Lampiran A Neraca Massa [PDF]

Citation preview

LAMPIRAN A NERACA MASSA



Perhitungan Neraca massa pada pra-rancangan pabrik hexamine dari ammonia dan formaldehid seperti berikut: Basis Perhitungan



: 1 jam operasi



Satuan Operasi



: kg/jam



Waktu Operasi



: 24 jam



Kapasitas Produk



: 25.000 ton/tahun



Waktu kerja pertahun



: 330 hari



Kapasitas produksi perjam



: 25. 000 tahun x 330 hari x 24 jam x



ton



1 tahun



1 hari



1000 kg 1 ton



: 3156,5657 kg/jam



Tabel A.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk Komponen



Komposisi (%)



Berat Molekul



BAHAN BAKU 1. 2. Ammonia



99,5



17



0,5



18



3. Formaldehid 37%



37



30







CH2O



62,5







H2O



0,5



32







CH3OH



140







NH3







H2O



PRODUK 



(CH2)6N4 (S)



99,93







(CH2)6N4 (l)



0,06







H2O



0,01



A-1



A-2



Kemurnian bahan baku : a. Amonia



: 99,5 % (PT. Pupuk Iskandar Muda)



b. Formaldehid



: 37 % (PT. Superin Medan)



Kemurnian produk



: 99,99 %



Konversi



: 98 %



A.1



Reaktor CSTR (R-101) Berfungsi sebagai tempat terjadinya reaksi ammonia dan formalin sehingga



menghasilkan hexamine yang akan dimurnikan pada proses berikutnya.



Gambar A.1 Reaktor CSTR (R-101) Dari reaksi: 6 CH2O + 4NH3



Kapasitas produksi perjam



(CH2)6N4 + 6H2O



= 3156,5656 kg/jam = 22,5468 kmol/jam



Neraca Komponen Alur 1 (F1) Formaldehid : N (CH2)6N4



= 22,5468 kmol/jam



N CH2O



=



Massa CH2O



= 30 kg/kmol x 139,6749 kmol/jam



6 1



𝑥 22,5468 kmol/jam = 139,6749 kmol/jam



= 4190,2461 kg/jam Massa H2O



=



Massa CH3OH



=



0,625 0,37



𝑥 4190,2461 kg/jam



0,005 0,37



= 7078,1184 kg/jam



𝑥 4190,2461 kg/jam = 56,6249 kg/jam



A-3



Alur 2 (F2) ammonia : 4



N NH3



= 6 𝑥 139,6749



Massa NH3



= 17 kg/kmol x 92,9741 kmol/jam



= 92,9741 kmol/jam



= 1580,5600 kg/jam Massa H2O



=



0,005 0,995



𝑥 1580,5600 kg/jam = 7,9425 kg/jam



Alur 3 (F3) : Reaksi yang terjadi : 6 CH2O + 4NH3



(CH2)6N4 + 6H2O



Konversi reaksi 98% terhadap CH2O Basis : Formaldehid 37% CH2O Maka komposisi produk keluaran Reaktor (R-101) adalah : 



CH2O (masuk)



= 139,6749 kmol/jam



CH2O (bereaksi) = 98% x 139,6749 kmol/jam = 136,8814 kmol/jam CH2O (sisa)



= 139,6749 kmol/jam – 136,8814 kmol/jam = 2,7934 kmol/jam



Massa CH2O =30 kg/kmol x 2,7934 kmol/jam = 83,8049 kg/jam 



NH3 (masuk)



= 92,9741 kmol/jam



NH3 (bereaksi)



= 6 𝑥 136,8814 kmol/jam = 91,2541 kmol/jam



NH3 (sisa)



= 92,9741 kmol/jam – 91,2541 kmol/jam



4



= 1,72 kmol/jam Massa NH3



=17 kg/kmol x 1,72 kmol/jam = 29,2378 kg/jam







H2O (masuk)



= (7078,1184 +7,9425) = 7086,0624 kg/jam



Mol H2O(masuk)= 7086,0624 kg/jam / 18kg/kmol = 393,6701 kmol/jam H2O (terbentuk)



6



= 6 𝑥 136,8814 kmol/jam = 136,8814 kmol/jam



A-4



Dihasilkan



= 393,6701 kmol/jam + 136,8814 kmol/jam = 530,5514 kmol/jam



Massa H2O



=18 kg/kmol x 530,5514 kmol/jam = 9549,9256 kg/jam







1



(CH2)6N4 (terbentuk)



