Perancangan Reaktor Ammonia Dari Hidrogen Dan Nitrogen [PDF]

Citation preview

PERANCANGAN REAKTOR AMMONIA DARI HIDROGEN DAN NITROGEN Fungsi alat



: Mereaksikan gas H2 dan N2 menjadi NH3 (ammonia).



Jenis alat



: Multibed Catalytic



Kondisi operasi Suhu



: 400 – 530 0C



Tekanan



: 150 atm



Fase



: gas



Reaksi yang terjadi



:



N2 + 3H2 ↔ 2NH3 Katalis



∆H = -91858 kJ/kmol



: Besi oksida



Alasan pemilihan reaktor Multibed catalytic :  



Reaksi yang berlangsung adalah fase gas dengan katalis padat. Kenaikan suhu selama reaksi berlangsung masih dalam interval suhu reaksi sehingga reaktor tidak memerlukan sistem khusus untuk







perpindahan panas. Pressure Drop gas pada fixed bed lebih kecil dibandingkan dengan reaktor







fluidized bed. Pengendalian suhu relatif lebih mudah jika dibandingkan dengan reaktor



 



fluidized bed. Tidak perlu pemisahan katalis dari gas keluaran reaktor. Konstruksi reaktor lebih sederhana jika dibandingkan dengan reaktor fluidized bed sehingga biaya pembuatan, operasional, dan perawatannya relatif murah.



Asumsi : 



Reaktor fixed bed dengan diameter besar dan diisolasi sempurna, sehingga panas yang hilang ke sekeliling kecil, dapat dianggap adiabatik.







Gradien konsentrasi dan suhu ke arah radial relatif kecil (asumsi beda suhu dan konsentrasi hanya ke arah memanjang/ longitudinal).







Dengan kecepatan aliran gas besar dan tumpukan katalisator tebal, maka dispersi aksial untuk panas ataupun massa dapat diabaikan.







Jika kecepatan aliran gas di seluruh reaktor fixed bed sama dapat dianggap plug flow, sehingga tiap molekul gas mempunyai waktu tinggal yang sama di dalam reaktor.



Ditinjau suatu elemen volum dalam reaktor FN 2 z



FN 2 z  z



Gb.3 Elemen volum 1. Neraca massa N2 pada elemen volum pada keadaan steady state: Rate of input – Rate f output = Rate of accumulation FN 2 z  FN 2 z  z  FN 2 z z  FN 2 z z z  0



dFN2 dz







 2 D z rN 2  0 4







 2 D rN 2 4



 2 D rN2 4



FN 2  FN 2mula mula 1  x 



D 2 rN 2 dx  dz 4 FN 2 mulamula



 dFN 2   FN 2 mula mula dx



...................(1)



2. Neraca Panas pada elemen volum pada keadaaan steady state : input – output + disappearance by reaction = accumulation



 F H 



z    Fi H fi  z  z   rN2  Az H R  0



 F H 



z  z    Fi H fi  z



i



i



0



fi



fi



z



   rN2  A H R  0 0



Jika diambil Δz → 0, maka diperoleh :



   F H     r  AH



d dz



i











Fi  



  



  



 



fi



N2



0 R



0



dH fi dFi  0     H fi    rN2  A H R  0 dz  dz 



Fi Cpi



dFN2 dFH 2 dFNH3  dT dF  0  H fH 2  H fNH 3  H finert inert   rN 2  A H R  0    H fN2 dz dz dz dz dz  



Fi Cpi



dT  dz



Fi Cpi



dT dx 0 0    H fN 2  3H fH 2  2 H fNH 3  H R FN 2mula mula dz dz







   H fN2 FN 2 mula mula 



dx dx  3H fH 2 FN2mula  mula  2 H fNH 3 FN 2mula  mula dz dz











0



jika



H R  H R  H fN2  3H fH 2  2 H fNH3



dT   dz



H R  FN 2mula mula



  F Cp  i



maka :



dx dz



i



dT  H R   rN 2  A  ................(2) dz   Fi Cpi  Panas pembentukan produk pada 298 OK (ΔHR0) : H reaksi 298   H produk298  Hreak tan 298 



komponen Hf (Kj/kmol) NH3 -45929 N2 0 H2 0 3. Pressure Drop pada elemen volum Menggunakan persamaan Ergun :



dP 1    3 dz 



 1501      us 2   1.75  N Re   Dp



.........(3)



dx   dz



N Re 



 avg



 F BM



us 







Dp  us



avg



(m s )



