LAMPIRAN D REAKTORmcmm [PDF]

Citation preview

LAMPIRAN D PERENCANAAN ALAT UTAMA (TUGAS KHUSUS) D.1



Reaktor Fixed Bed Multitube (R-401) / Sasmita Andriani (150140058)



Fungsi



: Tempat berlangsungnya reaksi Dehidrasi Ethylene Chynohidrine menjadi Acrylonitirle katalis Alumina



Jenis



: Reaktor Fixed Bed Multitube



Fase



: Gas



Kondisi Operasi



: Suhu Tekanan



katalisator



: Alumina



Jenis reaksi



: Endotermis



Konversi



: 99%



= 280℃ = 1 atm



Reaksi yang terjadi di dalam reaktor adalah : C3H5NO (g))



C3H3N



(g)



+ H2O (g)



Q pemanas in R-401 Q pemanas out



Gambar D.1 Reaktor Fixed Bed Multitube



LD-1



LD-2



D.2



Pemilihan Jenis Reaktor Dipilih reactor fixed bed multitube dengan pertimbangan sebagai berikut:



1.



Reaksi yang berlangsung adalah reaksi dalam fase gas dengan katalis padat.



2.



Kapasitas produksi cukup tinggi



3.



Dapat digunakan untuk mereaksi dua macam gas sekaligus



4.



Tidak diperukan pemisahan katalis dari gas keluaran reaktor



5.



Kemampuan reaktor untuk menyediakan luas permukaan untuk perpindahan panas cukup besar



6.



Pressure drop rendah



7.



Umur katalis panjang



8.



Pengendalian suhu relatif mudah karena dipakai tipe multitube Dipilih multitube karena reaksi yang terjadi secara eksoterm sehingga



kenaikan suhu gas dalam reaktor cepat, agar pendingin lebih efektif dilakukan pada reaktor fixed bed multitube karena luas permukaannya lebih besar pada reaktor fixed bed multitube raktan bereaksi di dalam tube-tube yang berisi katalis dan media pemanas mengalir di luar tube didalam shell (Andrian, 2015). Skematik aliran pemanas pada reaktor fixed bed multitube ditunjkan pada gambar D.2 berikut:



D.3



Asumsi-Asumsi yang Diambil 1. Kondisi proses steady state 2. Perpindahan massa secara difusi di abaikan 3. Mengikuti hukum gas ideal 4. Tidak ada panas yang hilang kelingkungan 5. Kapasitas panas gas (Cp) dan viskositas gas (𝜇) merupakan fungsi suhu dan bukan fungsi jarak. 6. Sifat reaksi endotermis 7. Kondisi proses non-adiabatis dan non-isothermal



D.4



Neraca Massa



Berikut ini adalah neraca massa dan neraca energi reaktor (R-101). Perhitungan nya dapat dilihat pada lampiran A dan lampiran B.



LD-3



Tabel D.1 Neraca Massa Reaktor (R-401) Komponen



C3H5NO



Massa Masuk (Kg/jam) F1



F2



F3



25.923,52



261,7822



261,8530



-



-



19.353,1238



194,24



-



6.764,6039



26.117.76



261,7822



26.379,58072



C3H3N H2O Sub total Total



D.5



Massa Keluar (Kg/jam)



26.379,5422



26.379,58072



Neraca Energi Fluida panas yang berfungsi sebagi pemanas yaitu superheated steam pada



steam tabel dengan kondisi : Temperatur (T) = 350℃ Tekanan (P)



= 5 atm



Hl



= 640,1 kJ/kg



Hv



= 3168 kJ/kg



λsteam



(Reklaitis, 1983)



= Hv - H1 = 3168 – 640,1 = 2.527,9 Kj/kg



Maka jumlah steam yang dibutuhkan: 𝑄 𝜆 221.676.920,75 kJ/jam = 2.527,9 kJ/kg



𝑚=



= 87.692,12 kg/jam Tabel B.18 Neraca Energi pada Reaktor (R-601) Komponen



Masuk



Keluar



ΔH1



2.671.727.386,16



-



ΔH2



-



2.835.534.206,30



LD-4



A.



ΔHR



-



2014,48



Q



221.676.920,75



-



Qloss



-



57.868.086,13



Total



2.893.404.306,91



2.893.404.306,91



Data Fisis dan Termal Kondisi campuran gas yang bereaksi di dalam raektor setiap saat mengalami



perubahan untuk tiap increment panjang reaktor. Persamaan yang digunakan untuk menghitung kondisi campuran gas tersebut adalah sebagai berikut: 1.