=6 𝑥 136,8814 kmol/jam = 22,8136 kmol/jam



Massa (CH2)6N4



= 22,8136 kmol/jam x 140 kg/kmol = 3193,8987 kg/jam







CH3OH : F1CH3OH : F3CH3OH = 56,6249 kg/jam



Neraca massa total : F1 + F2 = F3 Tabel A.2 Hasil Perhitungan Neraca Massa pada Reaktor (R-101) Massa Masuk Komponen



F1



F2



F3



(Kg/jam)



(Kg/jam)



(Kg/jam)



NH3



-



1580,5600



29,2378



H2O



7078,1184



7,9425



9549,9256



CH2O



4190,2461



-



83,8049



56,6249



-



56,6249



(CH2)6N4



-



-



3193,8987



SubTotal



11324,9894



1588,5025



12913,4919



CH3OH



Total



A.2



Massa Keluar



12913,4919



12913,4919



Evaporator I (EV -101), Evaporator II (EV-102), Centrifuge (CF-101) F5



F3



F7 F4



EV -101



F6 EV -102



F9



F8 CF-101



A-5



A.2.1 Neraca Massa Evaporator 1 (EV-101) Menguapkan sisa CH2O, CH3OH, NH3 dan sebagian air dari produk reaktor.



Gambar A.2 Evaporator 1 (EV-101) Efisiensi evaporator : 90% terhadap H2O 



H2O : F3 H2O + F9 H2O = F4 H2O + F5 H2O F4 H2O



= 0,1 (F3 H2O + F9 H2O) = 0,1 (9549,9256 + F9 H2O) =954,9926 + 0,1F9 H2O ……………..………………..(1)



F5 H2O



= F3 H2O + F9 H2O - F4 H2O = 0,9 (9549,9256 + F9 H2O) = 8594,9330 + 0,9 F9 H2O ………...…….………….….(2)







CH3OH yang menguap 98,8%, karena lebih volatile dibanding air. F4 CH3OH + F5 CH3OH = F3 CH3OH + F9 CH3OH F4 CH3OH



= 0,012 (F3 CH3OH + F9 CH3OH) = 0,012 (56,6249 + F9 CH3OH) = 0,6794 + 0,012 F9 CH3OH …………….………(3)



F5 CH3OH



= 0,988 (F3 CH3OH + F9 CH3OH) = 0,988 (56,6249 + F9 CH3OH) = 55,9454 + 0,988 F9 CH3OH ………………..…...(4)



A-6







CH2O : yang menguap 99,8 % karena sangat volatile F4 CH2O + F5 CH2O = F3 CH2O + F9 CH2O F4 CH2O



= 0,002 (F3 CH2O + F9 CH2O) = 0,002 (83,8049 + F9 CH2O) = 0,1676 + 0,002 F9 CH2O ………………………..…....(5)



F5 CH2O



= 0,998 (F3 CH2O + F9 CH2O) = 0,998 (83,8049 + F9 CH2O) = 83,6372 + 0,998 F9 CH2O ….…………………..….…(6)







(CH2)6N4 (l) F4 (CH2)6N4 (l)



= F3 (CH2)6N4 (l) + F9 (CH2)6N4 (l)



Dalam proses evaporasi dihasilkan hexamine (CH2)6N4



(s)



sebesar 55% dari



jumlah hexamine yang masuk ke dalam evaporator sedangkan 45% lagi masih dalam bentuk hexamine liquid. F4 (CH2)6N4 (l)



= 0,45 (F3 (CH2)6N4 + F9(CH2)6N4) = 0,45 (3193,8987 + F9(CH2)6N4) = 1437,2544 + 0,45 F9(CH2)6N4 ……....……………...(7)



F4 (CH2)6N4 (s)



= 0,55 (F3 (CH2)6N4 + F9(CH2)6N4) = 0,55 (3193,8987 + F9(CH2)6N4) = 1756,6442 + 0,55 F9(CH2)6N4 ……………………...(8)



A.2.2 Evaporator 2 (EV-102) Menguapkan sisa



CH2O,



CH3OH,



dan sebagian air dari produk



evaporator 1.



