pra ran can gan reaktor
TRANSCRIPT
Fungsi : Mereaksikan Amoniak dengan Asam Sulfat sehingga diperoleh
Amonium Sulfat
Jenis Alat : Reaktor Gelembung Berpengaduk
Kondisi operasi :
Tekanan : 1 atm
Suhu : 105oC
Reaksi yang Terjadi :
2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l)
Untuk reaksi antara gas dan cairan dikenal teori dua lapisan film (Two Film
Theory), dimana ada 4 hal yang berpengaruh, yaitu:
1. Difusi dari gas ke interface
r=kg . ag .(Cg−Cig)
Dengan : r = kecepatan difusi
kg = koefisien perpindahan massa melalui lapisan gas
Cg = konsentrasi gas mula-mula
Cig = konsentrasi gas pada interface
ag = interface area antara gas dengan cairan
2. Kesetimbangan gas-cair
Cig=H .CiL
Dengan : Cig = konsentrasi gas pada interface
H = konstanta Henry
CiL = konsentrasi cairan pada interface
3. Difusi dari interface ke cairan
r=kL . ag .(CiL−CL)
Dengan : kL = koefisien perpindahan massa melalui lapisan
cairan
CiL = konsentrasi cairan pada interface
CL = konsentrasi cairan mula-mula
4. Reaksi di dalam cairan.
r=k .CL
Dengan : r = kecepatan reaksi
k = konstanta kecepatan reaksi
CL = konsentrasi cairan mula-mula
Jenis reaktor yang digunakan adalah reaktor gelembung. Pada prinsipnya,
berdasarkan pola aliranya, reaktor gas-cair dapat diklarifikasikan sebagai berikut:
1. Gas plug flow, cairan pug flow
2. Gas mixed flow, cairan plug flow
3. Gas mixed flow, cairan mixed flow
Jenis yang dipilih adalah gas dan cairan mixed (completely mixed), yaitu
dengan menambahkan pengaduk kedalam reaktor. Arah aliran umpan adalah
countercurrent yaitu asam sulfat masuk melalui bagian atas reaktor sedang
amoniak digelembungkan dengan sparger di dasar reaktor.
Menurut Froment,1979, reaksi antara gas NH3 dengan larutan H2SO4
adalah reaksi yang instan (instantaneous reaction), sehingga tahapan yang paling
berpengaruh adalah tahap transfer massa gas NH3 ke fase cairan ( larutan H2SO4)
Data-data untuk perancangan reaktor:
1. Menentukan difusifitas gas NH3 dalam larutan H2SO4
Nilai difusifitas dicari dengan persamaan :
D AL=1,03. 10−7 T1.75[ 1
MA+ 1
MB ]0.5
P [(∑ vi )]a13+[ (∑ vi )]b
13 ¿
0.5¿
Dengan: DAL = difusifitas zat A dalam cairan, m2/s
P = tekanan total, atm
MA,MB = berat molekul komponen, kg/kgmol
Vi = jumlah special diffusion film coefficeient
T = suhu sistem , K
Diperoleh nilai dal untuk sistem NH3- H2SO4 sebesar 2,39 . 10-5 m2/s
2. Menghitung tegangan muka
= NH3- H2SO4 = [P(L-v)]4
Dengan : = tegangan muka, dyne/cm
L, v = densitas pada fase cair dan gas, mol/cm3
P = parameter sudger parachor (perry, 1984)
Diperoleh nilai : H2SO4= 0.1297 dyne/cm
NH3- = 19.388 dyne/cm
= 19.258 dyne/cm
= 0.019kg/det2
3. Menentukan nilai koefisien transfer massa dari gas ke cairan (kLA)
Harga kofisiem transfer massa dihitung dengan persamaan van
dierendonck
kLA ¿0,423√ ul . g
l.√ DaL. l
ul
Dengan : ul = viskositas larutan, kg/m.det
l = densitas larutan , kg/m3
DaL = difusifitas gas dalam larutan, m2/s
Diperoleh nilai kLa = 4,41.10-2 m/s
PERHITUNGAN NERACA MASSA
Reaksi pembentukan ammonium sulfat merupakan reaksi netralisasi yang
sangat cepat (instantaneous reaction). Pada reaksi tersebut NH3 berdifusi melalui
lapisan film gas dan lapisan film cairan selanjutnya bereaksi dengan H2SO4 pada
fase cair.
