![Lampiran D Reaktor [PDF]](https://pdfs.asia/img/200x200/lampiran-d-reaktor.jpg)
7 0 1 MB
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 178
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Lampiran D PERHITUNGAN REAKTOR
Kode
: R-01
Fungsi : Mereaksikan asetaldehida menjadi parasetaldehida dengan katalis asam sulfat Tujuan Perancangan
:
A. Menentukan jenis reaktor B. Menentukan bahan konstruksi reaktor C. Menentukan jumlah reaktor optimal D. Menentukan dimensi reaktor E. Menentukan dimensi pengaduk dan daya pengaduk F. Menentukan dimensi koil pendingin G. Menentukan pipa inlet dan outlet reaktor
Reaksi : 3C2H4O(l) Asetaldehida
Kapasitas
H2SO4
C6H12O3(l) Parasetaldehida
= 30.000 ton/tahun ×
1 hari 1000 kg 1 tahun × × 24 jam 1 ton 330 hari
= 3.878,7878 kg/jam Konversi
= 72 %
Waktu reaksi = 25 menit (Baer & Manan, 1954)
Lampiran D 178
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 179
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
A. Menentukan Jenis Reaktor Tipe: Reaktor Alir Tangki Berpengaduk Alasan Pemilihan : 1.
Reaksi dijalankan dalam kondisi isotermal sehingga suhu dan komposisi campuran dalam reaktor yang harus selalu sama bisa dipenuhi dengan pemakaian reaktor jenis RATB karena ada pengaduknya.
2.
Fase reaktan adalah cair-cair sehingga baik digunakan RATB.
3.
Menghindari adanya ”hot spot” (bagian dalam reaktor yang suhunya sangat tinggi) karena dengan adanya pengadukan diharapkan suhu dan komposisi di semua titik di reaktor sama. (Agra, halaman 10)
B. Menentukan Konstruksi Reaktor Dalam perancangan reaktor dipilih bahan stainless steel SA 302 grade A dengan alasan: a. Cukup kuat dan tahan terhadap korosi b. Mudah difabrikasi c. Harga relatif murah (Timmerhaus, tabel 4 halaman 426)
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 180
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
C. Menentukan Jumlah Reaktor Optimal Tujuan Optimasi : Mendapatkan jumlah dan volume optimal ditinjau dari konversi dan harga reaktor Reaksi yang terjadi dalam reaktor : 3C2H4O mula-mula CAO reaksi CAO.XA setimbang CAO.(1-XA) Reaksi merupakan reaksi orde 1 ,dimana : V
=
C6H12O3 1
/3.CAO.XA /3.CAO.XA
1
FAO FAO (1 XA ) ( rA )
dimana :
FAo
= CAo.Vo
(-rA) = k.CAO(1-XA) V =
CAo.vo.XA k.CAo.(1 XA )
XA V = vo k.(1 XA )
dimana : τ =
V vo
Sehingga : τ = waktu tinggal = 25 menit Xa = konversi = 72% (U.S. Patent 468874, 1954) k =
xA .(1 x A )
k =
0,72 25 menit.(1 0,72)
= 0,1029 /menit = 6,1714 /jam Komponen C2H4O H2O
kmol/jam kg/jam 118,826 5234,638 2,964 53,404
xi ρi (kg/L) 0,985 0,748 0,010 1,011
ρi.xi (kg/L) 0,737 0,010 Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 181
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
H2SO4 C6H12O3 Total
0,269 26,438 0,000 0,000 122,060 5314,480
M
vo = CAO =
=
5314,480 kg / jam 0,756 kg / L
0,005 0,000 1,000
1,810 0,965 4,534
0,009 0,000 0,756
= 7068,708 L/jam
118,826 kmol / jam 1000 mol n = 7068,708 L / jam × 1 kmol = 16,018 mol/L vo
XA = 72%
1 Tangki Reaktor
Persamaan Neraca Massa :
V
vo.( XA1 XAO) k.(1 XA1)
XA1 = 0,720
τ=
(0,72 0) 6,1714 /jam.(1 0,72)
= 0,417 jam
2 Tangki Reaktor
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 182