Menghitung berat molekul umpan Berat molekul umpan merupakan berat molekul campuran gas yang dapat



dihitung dengan persamaan : BM campuran = Σ (Bmi.yi) Dengan : Bmi = berat molekul komponen i, Kg/kmol Yi



= fraksi mol gas i



Tabel D.3 Berat Molekul Umpan Komponen



Bmi



Yi



Bmi × yi



C3H5NO



71



0,97



68,87



C3H3N



53



0.00



0,00



H2O



18



0,03



0,54



1,00



69,41



Total Diperoleh BM campuran 2.



= 69,41 g/mol



Menghitung densitas campuran



Campuran gas mengikuti hukum gas ideal PV



=nRT



n/v BM camp = P/RT BM camp ρ camp



= P/RT BM camp



dengan = P



= tekanan umpan masuk = 1,3 atm



LD-5



R



= 0,0821 atm m3/kmol K



T



= suhu umpan masuk = 284,1 °C = 557.25 °K



Sehingga ρ camp



= =



𝑘𝑔 𝑥 1,3 𝑎𝑡𝑚 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚3 0,0821𝑎𝑡𝑚. .𝐾 𝑥 557,25 K 𝑘𝑚𝑜𝑙



0.069 41



0.090233 45,75



= 0,00197 kg/m3 = 1,97 g/m3 3.



Laju volumetrik: Q



= =



Laju alir masuk reaktor total ρ campuran 26.379,54 Kg/jam 1,97 kg/m3



= 13.390,63 m3/jam = 3,7 m3/s



4.



Konsentrasi umpan reaktor:



-



Konsentrasi Ethylene chynohidrine CA0



= =



PA0 RT 101,325 kpa 8,314 kpa.m3 .Kmol.K (557,25 K)



= 0,021 Kmol/m3 B.



Laju Reaksi Reaksi dehidrasi Ethylene chynohidrine termasuk reaksi orde 1. Dari segi



kinetika, kecepatan reaksi dehidrasi berdasarkan persamaan rumus: k



= A . e−E/RT



Harga konstanta kecepatan reaksi kimia adalah sebagai berikut:



C3H5NO (g))



C3H3N



(g)



+ H2O (g)



Reaksi direaksikan pada suhu 220°C-350°C dan tekana 1,3 atm. Untuk mengetahui apakah reaksi berjalan secara spontan serta membutuhkan panas atau



LD-6



tidak, maka perlu dilakukan pencarian terhadap harga entalpi dan energy gibbs dari reaksi tersebut. Untuk mencari harga entalpi dan energy gibbs dari reaksi diatas, maka dapat dilakukan perhitungan secara bertahap seperti yang terlihat pada gambar 1. Menghitung ∆G°298



Menghitung ∆H°298 ∆H°R, dan ∆H°P



Menghitung K298



Menghitung ∆H°RT



Menghitung K557,25



Menghitung ∆G°557,25 Gambar 1. Diagram Alir Termodinamika Dimana: ∆Hº298 = Perubahan entalpi pada suhu 298 K ∆HºR



= Perubahan entalpi reaktan pada suhu 557,25 K



∆HºP



= Perubahan entalpi produk pada suhu 557,25 K



∆HºRT



= Perubahan entalpi resultant



K298



= Konstanta keseimbangan pada suhu 298,15 K



K557



= Konstanta keseimbangan pada suhu 557,25 K



∆Gº298 = Perubahan energi Gibbs pada suhu 298,15 K ∆Gº557 = Perubahan energi Gibbs pada suhu 557,25 K Mencari ∆Gº298,15 : Tabel 5. Harga energi gibbs pada suhu 298,15⁰K Bahan C3H5NO C3H3N H2O



∆G⁰298 -97,90 195,31 -228,60



∆H⁰298 -170,00 184,93 -241,80 (Carl.L.Yaws, 1999)



LD-7



1.



Panas reaksi standar (P = 1 atm, T = 250C) ∆HR0



= ∆Hf0Produk - ∑ ∆Hf⁰Reaktan = (184,93+ -241,80) – (-170,00) = 113,13 kJ/mol



2.



Konstantaa kesetimbangan (k) pada keadaan standar sehingga ∆Gf0, yaitu: ∆Gf0



= ∆Gf0Produk - ∑ ∆Gf⁰Reaktan = (195,31 + -228,60) – (-97,90) = 64,61 kj/mol ∆Gf⁰



Ln K298 = Ln K298 =



R.T 64,61 k j/kmol 8,314.10^−3



kj .k (298,15 K) kmol



Ln K298 = 26,07 K298 3.