Gambar A.3 Evaporator 2 (EV-102)



A-7



Efisiensi evaporator : 90% terhadap H2O 















H2O : F4 H2O



= F6 H2O + F7 H2O



F6 H2O



= 0,1 F4 H2O ……………………..……………………...(9)



F7 H2O



= 0,9 F4 H2O ……………………..…..………………...(10)



CH3OH yang menguap 98,8%, karena lebih volatile dibanding air. F4 CH3OH



= F6 CH3OH + F7 CH3OH



F6 CH3OH



= 0,012 F4 CH3OH



…………………………………(11)



F7 CH3OH



= 0,988 F4 CH3OH



…………………………………(12)



CH2O : yang menguap 99,8 % karena sangat volatile F4 CH2O



= F6 CH2O + F7 CH2O



F6 CH2O



= 0,002 F4 CH2O ………………………………………(13)



F9 CH2O



= 0,998 F4 CH2O ………………………………………(14)



(CH2)6N4 (l) F4 (CH2)6N4 (l) = F6 (CH2)6N4 (l) + F6 (CH2)6N4 (s) Dalam proses evaporasi dihasilkan hexamine (CH2)6N4



(s)



sebesar 55% dari



liquid hexamine yang masuk ke dalam evaporator 2 sedangkan 45% lagi masih dalam bentuk hexamine liquid. F6 (CH2)6N4 (l) 



(CH2)6N4



(s)



= 0,45 F4 (CH2)6N4 (l) …………………………………(15)



: Jumlah hexamine solid bertambah 55% dari hexamine liquid



(CH2)6N4 (l) yang masuk ke Evaporator 2. F6 (CH2)6N4 (s)



= F4 (CH2)6N4 (s) + 0,55 F4(CH2)6N4(l) ……………….(16)



A.2.3 Centrifuge (CF-101) Fungsi centrifuge memisahkan kristal hexamine dari mother liquornya.



Gambar A.4 Centrifuge (CF-101)



A-8



Efisiensi alat Centrifuge 95%. 



H2O



F6 H2O = F8 H2O + F9 H2O



F8 H2O



= 0,05 F6 H2O



F9 H2O



= 0,95 F6 H2O



Dari persamaan (9), F6 H2O = 0,1 F4 H2O, maka : F9 H2O



= 0,95 (0,1 F4 H2O) = 0,095 F4 H2O



Dari persamaan (1), F4 H2O = 954,9926 + 0,1 F9 H2O, maka : F9 H2O



= 0,095 F4 H2O = 0,095 (954,9926 + 0,1 F9 H2O) = 90,7242 + 0,0095 F9 H2O = 92,3819 kg/jam



Untuk memperoleh nilai F4 H2O, substitusi F9 H2O ke persamaan 1: F4 H2O



= 954,9926 + 0,1 F9 H2O = 954,9926 + 0,1 (91,59446032) = 972,0414 kg/jam



Untuk memperoleh nilai F5 H2O, substitusi ke persamaan 2. F5 H2O



= 8594,9349 + 0,9 F9 H2O = 8594,9349 + 0,9 (92,0626) = 8670,2662 kg/jam



Untuk memperoleh nilai F6 H2O, substitusi ke persamaan 9: F6 H2O



= 0,1 F4 H2O = 0,1 (964,1522) = 97,2441 kg/jam



Untuk memperoleh nilai F7 H2O, substitusi ke persamaan 10 : F7 H2O



= 0,9 F4 H2O = 0,9 (964,1522) = 874,7972 kg/jam



Dengan mensubstitusi nilai F6 H2O , maka : F8 H2O



= 0,05 F6 H2O = 0,05 F6 (96,4152)



