s1-2014-300881-chapter5 (1)

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan

Kapasitas 80.000 ton/tahun

161

BAB XIII

KESIMPULAN

Berdasarkan tinjauan kondisi operasi, pemilihan bahan baku, produk dan

teknologi proses, maka Pabrik Phthalic Anhydride dari o-xylene dan udara dengan

kapasitas 80.000 ton/tahun tergolong pabrik berisiko tinggi.

Hasil analisis ekonomi pabrik ini menunjukkan:

1. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp293.601.500.000,00 dan

keuntungan setelah pajak sebesar Rp 146.800.800.000,00.

2. Percent Return on Investment (ROI) sebelum pajak 44,76%, lebih besar

daripada ROI minimum yaitu 44% untuk pabrik beresiko tinggi.

3. Pay Out Time (POT) sebelum pajak adalah 2,12 tahun, sedangkan POT

sebelum pajak adalah maksimum 2 tahun. POT setelah pajak adalah 4,02

tahun.

4. Break Even Point (BEP) adalah sebesar 41,46%, sudah berada dalam

kisaran yang wajar yaitu pada range 40-60%.

5. Shut Down Point (SDP) adalah sebesar 17,02% kapasitas.

6. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 36,13%, sudah

melebihi minimal 1,5 kali bunga bank (10,37%).

Dari hasil analisa ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa Pabrik Phthalic

Anhydride dari o-xylene dan udara dengan kapasitas 80.000 ton/tahun menarik dan

layak untuk dikaji lebih lanjut.



R-1

LAMPIRAN

REAKTOR-01 (R-01)

(Detail Design)

Kode : R-01

Tugas : Tempat berlangsungnya reaksi antara o-xylene dan udara menjadi phthalic

anhydride dengan kapasitas 165629,90 kg/jam

Jenis : Fixed Bed Multitube Reactor

Reaktor ini beroperasi secara non-isothermal non-adiabatic dengan reaksi

yang terjadi di dalam reaktor sebagai berikut :

Reaksi utama yang terjadi :

C8H10 + 3 O2 C8H4O3 + 3 H2O

Selain reaksi diatas, terjadi pula reaksi samping :

C8H10 + 1,5 O2 C8H8O2 + H2O

C8H10 + 2 O2 C8H6O2 + 2 H2O

C8H10 + 2,5 O2 C7H6O2 + CO2 + H2O

C8H10 + 6 O2 C5H6O4 + 3 CO2 + 2 H2O

C8H10 + 7,5 O2 C4H2O3 + 4 CO2 + 4 H2O

C8H10 + 8,5 O2 4 CO + 4 CO2 + 5 H2O

Konversi di reaktor 98,19 % mol dari o-xylene dengan selektivitas pada Daftar

sebagai berikut :

Daftar 1. Data Selektivitas Komponen

Komponen Selektivitas (% mol)

C8H4O3 77,3

C8H8O2 0,2

C8H6O2 0,2

C7H6O2 0,8

C5H6O4 0,1

C4H2O3 4,0

CO 17,4



R-2

(Manual Operating Book, PT Petrowidada, Gresik dan Skrzypek, pg. 613)

Reaktor yang digunakan berjumlah tiga reaktor paralel, untuk menjaga

kestabilan proses produksi, sehingga jika salah satu reaktor tidak berfungsi dengan

baik, maka reaktor lainnya akan menjaga produksi tetap berjalan. Ukuran reaktor

juga menjadi pertimbangan dalam memilih jumlah reaktor yang digunakan.

1. Menentukan Jenis dan Ukuran Pipa

Pada sintesa phthalic anhydride digunakan tube dengan inside diameter 2,5

cm untuk penggunaan tube kurang dari 20000 buah (Froment dan Bischoff, 2011).

Berdasarkan Foust, Appendix C halaman 724 maka direncanakan akan untuk

menggunakan pipa baja komersial dengan ASA Standard B36. 10 sebagai berikut :

Schedule Number (Sch) : 40

D nominal : 1 in

Diameter luar (Odt) : 1,315 in = 3,3401 cm

Diameter dalam (Idt) : 1,049 in = 2,6645 cm

Inside sectional area (at) : 0,006 ft2 = 5,5742 cm2

2. Menentukan Panjang dan Jumlah Tube

a. Menghitung berat molekul umpan

Untuk menghitung BM umpan digunakan persamaan :

BM = (Yi BMi)



R-3

Daftar 2. Perhitungan Berat Molekul Relatif

Komponen BM Yi Yi x BM

O-xylene 106,1670 0,0165 1,7526

M-xylene 106,1670 0,0002 0,0174

Carbon monoxide 28,0110 0,0101 0,2823

Carbon dioxide 44,0110 0,0000 0,0003

Oxygen 32,0000 0,1856 5,9403

Nitrogen 28,0140 0,7876 22,0639

Argon 39,9480 0,000007 0,0003

Total 1,0000 30,0592

b. Menghitung harga Z umpan

Z = 1 + TrRTc

BPc Pr.