= 3,26



Konstanta kesetimbangan (K) pada suhu = 2840C = 557,15 K Ln Ln



K₂



=



K₁ K₂ K₁



−∆HR R



1



1



(T₂ - T₁) 113,13𝑘j/kmol



1



= (− 8,314.10^−3 𝑘j/kmol)(557,15 k −



1 298,15 k



)



= 20,41 Ln K2 K2 4.



= 20,41 x 3,26 = 4,19



Konstanta laju reaksi pada suhu reaksi K298,15



= eGf⁰/R.T = e-64,61 /8,314(298,15) = 3,26



5.



Konstanta laju reaksi pada suhu operasi K557,25



= K298,15 exp [



−∆HR R



1



(T₂ −



1 )] T₁



−113,13 𝑘j/kmol



1



= 3,36 exp [(8,314.10^−3 𝑘j/kmol)(557,25 k − = 4,19



6.



Energi Aktivasi Ln



K₂ K₁



=



Ea 1 ( R T₂



−



1 ) T₁



1 )] 298,15 k



LD-8



Ln



4,19 3,26



Ea



1



= 8,314.10^−3 (557,25 k −



1 ) 298,15 k



Ea



Ln 1,28 = 8,314.10^−3 x -0,0015 Ln 0,010 = Ea x -0,0015 -4,54



= - 0,0015 Ea



Ea



=



Ea



= 3028,63



−4,54 −0,0015



Faktor Frekuensi K



= A . e-Ea/R.T



4,19



= A. e-3.058,34/8,314.557,25



4,19



= A. 0,66



A



= 0,66



A



= 6,34



4,19



C.



Menghitung Berat Katalis (W)



1.



Spesifikasi katalis Bahan katalis



= Alumina



Bentuk



= Padat, bulat



Umur katalis



= 3-5 tahun



Diameter katalis = 5 mm = 0,5 cm = 0,005 m



2.



Porositas



= 0,4 m3/m3



Bulk density



= 0,83 g/m3



Menentukan Spesifikasi Tube yang Digunakan Dalam menentukan diameter tube, Colburn (Smith, P 571) menyatakan



hubungan pengaruh rasio (Dp/Dt) atau perbandingan diameter katalis dengan diameter pipa dengan koefisien transfer panas pipa berisi katalis dibanding koefisien transfer panas konveksi pada dinding kosong. Dp/Dt



0,05



0,1



0,15



0,2



0,25



Hw/h



5,5



7,0



7,8



7,5



7,0



Dimana : Dp/Dt = rasio diameter katalis per diameter pipa



LD-9



Hw/h = rasio koefisien transfer panas pipa berisi katalis terhadap koefisien transfer panas pada pipa kosong Dari data diatas hw/h terbesar pada 7,8 pada (Dp/Dt) = 0,15 Dt



=



Dp 0,15



=



0,5 cm 0,15



= 3,333 cm = 0,0333 m = 1,3 in



Untuk pipa komersial : (kern,1983) NPS = 1,5 in ID



= 1,610 in = 0,0409 m = 4,0906 cm



OD = 1,90 in = 0,0483 m = 4,831 cm a’ 𝜇



= 2,04 in2 = 0.037 cP pada suhu 557,25 K = 0.133



Nre



= =



kg m.jam



ρ 𝐼𝐷.𝑄𝑣 𝜇 1,97 Kg m3 x 0,0409 m x 13.390,63 3 jam m kg 0,133 m.jam



= 8.100,02 Jenis aliran pada reaktor ini ada aliran turbulen, karena nilai NRe yang didapat lebih besar dari 4000 yaitu 8.100,02 Nre



= 8.100,02



µ (viskositas)



= 0.133



Dt



= 0,033 m



G (umpan total)



= 26.379,59 Kg/jam



3.



kg m.jam



Menghitung kecepatan massa per satuan luas (Gt) Gt



= =



µ Nre Dt 0,133 kg/m.s × 8.100,02



0,033 m



= 32.694,64 kg/m2jam 4.



Mencari luas penampang total (At) At



G



= Gt =



26.379,59 kg/jam 32.694,64 kg/m2 jam



LD-10



= 0,80 m2 5.



Mencari luas penampang segitiga (A0) π



= 4 ID2



A0



=



3,14 4



(0,0409)2



= 0,0013 m2 6.



Menghitung jumlah tube At



Nt



= A0 =



0,80 0,0013



= 614 buah Z panjang tube standar 24 ft = 7,3152 m C.



Menentukan Massa Katalis dan Volume Tumpukan Katalis Katalis yang digunakan dalam proses pembentukan Acrylonitrile



merupakan katalis Alumina dengan spesifikasi sebagai berikut: a.