D  3600 2



P BM avg



(kg m 3 )



RT



BM avg    xi BM i 



 avg     z i  i    10 6



(kg m s)



A. TINJAUAN KINETIKA Persamaan laju reaksi pembuatan ammonia dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut :



2  rN 2   rNH3







  N yN  H 1.5 yH 1.5 1  NH yNH 3 3 2 2 2 2    1.5 1.5     NH 3 y NH3 P    H 2 yH 2



 2k   K 2 P1.5    



  



dengan : rNH3



= kecepatan reaksi (kmol NH3/jam. m3 katalis)



2k



= 1.7698 x 1015 exp (-40.765/RT)



Ψ



= 0.87



log K = -2.691122 log T – 5.519265 x 10-5 T + 1.848863 x 10-7 T² + 2001.6 T + 2,6899



T



= temperatur (K)



P



= tekanan (atm)



R



= konstanta gas ideal = 1.987 cal/mol K



y



= fraksi mol komponen



Φ



= koefisien fugasitas komponen.



ΦH2



= exp { e (e



 P 300



 3.8402T



 1 )}



0.125







 0.541



P -e



 0.1263T



0.5



15.980







P2 + 300 [ e



 0.011901T  5.941



]



ΦN2



= 0.93431737 + 0.3101804 x 10-3 T + 0.295896 x 10-3 P – 0.2707279 x 10-6 T2 + 0.4775207 x 10-6 P2



ΦNH3



= 0.1438996 + 0.2028538 x 10-2 T – 0.4487672 x 10-3 P – 0.1142945 x 10-5 T2 + 0.2761216 x 10-6 P2



B. PERHITUNGAN Dengan program MATLAB ingin diketahui konversi N2,suhu produk dan tekanan reaktor sebagai fungsi tinggi reaktor. - Jumlah bed :3 - Temperatur masuk : 388 K (115oC) - Tekanan masuk : 150 atm - Komposisi umpan total Kompone n CH4 H2 N2 Ar H2O NH3 Jumlah



Kmol/jam 732,742 20053,756 6499,895 150,077 9,176 698,989 28144,634



Umpan tersebut dibagi menjadi tiga buah aliran gas yang masing-masing masuk bed 1,bed 2,dan bed 3. Selain sebagai umpan,aliran gas tersebut juga berfungsi sebagai quench dengan tujuan mengontrol temperatur reaktor karena reaksi pembentukan ammonia bersifat eksotermis. 1. Perhitungan bed 1 - Sebelum masuk bed 1,umpan mengalami pemanasan awal sehingga suhu umpan masuk bed 1 adalah 663 K. - Jumlah aliran yang masuk ke bed 1 adalah 70 % dari umpan total. - Neraca Massa bed 1 : Komposisi umpan bed 1 Kompone n CH4 H2 N2 Ar