Gambar 1. Skema mekanisme reaksi gas-cair di film cairan
Karena reaksi yang terjadi di badan cairan berlangsung dengan cepat,
maka peristiwa yang mengontrol proses secara keseluruhan adalah difusi gas
amoniak ke badan cairan asam sulfat. Reaksi yang terjadi adalah reaksi
eksotermis, sehingga untuk mempertahankan suhu perlu di tambahkan air
kedalam reaktor.
Reaksi yang terjadi :
2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l)
Kapasitas pabrik = 200.000 ton/tahun
Dengan jumlah hari operasi = 330 hari
1 hari = 24 jam
Produksi ammonium sulfat ¿200.000ton
tahunx
1000 kg1 ton
x1 tahun330 hari
x1 hari
24 jam
= 25.252,52525 kg/jam
Komposisi Produk :
Ammonium Sulfat = 0.9975%
Asam Sulfat = 0.001%
Air = 0.0015%
Jadi, Ammonium Sulfat yang dihasilkan = 0.9975 x 25.252,525 kg/jam
= 25.189,39 kg/jam
= 190.828742 kmol/jam
Perhitungan kebutuhan umpan:
1. Kebutuhan NH3 stokiometris = 2 x 190.828742 kmol/jam
= 381.6575kmol/jam
= 6488.177 kg/jam
Diambil jumlah amoniak yang tidak terdifusi sebesar 3% (Petrokimia Gresik),
maka :
Jumlah NH3 yang dimasukkan kedalam reaktor = 10097
x6488.177
= 6688.842 kg/jam
2. kebutuhan H2SO4 stokiometris = 190.828742 kmol/jam
= 18701.22 kg/jam
H2SO4 yang terikut produk reaktor = 25.25253 kg/jam
H2SO4 total yang dimasukkan dalam reaktor = 18726.47 kg/jam
H2SO4 98% yang diperlukan = 10098
x 18.726,7 kg/jam
= 19108.64 kg/jam
3. Menghitung kebutuhan H2O
H2O dalam larutan H2SO4 umpan = 0,02 x 19.108,64 kg/jam
= 382,1728 kg/jam
Larutan yang keluar dari reaktor adalah larutan amonium sulfat yang bersuhu
105oC. Dari hasil perhitungan didapatkan produk keluar reaktor mempunyai
kelarutan sebesar 62,34 gram ammonium sulfat / 100 gram air
Jumlah air dalam larutan keluar reaktor = 100
62.34x 25.189,39 kg/jam
= 40.406,5 kg/jam
Misal H2O yang di tambahkan = m kg/jam
Maka, jumlah H2O yang menguap = (m + 382,1728) – 40.406,5 kg/jam
Untuk mencari jumlah H2O yang di tambahkan digunakan neraca massa di sekitar
reaktor.
Neraca panas di sekitar reaktor:
H masuk reaktor = H keluar reaktor + HR reaksi
Suhu referensi adalah 25C
Jika di gambarkan secara sederhana :
NH3
H H2SO4
NH3 T1 H2O(g)
H2SO4 H2O(l)
H2O (NH4)2SO4(l)
H1 H2
HR (25oC)
H 1=∫298
343
m NH 3.cpNH 3. dT+∫298
305
m H 2 O .cpH 2O .dT ∫298
343
m H 2 SO 4. cpH 2 SO 4. dT
Mencari HR
2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l)
Hf ZA = -1173.1 kj/mol
Hf H2SO4 = -811.32 kj/mol
Hf NH3 = -46.19 kj/mol
HR = Hf ZA - Hf H2SO4 – 2.Hf NH3
= -1173.1 – (-811.32) – (2. -46.19)
= -269.4 kj/molZA
HR = -269.4 kj/molZA x 190.828742 kmol/jam
= -51409.26 kj/jam
H 2=∫298
378
m NH 3. cpNH 3. dT+∫298
378
m H 2O .cpH 2O .dT ∫298
378
m H 2 SO 4. cpH 2 SO 4. dT
+ H2O.m
HR = H1 + H2 + HR =0
Dengan cara trial dan error di dapat nilai m = 241.4586736 kg/jam
Jadi jumlah air yang di butuhkan adalah sebanyak 241.4586736 kg/jam
PERHTUNGAN DIMENSI REAKTOR
Kondisi operasi
Suhu = 105 C
Tekanan = 1 atm
Jenis reaktor yang dipakai adalah reaktor gelembung berpengaduk dengan
pertimbangan-pertimbangan sebagai berikut :
1. reaksi eksotermis dengan adanya pengadukan diharapkan transfer panas
akan merata
2. Dengan adanya pengadukan maka akan terbentuk luas interface yang lebih
besar sehingga gas akan lebih mudah terdifusi dan reaksi akan semakin
cepat terjadi
3. Dengan adanya pengadukan maka konsentrasi larutan di setiap titik adalah
sama (homogen) , sehingga tidak akan menyebabkan terbentuknya kristal
dalam reaktor.