Menghitung massa katalis



W



= 4 (IDt2) (1-e)Nt ρb. Z



𝜋



=



3,14 4



(0,0409 m)2 (1-0,4) 614 × 0,0083 Kg/m3 × 7,3152 m



= 4,21 kg b.



Menghitung volume tumpukan katalis



Volume



= =



W ρcat 4,21 kg 0,00083 kg/m3



= 5,08 m3 3.



Mechanical Design Reactor



a.



Tube Ukuran tube (kern,1983): Susunan tube



= triangular pitch.



Bahan



= stainless steel



Diameter nominal (NPS) = 1,50 in



LD-11



OD



= 1,90 in



= 0,0483 m = 0,1583 ft



ID



= 1,61 in



= 0,0409 m = 0,1342 ft



Schedule number



= 40



Flow area perpipa



= 2,04 in2



Panjang pipa (L)



= 7,3152 meter



= 0,0013 m2



Susunan pipa yang digunakan adalah triangular pitch (segitiga sama sisi) dengan tujuan agar memberikan turrbulensi yang lebih baik, sehingga akan memperbesar koefisien transfer panas konveksi (ho). Sehingga transfer panasnya lebih baik dari square pitch (Kern,1983).



Tebal pipa



= (OD-ID)/2 = (1,90 – 1,61)/2 = 0,145 in = 0,00367 m



Jarak antar pusat pipa (PT) Pitch tube (PT)



= 1,25 OD = 1,25 × 1,90 = 2,37 in = 0,06 m



Jarak antar pipa (Clearance) Clearance (C’)



= PT – OD = 2,37 – 1,90 = 0,47 in = 0,012 m



Koefisien transfer panas dalam pipa



LD-12



hi



ID × Gt 0,8 Cp × µt 0,33



= 0,03 × (



)



µt



(



kt



)



kt



(IDt)



Dimana, ID



= diameter dalam tube



= 0,1342 ft



Gt



= kecepatan massa



= 32.656,58 kg/m2s



= 6.688,59 lb/ft.s



µt



= viskositas



= 0,056 cP



= 0.000037 lb/ft.s



Cp



= kapasitas panas



= 11,8615 Btu/lb°F



kt



= konduktivitas panas



= 0,3626 Btu/jam.ft2



hi



0,1342 × 6.688,59



= 0,03 × (



0.000037



0,8 11,8615 ×0.000037 0,33 0,3626



)



(



0,3626



)



(0,1342)



= 128,69 Btu/jam.ft2.°F Hio



= ID/OD × hi = 0,1342 ft/0,1583ft × 128,69 Btu/jam.ft2.°F = 109,10 Btu/jam.ft2.°F



Tube side atau bundle crossflow area (at) at



= Nt × at’ = 614 ×



= 614 ×



π.IDt2 4 3,14 (0,0409 m)2 4



= 0,81 m2 b. Shell Bahan yang digunakan adalah stainless steel SA 167 grade 11 type 316 Ukuran shell Diameter dalam shell (IDs) IDS



=√



=√



4 ×Nt ×P2T ×0,8090 π 4 × 614×2,372 × 0,8090



= 59,63 in



3,14



LD-13



= 4,96 ft = 5 ft = 1,51 m Menghitung baffle space (B) B



= 0,3 × IDs = 0,3 × 1,51 m = 0,45 m = 18 in



Koefisien transfer panas dalam shell Shell side atau bundle crossflow area (as) as



= =



(Pt-OD)× IDs × B Pt (2,37-1,90) × 59,63 × 18 2,37



= 211,60 in2 = 1,46 ft2 Mass velocity (Gs) Gs



= =



W as 5.586,3388 lb/jam 1,46 ft2



= 39.184,12 lb/jam ft2 Equivalent diameter (De) OD2



De



4 ×(0,5 PT ×0,8090 × PT - 0,5 × π × 4 ) = 0,5 × π × OD (1,90)2 )) 4



4 ×((0,5 ×2,375×0,8090×2,375)-(0,5×3,14×



= = 1,81 in = 0,15 ft Reynold Number (Re)