kmol 512,919 14037,629 4549,926 105,054



Fraksi mol 0,02603 0,71253 0,23095 0,00533



Massa (kg) 8228,560 28297,053 127458,906 4196,686



H2O NH3 Jumlah



6,423 489,292 19701,244



0,00033 0,02484 1,00000



115,717 8332,842 176629,764



- Program MATLAB untuk bed 1 function dYdZ=fungsi(Z,Y) global FAo FBo FCo FDo FEo FFo Xo To Po D Si EPS DPT R Tr %Keterangan Y % Y(1) = X % Y(2) = T % Y(3) = P %Data konstanta kecepatan reaksi, kmol/(jam.m3cat.atm2) k = 0.5*Si*(1.7698e15)*exp(-40765/(R*Y(2))); LK = -2.691122*log10(Y(2))-5.519265e-5*Y(2)+1.848863e7*Y(2)^2+(2001.6/Y(2))+2.6899; KEQ = 10^LK; VH = exp((exp(-3.8402*(Y(2)^0.125)+0.1541))*Y(3)-(exp(0.1263*(Y(2)^0.5)-15.98)).... *Y(3)^2+300*(exp(-0.011901*Y(2)-5.941))*(exp(-Y(3)/300)-1)); VN = 0.93431737+0.3101804e-3*Y(2)+2.95896e-4*Y(3)-2.707279e7*Y(2)^2+0.4775207e-6*Y(3)^2; VA = 0.1438996+0.2028538e-2*Y(2)-0.4487672e-3*Y(3)-0.1142945e5*Y(2)^2+0.2761216e-6*Y(3)^2; FB=FBo-3*FCo*Y(1); FC=FCo*(1-Y(1)); FF=FFo+2*FCo*Y(1); sigmamol=FAo+FB+FC+FDo+FEo+FF; xmolA=FAo/sigmamol; xmolB=FB/sigmamol; xmolC=FC/sigmamol; xmolD=FDo/sigmamol; xmolE=FEo/sigmamol; xmolF=FF/sigmamol; RX =k*(KEQ^2*Y(3)^(3/2)*(VN*xmolC*VH^(3/2)*xmolB^(3/2)/ (VA*xmolF))-1/Y(3)*(VA*xmolF/.... (VH^(3/2)*xmolB^(3/2)))); massaA=FAo*16.0426; massaB=FB*2.0158; massaC=FC*28.0134; massaD=FDo*39.948; massaE=FEo*18.0152; massaF=FF*17.0304; sigmamassa=massaA+massaB+massaC+massaD+massaE+massaF; xmassaA=massaA/sigmamassa; xmassaB=massaB/sigmamassa; xmassaC=massaC/sigmamassa; xmassaD=massaD/sigmamassa; xmassaE=massaE/sigmamassa;



xmassaF=massaF/sigmamassa; %Data Cp (kJ/(kmol.K)); % Cp = Cp(1)*T^4 + Cp(2)*T^3 + Cp(3)*T^2 + Cp(4)*T + Cp(5); CpA=3.9321E-11*Y(2)^4-1.5303E-07*Y(2)^3+1.9184E-04*Y(2)^20.039957*Y(2)+34.942; CpB=-8.7585E-12*Y(2)^4+3.188E-08*Y(2)^3-3.8549E05*Y(2)^2+0.020178*Y(2)+25.399; CpC=2.5935E-13*Y(2)^4-4.3116E-09*Y(2)^3+1.0076E-05*Y(2)^20.035395*Y(2)+29.342; CpD=20.786; CpE=3.6934E-12*Y(2)^4-1.7825E-08*Y(2)^3+2.9906E-05*Y(2)^20.0084186*Y(2)+33.933; CpF=1.8569E-11*Y(2)^4-7.1783E-08*Y(2)^3+8.8906E-05*Y(2)^20.012581*Y(2)+33.573; IntCpB=(1/5)*-8.7585E-12*(Y(2)^5-Tr^5)+(1/4)*3.188E-08*(Y(2)^4Tr^4)-(1/3)*3.8549E-05.... *(Y(2)^3-Tr^3)+(1/2)*0.020178*(Y(2)^2-Tr^2)+25.399*(Y(2)-Tr); IntCpC=(1/5)*2.5935E-13*(Y(2)^5-Tr^5)-(1/4)*4.3116E-09*(Y(2)^4Tr^4)+(1/3)*1.0076E-05.... *(Y(2)^3-Tr^3)-(1/2)*0.035395*(Y(2)^2-Tr^2)+29.342*(Y(2)-Tr); IntCpF=(1/5)*1.8569E-11*(Y(2)^5-Tr^5)-(1/4)*7.1783E-08*(Y(2)^4Tr^4)+(1/3)*8.8906E-05.... *(Y(2)^3-Tr^3)-(1/2)*0.012581*(Y(2)^2-Tr^2)+33.573*(Y(2)-Tr); DHr=-91858+(2*IntCpF-IntCpC-3*IntCpB); FCp=FAo*CpA+FB*CpB+FC*CpC+FDo*CpD+FEo*CpE+FF*CpF; %Data Viskositas (micropoise) %Konversi ke kg/m.s, dikalikan 10^-6 % Vis = Vis(1)*T^2 + Vis(2)*T + Vis(3) VisA=-1.4303e-4*Y(2)^2+4.0112e-1*Y(2)+3.844; VisB=-3.2800e-5*Y(2)^2+2.1200e-1*Y(2)+27.758; VisC=-9.8800e-5*Y(2)^2+4.7500e-1*Y(2)+42.606; VisD=-1.2455e-5*Y(2)^2+6.3892e-1*Y(2)+44.997; VisE=1.6200e-5*Y(2)^2+4.2900e-1*Y(2)-36.826; VisF=-4.4700e-6*Y(2)^2+3.6700e-1*Y(2)-7.874; vis=((xmassaA*VisA)+(xmassaB*VisB)+(xmassaC*VisC)+(xmassaD*VisD)+ (xmassaE*VisE)+.... (xmassaF*VisF)); Visavg=(vis)*10^(-6); BMRATA=xmolA*16.0426+xmolB*2.0158+xmolC*28.0134+xmolD*39.948+xmolE *18.0152+xmolF*17.0304; RG=0.08205; %m3.atm/(kmol.K) RHO=Y(3)*BMRATA/(RG*Y(2)); %kg/m3 ALT=22/7/4*D^2; %m2 GTL=sigmamol*BMRATA/ALT*(1/3600); %kg/(m2.s) Us=GTL/RHO; %m/s NRe=DPT*RHO*Us/Visavg;



