Neraca Energi [PDF]

Citation preview

LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA PANAS Pra rancangan pabrik pembuatan propilen glikol dengan kapasitas produksi sebesar 75.000 ton/tahun, dengan ketentuan sebagai berikut : Basis perhitungan



: 1 jam operasi



Satuan Operasi



: Kj/jam



Temperatur basis



: 298 K



Data-data yang dibutuhnkan : 1.



Kapasitas panas Cp = A + BT + CT2 + DT3 Dalam hubungan inni : Cp



: kapasitas panas cairan, Kj/kmol.K



T



: suhu, K



A,B,C,D : Konstanta Tabe1 B.1 Data Kapasitas Komponen Cairan (J/kmol.k) Senyawa



BM



a



b



c



d



(kmol/kg) H2O



18



92,053



-0,039953



-0,00021103



0,00000053469



C3H6O2



74



1,69022D+01



8,48409D-01



-2,64114d-03



3,39139d-06



H2



2



5,8866D+01



-2,30694D-01



-8,04213D-02



1,37776D-03



C3H8O2



76



1,22887D+01



9,18751D-01



-4,34735D-03



7,94316D-06



Cp Gliserol



= 221,9 J/mol.K



(Geankoplis)



(Sumber : Chemical Properties Handbook, Heat Capacity of Liquid ,hal 660, Mc Graw- Hill)



Data Kapasitas Komponen Gas (J/mol K) Senyawa



a



b



c



d



e



H2O



34,0471



-0,00965064



3,29983E-05



-2,04467E-08



4,30228E-12



C3H8O3



-62,7929



-3,6585E+03



3,4249E+01



-5,1940E-02



2,2830E-05



H2



25,399



0,020178



-0,000038549



3,18800E-08



-8,75850E-12



(Sumber : Chemical Properties Handbook, Heat Capacity of Liquid, Mc Graw- Hill)



Kapasitas Panas Komponen Komponen



ΔH°f (Kj/mol)



H2O



-241,83



H2



0



C3H8O2



-500,30



C3H8O3



-696,60



C3H6O2



-141,77



(Sumber : Chemical Properties Handbook, Heat Capacity of Liquid , Mc Graw- Hill)



B.1. Heater 01 Fungsi : Memanaskan campuran gliserol dari 30oC sampai 200oC yang akan memasuki reaktor dehidrasi



Kondisi operasi : Tin



: 303 K (30 oC)



Tout



: 473 K (200oC)



Tref



: 298 K (25oC)



Tekanan Operasi



: 1 atm



Menghitung Panas Aliran Masuk Kondisi Operasi Tin



= 30oC



= 303 K



Tref



= 25 oC



= 298 K



Untuk menghitiung panas masuk digunakan rumus : 𝑇2



ΔĤin = n ∫𝑇1 𝐶𝑝 𝑑𝑇 333



333



ΔĤin = n ∫ Cp C3H8O3 dT + ∫ Cp H2O dT 298



298



Massa



n



ʃ Cp.dT



ΔHin



(Kg/jam)



(kmol/jam)



(kj/kmol)



(Kj/jam)



C3H8O3



7650



83,1521



1109,5



92257,33696



H2O



100



5,56



377,503



2097,238



Senyawa



Total (Hin) (Kj/jam)



94.354,575



Menghitung Panas Aliran Keluar Untuk menghitung panas masuk dan keluar digunakan rumus : Tout



= 200oC



= 473 K



Tref



= 25 oC



= 298 K



Cp Gliserol Q=



= 221,9 J/mol.K 𝑇2



Hout = n ∫𝑇1 𝐶𝑝 𝑑𝑇 473



473



ΔĤout = n ∫ Cp C3H8O3 dT + ∫ Cp H2 dT 298



298



Massa



N



ʃ Cp.dT



ΔHout



(Kg/jam)



(kmol/jam)



(kj/kmol)



(Kj/jam)



C3H8O3



7650



83,1521



38832,5



3229006,793



H2O



100



5,56



Senyawa



74823,632



13468,254



Total (Hout) (Kj/jam)



3.303.830,426



Menghitung Kebutuhan Steam Data Steam



:



T steam



= 100℃ = 373 K



P steam



= 1 atm



Hv (Entalpi uap)



= 2676 kJ/kg



hI (Entalpi liquid)



= 419,1 kJ/kg



= 101,320 kPa



(Elementary Principles of Chemical Processes 3th edition, Felder and Rousseau) ∆Hin+∆Hsteam = ∆Hout ∆Hsteam