0,5×3,14×1,90



LD-14



Re



=



De Gs µ pemanas lb



=



0,15 ft × 39.184,12 jamft2 1,9284



lb .jam ft



= 3047,92 Maka, Ho



= 0,36



Kp De × Cp 0,55 CPp × µp 1/3 ( µp ) ( Kp ) De



= 0,36



0,3623 0,15 × 8344,18 0,55 1 × 1,9284 1/3 ( ) ( 0,3623 ) 1,9284 0,15



= 54,3300 btu/jam. Ft2,°F



Dengan : Kp



= konduktivitas panas pendingin = 0,3623 Btu/hr.ft.F



CPp



= kapasitas panas pendingin = 1 Btu/lb.F



µp



= viskositas pendingin = 1,9284 lb/ft jam



Dirt Factor (Rd) - Liquid organic = 0,001 hr.ft2.℉/Btu - Pendingin



= 0,003 hr.ft2.℉/Btu



- Rd total



= 0,004 hr.ft2.℉/Btu



Koefisien Perpindahan Panas Overall Clean dan Design koefisien perpindahan panas overall clean dihitung dengan rumus : Uc



= =



hio.hi hio+hi 109,10 × 128,69 109,10 + 128,69



= 36,26 Harga koefisien perpindahan panas overall design dihitung dengan rumus :



LD-15



Ud



1



=



1 + 36,26



=



1 + 36,26



Rd



1 0,004



= 31,67 Btu/ hr.ft2.℉ Pressure drop di shell ∆𝑃𝑠



=



f.Gs2.IDs.(N+1) 5,22.10.De.Sg. φs



Dimana : Ds = diameter shell (IDs)



= 4,035 ft



Mass velocity (Gs)



= 39.184,12 lb/jam.ft2



Equivalent diameter (De)



= 0,15 ft



Φs = corrected coefficient s



= 1,0



(N+1)



=



ΔPs



=



=



12L B



= 16,30



f.Gs2 .IDs.(N+1) 5,22.1010 .De.Sg. φs 0,0018 × (39.184,12 )2 × 4,035 × 16,30 5,22 × 1010 × 0,15 × 1 × 1



= 0,023 psi Tebal shell Spesifikasi bahan stainless steel SA 167 grade 11 type 316 Tekanan yang diijinkan (f)



= 18.750 psi



Efisiensi sambungan (E)



= 0,8 (double welded joint)



Corrosion allowanced



= 0,25 in



Tebal shell dihitung dengan persamaan P.r



ts



=



ts



: tebal shell, in



P



: tekanan dalam reaktor, psi



r



: jari-jari dalam shell, in



(f.E-0,6P)



+C



LD-16



ɛ



: efisiensi pengelasan = 0,8



C



: faktor korosi



f



: allowable stress, psi



= 0,25



Tekanan dalam shell Tekanan desain diambil 20% diatasnya, maka : Pop



= Tekanan operasi ; 1,3 atm = 19,10 psi



P design



= 1,2 × Pop = 1,2 × 1,3 atm = 1.56 atm = 22,92 psi



Maka tebal plat lapisan luar adalah : ts



=



ts



=



P.ri (f.ɛ - 0,6 P)



+ 0,125



22,92 × 24,21 ((18.750 × 0,8) - (0,6 × 22,92) 1)



+ 0,125



= 0,16 in (diambil tebal standar 0,2 in) Diameter luar shell (ODs) ODs



= IDs + 2ts = 59,63 in + 2 (0,2) = 60,03 in = 1,52 meter



5.



Head dan Bottom Untuk menentukan bentuk head ada 3 pilihan :



1.



Flange and standard Dished Head Digunakan untuk vessel proses vertikal bertekanan rendah, terutama digunakan untuk tangki penyimpanan horizontal, serta untuk menyimpan fluida yang volatil.



2.



Torispherical flaned and dished head Digunakan untuk tangki dengan tekanan dalam rentang 15-200 psig



LD-17



3.



Elliptical flanged and dished head Digunakan untuk tangki dengan tekanan tinggi dalam rentang 100 psig dan tekanan diatas 200 psig (Brownell and young, 1959). Bentuk head and bottom yang digunakan adalah Torispherical flanged and



dished head yang sesuai dengan kisaran tekanan sistem yaitu 15-200 psig. Bahan yang digunakan untuk membuat head and bottom sama dengan bahan shell stainless steel SA 167 grade 11 type 316 Menentukan inside radius corner (icr) dan corner radius(rc) OD



= ID + 2ts = 60 in + 2 (0,2) = 60,03 in = 1,52 meter



Dibulatkan menjadi 60 in untuk menentukan icr dan rc Diketahui tebal t = 0,2 in Maka berdasarkan tabel 5.7 Brownell and Young : icr



= 3,625 in



rc



= 60 in



maka W



w



1



=4×(3+√ 1



=4×(3+√



rc icr



)



60 3,625



)



= 1,76



Tebal head minimum dihitung dengan persamaan berikut: th



=



P.rc.W 2 fɛ-0,2 P



+C



22,92 × 48 × 1,76 = 2(18.750 × 0,8)- (0,2 × 22,92) + 0,25



= 0,33 in Untuk th = 0,33 in, dari tabel (Brownell and Young,1959) diperoleh :



LD-18



sf



= 3 in = 0,25



Spesifikasi head :



Gambar D.2 Desain head pada reaktor Depth of dish (b) b



2



= rc – √(rc-icr)2 -(



ID



= 60 – √(60-3)2 -(



48,82



2



-icr)



2



2



– 3)



= 7,51 in Tinggi Head (OA) OA



= th + b + sf = 0,33 + 7,51+ 3 = 10,84 in



Jadi tinggi head = 10,84 in = 0,275 m 5.