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Asumsi : ρ1 = ρ2 Persamaan Neraca Massa Untuk Tangki 1 :
V
vo.( XA1 XAO) k.(1 XA1)
XA1 = 0,471
τ=
(0,471 0) 6,1714 /jam.(1 0,471)
= 0,144 jam
Persamaan Neraca Massa Untuk Tangki 2 :
V
vo.(XA 2 XA1) k.(1 XA 2)
XA2 = 0,720
τ=
(0,72 0,471) 6,1714 /jam.(1 0,72)
= 0,144 jam
3 Tangki Reaktor
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 183
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Asumsi : ρ1 = ρ2 = ρ3 Persamaan Neraca Massa Untuk Tangki 1 :
V
vo.(XA1 XAO) k.(1 XA )
XA1 = 0,346
τ=
(0,346 0) 6,1714 /jam.(1 0,346)
= 0,086 jam
Persamaan Neraca Massa Untuk Tangki 2 :
V
vo.(XA 2 XA1) k.(1 XA 2)
XA2 = 0,573
τ=
(0,573 0,346) 6,1714 /jam.(1 0,573)
= 0,086 jam
Persamaan Neraca Massa Untuk Tangki 3 :
V
vo.(XA 3 XA 2 ) k.(1 XA 3)
XA3 = 0,720
τ=
(0,72 0,573) 6,1714 /jam.(1 0,72)
= 0,086 jam Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 184
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Analog dengan perhitungan di atas, diperoleh konversi untuk 4 Reaktor, 5 Reaktor , dan 6 Reaktor sebagai berikut :
4 Tangki Reaktor XA1= 0,270
,
τ1 = 0,060 jam
XA2= 0,470
,
τ2 = 0,060 jam
XA3= 0,615
,
τ3 = 0,060 jam
XA4= 0,720
,
τ4 = 0,060 jam
XA1= 0,225
,
τ1= 0,047 jam
XA2= 0,400
,
τ2 = 0, 047 jam
XA3= 0,535
,
τ3 = 0, 047 jam
XA4= 0,640
,
τ4 = 0, 047 jam
XA5= 0,720
,
τ5 = 0, 047 jam
XA1= 0,195
,
τ1 = 0,039 jam
XA2= 0,350
,
τ2 = 0,039 jam
XA3= 0,475
,
τ3 = 0,039 jam
XA4= 0,576
,
τ4 = 0,039 jam
5 Tangki Reaktor
6 Tangki Reaktor
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 185
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
XA5= 0,658
,
τ5 = 0,039 jam
XA6= 0,720
,
τ6 = 0,039 jam
Tabel Hubungan Antara Jumlah Reaktor, Konversi, Kecepatan Reaksi, Waktu Tinggal, Dan Volume Reaktor N 1 2 3 4 5 6
XA 0,72 0,471 0,346 0,270 0,225 0,195
CA=CA0(1-X) 4,707 8,891 10,994 12,271 13,028 13,532
rA=k. CA 29,048 54,869 67,848 75,732 80,400 83,513
τ (jam)
0,417 0,144 0,086 0,060 0,047 0,039
Volume (L) 2945,295 1020,220 605,972 423,638 332,533 277,455
Perbandingan Harga Alat 0,6
�Cb � Eb = Ea � � �Ca � Eb =
Ea . Cb0,6 Ca 0,6
Eb = α . Cb 0,6
Dimana:
Ea, Eb
= harga pembelian alat A dan B
Ca, Cb
= Kapasitas alat A dan B
α
=
Ea Ca 0,6
Tabel Hubungan antara Jumlah Reaktor dengan Harga Alat n
V (L)
V^0.6
Harga Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 186
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
1 2 3 4 5 6
2.945,295 1.020,220 605,972 423,638 332,533 277,455
120,636 63,858 46,717 37,687 32,591 29,236
120,636 α 127,716 α 140,150 α 150,750 α 162,956 α 175,415 α
Grafik Hubungan Antara Harga Alat dengan Jumlah Reaktor Dari grafik di atas, dapat dilihat bahwa penggunaan 1 reaktor paling ekonomis, sehingga reaktor optimum yang digunakan adalah 1 reaktor. Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 187
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
D. Penentuan Dimensi Reaktor a. Neraca Massa Reaktor Input Komponen C2H4O H 2O H2SO4 C6H12O3
BM 44,053 18,015 98,079 132,159 Jumlah
arus 2 arus 3 kmol kg kmol kg 118,826 5234,638 0,000 0,000 2,935 52,875 0,029 0,528 0,0000 0,000 0,269 26,438 0,0000 0,000 0,000 0,000 5287,513 26,966 5314,479