dYdZ(1)=ALT*(RX)/FCo; dYdZ(2)=(-(ALT*DHr*(RX)))/FCp; dYdZ(3)=(-(1-EPS)/EPS^3*((150*(1-EPS)/NRe) +1.75)*RHO*Us^2/DPT)*0.9869e-5; dYdZ=dYdZ'; clear all clc global FAo FBo FCo FDo FEo FFo Xo To Po D Si EPS DPT R Tr %komponen %A=CH4,B=H2,C=Nitrogen,D=Ar,E=air,F=amonia %Reaksi %C+3B-->2F %Data umpan reaktor Xo=0; To=663;%K Po=150;%atm FAo=512.919;%kmol/jam FBo=14037.629;%kmol/jam FCo=4549.926;%kmol/jam FDo=105.054;%kmol/jam FEo=6.423;%kmol/jam FFo=489.292;%kmol/jam %data operasional D=2;%diameter bed Si=0.87;%faktor aktifitas EPS=0.459;%porositas katalis DPT=5.8e-3;%diameter partikel R=1.987;%cal/mol.K Tr=298;%suhu referensi,K %Menghitung laju alir masing-masing komponen %Menyusun PD Simultan Zo=linspace(0,2.7,25); Yo=[Xo To Po]; [Z,Y]=ode45('fungsi',Zo,Yo); X=Y(:,1); T=Y(:,2); P=Y(:,3); disp(' ') disp('Hasil Perhitungan Bed 1') disp('Oleh : Eka Yoga Ramadhan (I0511019) & Kristiani (I0511029)') disp('---------------------------------------------------') disp(' Tinggi Konversi Temperature Pressure ') disp(' (m) (K) (atm) ') disp('===================================================') for i=1:25 fprintf('%8.4f%12.4f%14.4f%13.4f\n',Z(i),X(i),T(i),P(i)) end disp('----------------------------------------------------------') figure(1) plot(Z,Y(:,1),'black-') title('Distribusi Konversi') xlabel('Panjang(m)') ylabel('Konversi Nitrogen') figure(2) plot(Z,Y(:,2),'black-')



title('Distribusi Temperatur') xlabel('Panjang(m)') ylabel('Temperatur(K)') figure(3) plot(Z,Y(:,3),'black-') title('Distribusi Tekanan') xlabel('Panjang(m)') ylabel('Tekanan(atm)')



Hasil Perhitungan Bed 1 Oleh : Eka Yoga Ramadhan (I0511019) & Kristiani (I0511029) --------------------------------------------------Tinggi Konversi Temperature Pressure (m) (K) (atm) =================================================== 0.0000 0.0000 663.0000 150.0000 0.1125 0.0056 667.9952 149.9788 0.2250 0.0112 672.9066 149.9575 0.3375 0.0167 677.7679 149.9360 0.4500 0.0221 682.6051 149.9144 0.5625 0.0275 687.4382 149.8928 0.6750 0.0330 692.2840 149.8710 0.7875 0.0385 697.1563 149.8491 0.9000 0.0440 702.0672 149.8271 1.0125 0.0496 707.0273 149.8049 1.1250 0.0552 712.0459 149.7827 1.2375 0.0609 717.1317 149.7603 1.3500 0.0667 722.2923 149.7378 1.4625 0.0726 727.5350 149.7153 1.5750 0.0785 732.8661 149.6925 1.6875 0.0846 738.2915 149.6697 1.8000 0.0908 743.8163 149.6468 1.9125 0.0971 749.4447 149.6237 2.0250 0.1036 755.1799 149.6005 2.1375 0.1101 761.0240 149.5772 2.2500 0.1168 766.9773 149.5538 2.3625 0.1236 773.0384 149.5302 2.4750 0.1305 779.2031 149.5065 2.5875 0.1376 785.4642 149.4827 2.7000 0.1447 791.8104 149.4587 -------------------------------------------------------