Persamaan-persamaan matematis untuk reaktor :
Reaksi yang terjadi :
2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l)
aA + bB cC
FAo FBo FCo
FAo.XA12
FAo.XA12
FAo.XA
FAo.(1-XA) FBo-12
FAo.XA FBo-12
FAo.XA
General mole Balance equation :
FAo - FA –NA . Av . (1-og) . V = 0
FAo – Fao.XA –NA . Av . (1-og).V = 0
Fao.XA –NA . Av . (1-og). V = 0
NA . Av . (1-og). V = Fao.XA
V = Fao . XA
NA . Av .(1−og) ………………………………………. (1)
Dimana : NA=kl .CAi .(1+2.CBLCAi )………………………………………(2)
(Rase, 1977)
Dengan :
V = volume Reaktor , m3
Fao = kecepatan umpan masuk, kmol/jam
XA = konversi amonia
NA = kecepatan transfer massa amonia, kmol/m2.detik
Kl = koefisien transfer massa gas-caor , m/detik
CAi = konsentrasi ammonia di interface, kmol/m3
CBL = Konsentrasi asam sulfat dalam produk , kmol/m3
Av = Interfacial Area, 1/m
og = Hold up gas
Dari persamaan 1 & 2 diperoleh :
V = Fao . XA
kl .[CAi+ab
CBI ] Av .(1−og)
Untuk menghitung volume reaktor diperlukan persamaan-persamaan sebagai
berikut:
1. Kecepatan volumetric gas masuk (FA)
FA = FA .RTP . BM
(m3/jam)
gas =P . BM
RT (kg/m3)
Dengan :
FA = kecepatan aliran gas, kg/det
P = tekanan gas masuk, atm
BM = berat molekul gas, g/gmol
T = suhu gas masuk, K
2. Diameter gelembung
Perhitungan diameter gelembung diperluka untuk perancangan perforator.
Persamaan untuk menghitung diameter gelembung diperoleh dari froment, 1979.
Db = ( Eob .ll . g )
1 /2
Untuk N > 2.5 N*, Eob = 0.41
Untuk N > 2.5 N*, Eob = 0.21.[USG( l . gl )]
−1 /2
[ l3 . l
❑4 . g ]−1/8
Dengan :
N = kecepatan putaran pengaduk
N = [ FA . g .(drdi
)3,3
16 dr4 ]1/3
N* = kecepatan putaran karakteristik untuk pengeluaran gelembung
gelembung dan disperse gelembung gas dalam cairan , rps
N* dapat dihitung dengan persamaan :
N* = 2.[ HL−Kidr ]
1 /2
. [ l . gpl ] . dr
ds2
Dengan :
L = tegangan permukaan cairan , N/m
HL = tinggi permukaan cairan dalam tangki, m
Hs = Tinggi impeller, m
Jadi (HL-Hs) adalah tinggi cairan diatas pengaduk ketika belum ada
penggelembungan
og untuk larutan elektrolit dihitung dengan rumus :
og = 0,31.[ Usg
(l . g)pl
1/4 ]2 /3
+ 0,45 ¿¿
Dengan :
USg = kecepatan superficial gas, m/s
A = luas penampang reactor, m2
ds = diameter pengaduk, biasanya diambil = 1/3 diameter reactor
dr = diameter reaktor, m
Luas permukaan interface per satuan volum larutan untuk dispersi dapat
dihitung dengan rumus:
Av = 6.og
db .(1−og)
Harga koefisien transfer masssa, dihitung dengan rumus :
kl=0,42√ l . gpl
.√ DAB . pll
PERANCANGAN REAKTOR
A. MENENTUKAN DIMENSI REAKTOR
Dari perhitungan diperoleh hasil sebagai berikut:
Jumlah reactor = 1 buah
Volume reaktor = 46.3924 m3
Diameter reaktor = 3.6644 m
Over design factor 20%
Sehingga V reactor = 1.2 x 46.3924
= 55.67088 m3
Diameter = 4.39728 m
Diambil diameter standar 3.9624 m atau 156 in
Menurut rase(1977), tinggi reactor = 1,2 kali diameter reactor ditambah
dengan ruang bebas (vapor room) sebesar 3ft.