= ∆Hout - ∆Hin



∆Hsteam



= ( 3.303.830,426- 94.354,575) kj/jam = 3.209.475,851 Kj/jam



Menghitung Massa Steam



Q



= m (HS – hs)



M



=



Q (HV - hI)



=



3.209.475,851



kJ/jam



(2676 - 419,1) kJ/kg



= 1422,073 Kg/jam



Panas Steam Masuk ∆Hs masuk = MSteam x Hv



= 1422,073 kg/jam x 2676 Kj/kg = 3.805.466,515 Kj/Jam



Panas Steam Keluar ∆Hs keluar = MSteam x Hv



= 1422,073 kg/jam x 419,1 Kj/kg = 595.990,6638 Kj/jam



Tabel Neraca Panas di Heat Exchanger (H101) Komponen Input / ∆H1 (kJ/jam) Output / ∆H2 (kJ/jam) Gliserol



92257,337



3229006,793



H2O Q Steam



2097,238 3805466,515



74823,632 595990,6638



Total



3.899.821,090



3.899.821,09



B.2. Heater 02 Fungsi : Memanaskan hidrogen dari 30oC sampai dengan 200oC yang akan memasuki reaktor hidrogenasi



Kondisi operasi : Suhu masuk komponen



: 303 K (30 oC)



Suhu keluar



: 473 K (200oC)



Tekanan



: 1 atm



A. Menghitung Panas Aliran Masuk Tin



= 30oC



Tref



= 25 oC



= 473 K = 298 K



Untuk menghitung Hin digunakan rumus sbb: Tin



= 30oC



= 303 K



Tref



= 25 oC



= 298 K



𝑇2



Q = Hin = n ∫𝑇1 𝐶𝑝 𝑑𝑇 303



Hin = n ∫298 𝐶𝑝 𝐻2 dT Senyawa



H2



Massa



n



ʃ Cp.dT



ΔHin



(Kg/jam)



(kmol/jam)



(kj/kmol)



(Kj/jam)



22,67



11,335



143,876



1630,830341



Total (Hin) (Kj/jam)



1630,830341



B. Menghitung Panas Aliran Keluar Tout



= 200oC



= 473 K



Tref



= 25 oC



= 298 K



Untuk menghitung Hout digunakan rumus sbb: 𝑇2



Q = Hout = n ∫𝑇1 𝐶𝑝 𝑑𝑇 473



473



ΔĤout = n ∫ Cp C3H8O3 dT + ∫ Cp H2 dT 298



Senyawa



298



Massa



n



ʃ Cp.dT



ΔHout



(Kg/jam)



(kmol/jam)



(kj/kmol)



(Kj/jam)



H2



22,67



11,335



5085,058



Total (Hout) (Kj/jam)



57.639,12763 57.639,12763



Menghitung Kebutuhan Steam Data Steam



:



T steam



= 100℃ = 373 K



P steam



= 1 atm



Hv (Entalpi uap)



= 2676 kJ/kg



hI (Entalpi liquid)



= 419,1 kJ/kg



= 101,320 kPa



(Elementary Principles of Chemical Processes 3th edition, Felder and Rousseau)



∆Hin + ∆Hsteam



= ∆Hout



∆Hsteam



= ∆Hout - ∆Hin



∆Hsteam



= (57639,12763 - 1630,830341) kj/jam = 56008,297 Kj/jam



Massa Steam Q



= m (HS – hs)



M



=



Q (HV - hI) 56008,297



kJ/jam



= (2676 - 419,1) kJ/kg = 24,816 Kg/jam Panas Steam Masuk ∆Hs masuk = MSteam x Hv



= 16,016 kg/jam x 2676 Kj/kg = 66.408,881 Kj/Jam



Panas Steam Keluar ∆Hs keluar = MSteam x Hv



= 16,016 kg/jam x 419,1 Kj/kg = 10.400,58372 kj/jam



Komponen H2



Tabel Neraca Panas di Heater (H102) Input / ∆Hin (kJ/jam) Output / ∆Hout(kJ/jam) 1630,830



57639,12762



Q



66.408,881



10.400,58372



Total



68039,711



68039,71134



B.3. Reaktor Dehidrasi Fungsi : Untuk mereaksikan antara Gliserol dan Air dengan katalis Cu-Cr menjadi Asetol Q Pendingin Q In



Q Out R-01



Q Reaksi



Kondisi Operasi : T in



= 200oC



= 473 k



T out



= 200oC



= 473 k



P



= 1 atm



Konversi



= 55 % Reaksi : C3H6O2 (Asetol)



