6128656 in = 38,72886784 ft Summary



Radian section P L T Dt Nt Luas radiant section



30,5 55,34375 28,70833333 0,6648173 74 5031,464198



ft ft ft ft buah ft2



Convection Section P L T Dt Jarak center to center Nt Jumlah baris Luas convection section



38,5 27,46875 31,64583333 0,3353658 0,937125 68 9 3053,465541



ft ft ft ft ft buah



6



ft



ft2



Stack D Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



Lampiran Furnace



Prarancangan Pabrik Benzene dari Methylcyclopentane Dengan Proses Dehidrogenasi Kapasitas 330.000 ton/tahun



T Suhu



Sri Pardyanah (03020051) Riani Ayu Lestari (03020061)



38,72886784 800



ft F



Lampiran Furnace