Persamaan yang digunakan untuk mengitung Pc, Tc, dan campuran didapat

dari Bird persamaan 1.3-3 sampai dengan 1.3-5 sebagai berikut :

Pc = (Yi Pci)

Tc = (Yi Tci)

= (Yi i)



R-4

Daftar 3. Penentuan Nilai Koefisien Untuk Menghitung Z

Komponen Yi YiPci YiTci Yi.i

O-xylene 0,0165 0,6164 10,4061 0,0052

M-xylene 0,0002 0,0058 0,1014 0,0001

Carbon

monoxide 0,0101 0,3526 1,3396 0,0006

Carbon

dioxide 0,0000 0,0005 0,0020 0,0000

Oxygen 0,1856 9,3615 28,6953 0,0041

Nitrogen 0,7876 26,7312 99,3166 0,0315

Argon 0,000007 0,0000 0,0000 0,0000

TOTAL 1.0000 37,0681 139,8610 0,0415

T rerata = 350 oC = 623,15 K

P rerata = 1,4 atm

Tr = T/Tc = 623,15 K / 139,8610 K = 4,4555

Pr = P /Pc = 1,4 atm/37,0681 atm = 0,0378

= 0,0415

Dari Smith Van Ness fig. 3-11, hal 88 titik (Pr,Tr) berada di atas garis, maka

menghitung harga z menggunakan virial coeffisien. Persamaan yang digunakan

dari Smith Van Ness 3rd ed., persamaan 3-36 sampai 3-38 hal. 87 sebagai

berikut :

Bo = 0,083 (0,422/Tr 1,6) = 0,083 (0,422/4,4555 1,6) = 0,0444

B = 0,139 (0,172/Tr 4,2) = 0,139 (0,172/4,4555 4,2) = 0,1387

BPc/RTc = Bo + B

= 0,0444 + (0,1232 0,0415)

= 578,0482



R-5

Z = 1 + TrRTc

BPc Pr.

= 1 + (0,0495)(0,0351/4,4555)

= 1,0004

c. Menghitung densitas umpan

TRZ

BMP

= )15,623)(/.05,82)(0004,1(

)/0571,30)(4,1(3 KmolKcmatm

molgratm

= 8,2272.10-4 gr/cm3

= 0,8227 kg/m3

d. Menghitung viskositas umpan

Viskositas campuran gas dapat diestimasi dengan persamaan Herning dan

Zipperer :

=(.

0,5.)

(.0,5)

Dimana :

yi = fraksi mol masing-masing komponen;

BMi= Berat molekul masing-masing komponen (gram/mol);

i = viskositas komponen (cp).

e. Konduktivitas thermal umpan (kG)

Konduktivitas termal campuran gas dapat diestimasi dengan persamaan :

=(.

1/3. )

(. )

Dimana :

yi = fraksi mol masing-masing komponen;

BMi= Berat molekul masing-masing komponen (gram/mol);

ki = konduktivitas termal masing-masing komponen (cp).



R-6

f. Menghitung diameter dalam shell (IDs)

Direncanakan tube disusun dengan pola triangular pitch, dengan:

Pt = 1,25 ODt

= 1,25 (1,3150 in)

= 1,6438 in

C = PT ODt

= (1,6438 1,3150) in

= 0,3288 in

Diameter bundle shell (IDb) untuk triangular pitch dicari dengan persamaan

sebagai berikut :

= (

1)

1

2

(Coulson and Richardson)

Dimana :

Nt = jumlah tube

IDb = diameter dalam tube, m

C1, C2 = konstanta

Nilai C1 dan C2 ditentukan oleh bentuk pitch dan jumlah pass yang akan

digunakan. Pitch yang digunakan adalah tipe triangular pitch dan jumlah pass

sebanyak 1. Diperoleh nilai C1 = 0,319 dan C2 = 2,142.