H reaktor = 1,2 X D reactor + 3ft
= 1.2 x 3.9624 m + 3 ft
= 5.6693 m
B. MENENTUKAN TEKANAN DESIGN
Tekanan dalam reactor = tekanan operasi + tekanan hidrostatik
Luas tampang reactor = Ar = ❑4
.(D standar)2
= ❑4
.(3.9624 )2
= 12.3249818 m2
Tinggi cairan dalam reactor =volume cairan dalamreaktor
luastampa ng reaktor
h=V x (1−og)
Ar=
55.6709 x (1−0.5649)12.34
=1.9653 m
P hidrostatik = l x g x h
= 1250.2 kg/m3 x 9.8 m/s2 x 1.9653092 m
= 24078.9 kg/m.s2
P operasi = 1 + 0,2407 atm = 1.240788895 atm
P design = 1.2 x 1.240 atm = 1.488946674 atm
= 21.699998159 psia
P gauge = 21,7 -14,7 psig
= 6.999998159 psig
C. MENENTUKAN TEBAL DINDING REAKTOR
Bahan yang di pakai : stainless steel
ID
Stainless steel
OD
Data-data untuk stainless steel :
F = 17.000 psia
= 0,8 (welded butt joint)
Tebal dinding reactor di hitung dengan rumus :
t= P . D2. f .−0,2 . P
+C
Dengan :
t = tebal dinding shell, inchi
P = tekanan system, psia
f = allowable stress, psia
= efisinsi sambungan,
C = corrosion allowance, inchi
D = diameter reaktor, inchi
Diperoleh nilai t :
t= P . D2. f .−0,2 . P
+C=0.124475∈¿
Diambil diameter standar = 0.25 in atau 4/16”
D. MENENTUKAN JENIS DAN UKURAN HEAD
Head yang dipilih : Torispherical Flanged and Dished Head.
Alasan pemilihan : head jenis ini dapat digunakan untuk vessel dengan
tekanan 15 – 200 psig (brownell & young, 1959)
Untuk menghitung tebal head digunakan persamaan-persamaan :
w=14 (3+√ RC
iCR ) dan th= P x RC xW2x F x−0,2 x p
Dengan
RC = jari jari dish, in
iCR = jari jari sudut dalam, in
w = factor intensifikasi tegangan untuk torispherical dished head
untuk asumsi awal digunakan teabal head = tebal dinding reactor = 0,25 in
Dengan ID reactor = 156 in
Dari table 5.7 B & Y diperoleh nilai RC = 144 in dan iCR = 9,375
Sehingga:
w=14 (3+√ RC
iCR )th= P x RC xW
2 x F x−0,2 x p
Tebal head standar 0,375 in
E. MENENTUKAN
F. MENENTUKAN POWER PENGADUKAN
Power pengadukan tanpa gas dihitung dengan menggunakan Fig. 8.7
(Rase,1977)
Dengan:
= 1.201 g/cm3
N = 2 rps
Dimp = 1.3207 m = 132.07 cm
= 2.6 cp = 0.026 g/cm.s = 0.0017474 lb/ft.s
ℜ= x N x Dimp2
❑=
1.201g
cm 3x2 rps x (132.07 cm)2
0.026 g /cms= 1611417.259
Dari fig 8.7 (rase, 1977 ) diperoleh nilai Np 1.3
Pa= Np. N . Di2
550. gc = 3808.804 HP
Sehingga diperoleh nilai Pa sebesar …. Hp
Sedangkan power pengadukan cairan dan gas (Pa)g dihitung dengan
persamaan:
(Pa)g ¿0.08 x [ Pa2 x Nx Dimp3
Qg0.56 ]0.45
Dengan: Qg = kecepatan volumetric gas = 8291.31 ft2/menit
Pa = power pengadukan tanpa gas = 3808.804 HP
N = kecepatan putar pengaduk = 2rps
Sehingga (Pa)g = 335.3520 HP
Diambil efisiensi motor = 80% sehingga power motor yang digunakan :
P=10080
x Hp = 419.19 HP
Diambil power pengadukan sebesar 450 Hp
G. MENENTUKAN LAYOUT PERFORATOR
Diameter gelembung yang diperoleh dari hasil perhitungan:
Db = 0.00065 m = 0.65 mm
Diameter lubang perforator dihitung dengan rumus :
do1.17=1.35(USG2
g )( lgpl )
13
(USG2 pll )
0.5
db
(froment, 1979)
Dengan :
USG = kecepatan gas melalui pipa berlubang = 0.2186 m/s
Db = diameter gelembung = 0.00065m = 0.65 mm
= tegangan permukaan cairan = 0.019 kg/det2
= rapat massa cairan =1835 kg/m3
Sehingga diperoleh diameter lubang perforator = 1.0058 x 10-6 m =
0.001058 mm
Kecepatan volumetric gas melalui lubang orifice :
Q 1=( π6
x g0.6 x db3
1.378 )5/6
m / s
(Perry , 1984)
Q1 = 1.395x10-8 m3/s
Kecepatan gas masuk reactor = Q = 2.3031 m3/s
Jumlah lubang perforator = n = Q/Q1 =165138975 buah
Luas total lubang = n . Ao = n . π/4 do2 = 131.1486 m2
Dipilih susunan lubang triangular Pitch dengan jarak antar pusat lubang (s)
= 2-5 diameter lubang orifice (do) (Treybal , 1984). Dipilih s = 3.5 do.