Konversi bed 1



= 14,47%



N2 bereaksi = 0,1447 x 4549,926 = 658,374337 kmol H2 bereaksi = 3 x 658,374337 = 1975,123011 kmol NH3 = 2 x 658,374337 = 1316,748674 kmol Komposisi keluar bed 1 Kompon en CH4 H2 N2 Ar H2O NH3 Jumlah - Tinggi bed 1 = 2,7 m - Diameter bed = 2 m - Volume bed π V bed = D 2 Z=8,4857 m3 4 - Volume katalis



Kmol 512,919 12062,506 3891,552 105,054 6,423 1806,041 18384,495



V katalis =V bed (1−ε) dengan porositas katalis 0,459 V katalis=4,5908 m3 - Berat katalis Berat katalis=V katalis x ρ katalis =12134,86164 kg - Waktu tinggal bed 1 P BM avg ρ= Z RT kg ρ=23,679 3 m Laju alir gas = 7459,3349 m3/jam ( V bed −V cat ) Waktu tinggal= Laju alir gas Waktu tinggal = 0,000522151 jam = 1,8797 s 2. Perhitungan Bed 2 - Suhu quench bed 2 = 388 K - Jumlah aliran quench bed 2 = 15 % dari umpan total - Komposisi quench bed 2 Kompon en CH4 H2 N2 Ar H2O NH3 Jumlah



Kmol 109,911 3008,063 974,984 22,512 1,376 104,848 4221,695



Quench bed 2 bercampur dengan keluaran bed 1,kemudian trial suhu masuk bed 2. Kompone n CH4 H2 N2 Ar H2O NH3 Jumlah



Kmol 622,831 15070,569 4866,536 127,565 7,800 1910,889 22606,190



H (kJ/kmol) 19824,663 12321,953 5668,229 8758,493 14923,228 17740,191



n x H (kJ) 12347406,713 185698851,405 27584643,110 1117279,248 116397,289 33899538,825 260764116,590



Dari trial dihasilkan suhu masuk bed 2 = 719,365 K Program MATLAB untuk Bed 2 clear all clc global FAo FBo FCo FDo FEo FFo Xo To Po D Si EPS DPT R Tr %komponen %A=CH4,B=H2,C=Nitrogen,D=Ar,E=air,F=amonia %Reaksi %C+3B-->2F %Data umpan reaktor Xo=0; To=719.3649831;%K Po=149.4587;%atm FAo=622.831;%kmol/jam FBo=15070.569;%kmol/jam FCo=4866.536;%kmol/jam FDo=127.565;%kmol/jam FEo=7.8;%kmol/jam FFo=1910.889;%kmol/jam %data operasional D=2;%diameter bed Si=0.87;%faktor aktifitas EPS=0.459;%porositas katalis DPT=5.8e-3;%diameter partikel R=1.987;%cal/mol.K Tr=298;%suhu referensi,K %Menghitung laju alir masing-masing komponen %Menyusun PD Simultan Zo=linspace(0,2.78,25); Yo=[Xo To Po]; [Z,Y]=ode45('fungsi',Zo,Yo); X=Y(:,1); T=Y(:,2); P=Y(:,3); disp(' ') disp('Hasil Perhitungan Bed 2') disp('Oleh : Eka Yoga Ramadhan (I0511019) & Kristiani (I0511029)') disp('---------------------------------------------------') disp(' Tinggi Konversi Temperature Pressure ') disp(' (m) (K) (atm) ') disp('===================================================') for i=1:25 fprintf('%8.4f%12.4f%14.4f%13.4f\n',Z(i),X(i),T(i),P(i)) end disp('----------------------------------------------------------') figure(1) plot(Z,Y(:,1),'black-') title('Distribusi Konversi') xlabel('Panjang(m)') ylabel('Konversi Nitrogen') figure(2) plot(Z,Y(:,2),'black-') title('Distribusi Temperatur') xlabel('Panjang(m)') ylabel('Temperatur(K)')



figure(3) plot(Z,Y(:,3),'black-') title('Distribusi Tekanan') xlabel('Panjang(m)') ylabel('Tekanan(atm)')