Output arus 4 kmol kg 33,271 1465,670 2,964 53,404 0,269 26,438 28,518 3768,939 5314,479 5314,479
1. Perhitungan Volume Reaktor Waktu tinggal dalam reaktor : = 25 menit
(Baer & Manan, 1954)
Menentukan Densitas Campuran (ρcamp) x C2H4O
=
5234,638 kg/jam 5314,479 kg/jam
= 0,985 ρ C2H4O
= A . B -(1-T/Tc)^n = 0,2820 × 0,2600-(1-322,039 /460)^0,2776 = 0,748 kg/L
x C2H4O . ρ C2H4O = 0,985 × 0,745 kg/L = 0,736 kg/L Perhitungan komponen lain analog dari perhitungan di atas. Komponen
kg/jam
xi
ρ (kg/L)
xi. ρi
Fvi
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 188
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
C2H4O H2O C6H12O3 H2SO4 Jumlah
camp
5234,638 53,404 0,000 26,438 5314,480
=
0,985 0,010 0,000 0,005 1,000
0,748 1,011 0,965 1,810
.Fvi 5314,480 0,752 Fvi 7068,708 i
= 751,832 kg/m3 ×
0,736 0,010 0,000 0,009
7001,257 52,847 0,000 14,604 7068,708
kg / L
0,0624 lbm/ft 3 1 kg/m 3
= 46,934 lbm/ft3
Menentukan Volume Operasi Voperasi
5314,479 kg/jam
= 751,832 kg/m 3
= 7,069 m3/jam × 0,4167 jam = 2,945 m3 ×
35,3147 ft 3 1 m3
= 104,012 ft3 Over design 10-20% (diambil 20%) Vperancangan = Voperasi.(1 + over design) = 2,945 m3 . (1 + 0,2) = 3,5344 m3 ×
35,3147 ft 3 1 m3
= 124,815 ft3
2.
Perhitungan Ukuran Reaktor Bentuk : silinder vertikal dengan alas dan head torispherical dished head Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 189
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Alasan : mampu menahan tekanan 15-200 psia dan relatif ekonomis Asumsi : H = D
(Rase, tabel 8.3 halaman 342)
V head (ft3) Vreaktor
= 0,000049. D3 = Vsilinder + 2.Vhead
124,815 ft3
= ¼ π.D3 + 2.0,000049. D3
(Brownell, pers 5.11 halaman 88)
D3
= 131,772 ft3
D
= 5,089 ft ×
0,3048 m 1 ft
= 1,551 m ×
39,3701 in 1 ft
= 61,065 in H
= 5,089 ft = 1,551 m = 61,065 in
3.
Perhitungan Ketinggian Cairan dalam Reaktor Volume cairan merupakan volume reaktor sebelum over design. Vcairan
= 104,012 ft3
Vhead dasar
= 0,0809.D3 = 0,0809.( 5,089 ft)3 = 10,660 ft3
Vcairan di shell
= Vcairan – Vhead dasar = 104,012 ft3 + 10,660 ft3 = 93,352 ft3 Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 190
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Vcairan di shell
= ¼.π.D2.ZL
93,352 ft3
= ¼ . 3,14 . (5,089 ft)2 . ZL
ZL
= 4,592 ft ×
0,3048 m 1 ft
= 1,400 m
4.
Perhitungan Tekanan Perancangan Reaktor Pperancangan
= Poperasi.(1+over design) = 3 atm . (1+0,1) = 3,3 atm ×
14,6959 psia 1 atm
= 48,496 psia
5.
Perhitungan Tebal Dinding Reaktor (ts) P.ri
ts = f.E - 0,6.P + C
(Brownell, pers 13.1 hal 254)
dengan : ts = tebal dinding reaktor P = tekanan perancangan = 48,4965 psia E = welded joint efficiency
= 80%
(Brownell, tabel 13.2 hal 254)
f = tekanan maksimum yang diijinkan = 18.750 psia ri = jari-jari reaktor = ½.D Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 191
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
= ½ . 61,065 in = 30,532 in C = corrosion allowance ts
= 0,125 in
(Brownell, halaman 344)
P.ri
= f.E - 0,6.P + C 48,4965 psia × 30,532 in
= 18750 psia × 0,8 - 0,6 × 48,4965 psia + 0,125 in ts
= 0,224 in
diambil tebal shell standar =1/4 in = 0,25 in 6.