= +(28,571 + 44,256)

100



R-7

k. Menghitung koefisien perpindahan panas pada tube dan shell side

1. Kecepatan transfer panas tube side (hio)

Persamaan untuk menghitung koefisien perpindahan transfer panas pada

bagian tube (hio) adalah :

=

Untuk mengevaluasi nilai hi, digunakan persamaan :

.

= 0,027()

0,8()1/3

Dengan,

=.

=

=.

2

4

=

3600

Dimana :

= koefisien transfer panas di tube, kJ/m2.jam.K

= konduktivitas panas gas, kJ/m.jam.K

= kecepatan aliran massa gas, kg/jam

= luas flow area tube, m2

= kapasitas panas gas komponen, kJ/kmol/K

= kapasitas panas gas campuran, kJ/kmol/K

= bilangan Reynold tube = 500

= bilangan Prandtl tube

= diameter luar tube, m

2. Kecepatan transfer panas shell side (ho)

Pada bagian shell akan dialirkan pendingin berupa molten salt dengan

spesifikasi sebagai berikut :



R-8

Cpc = 372,93 Btu/lb oF = 1,5614 kJ/kg K

c = 9,00 kg/m/jam

kc = 2,16 kJ/m/jam/K

Ws = 150.000 kg/jam

B = baffle spacing yang direncanakan = 0,3 IDs = 1,1048 m

Persamaan untuk menghitung koefisien perpindahan transfer panas pada

bagian tube (hio) adalah :

.

= 0,36()0,55()

1/3

dengan,

= .

=.

=.

.

=

3600

=4 (

12 . 0,866.

2 18 . .

2)

12 . .

= koefisien transfer panas di shell, kJ/m2.jam.K

= konduktivitas panas pendingin, kJ/m.jam.K

= kecepatan aliran massa pendingin, kg/jam

= fluks aliran massa pendingin, kg/m2.s

= viskositas pendingin, kg/m.s

= konduktivitas panas pendingin, kJ/m.jam.K

= luasflow area shell, m2.

, , = lebar pitch, clearance, dan baffle size, m

, = diameter ekivalen dan diameter dalam shell, m.

l. Menghitung koefisien transfer panas overall (Ud)

Koefisien transfer panas pipa bersih:



R-9

=.

+

Dari Kern, Daftar 12 hal 845 diperoleh:

Rd Shell = 0,0010 (untuk cooling liquid)

Rd tube = 0,0005 (untuk organic vapor)

Rd = Rd shell +Rd tube

= 0,0010 + 0,0005

= 0,0015 jam ft2 oF/BTU

= 7,3374.10-5 jam.m2.K/kJ

=1

+1

dengan :

Uc = koefisien perpindahan panas overall bersih, kJ/jam/m2/K

Ud = koefisien perpindahan panas overall kotor, kJ/jam/m2/K

m. Menyusun persamaan laju reaksi (-ra)

Ditinjau dari reaksi utama:

C8H10 (g) + 3 O2 (g) C8H4O3 (g) + 3 H2O (g)

Persamaan laju reaksi dianggap :

-rox = k Pox PO2

dengan :

-rox = laju reaksi o-xylene, kmol/kg katalis/jam

k = konstanta laju reaksi, kmol/kg katalis/atm2/jam

Pox = tekanan parsial o-xylene, atm

PO2 = tekanan parsial oksigen, atm

Nilai konstanta laju reaksi diketahui :

= exp ( (27000

) + 19,837)

Dimana :

T = suhu (K)

R = konstanta gas = 1,987 kal/gmol K



R-10

Nilai POX dan PO2 dapat divelauasi menggunakan persamaan:

=

2 = 2

dengan,

yOX = fraksi mol o-xylene;

yO2 = fraksi mol oksigen;

P = tekanan total, atm.

Untuk gas berlaku :

Pi = xPtFt

Fi

Untuk menghitung Fi, disusun neraca massa berdasarkan data selektivitas

yang telah diketahui pada Daftar selektivitas:

Daftar 4. Perhitungan Reaksi Komponen dalam Reaktor

Sehingga :