Hasil Perhitungan Bed 2 Oleh : Eka Yoga Ramadhan (I0511019) & Kristiani (I0511029) --------------------------------------------------Tinggi Konversi Temperature Pressure (m) (K) (atm) =================================================== 0.0000 0.0000 719.3650 149.4587 0.1158 0.0034 722.0151 149.4262 0.2317 0.0068 724.7044 149.3936 0.3475 0.0103 727.4337 149.3609 0.4633 0.0138 730.2036 149.3281 0.5792 0.0174 733.0146 149.2953 0.6950 0.0210 735.8674 149.2623 0.8108 0.0247 738.7624 149.2293 0.9267 0.0285 741.7000 149.1961 1.0425 0.0323 744.6803 149.1629 1.1583 0.0361 747.7035 149.1296 1.2742 0.0400 750.7697 149.0961 1.3900 0.0440 753.8784 149.0626 1.5058 0.0480 757.0293 149.0290 1.6217 0.0521 760.2218 148.9952 1.7375 0.0562 763.4546 148.9614 1.8533 0.0604 766.7266 148.9275 1.9692 0.0647 770.0360 148.8935 2.0850 0.0689 773.3806 148.8593 2.2008 0.0733 776.7576 148.8251 2.3167 0.0776 780.1638 148.7908 2.4325 0.0820 783.5954 148.7563 2.5483 0.0864 787.0476 148.7218 2.6642 0.0909 790.5150 148.6871 2.7800 0.0954 793.9915 148.6524 -------------------------------------------------------



Konversi bed 2



= 9,54%



N2 bereaksi = 0,0954 x 4866,536 = 464,2675517 kmol H2 bereaksi = 3 x 464,2675517 = 1392,803 kmol NH3 = 2 x 464,2675517 = 928,535 kmol Komposisi keluar bed 2 Kompone n CH4 H2 N2 Ar H2O NH3 Jumlah - Tinggi bed 2 = 2,78 m - Diameter bed = 2 m - Volume bed π 2 3 V bed = D Z=8,7371 m 4 - Volume katalis



Kmol 622,831 13677,767 4402,269 127,565 7,800 2839,424 21677,655



V katalis =V bed (1−ε) dengan porositas katalis 0,459 V katalis =4,72679m3 - Berat katalis Berat katalis=V katalis x ρ katalis =12494,32401kg - Waktu tinggal bed 2 P BM avg ρ= Z RT kg ρ=23,1726 3 m Laju alir gas = 9255,7028 m3/jam ( V bed −V cat ) Waktu tinggal= Laju alir gas Waktu tinggal = 0,0004332 jam = 1,55980 s 3. Perhitungan Bed 3 - Suhu quench bed 2 = 388 K - Jumlah aliran quench bed 2 = 15 % dari umpan total - Komposisi quench bed 3 Kompon en CH4 H2 N2 Ar H2O NH3 Jumlah



Kmol 109,911 3008,063 974,984 22,512 1,376 104,848 4221,695



Quench bed 3 bercampur dengan keluaran bed 2,kemudian trial suhu masuk bed 2. Kompone n CH4 H2 N2 Ar H2O NH3 Jumlah



Kmol 732,742 16685,830 5377,253 150,077 9,176 2944,273 25899,350



H (kJ/kmol) 20589,028 12701,497 5763,241 9025,962 15409,457 18370,497



n x H (kJ) 15086443,058 211935021,058 30990405,858 1354587,117 141399,701 54087750,927 313595607,719