(Brownell, tabel 5.6 hal 88)
Perhitungan Tebal Alas dan Head Reaktor (th) OD
= ID + 2.ts = 61,065 in + 2. (1/4 in) = 61,565 in
Dipilih OD standar = 66 in Untuk ts = 3/16 in dan OD = 66 in, maka: r
= 66 inch
icr
=4
icr/r
= 0,061
W
=
1 3 r / icr 4
=
1 × 3 66 / 4 4
(Brownell, tabel 5.7 hal 90)
(icr > 6%)
(Brownell, pers 7.76 hal 138)
= 1,765 W = stress-intensification factor untuk torispherical dish head
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 192
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun P.r.W
th
= 2.f.E - 0,2.P + C
(Brownell, pers 7.77 hal 138)
dengan : th = tebal head reaktor P = tekanan perancangan = 48,4965 psia E = welded joint efficiency
= 80%
(Brownell, tabel 13.2 hal 254)
f = tekanan maksimum yang diijinkan = 18750 psia r = jari-jari reaktor = ½ . 61,065 in = 30,532 in P.r.W
th
= 2.f.E - 0,2.P + C 48,4965 psia × 30,532 in × 1,765
= 2 × 18750 psia × 0,8 - 0,2 × 48,4965 psia + 0,125 in th
= 0,313 in
diambil tebal head standar = 3/8 in = 0,375 in (Brownell, tabel 5.6 hal 88)
7.
Perhitungan Tinggi Reaktor Total OD
b
icr
OA
A
B sf
r ID t
a
C
Dari tabel 5.8 Brownell & Young untuk t = 3/8 in maka sf = 1,5 3 in. Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 193
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Dipilih sf = 2,5 in, sehingga diperoleh : icr
= 15/16
a
= ID = 61,280 in = 30,532 in
AB
= a – icr
2
2
= (30,640 - 15/16) in BC
= 29,595 in
= r – icr = (66 - 15/16) in = 65,063 in
AC
b
=
BC 2 AB 2
=
(65,062 in ) 2 (29,703 in ) 2
= r-AC = (66 - 57,887) in
OA
= 57,942 in
= 8,058 in
= th + b + sf = (0,375 + 8,113 + 2,5) in = 10,933 in ×
1m 39,3701 in
= 0,278 m Tinggi reaktor total
= H + 2.OA = (1,551 + 2 × 0,278) m = 2,106 m
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 194
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
E. Perhitungan Dimensi Dan Daya Pengaduk Jenis pengaduk
: turbin 6 flat blade turbine dengan 4 baffle
1. Perhitungan Dimensi Pengaduk E/Dt Da/Dt L/Da W/Da
= 1/3 = 1/3 = 1/4 = 1/5
Da = Dt = E= w= L= H=
Dt/3 3 × Da 1,3 × Dt 0,2 × Da 0,25 × Da ZL
Da = diameter pengaduk Dt = diameter dalam reaktor E = jarak pengaduk dari dasar reaktor H = tinggi cairan dalam reaktor W = tinggi blade L = lebar blade (McCabe, halaman 243)
2.
= 1,696 ft = 5,089 ft = 1,696 ft = 0,339 ft = 0,424 ft = 4,592 ft
= 0,517 m = 1,551 m = 0,517 m = 0,103 m = 0,129 m = 1,400 m
Perhitungan Kecepatan Pengadukan ρcamp
= 0,752 kg/L ×
1000 L m3
0,0624 lbm/ft 3 = 751,832 kg/m × 1 kg/m 3 3
= 46,935 lbm/ft3 Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 195
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Densitas air pada 43,333 oC Komponen A H2O 0,3471 ρair = A . B -(1-T/Tc)^n
B 0,274
n 0,28571
Tc 647,13
= 0,3471 × 0,274-(1-316,48/647,13)^0,28571 = 1,010 gr/cm3 sg
=
0,752 gr/cm 3 1,010 gr/cm 3
= 0,744 WELH = (π.Di.Ni/600)2 2.Di
dengan : WELH = water equivalent liquid height (ft) Di
= diameter impeller
= 1,696 ft
N
= kecepatan pengadukan (rpm) (Rase, persamaan 8.8 hal 345)
WELH = z.sg = 4,592 ft × 0,744 = 3,417 ft ×
0,3048 m 1 ft
= 1,041 m ×
39,3701 in 1 m
= 41,000 in Jumlah turbin
=
WELH Dt
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 196
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun 3,417 ft
= 5,089 ft = 0,671 ≈ 1 turbin 600
WELH 2 Di
Putaran pengaduk (N) = Di
(Rase, persamaan 8.9 hal
345) =
600 (1,696 ft )
( 41,000 in ) 2 (1,696 ft ) (12 in / ft )
= 112,995 rpm Digunakan power standar
= 125 rpm = 125 rpm×
(Walas, halaman 288) 60 menit 1 jam
= 7500 rpj
3.