Komponen BM Fi0 Fi0/Fox-0 Reaksi

O-xylene (A) 106,1670 4828,8740 1,0000 -1,0000

M-xylene 106,1670 48,0491 0,0100 0,0000

Phthalic anhydride 148,1180 0,0000 0,0000 0,7730

Maleic anhydride 98,0580 0,0000 0,0000 0,0400

Toluic acid 136,1500 0,0000 0,0000 0,0020

Phthalide 134,1360 0,0000 0,0000 0,0020

Benzoic acid 122,1230 0,0000 0,0000 0,0080

Citraconic acid 130,1000 0,0000 0,0000 0,0010

Carbon monoxide 28,0110 777,8215 0,6105 0,6960

Carbon dioxide 44,0110 0,7794 0,0004 0,8670

Oxygen 32,0000 16366,9855 11,2451 -8,5720

Nitrogen 28,0140 60791,6606 47,7103 0,0000

Water 18,0160 0,0000 0,0000 5,9830

Argon 39,9480 0,7794 0,0004 0,0000

TOTAL 82814,9495 60,5767 -1,2000



R-11

Pox = PXFox

XFox

)2000,15767,60(0

)1(0

= PX

X

)2000,15767,60(

)1(

2 =208,5720.0.

0 (60,57671,2000 )P

Dimana :

P = tekanan total, atm;

X = konversi o-xylene;

FO20 = flowrate O2 umpan, kmol/jam;

FOX0 = flowrate o-xylene, kmol/jam.

n. Menghitung panjang tube (z)

Panjang tube didapat dari persamaan-persamaan profil untuk :

Profil konversi sepanjang reaktor

Profil temperatur sepanjang reaktor

Profil temperatur pendingin sepanjang reaktor

Profil pressure drop sepanjang reactor

Perhitungan profil masing-masing persamaan sebagai berikut :

Menentukan persamaan profil konversi terhadap panjang reaktor

Profil aliran gas dalam tube :

Fa

Xa +

Zz

Fa +Xa

Z = 0 Z = L

z

IDID OD

Gambar 11. Penampang Aliran dalam Tube

Neraca massa pada elemen volume V :

+

=

Pada steady state, akumulasi = 0, maka :

Fox-z = Fox-Z+Z - (-rox). Nt. V. (1- ). B



R-12

Z

ZIDtNroxzz

Foxz

FoxB

)1.(.).(4/..)(2

)1.().(4/..).( 2

IDNtroxZ

FoxFoxB

ZZZ

lim = )1.(2).(4/..).( IDNtroxdZ

dFoxB

Z0

Dimana :

Fox = Fox0 (1 - X)

dFox = -Fox0 . d X

Maka :

)1.().(4/..).(.0 2

IDNtrox

dZ

dXFoxB

0

)1.().(4/..).( 2

Fox

IDNtrox

dZ

dXB (36)

Keterangan :

Fox0 = flowrate inlet o-xylene, kmol/jam;

rOX = laju reaksi oxylene masuk reaktor, kmol o-xylene/jam;

Nt = jumlah tube;

ID = diameter dalam, m;

B = densitas katalis, kg katalis/m3;

= porositas katalis dalam bed, = 0,4 (Hill, hal 559);

Z = panjang tube dihitung dari atas, m;

(-ra) = kecepatan reaksi, kmol o-xylene/kg katalis/jam.

Menentukan persamaan profil temperatur terhadap panjang tube

Neraca panas di dalam tube pada kondisi steady-state:

+ =



R-13

( )| ( )|+

+ (). . . .

. . . . ( ) = 0

lim0

(( )|+ ( )|

)

= (). . . . . . ( )

= (). . . . . . ( )

=

(). . . . . . ( )

Keterangan :

Z = tebal tumpukan katalis, m

= koefisien transfer panas overall, kJ/m2 K.jam

= panas reaksi i, kJ/kmol

rOX = laju reaksi oxylene masuk reaktor, kmol o-xylene/jam;

OD t = diameter luar tube, m

B = berat jenis bulk, kg/m3

Tc = suhu pendingin

Cpi = kapasitas panas komponen, kJ/kmol K

Menentukan persamaan profil temperatur pendingin sepanjang

reactor

Neraca panas pendingin dalam elemen volum shell:

+ =

( )|+ ( )|

+ . . . . ( ) = 0

lim0

(( )|+ ( )|

)

= . . . ( )

= . . . ( )



R-14

=

. . . ( )

(37)

Dimana :

Ws = laju alir pendingin, kg/jam

Cpc = kapasitas panas pendingin, kJ/kg K

Menentukan persamaan profil perbedaan tekanan sepanjang tube

Penurunan tekanan dalam pipa berkatalis (Treybal,1981)

= 9,8692. 106

(1 )

. . 3[150(1 )

+ 1,75] (38)

dengan,

= fluks aliran massa gas dalam reaktor, kg/m2.s

= porositas katalis

= diameter partikel katalis, m

= viskositas gas, kg/m.s

Tinggi bed yang digunakan dicari dengan bantuan program MATLAB.