C3H8O3 (Gliserol) + H2O (Air)



Reaksi Endotermis menggunakan persamaan : ΔHin + Qpemanas = ΔHout + ΔHreaksi Dengan : ∑Hin



= Panas masuk yang dibawa oleh reaktan



ΔHreaksi



=



∑Hin



= Panas keluar yang dibawa oleh produk



Panas reaksi standar



Qpemanas



= Panas yang diserap oleh bahan.



a. Menghitung Panas Masuk Reaktor Kondisi Operasi Tin



= 200oC



= 473 K



Tref



= 25 oC



= 298 K



Cp Gliserol



= 221,9 J/mol.K



Untuk menghitung panas masuk digunakan rumus : 𝑇2



Q = Hin = n ∫𝑇1 𝐶𝑝 𝑑𝑇 473



473



ΔĤin = n ∫ Cp C3H8O3 dT + ∫ Cp H2O dT 298



298



Massa



N



ʃ Cp.dT



ΔHin



(Kg/jam)



(kmol/jam)



(kj/kmol)



(Kj/jam)



C3H8O3



7650



83,1521



38832,5



3.229.006,793



H2O



100



5,56



Senyawa



13468,254



74823,632



Total (Hout) (Kj/jam)



3.303.830,426



Total Hout + Qsteam



3.899.821,09



b. Menghitung Panas Reaksi



C3H8O3 H2 O C3H6O



C3H8O3 H2O T = 200OC



T = 200OC



Konversi Reaksi : 55 % Reaksi : C3H6O2 (Asetol)



Komponen



C3H8O3 (Gliserol) + H2O (Air)



Mol Reaktan (kmol/jam)



Mol Bereaksi (kmol/jam)



Mol Produk (kmol/jam)



83,1521



45,7336



37,4185



5,56



45,7336



51,2936



0



45.7336



45,7336



C3H3O3 H2O C3H6O2



Menghitung Panas Reaksi : = [(mol C3H8O3 x ΔHf C3H8O3) + (mol H2O x ΔHf H2O)] – (mol C3H6O2 x ΔHf C3H6O2) = [(45,7336 mol x 696,6 Kj/mol) + (45,7336 mol x -241,83 Kj/mol) – (45.7336 Mol x -141,77 Kj/mol) = ( -31.858,02576 Kj/mol – 11.059,75649 Kj/mol ) – 6.483,652472 Kj/mol = 27.281,92174 Kj/mol C. Menghitung Panas Keluar Reaktor Kondisi Operasi Tout



= 200oC



= 473 K



Tref



= 25 oC



= 298 K



Cp Gliserol



= 221,9 J/mol.K



Untuk menghitung panas keluar digunakan rumus : 𝑇2



Q = Hout = n ∫𝑇1 𝐶𝑝 𝑑𝑇 473



473



473



ΔĤout = n ∫ Cp C3H8O3 dT + ∫ Cp H2 dT + Cp ∫ C3H6O2 dT 298



298



298



Senyawa



Massa (Kg/jam)



n (kmol/jam)



ʃ Cp.dT (kj/kmol)



ΔHout (Kj/jam)



C3H8O3



3442,5020



37,419



29678,25



1.453.053,901



H2O



923.2848



51,292



690835,223



35.435.425,605



C3H6O2



3384,2864



45,7336



19386,5



886.614,4364



Total Panas Keluar



37.775.093,942



Karena reaksi bersifat endoterm, maka dipelukan panas tambahan untuk menjaga suhu agar tetap 200oC. ∑ Hin + Q Pemanas



= ∑ Hout + ΔHreaksi



Q Pemanas



= ∑ Hout + ΔHreaksi - ∑ Hin = 37.775.093,942 + 27.281,92174 + 3.899.821,09 = 33.902.554,774 Kj/jam



Menghitung kebutuhan Downtherm A pemanas pada R-01 Digunakan Downtherm A dengan kondisi : Tin Downtherm A



= 400oC (673 K)



Tout Downtherm A



= 360oC (633 K)



Cp Downtherm A



= 2,309 Kj/kg.K



Massa Steam



= Q Pemanas / Cp.dT = 33.902.554,774 Kj/jam / 92,36 Kj/kg



= 367.069,6706 Kg/jam



Tabel Neraca Panas di Reaktor Dehidrasi Komponen



B.4



Masuk



Keluar



(Kj/jam)



(Kj/jam)



Panas Masuk Reaktor (ΔHin) Panas Reaksi(ΔHReaksi) Panas Keluar Reaktor(ΔHout) Q Pemanas