Perhitungan Bilangan Reynold NRe
=
.N.Di 2
Dimana : ρ = densitas campuran = 46,935 lbm/ft3 N = kecepatan pengadukan (rpm) Di = diameter impeller = 1,696 ft μ = viskositas campuran (lbm/ft.jam)
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 197
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Penentuan Viskositas Campuran Komponen C2H4O H2O H2SO4 C6H12O3 Jumlah
μcamp
kg/jam 1465,699 53,404 26,438 3768,939 5314,479
= 0,663 cP ×
wi μi 0,276 0,199 0,010 0,623 0,005 12,802 0,709 0,759 1,000 14,383
wi.μi 0,055 0,006 0,064 0,539 0,663
6,72.10 4 lbm / ft.s 1 cP 3600 s
= 0,0004 lbm/ft.s × 1 jam = 1,604 lbm/ft.jam NRe
=
.N.Di 2
46,935 lbm/ft 3 × 2,0833 rps × (1,696 ft) 2 = 0,0004 lbm/ft.s
= 631288 Np 4.
= 5,5
(Rase, figure 8.8 halaman 345)
Perhitungan Daya Pengadukan 3
P=
N Di 3,52.10 3.Np. . . 62,43 60 12
5
(Rase halaman 349)
dengan: Np = tenaga pengadukan = 5,5
(Rase, figure 8.8 halaman 345)
P
= power pengadukan
ρ
= densitas campuran = 46,935 lbm/ft3
N = kecepatan putaran pengadukan
= 125 rpm
Da = diameter impeller = 1,696 in Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 198
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
P
= 1,848 hp
Efisiensi pompa = 80 % P
=
1,848 hp 0,80 1 kW
= 2,310 hp × 1,3410 hp = 1,723 kW Dipilih power standar = 3 hp
(Rase, halaman 358)
F. Perancangan Koil Pendingin 1.
Perhitungan Neraca Panas Reaktor Fungsi : sebagai tempat reaksi asetaldehida menjadi parasetaldehida Reaksi : 3C2H4O(l) C6H12O3(l) asetaldehida parasetaldehida Tout = 316,48 K
∆HR Tin = 309,820 K
∆H2
∆H1 To = 298,15 K
∆HRo
T = 298,15 K Perhitungan Panas yang Dibawa Umpan (∆H1) o
a. Umpan asetaldehida (arus 2) Tin = 36,670 oC = 309,820 K T = 25 oC = 298,15 K 298,15
Komponen C2H4O H2O
kmol/jam 118,826 2,935
xi 0,976 0,024
∫ Cp dT
309,82
-1.211,246 -880,237
298,15
∆H =309,82 m.∫ Cp.dT -143.927,450 -2.583,549 Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 199
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Jumlah
121,761
1,0000
-146.510,999
b. Katalis asam sulfat (arus 3) Tin = 35 oC = 308,15 K adalah: T = 25 oC = 298,15 K 298,15
298,15
Komponen H2SO4 H2O Jumlah ∆H1
kmol/jam 0,270 0,029 0,299
xi 0,902 0,098 1,0000
∫ Cp dT
308,15
∆H =308,15 m.∫ Cp.dT
-1.407,026 -754,461
-379,269 -22,144 -401,413
= ∆H2 + ∆H3 = [-146.510,999 + (-401,413)] kJ/jam = -146.912,412 kJ/jam
Perhitungan Panas Reaksi Standar (∆HR) Reaksi yang terjadi di reaktor 3C2H4O(l) Mula-mula 118,826 Reaksi 85,555 Setimbang 33,271 HR = Hfproduk - Hfreaktan
C6H12O3(l) 0,000 28,518 28,518
= [-520,023 + (3 × (-166,400))] kJ/mol HR = -21,030 kJ/mol Komponen C2H4O C6H12O3 Jumlah