A-9



F8 H2O 



= 4,8622 kg/jam



CH3OH F6 CH3OH



= F8 CH3OH + F9 CH3OH



F8 CH3OH



= 0,05 F6 CH3OH



F9 CH3OH



= 0,95 F6 CH3OH



Dari persamaan (11) F6 CH3OH = 0,012 F4 CH3OH F9 CH3OH



= 0,95 F6 CH3OH = 0,95 (0,012 F4CH3OH) = 0,0114 F4CH3OH



Dari persamaan (3) F4 CH3OH = 0,6795 + 0,012 F9 CH3OH, maka: F9 CH3OH



= 0,0114 F4CH3OH = 0,0114 (0,6795 + 0,012 F9 CH3OH) = 0,0076 kg/jam



Substitusi nilai F9 ke persamaan (3) F4 CH3OH



= 0,6795 + 0,012 F9 CH3OH = 0,6795 + 0,012 (0,0076) = 0,6723 kg/jam



Substitusi nilai F9 ke persamaan (4) F5 CH3OH



= 55,9455 + 0,988 F9 CH3OH = 55,9455 + 0,988 (0,0076) = 55,9603 kg/jam



Substitusi nilai F4 ke persamaan (11) F6 CH3OH



= 0,012 F4 CH3OH = 0,012 (0,6723) = 0,0080 kg/jam



Substitusi nilai F4 ke persamaan (12) F7 CH3OH



= 0,988 F4 CH3OH = 0,988 (0,6723) = 0,6643 kg/jam



A - 10



F8 CH3OH



= 0,05 F6 CH3OH = 0,05 (0,0080) = 0,0004 kg/jam







CH2O F6 CH2O



= F8 CH2O + F9 CH2O



F8 CH2O



= 0,05 F6 CH2O



F9 CH2O



= 0,95 F6 CH2O



Dari persamaan (13) F6 CH2O = 0,002 F4 CH2O F9 CH2O



= 0,95 F6 CH2O = 0,95 (0,002 F4 CH2O) = 0,0019 F4 CH2O



Dari persamaan (5) F4CH2O = 0,1676 + 0,002 F9 CH2O F9 CH2O



= 0,0019 F4 CH2O = 0,0019 (0,0208 + 0,002 F9 CH2O) = 0,0001 kg/jam



Substitusi F9 CH2O ke persamaan (5) F4 CH2O



= 0,1676 + 0,002 F9 CH2O = 0,1676 + 0,002 (0,0003) = 0,1037 kg/jam



Substitusi F9 CH2O ke persamaan (6) F5 CH2O



= 83,6373 + 0,998 F9 CH2O = 83,6373 + 0,998 (0,0001) = 83,7014 kg/jam



Substitusi nilai F4 CH2O ke persamaan (13) F6 CH2O



= 0,002 F4 CH2O = 0,002 (0,1037) = 0,0002 kg/jam



Substitusi nilai F4 CH2O ke persamaan (14) F9 CH2O



= 0,998 F4 CH2O = 0,998 (0,1037)



A - 11



F9 CH2O



= 0,1034 kg/jam



Dengan mensubstitusikan nilai F6 maka : F8 CH2O



= 0,05 F6 CH2O = 0,05 (0,0002) = 0,0000 kg/jam



Sangat kecil, sehingga dapat diabaikan. 



(CH2)6N4 (l) F6 (CH2)6N4 (l)



= F8 (CH2)6N4 (l) + F9 (CH2)6N4 (l)



F8 (CH2)6N4 (l)



= 0,05 F6 (CH2)6N4 (l)



F9 (CH2)6N4 (l)



= 0,95 F6 (CH2)6N4 (l)



Dari persamaan (15) F6 (CH2)6N4 (s) = 0,45 F4 (CH2)6N4 (l) F9 (CH2)6N4 (l)



= 0,95 F6 (CH2)6N4 (l) = 0,95 (0,45 F4 (CH2)6N4 (l)) = 0,4275 F4 (CH2)6N4 (l)



Dari persamaan (7) F4 (CH2)6N4 (l) = 1437,2544 + 0,45 F9(CH2)6N4 F9 (CH2)6N4 (l)



= 0,4275 F4 (CH2)6N4 (l) = 0,4275 (1437,2544 + 0,45 F9(CH2)6N4) = 751,5227 kg/jam



Substitusi nilai F9 ke persamaan (7) : F4 (CH2)6N4 (l)



= 1437,2544 + 0,45 F9(CH2)6N4 = 1437,2544 + 0,45 (760,7817) = 1766,6720 kg/jam



Substitusi nilai F4 ke persamaan (15) : F6 (CH2)6N4 (l)



= 0,45 F4 (CH2)6N4 (l) = 0,45 (1779,6065) = 791,0765 kg/jam



Dengan mensubstitusikan nilai F6 maka : F8 (CH2)6N4 (l)



= 0,005 F6 (CH2)6N4 (l) = 0,005 (800,8229) = 39,5538 kg/jam



A - 12







(CH2)6N4 (s) F6 (CH2)6N4 (s)



= F8 (CH2)6N4 (s)



Dari persamaan (16) F6 (CH2)6N4 (s)



= F4 (CH2)6N4 (s) + 0,55 F4(CH2)6N4(l)



Dari persamaan (8) F4 (CH2)6N4 (s)



= 1756,6446 + 0,55 F9(CH2)6N4



F6 (CH2)6N4 (s)