Tinggi Reaktor Dari hasil perhitungan diperoleh tinggi tumpukan katalis yang dibutuhkan



yaitu 1.2153 m Tinggi shell



= tinggi pipa standar yang digunakan = 24 ft = 7,31520 m



LD-19



Tinggi reaktor



= tinggi shell + 2 (tinggi head) = 7,3152 + 2 (0,275) = 7,89 m = 25,90 ft



6.



Luas Permukaan Reaktor Luas reaktor bagian dalam Luas shell bagian dalam Ashi



= π × IDs × tinggi shell = 3,14 × 4,96 ft × 25,90 ft = 404,22 ft2



Luas head dan bottom bagian dalam Ahbi



= 2 × ((π × IDs × sf) + ( π/4 × IDs2)) = 2 × ((3,14 × 5 × 0,25) + (3,14/4 × 52)) = 46,55 ft2



Jadi luas reaktor bagian dalam : = Ashi + Ahbi = 407,03ft2 + 46,55 ft2 = 404,22 ft2 Asho



= π × ODs × tinggi shell = 3,14 × 4,98 × 24 = 375,53 ft2



Luas head dan bottom bagian luar Ahbo



= 2 × ((π × ODs × sf) + (π/4 × ODs2)) = 2 × ((3,14 × 4,98 × 0,25) + (3,14/4 × 4,98)) = 46,77 ft2



Jadi luas reaktor bagian luar : = Asho + Ahbo = 378,12 ft2 + 47,37 ft2 = 422,31 ft2



LD-20



7.



Volume Reaktor



a.



Volume head dan bottom Vhb



= 2 (volume head tanpa sf + volume head pada sf = 2 (0,000049 IDs3 + π/4 IDs2 sf = 2 (0,000049 (4,96)3 + 3,14/4 (4,96)2 (0,25)) = 9,66 ft3 = 0,27 m3



b.



Volume shell Vs



= π/4 IDs2. Ls = 3,14/4 (4,96)2 (25,71) = 498,49 ft3



Jadi volume reaktor



= volume head dan bottom + volume shell = 9,66 ft3 + 498,49 ft3 = 508,16 ft3 = 14,38 m3



8.



Waktu Tinggal (Residence Time, 𝝉) 𝜏



= =



Vr QT



14,38 m3 3,71 m3 /det



= 3,87 detik 9.



Nozzle Umpan dan Produk pada Reaktor Saluran dibuat dengan menggunakan bahan stainless steel. Diameter



optimum tube yang stainless steel dan alirannya turbulen (Nre > 2100) dihitung dengan persamaan : di opt = 226. Qf 0,5. ρ -0,37 Dengan Di opt = diameter dalam pipa, mm G



= kecepatan aliran massa fluida, Kg/s



P



= densitas fluida, Kg/m3



(Brownel, 1959).



LD-21



Pengecekan bilangan reynold G ID



NRe =



a' µ



Dengan G



= kecepatan aliran massa fluida, Kg/jam



ID



= diameter dalam pipa,m



µ



= viskositas fluida, Kg/m.jam



a’



= flow area, m2



Nozzle umpan 1.



Umpan Etilen chynohidrine



Diketahui : m Qf = ρ



=



26.379,54 1,92



= 13.739,35



ρ



= 1,92 Kg/m3



𝜇



= 0.386 cP = 0.000386 kg/m.s = 1,33 kg/m.jam



maka : di opt = 3,9. Qf 0,5. ρ-0,37 = 3,9 (13.739,35 Kg/jam)0,5 (1,92 Kg/m3)-0,37 = 355,5 mm = 11,95 in Dari tabel 11 (kern,1965) diperoleh Nominal pipe size



= 12 in



Schedule number



= 30



OD



= 12,75 in = 0,219 m



ID



= 12,09 in = 0,211 m



Spesifikasi nozzle standar (Brownell and Young, 1959,App F item 1 dan 2 hal 349) Size



= 12 in



OD of pipe



= 12 3/4 in



LD-22



Flange nozzle thickness (n)



= 0,50 in 7



Diameter of hole in reinforcing plate (DR) = 12 8 in 1



Length offside of reinforcing plate, L



= 28 2 in



Width of reinforcing plate, W



= 35 in



Distance, shell to flange face, outside, J



= 10 in



Distance, shell to flange face, inside, K



= 8 in



Distance from bottom of tank to center of nozzle - Regular, type H = 17 in 1



- Low, type C



= 14 4 in



Nozzle Produk 1.