kmol/jam
∆Hof (kJ/mol)
85,555 28,518 114,073
-166,400 -520,023 -21,030 1000 mol HR = 21,030 kJ/mol × 28,518 kmol/jam × 1 kmol HR = -599.738,160 kJ/jam Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 200
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Perhitungan Panas yang Dibawa Produk (∆H2) Tout = 43,333 oC = 316,480 K To = 25 oC = 298,15 K
316,480
316,480
Komponen kmol/jam
xi
C2H4O H2O C6H12O3 H2SO4 Jumlah
0,512 0,046 0,438 0,004 1,000
33,271 2,964 28,518 0,270 65,023
∫ Cp dT
∆H =298,15 m.∫ Cp.dT
298,15
3169,153 2258,665 7910,362 4263,477
63.695,367 4.095,494 698,175 136.849,098 205.338,134
∆H2 = 205.338,134 kJ/jam ∆HR
= ∆H1 + ∆HRo + ∆H3 = [-146.912,412 + (-599.738,160 ) + 205.338,134] kJ/jam = - 541.312,438 kJ/jam
Qp
= 541.312,438 kJ/jam
Neraca Panas Total : Keterangan Panas yang dibawa umpan Panas yang dibawa produk Panas reaksi Panas yang diserap pendingin Jumlah
Input (kJ/jam) 146.912,412
Output (kJ/jam) 205.338,134
599.738,160 746.650,572
541.312,438 746.650,572
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 201
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Kebutuhan pendingin berdasarkan jumlah panas yang diserap ( Qp ) Qp =541.312,438 kJ/jam ×
0,24 kkal 1 jam × 1 kJ 3600 s
= 35,910 kkal/s =512.997,890 Btu/jam Untuk pendingin, dipakai air yang masuk pada suhu 30 oC dan keluar pada suhu 40 oC. T1 = 30 oC = 303,15 K = 86 oF T2 = 40 oC = 313,15 K = 104 oF Trata-rata = 35 oC = 308,15 K = 95 oF Sifat fisis air pada Trata-rata: Cp =
4,183 kJ/kg.K = 0,999 Btu/lbm.oF
ρ
1010,537 kg/m3 = 63,086 lbm/ft3
=
μ. =
0,733 cp
k
1,093 W/m.K = 0,631 Btu/jam.ft.oF
=
= 1,774 lbm/ft.jam
2. Kebutuhan Pendingin yang Dibutuhkan M
Qp
= Cp.T 541.312,438 kJ/jam
= 4,183 kJ / kg.K × (313,15 - 303,15) K = 12.642,348 kg/jam = 3,595 kg/s V
M
=
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 202
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
=
12.642,348 kg/jam 1010,537 kg/m 3
= 12,8074 m3/jam = 0,004 m3/s
3. Penentuan Pipa Koil Pendingin Ukuran pipa koil = 0,5 – 2,5 in
(Perry, halaman 11.20)
Spesifikasi pipa koil :
(Kern,tabel 11 hal 844)
Ukuran nominal pipa (IPS) = 2 in Diameter luar (OD)
= 2,38 in = 0,0605 m
Schedule Number (SN)
= 40
Diameter dalam (ID)
= 2,067 in = 0,0525 m
Flow area tiap pipa (ao)
= 3,35 in2 = 0,0022 m2
Surface area per lin ft (Ao) = 0,622 ft2/ft = 0,1896 m2/m Susunan koil
= helix
Diameter helix (DH)
= 0,6 – 0,8 IDr
Dipilih DH
= 0,8 IDr
IDr
= 1,551 m
DH
= 1,086 m
(Rase, hal 361)
Jarak antar lilitan (l) = (1 – 2) × OD Dipilih l
= 1,5 × OD
Jarak antar lilitan (l) = 0,091 m
4.