Dari fig 8-69 Ludwig, luas lubang orifice = 7,5 % luas plate
Luas plate = 1748.65 m2
Diameter plate = 23.5986 m
H. PERANCANGAN PIPA PEMASUKAN DAN PENGELUARAN
1. Pipa pemasukan larutan H2SO4
Peersamaan yang dipakai :
Diopt = 3,9 x Q0,45 x 0.13 untuk aliran turbulen
Diopt = 3,9 x Q0,36 x 0.18 untuk aliran laminar
( Peter & Timmerhaus, 1981)
Dengan Diopt = diameter dalam pipa optimum, m
Q = debit cairan masuk = 0.488 ft3/det
= massa jenis cairan= 70 lb/ft3
Diperoleh Diopt = 4.9058 in (turbulen)
=4.9781 in (laminar)
Asumsi aliran turbulen.
Dipilih ukuran pipa standar : NPS 5 ; Sch 40 ; OD = 5,563 in, ID = 5.047
in, A =20.01 in2
Cek aliran : v = QA
= 3.51212 ft/detik
ℜ= vD❑ = 59169.855 aliran turbulen, jadi asumsi benar
2. Pipa pemasukan NH3
Tekanan gas Nh3 masuk reactor = tekanan reactor + tekanan hidrostatis
= 1.24078 atm
Densitas gas NH3 = P . BM
R .T
= 0.64004 kg/l
= 39.9564lb/ft3
Kecepatan aliran gas =6688.8422 kg/jam
= 4.0962 lb/s
Qv = 0.1025 ft3/s
Diopt = 4.9059 in (laminar)
Diopt =4.9782 in (turbulen)
Asumsi aliran turbulen.
Dipilih ukuran pipa standar : NPS 1 ½ ; Sch 40 : OD =1.9 in ID = 1.61 in
A = 2.0348 in2
Cek aliran : v=QA
= 7.25557 ft/det
ℜ= vD❑
= 22257.874 aliran turbulen, jadi asumsi benar
3. Pipa pengeluaran gas H2O dan NH3
Kecepatan aliran gas = 11982.860 kg/jam
=7.3382 lb/s
Densitas campuran gas = 0.578 kg/L
=36.0833 lb/ft3
Qv = 0.20337 ft3/s
Diopt =3.22 in (laminar)
Diopt =3.03 in (turbulen)
Asumsi aliran turbulen.
Dipilih ukuran pipa standar : NPS 1 ½ ; Sch 40 : OD =3.5 in ID = 3.068 in
A = 7.3889 in2
Cek aliran : v=QA
= 3.96371 ft/det
ℜ= vD❑
= 20924.9 aliran turbulen, jadi asumsi benar
4. Pipa pengeluaran hasil ammonium sulfat
Kecepatan aliran gas = 25189.3939 kg/jam
= 15.4258 lb/s
Densitas campuran gas = 1250 kg/L
=78034.956 lb/ft3
Qv = 0.0002 ft3/s
Diopt = 3.3042 in (laminar)
Diopt = 2.9092 in (turbulen)
Asumsi aliran turbulen.
Dipilih ukuran pipa standar : NPS 1 ½ ; Sch 40 : OD = 3.5 in ID = 3.068 in
A =7.3889 in2
Cek aliran : v=QA
=0.00385 ft/det
ℜ= vD❑
= aliran turbulen, jadi asumsi benar