Nozzle Aliran Produk



Diketahui : m Qf = ρ



=



26.379,54 1,25



ρ



= 1,25 Kg/m3



µ



= 0,1862 cp



= 21.103,63



maka : di opt = 3,9. (21.103,63)0,5. (1,25)-0,37 = 501 mm = 8 in Nominal pipe size



= 12 in



Schedule number



= 30



OD



= 12,75 in = 0,219 m



ID



= 12,09 in = 0,211 m



Spesifikasi nozzle standar (Brownell and Young, 1959,App F item 1 dan 2 hal 349) Size



= 12 in



OD of pipe



= 12 3/4 in



Flange nozzle thickness (n)



= 0,50 in



LD-23



7



Diameter of hole in reinforcing plate (DR) = 12 8 in 1



Length offside of reinforcing plate, L



= 28 2 in



Width of reinforcing plate, W



= 35 in



Distance, shell to flange face, outside, J



= 10 in



Distance, shell to flange face, inside, K



= 8 in



Distance from bottom of tank to center of nozzle - Regular, type H = 17 in - Low, type C



1



= 14 4 in



Nozzle Pemanas Masuk Diketahui : G



= 87.692,12



ρ



= 997 Kg/m3



µ



= 0,34 cp



maka : di opt = 3,9. (87.692,12)0,5. (997)-0,37 = 87,74 mm = 3,5 in Dari tabel 11 (kern,1965) diperoleh Nominal pipe size



= 4 in



Schedule number



= 40



OD



= 5,50 in



ID



= 4,026 in



Spesifikasi nozzle standar Size



= 4 in



OD of pipe



= 4 12 in



Flange nozzle thickness (n)



= 0,337 in



Diameter of hole in reinforcing plate (DR) = 4 58 in Length offside of reinforcing plate, L



= 12 in



LD-24



Width of reinforcing plate, W



= 1518 in



Distance, shell to flange face, outside, J



= 6 in



Distance, shell to flange face, inside, K



= 6 in



Distance from bottom of tank to center of nozzle - Regular, type H = 9 in - Low, type C



= 6 in



Nozzle Pemanas Keluar Diketahui : G



= 87.692,12



ρ



= 997 Kg/m3



µ



= 0,34 cp



maka : di opt = 3,9. (87.692,12)0,5. (997)-0,37 = 87,74 mm = 3,5 in Dari tabel 11 (kern,1965) diperoleh Nominal pipe size



= 4 in



Schedule number



= 40



OD



= 5,50 in



ID



= 4,026 in



Spesifikasi nozzle standar Size



= 4 in



OD of pipe



= 4 12 in



Flange nozzle thickness (n)



= 0,337 in



Diameter of hole in reinforcing plate (DR) = 4 58 in Length offside of reinforcing plate, L



= 12 in



Width of reinforcing plate, W



= 1518 in



Distance, shell to flange face, outside, J



= 6 in



Distance, shell to flange face, inside, K



= 6 in



LD-25



Distance from bottom of tank to center of nozzle - Regular, type H = 9 in - Low, type C



= 6 in



-



Gambar D.3 Shell Nozzle (a) Reinforcing Plate (b) Single Flange



10.



Penyangga Tumpukan Katalisator (Bed support/Grid support) Grid support dirancang untuk menyangga katalisator untuk mencegah



kelebihan pressure drop. Yang biasa digunakan adalah piringan yang berlubanglubang (perforated plate) atau piringan yang bergelombang (slatted plate). Grid



LD-26



support ini biasanya dibuat dari bahan yang anti korosi seperti carbon steel, alloy steel, cast iron, atau cast ceramics (Rase,1977). Penyangga katalis berupa perforated plate dengan ketebalan tertentu. Tekanan yang harus ditahan oleh bed support = tekanan operasi + tekanan karena katalis. a. tekanan operasi



= 1,2 × 1,3 = 1,56 atm = 22,92 psi



b. tekanan karena katalis Perforated plate yang digunakan mempunyai lubang dengan luas sama dengan 50% luas total tube (luas penampang tube (at)= 0,0013 m2) luas total pipa