Perhitungan Koefisien Transfer Panas Dalam Koil (Data Pendingin) Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 203
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
(Kern, halaman 721)
1
hi.ID ID 0,027. Re 0 ,8 . Pr 3 .1 3,5 k DH
(Kern, pers 6.2 halaman 103)
Dengan: hi = koefisien transfer panas konveksi dalam koil (Btu/hr.ft2.F) ID = diameter dalam koil (ft) = 0,172 ft k = konduktivitas panas pendingin = 0,631 Btu/hr.ft.oF DH = diameter helix (ft) = 3,562 ft Gt =
M air 3,595 kg/s = 0,0022 m 2 ao
Gt.ID Re= =
= 1663,408 kg/m2.s
1663,408 kg / m 2 s × 0,0525 m 0,0007 kg/m.s
= 119.096 Pr = bilangan Prandtl 0,999 Btu / lbm.o F × 1,774 lbm / ft. jam cp. Pr = = 0,631 Btu / jam.ft.o F k
= 2,806 1
hi.ID ID 0,027. Re 0 ,8 . Pr 3 .1 3,5 k DH hi .
1 0,0525 0,0525 0,027.119096 0,8.2,8065 3 .1 3,5 = 0,6314 3,562
hi = 1877,290 Btu/jam.ft2.oF = 2,545 kkal/s.m2.oC Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 204
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
5.
Perhitungan Koefisien Transfer Panas pada Bagian Dalam Koil hio
= hi
ID OD
(Kern, pers 6.5 halaman 105) 0,0525 m
= 2,545 kkal/s.m2.oC × 0,0604 m = 2,210 kkal/s. m2.oC
6.
Perhitungan Koefisien Transfer Panas di Luar Koil (Data Fluida) L2 N ho.Di 0,87 k
2/3
c k
1/ 3
w
0.14
(Kern, pers 20.4 halaman 722)
Dengan: ho = koefisien transfer panas konveksi di luar koil (Btu/hr.ft2.F) k= Di = OD = ρ= N= cp=
konduktivitas panas cairan diameter impeller OD koil densitas cairan kecepatan putar impeller panas jenis cairan μ= viskositas cairan μw= viskositas air L = panjang impeller
= = = = = = = = =
0,108 Btu/jam.ft.oF 1,696 ft 0,198 ft 46,935 lb/ft3 7500 rpj 0,579 Btu/lbm.oF 1,604 lbm/ft.jam 1,774 lbm/ft.jam 1,696 ft
1,696 ft 0,87 × 7358,996 × 2,051 × 0,986 ho. o 0,108 Btu/jam.ft. F
ho = 822,275 Btu/jam.ft2.oF Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 205
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
= 1,115 kkal/s.m2.oC
7.
Perhitungan Clean Overall Coefficient Heat Transfer (Uc) Uc
=
=
hio × ho hio ho
(Kern, pers 6.7 halaman 106)
2,210 kkal/s. m 2 .o C × 1,115 kkal/s. m 2 .o C (2,210 1,115) kkal/s. m 2 .o C
= 0,741 kkal/s. m2.oC = 546,602 Btu/jam.ft2.oF
8.
Perhitungan Dirt overall coefficient heat transfer (Ud) Ud =
Uc.hd Uc hd
(Kern, pers 6.10 halaman 107)
hd = 1/Rd Rd = 0,001 ft2.jam.oF/Btu
(Kern, tabel 8)
hd = 1/0,001 hd = 1000 Btu/hr.ft2.oF = 5678 J/s.m2.oC = 0,525 kkal/s. m2.oC (0,741 kkal/s. m 2 .o C) × (0,525 kkal/s. m 2 .o C) Ud = (0,741 0,525) kkal/s. m 2 .o C
= 0,307 kkal/s. m2.oC 9.
Perhitungan ΔTLMTD Tin
= 36,670 oC = 97,996 oF
Tout
= 43,333 oC = 110 oF Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 206
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
t1
= 30 oC = 86 oF
t2
=40 oC = 104 oF
∆T1
= Tin - t1 = 6,665 oC
∆T2
= Tout - t2 = 3,33 oC
ΔTLMTD
T1 T 2 = ln T1 T 2 6,665 3,33 = ln 6,665 3,33
= 4,806 oC = 40,651 oF
10. Luas kontak perpindahan panas At =
=
Q Ud.TLMTD 512.997,890 Btu/jam (226,573 Btu/jam.ft 2 .o F) × (40,651 o F)
= 55,703 ft2 = 5,175 m2
11. Perhitungan Jumlah Koil Surface area per lin ft (Ao) = 0,622 ft2/ft = 0,1896 m2/m Keliling helix
= π . [(1,086 m)2 + (0,091 m)2)0,5 = 3,422 m Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 207
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Panjang koil
= At / Ao 5,175 m 2 0,1896 m 2 /m
=
= 27,290 m Jumlah putaran
= Lt/keliling helix 27,290 m
= 3,422 m
= 7,973≈ 8 putaran
12.