= F4 (CH2)6N4 (s) + 0,55 F4(CH2)6N4(l) = 1756,6446 + 0,55 F9(CH2)6N4 + 0,55 F4(CH2)6N4(l) = 1756,6446 + 0,55 (760,7817) + 0,55(1779,6065) = 3154,3449 kg/jam



F4 (CH2)6N4 (s)



= 1756,6446 + 0,55 F9(CH2)6N4 = 1756,6446 + 0,55 (1779,6065) = 2178,7493 kg/jam



Tabel A.3 Hasil Perhitungan Neraca Massa Total Evaporator 1 (EV-101) Massa Masuk Komponen



Massa Keluar



F3



F9



F4



F5



(Kg/jam)



(Kg/jam)



(Kg/jam)



(Kg/jam)



NH3



29,2378



-



-



29,2378



H2O



9549,9256



92,3819



972,0414



8670,2662



83,80494



0,0001



0,1037



83,7014



56,6249



0,0076



0,6723



(CH2)6N4(l)



3193,8987



751,5227



1766,6720



55,9603 -



(CH2)6N4(s)



-



-



2178,7493



-



SubTotal



12913,4919



843,9124



4918,2387



8839,1656



CH2O CH3OH



Total



13757,4043



13757,4043



A - 13



Tabel A.4 Hasil Perhitungan Neraca Massa Total Evaporator 2 (EV-102) Massa Masuk Komponen



H2O



Massa Keluar



F4



F6



F7



(Kg/jam)



(Kg/jam)



(Kg/jam)



972,0414



97,2441



874,7972



CH2O



0,1037



0,0001



0,1035



CH3OH



0,6723



0,0080



0,6643



(CH2)6N4(i)



1766,6720



791,0765



-



(CH2)6N4(s)



2178,7493



3154,3449



-



SubTotal



4918,2387



Total



4918,2387



4042,6737 4918,2387



875,5650



Tabel A.5 Hasil Perhitungan Neraca Massa Total Centrifuge (CF-101) Massa Masuk Komponen



H2O CH2O CH3OH (CH2)6N4(l) (CH2)6N4(s) SubTotal Total



A.3



Massa Keluar



F6



F8



F9



(Kg/jam)



(Kg/jam)



(Kg/jam)



97,2441



4,8622



92,3819



0,0001



0,0000



0,0001



0,0080



0,0004



0,0076



791,0765



39,5538



751,5227



3154,3449



3154,3449



-



4042,6737 4042,6737



3198,7613 4042,6737



Rotary Dryer (RD-101)



Gambar A.5 Rotary Dryer (RD-101)



843,9124



A - 14



Efisiensi alat 95% 



CH3OH



:



F8 CH3OH = F10 CH3OH + F11 CH3OH F10 CH3OH = 0,05 F8 CH3OH = 0,05 (0,00040776) =0,000020388 kg/jam (Sangat kecil, sehingga dapat diabaikan) F11 CH3OH = 0,95 F8 CH3OH = 0,95 (0,00040776) = 0,0004 kg/jam 



H2O :



F8 H2O = F10 H2O + F11 H2O



F10 H2O



= 0,05 F8 H2O = 0,05 (4,82076107) = 0,2431 kg/jam



F11 H2O



= 0,95 F8 H2O = 0,95 (4,82076107) = 4,6191 kg/jam







(CH2)6N4 (l) F8 (CH2)6N4 (l) = F10 (CH2)6N4 (l) + F11 (CH2)6N4 (l) F10 (CH2)6N4 (l) = 0,05 F8 (CH2)6N4 (l) = 0,05 ( 40,04114685) = 1,9777 kg/jam F11 (CH2)6N4 (l) = 0,95 F8 (CH2)6N4 (l) = 0,95 (40,04114685) = 37,5761 kg/jam







(CH2)6N4 (s) F8 (CH2)6N4 (s) = F10 (CH2)6N4 (s) = 3154,3449 kg/jam



A - 15



Tabel A.6 Hasil Perhitungan Neraca Massa Total Rotary Dryer (RD-101) Massa Masuk Komponen



H2O CH2O CH3OH (CH2)6N4(l) (CH2)6N4(s) SubTotal Total



Massa Keluar



F8



F10



F11



(Kg/jam)



(Kg/jam)



(Kg/jam)



4,8622



0,2431



4,6191



0,0000



-



0,0000



0,0004



-



0,0004



39,5538



1,9777



37,5761



3154,3449



3154,3449



-



3198,7613 3198,7613



3156,5657 3198,7613



42,1956