Dari trial suhu dihasilkan suhu masuk bed = 732,233 K



Program MATLAB untuk Bed 3 %komponen %A=CH4,B=H2,C=Nitrogen,D=Ar,E=air,F=amonia %Reaksi %C+3B-->2F %Data umpan reaktor Xo=0; To=732.23275;%K Po=148.6524;%atm FAo=732.742;%kmol/jam FBo=16685.830;%kmol/jam FCo=5377.253;%kmol/jam FDo=150.077;%kmol/jam FEo=9.176;%kmol/jam FFo=2944.273;%kmol/jam %data operasional D=2;%diameter bed Si=0.87;%faktor aktifitas EPS=0.459;%porositas katalis DPT=5.8e-3;%diameter partikel R=1.987;%cal/mol.K Tr=298;%suhu referensi,K %Menghitung laju alir masing-masing komponen %Menyusun PD Simultan Zo=linspace(0,2.938,25); Yo=[Xo To Po]; [Z,Y]=ode45('fungsi',Zo,Yo); X=Y(:,1); T=Y(:,2); P=Y(:,3); disp(' ') disp('Hasil Perhitungan Bed 3') disp('Oleh : Eka Yoga Ramadhan (I0511019) & Kristiani (I0511029)') disp('---------------------------------------------------') disp(' Tinggi Konversi Temperature Pressure ') disp(' (m) (K) (atm) ') disp('===================================================') for i=1:25 fprintf('%8.4f%12.4f%14.4f%13.4f\n',Z(i),X(i),T(i),P(i)) end disp('----------------------------------------------------------') figure(1) plot(Z,Y(:,1),'black-') title('Distribusi Konversi') xlabel('Panjang(m)') ylabel('Konversi Nitrogen') figure(2) plot(Z,Y(:,2),'black-') title('Distribusi Temperatur') xlabel('Panjang(m)') ylabel('Temperatur(K)') figure(3) plot(Z,Y(:,3),'black-') title('Distribusi Tekanan')



xlabel('Panjang(m)') ylabel('Tekanan(atm)')



Hasil Perhitungan Bed 3 Oleh : Eka Yoga Ramadhan (I0511019) & Kristiani (I0511029) --------------------------------------------------Tinggi Konversi Temperature Pressure (m) (K) (atm) =================================================== 0.0000 0.0000 732.2328 148.6524 0.1224 0.0026 734.1389 148.6058 0.2448 0.0052 736.0653 148.5591 0.3673 0.0079 738.0122 148.5123 0.4897 0.0105 739.9794 148.4654 0.6121 0.0132 741.9670 148.4184 0.7345 0.0160 743.9747 148.3713 0.8569 0.0187 746.0026 148.3242 0.9793 0.0215 748.0504 148.2769 1.1018 0.0243 750.1179 148.2295 1.2242 0.0272 752.2047 148.1820 1.3466 0.0300 754.3104 148.1344 1.4690 0.0329 756.4346 148.0868 1.5914 0.0358 758.5767 148.0390 1.7138 0.0388 760.7360 147.9911 1.8362 0.0417 762.9119 147.9431 1.9587 0.0447 765.1034 147.8951 2.0811 0.0477 767.3095 147.8469 2.2035 0.0508 769.5290 147.7986 2.3259 0.0538 771.7608 147.7502 2.4483 0.0569 774.0034 147.7017 2.5707 0.0599 776.2552 147.6531 2.6932 0.0630 778.5144 147.6044 2.8156 0.0661 780.7790 147.5557 2.9380 0.0692 783.0470 147.5068 -------------------------------------------------------



Konversi bed 3



= 6,92%



N2 bereaksi = 0,0692 x 5377,253 = 372,1058965 kmol H2 bereaksi = 3 x 372,1058965 = 1116,317689 kmol NH3 = 2 x 372,1058965 = 744,2117929 kmol Komposisi keluar bed 3 Kompone n CH4 H2 N2 Ar H2O NH3 Jumlah - Tinggi bed 3 = 2,938 m - Diameter bed = 2 m - Volume bed π V bed = D 2 Z=9,2337 m3 4



Kmol 732,742 15569,513 5005,147 150,077 9,176 3688,484 25155,139



- Volume katalis V katalis =V bed (1−ε) dengan porositas katalis 0,459 V katalis=4,99543 m3 - Berat katalis Berat katalis=V katalis x ρ katalis =13204,42012kg - Waktu tinggal bed 3 P BM avg ρ= Z RT kg ρ=23,3118 3 m Laju alir gas = 10863,967 m3/jam ( V bed −V cat ) Waktu tinggal= Laju alir gas Waktu tinggal = 0,00039012 jam = 1,404438 s Kesimpulan hasil perhitungan bed : Bed 1 Tin (K) Tout (K) Pin (atm) Pout (atm) Massa katalis (kg) Waktu tinggal Konvers i Diameter bed (m) Tinggi bed (m)