Menentukan Tinggi Koil dan Volume Koil tinggi koil
= Nt . OD + (Nt-1) . l = 8 . 0,0605 + (8-1) . 0,091 = 1,118 m
Volume koil 1 lilitan = =
.OD 2 .Lc 4 .(0,0604 2 ).27,290 4
= 0,0783 m3 Volume koil 8 lilitan
= (0,0783 m3). 8 putaran = 0,626 m3
13. Menghitung Tinggi Cairan Dalam Tangki (Z) V total = Volume cairan Volume total Volume bottom head ID reaktor
Vcairan + Vkoil = 2,945 m3 = 3,024 m3 = 0,276 m3 = 1,551 m3 Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 208
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
volume cairan dalam shell = volume cairan - volume head dasar = 2,669 m3
Tinggi cairan dalam shell
=
Vol cairan dalam shell ( /4).D 2
2,669 m 3 = (3,14/4).(1,551 m) 2
= 1,413 m Tinggi reaktor
= 1,551 m 1,413 m
% tinggi cairan dalam reaktor = 1,551 m × 100% = 91,0872 %
G. Perancangan Pipa Inlet Dan Outlet Reaktor 1. Ukuran Pipa Cairan Pemasukan Umpan Komponen kg/jam xi C2H4O 5234,638 0,985 H2O 53,404 0,010 C6H12O3 0,000 0,000 H2SO4 26,438 0,005 Jumlah 5314,480 1,000 F = 5314,480 kg/jam
ρ (kg/L) 0,748 1,011 0,965 1,810
xi. ρi 0,736 0,010 0,000 0,009
Fvi 7001,257 52,847 0,000 14,604 7068,708
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 209
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
.Fvi 5314,480 0,752 Fvi 7068,708 i
camp
=
Q
= 751,832 kg/m 3
kg / L
5314,480 kg/jam
3
1 jam 3,2808 ft × 3600 s 1 m
= 7,069 m3/jam × = 0,069 ft3/s Diopt
= 3,9 × Q0,45 × ρ0,13
(Walas, persamaan 6.32 hal 100)
= 3,9 × (0,069 ft3/s)0,45 × (46,936 lbm/ft3)0,13 = 1,936 in Dipilih pipa standar: Diameter dalam pipa (ID)
= 2,067
Diameter luar pipa (OD)
= 2,38
Nominal Pipe Size (IPS)
= 2 in
Schedule Number (SN)
= 40 (Kern, tabel 11 halaman 844)
2. Ukuran Pipa Cairan Pengeluaran Reaktor Komponen kg/jam C2H4O 1465,699 H2O 53,404 H2SO4 26,438 C6H12O3 3768,939 Total 5314,480 F = 5314,480 kg/jam camp
=
xi ρi (kg/L) 0,276 0,748 0,010 1,0011 0,005 1,810 0,709 0,965 1,000
.Fvi 5314,480 0,896 Fvi 5934,305 i
xi.ρi 0,206 0,010 0,009 0,684
Fvi 1960,352 52,847 14,604 3906,502 5934,305
kg / L
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 210
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Q
5314,480 kg/jam
= 895,552 kg/m 3
3
1 jam 3,2808 ft × 3600 s 1 m
= 5,934 m3/jam × = 0,058 ft3/s Diopt
= 3,9 × Q0,45 × ρ0,13
(Walas, persamaan 6.32 hal 100)
= 3,9 × (0,058 ft3/s) 0,45 × (55,908 lbm/ft3)0,13 = 1,830 in Dipilih pipa standar: Diameter dalam pipa (ID)
= 2,067
Diameter luar pipa (OD)
= 2,38
Nominal Pipe Size (IPS)
=2
Schedule Number (SN)
= 40 (Kern, tabel 11 halaman 844)
Lampiran D
Prarancangan Pabrik Parasetaldehida 211
dari Asetaldehida dengan Katalis Asam Sulfat Kapasitas Produksi 30.000 Ton/Tahun
Gambar Penampang Reaktor Keterangan : 1. Pipa pemasukan umpan asetaldehida 2. Motor Pengaduk 3. Pipa pemasukan katalis asam sulfat 4.
Koil pendingin
5.
Impeler
Lampiran D