33.902.554,774



Total



37.802.375,86



3.899.821,09 27.281,92174 37.775.093,942 37.802.375,86



Cooler (C-01) Fungsi : Mendinginkan bahan keluar reaktor dari 200oC menjadi 120oC



Kondisi operasi umpan masuk : Tin



= 200oC (473 K)



Tout



= 120oC (393 K)



Tref



= 25oC



P



= 1 atm



(298 K)



a. Menghitung Panas Masuk Cooler (∑Hin) Kondisi Operasi Tin



= 200oC



= 473 K



Tref



= 25 oC



= 298 K



Cp Gliserol



= 221,9 J/mol.K



473



473



473



ΔĤin = n ∫ Cp C3H8O3 dT + ∫ Cp H2 dT + Cp ∫ C3H6O2 dT 298



298



Senyawa



Massa (Kg/jam)



298



n (kmol/jam)



ʃ Cp.dT



ΔHin



(kj/kmol)



(Kj/jam)



C3H8O3



3442,5020



37,419



29678,25



1.453.053,901



H2O



923.2848



51,292



690835,223



35.435.425,605



C3H6O2



3384,2864



45,7336



19386,5



886.614,4364



Total Panas Keluar



37.775.093,942



Menghitung Panas Keluar Cooler (∑Hout) Tout



= 120oC



(393 K)



Tref



= 25oC



(298 K)



393



393



393



ΔĤout = n ∫ Cp C3H8O3 dT + ∫ Cp H2 dT + Cp ∫ C3H6O2 dT 298



Senyawa



C3H8O3



298



Massa (Kg/jam) 3442,5020



298



n (kmol/jam)



37,419



ʃ Cp.dT



ΔHout



(kj/kmol)



(Kj/jam)



10524,1



481.304,9798



H2O



923.2848



51,292



7160,001



367.262,765



C3H6O2



3384,2864



45,7336



21080,5



788.800,6893



Total Panas Keluar



1.637.368,434



Menghitung Kebutuhan Air Pendingin ∑Hin



= ∑Hout + Q Pendingin



Q Pendingin = ∑Hin - ∑Hout = (37.775.093,942



- 1.637.368,434) kJ/jam



= 36.137.725,508 Kj/jam Kebutuhan air pendingin (Input) T in (T2)



= 25℃



= 298 K



T ref (T1)



= 25℃



= 298 K



Komponen A



B



C



D



H2O



-0.039953



-2,1103 x 10-4



5,3469 x 10-7



92,053



(Cp.dt) air



= ∫ A + BT + CT2 + DT3 dt



pendingin in



= (AT+ 2 T2 + 3 T3 + 4 T4 )



B



C



D



= 0 kJ/jam Kebutuhan Air Pendingin (Output) T in (T2)



= 45℃ = 318 K



T ref (T1)



= 25℃ = 298 K



Komponen A



B



C



D



H2O



-0.039953



-2,1103 x 10-4



5,3469 x 10-7



92,053



(Cp.dt) air



= ∫ A + BT + CT2 + DT3 dt



pendingin out



= (AT+ 2 T2 + 3 T3 + 4 T4 )



B



C



D



= 1.507,208 kJ/jamMassa Air Pendingin Massa Air Pendingin m



= =



Q pemanas 318 ∫298 Cpair pendingin



298



in dT- ∫298 Cpair pendingin out dT



.36.137.725,508 kJ/jam (1.507,208-0)J/mol.K



= 23.976,60383 kmol/jam = 431.578,8689 kg/jam Tabel Neraca Panas di Cooler Komponen



B. 6.



Masuk



Keluar



(Kj/jam)



(Kj/jam)



Panas Masuk (ΔHin) Panas Keluar (ΔHout) Q Pendingin



37.775.093,942



Total



37.775.093,942



1.637.368,434 36.137.725,508 37.775.093,942



Reaktor Hidrogenasi Fungsi : Untuk mereaksikan antara Gliserol dan Air dengan katalis Cu-Cr menjadi Asetol Q Steam Q In



Q Out R-01



Q Reaksi



Kondisi Operasi : T in



= 200oC



= 473 K



T out



= 200oC



= 473 K



Tref



= 25oC



= 298 K



P



= 13,85 bar



Konversi



= 99 %



C3H6O2 (Asetol) + H2 (Hidrogen)



C3H8O2 (Propilen Glikol) + H2O (Air)



a. Menghitung Panas Masuk Reaktor Kondisi Operasi



:



T in



= 200oC



= 473 K



Tref



= 25oC



= 298 K



Untuk menghitung panas masuk digunakan rumus : 𝑇2



Q = Hin = n ∫𝑇1 𝐶𝑝 𝑑𝑇 473



473



473



ΔĤin = n ∫ Cp C3H8O3 dT + ∫ Cp H2O dT + ∫ Cp H2 dT 298



298



Massa (Kg/jam)



n (kmol/jam)



ʃ Cp.dT (kj/kmol)



ΔHin (Kj/jam)



C3H8O3



0,3442



0,004



38832,5



145,2842011



H2O



30,5617



1,698



13468,254



22.867,374



C3H6O2



559,0537



7,555



19386,5



146.460,7372



H2



22,670



11,355



5085,058



57.639,12763



Senyawa



Total Panas Masuk



b.



298



227.112,523



Menghitung Panas Reaksi



C3H8O3 H2O H2 T = 200OC



C3H8O2 H2O



T = 200OC



C3H6O2 (Asetol) + H2 (Hidrogen)



C3H8O2 (Propilen Glikol) + H2O (Air)



Komponen



Mol Reaktan (kmol/jam)



Mol Bereaksi (kmol/jam)



Mol Produk (kmol/jam)



C3H8O3



0,004



0



0,004



H2O



1,6978



0



1,6978



C3H6O2



7,55



7,4792



0,075



H2



11,34



7,4792



5,587



C3H8O2



0



7,4792



7,4792



Menghitung Panas Reaksi :



∆Hr⁰



= ∆Hproduk - ∆Hreaktan



= [(mol C3H6O2 x ΔHf C3H6O2) + (mol H2 x ΔHf H2)] – [(mol C3H8O2 x ΔHf C3H8O2) + (mol H2O x ΔHf H2O)] = [(7,4792 mol x -141,77 Kj/mol) + (7,4792 mol x 0 Kj/mol) – (7,4792 mol x -500,30 Kj/mol) + ( 0 mol x -241,83 kj/mol) = -1060,330711 Kj/mol + 3741,859736 Kj/mol = 2.681,529025 Kj/mol



c. Menghitung Panas Keluar Reaktor Kondisi Operasi Tout



= 200oC



= 473 K



Tref



= 25oC



= 298 K



Cp Gliserol



= 221,9 J/mol.K



Cp Acetol



= 110,78 J/mol.K



Untuk menghitung panas keluar digunakan rumus : 𝑇2



Q = Hout = n ∫𝑇1 𝐶𝑝 𝑑𝑇



473



473



473



473



ΔĤout = n ∫ Cp C3H6O2 dT + ∫ Cp H2 dT + ∫ Cp C3H8O2 dT + ∫ Cp H2O dT 298



298



298



298



Senyawa



Massa (Kg/jam)



n (kmol/jam)



ʃ Cp.dT (kj/kmol)



ΔHout (Kj/jam)



C3H8O3



0,3442



0,004



38832,5



145,28422011



H2O



30,5617



1,698



13468,254



22.867,374



C3H6O2



5,587



0,0076



19386,5



1.463,68075



H2



7,7057



3,853



5085,058



19.591,96408



C3H8O2



568,4192



7,479



31552,500



235.987,548



Total Panas Keluar



280.055,761



Menghitung Kebutuhan Panas Steam (Q Steam) ΔHin + Q Steam



= ΔHout + ΔHreaksi



Q Steam



= ΔHout + ΔHreaksi - ΔHin = [280.055,761 + 2.681,529025 - 227.112,523] Kj/jam = 55.624,767 Kj/jam



Data Steam Tsteam



= 100cC



= 373 K



Psteam



= 1 atm



= 101,32 kPa



Hs (Entalpi Uap)



= 2676 Kj/kg



hs (Entalpi Liquid)



= 419,1 Kj/kg



(Elementary Principles of Chemical Process 3th edition, Felder and Rousseau) Massa Steam = M x (Hs – hs)



Qsteam M



=



Q Steam (HV - hI)



=



55.624,767 kJ/jam (2676 - 419,1) kJ/kg



= 24,647 kg/jam



Tabel Neraca Panas Total di Reaktor 2 (R102) Komponen



Masuk



Keluar



(Kj/jam)



(Kj/jam)



Panas Masuk Reaktor (ΔHin) Panas Keluar Reaktor(ΔHout) Panas Reaksi (ΔHreaksi) ΔH Steam



227.112,523



Total



282737,290



280.055,761 2.681,529025 55.624,767 282737,290