Bed 2 723,340 795,640 149.4587 148.6524 12494,324



Bed 3 732.2328 783.0470 148.6524 147.5068 13204,420



1,55980



1,404438



0,1447



0,094



0,0692



2 2.7



2 2,78



2 2,938



663 791,8104 150 149,4587 12494,324 1,879 7



4. Menghitung Tebal Dinding Reaktor Dari Rase Appendix B pada T = 800 K = 980,6oF Allowable stress (f) = 11000 psi Efisiensi pengelasan (E) =1 Corrosion allowance = 0,125 in Tekanan operasi = 150 atm = 2423,85 psi Over design 10% Tekanan design = 2666,235 psi Diameter = 2 m = 78,73992 in Jari-jari = 39,36996 in



P r1 +c=11,2916 ∈¿ f E−0,6 P Digunakan tebal standar 11,5 in Tebal dinding reaktor=



5. Menghitung tebal head reaktor Dengan spesifikasi Allowable stress (f) = 11000 psi Efisiensi pengelasan (E) =1 Corrosion allowance = 0,125 in 2 2+K v= 6 Eliptical head K = 2 v=1 P Dv Tebal head ( t h ) = + c=¿ 9,904 in 2 f E−0,2 P Digunakan tebal head standar = 10 in 6. Menghitung tinggi head reaktor Tinggi head dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : h = th + b + sf (Brownell,hal 87) sf = 9 in (Tabel 5.11 Brownell,hal. 94) b = 0,25 x Diameter dalam (Brownell,hal 87) = 19,68498 in Tinggi head reaktor = 38,58971 in = 0,979 m 7. Menghitung tinggi reaktor Tinggi reaktor = Tinggi bed + 2(th) + Jarak antar bed + Ruang kosong diatas dan dibawah bed Ruang kosong antar bed = 2 x 1 ft = 2 ft Ruang kosong di atas bed 1 = 2 ft Ruang kosong di bawah bed 3 = 4 ft (Ludwig Vol. II Hal 138) Jadi tinggi total reaktor = 42,0497 ft = 12,8168 m 8. Menghitung diameter luar reaktor Diameter luar reaktor = (2 x tebal reaktor) + Diameter dalam = 3,882 m 9. Menghitung tebal isolasi Asumsi : suhu di dalan reaktor sama dengan suhu di permukaan luar reaktor karena tebal shell relatif kecil dan konduktivitas bahan sangat besar. Digunakan Kaolin insulating brick (avg), k = 0,15 Btu/ ft2.oF.jam (Kern Tabel.3) Neraca panas :



Panas yang diserap = Panas yang dilepaskan Panas yang dilepas = Panas konveksi + Panas radiasi ke udara q k =q c + qr k ∆ ti =h ∆ t o X (Persamaan 12-2 Evans) Keterangan : k = thermal conductivity isolator,Btu/jam.ft.oF ∆ti = temperatur fluida – temperatur permukaan luar,oF ∆to = temperatur permukaan luar – temperatur udara,oF X = tebal isolator,ft h = koefisien film gabungan dari radiasi dan konveksi Koefisien film gabungan dari konveksi dan radiasi di udara dihitung dengan rumus τ1 ( a+b ∆ to ) τ2 Keterangan : τ 1 = Faktor koreksi tergantung pada permukaan (Tabel 12-1 Evans) τ 2 = Faktor koreksi yang diperoleh dari fig 12-1 Evans a = konstanta = 1,2 Btu/ft2.oF.jam b = konstanta = 0,0048 Btu/ ft2.oF.jam h=



Data-data yang ada : Suhu udara Suhu permukaan luar Suhu fluida k ∆ti ∆ti τ1 τ2



= 85 oF = 150oF = 980 oF = 0,15 Btu/ ft2.oF.jam = 980-150 = 830 oF = 150-85 = 65 oF = 1,187 (Silinder vertical) = 0,23 τ Btu h= 1 ( a+b ∆ t o ) =7,803 2 o τ2 ft . ❑ F X =0,245 ft=¿ 2,946 in



Jadi tebal isolasi yang digunakan adalah 3 in