= Nt × at = 614 × 0,0013 m2 = 0,7982 m2



Perforate plate



= 50% × luas total pipa = 0,5 × 0,7982 m2 = 0,3991 m2



Tekanan karena katalis =



berat katalis luas penahan katalis



=



4,21 0,3991



= 10,548 Kg/m2 = 0.015 psi Tekanan total perancangan Ptotal



= tekanan operasi + Tekanan karena katalis = 22,92 psi + 0.015 psi = 22,94 psi



Tebal plate dihitung dengan persamaan (13.27 Brownell and Young,1959). t



𝑝



= d √𝐶 ′ (𝑓 )



LD-27



dengan t



= tebal minimum plate, in



d



= diameter plate, in



P



= tekanan perancangan, psi



F



= maksimum allowable stress, 18.750 psi (bahan yang digunakan stainless



steel SA 167 grade 11 type 316) C’



= konstanta dari app H, C’ = 0,75 (Brownell and Young)



𝑝



= d √𝐶 ′ (𝑓 )



t



22,94



= 0,5 √0,75 (18.750) = 0,47 in



11.



Tebal Pemegang Pipa Pemegang pipa harus dapat menahan perbedaan tekanan antara dalam pipa



dan dalam shell. Tebal pemegang pipa dihitung dengan persamaan : 𝛥𝑃



tp = Cph . Dp. √𝜆 𝑓 + C dengan Cph



= konstanta design =1,1



Dp



= diameter shell, in



ΔP



= perbedaan tekanan



λ



= ligament efficiency = 0,5



f



= maximum allowable stress = 18.750 in



c



= corrosion allowance = 0,25 in



bahan konstruksi seperti yang digunakan sebagai bahan shell yaitu stainless steel SA 167 grade 11 type 316 tp



𝛥𝑃



= Cph . Dp. √𝜆 𝑓 + C 0,04840



= 1,1 (59,63) √0,5 (18.750) + 0,25



LD-28



0,04840



= 65,59 √



9,375



+ 0,25



= 65,59 (0,32) = 20,98 in 12.



Innert Ballast Alat ini digunakan untk melindungi permukaan katalisator dari pengaruh langsung aliran fluida dan meratakan aliran fluida umpan. Innert ballast berupa bola-bola keramik dengan tebal tumpukan 0-6 in, digunakan tinggi tumpukan 6 in.



13.



Distributor Alat ini digunakan untuk meratakan aliran fluida masuk, jenis yang digunakan adalah type multiple buffle distributor concentric cone, yang dipasang pada akhir bagian pipa pemasukan fluida.



14.



Perhitungan Flange, Bolt, dan Gasket dari Vessel



a.



Sambungan head dengan shell Sambungan antara tutup bejana dengan bagian shell menggunakan sistem



flange dan baut. Bahan konstruksi yang dipilih berdasarkan pada kondisi operasi. Data perancangan : Tekanan desain



= 22,94 psi



Material flange



= Carbon steel SA-240 grade A



Bolting steel



= Carbon steel SA-193 grade B6



Material gasket



= soft steel



Diameter luar shell, B = 60 in Ketebalan shell



= in



Diameter dalam shell = 59,63 in Tegangan dari material flange (fa) = psi Tegangan dari bolting material (fb) = psi



Tipe flange terlihat pada gambar berikut :



LD-29



Gambar D.4 tipe flange dan dimensinya



b. perhitungan lebar gasket do/di = √



y-P.m



pers 12.2 Brownell and Young 1959)



y-[P(m+1)]



dimana : do



= diameter luar gasket, in



di



= diameter dalam gasket, in



y



= yield stress, lb/in2 (fig 12.11)



m



= faktor gasket (fig 12.11)



digunakan material gasket yaitu soft steel, dari Fig 12.11 Brownell and Young diperoleh : y



= 18.000 dan m = 5,5



sehingga =√



do/di



=√



y-P.m y-[P(m+1)] 18000-(22,94 × 5,5) 18000-[22,94(5,5 + 1)]



= 1,003 Asumsi bahwa diameter dalam gasket di sama dengan diameter luar shell 60,03 in, sehingga : Do



= 1,003 × 60,03 in = 60,21 in



LD-30



lebar gasket minimum ( N): N



= =



do-di 2 60,21–60 2



= 0,1 in Digunakan gasket dengan lebar 0,1 in Diameter gasket rata-rata, G = di + lebar gasket = 59,63 + 0,1 = 59,73 in c.



Perhitungan beban



Dari fig 12.12 brownell & young 1959 kolom 1 type 1.a 𝑁



bo



=



sehingga b



= 0,25 in



Wm2



2



= 0,05 in



b =bo jika bo