Tinggi bed ditentukan oleh target konversi total o-xylene sebesar 99 %.

Script MATLAB yang digunakan :

==========================================================

========

function revisi1

clc

clear

clf

global IDs Nt OD Ud B ID

%jumlah mol umpan, kmol/jam

Fox1=99.6804/3;

Fmx1=0.99918/3;



R-15

Fpa1=0;

Fma1=0;

Fta1=0;

Fpd1=0;

Fba1=0;

Fca1=0;

Fco1=62.754/3;

Fco21=0.062/3;

Fo21=1320.4936/3;

Fn21=4904.690/3;

Fh2o1=0;

Far1=0.0620/3;

x0=0;

z0=0;

T0=623.15;%K

Tc0=603.15;%K

P0=6;%atm

zc=[z0:0.1:11];

y0=[x0 T0 Tc0 P0];

[z,y]=ode45(@aldin,zc,y0);

x=y(:,1);

T=y(:,2);

Tc=y(:,3);

P=y(:,4);

figure(1)

grid off

hold on

plot(z,y(:,1),'-g')



R-16

ylabel('conversion')

xlabel('z,m')

figure(2)

grid off

hold on

plot(z,y(:,2),'-g')

xlabel('z,m')

ylabel('suhu,K')

figure(3)

grid off

hold on

plot(z,y(:,3),'-g')

xlabel('z,m')

ylabel('suhu pendingin, K')

figure(4)

grid off

hold on

plot(z,y(:,4),'-g')

xlabel('z,m')

ylabel('tekanan,atm')

disp('FIXED BED MULTITUBE REACTOR')

disp('-----------------')

disp('-----------------')

fprintf('Komponen keluar reaktor :\n')

fprintf(' - O-Xylene = %8.4f kmol/s\n',(Fox1*(1-x(end))))

fprintf(' - M-Xylene = %8.4f kmol/s\n',(Fmx1))

fprintf(' - Phthalic Anhydride = %8.4f



R-17

kmol/s\n',(Fpa1+0.773*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Maleic Anhydride = %8.4f

kmol/s\n',(Fma1+0.040*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Toluic Acid = %8.4f kmol/s\n',(Fta1+0.002*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Phthalide = %8.4f kmol/s\n',(Fpd1+0.002*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Benzoic Acid = %8.4f kmol/s\n',(Fba1+0.008*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Citraconic Acid = %8.4f

kmol/s\n',(Fca1+0.001*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Carbon Monoxide = %8.4f

kmol/s\n',(Fco1+0.696*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Carbon Dioxide = %8.4f

kmol/s\n',(Fco21+0.867*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Oxygen = %8.4f kmol/s\n',(Fo21-8.572*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Nitrogen = %8.4f kmol/s\n',(Fn21))

fprintf(' - Water = %8.4f kmol/s\n',(Fh2o1+5.983*Fox1*x(end)))

fprintf(' - Argon = %8.4f kmol/s\n',(Far1))

fprintf('konversi = %8.4f\n',x(end))

fprintf('suhu masuk = %8.4f K\n',T0)

fprintf('suhu keluar = %8.4f K\n',T(end))

fprintf('suhu pendingin masuk = %8.4f K\n',Tc(end))

fprintf('suhu pendingin keluar = %8.4f K\n',Tc0)

disp('design reaktor')

fprintf(' - Diameter Shell = %8.4f m\n',IDs)

fprintf(' - Panjang Reaktor = %8.4f m\n',z(end))

fprintf(' - Tekanan keluar = %8.4f atm\n',P(end))

fprintf('Spesifikasi tube \n');

fprintf('Outside diameter : %.2f in \n',OD*100/2.54);

fprintf('Inside diameter : %.2f in \n',ID*100/2.54);

fprintf('Jumlah tube : %.0f \n\n',Nt);

fprintf('Spesifikasi shell \n');

fprintf('Inside diameter : %.2f m \n',IDs);

fprintf('Baffle Size : %.2f m \n\n',B);



R-18

fprintf('Heat Trans Coeff : %.4f kJ/m2.jam.K \n',Ud);

disp('Profil')

disp('Panjang bed, m Konversi Suhu,K Suhu Pemanas, K Tekanan,

atm')

fprintf(' %7.4f %6.4f %6.4f %6.4f %6.4f\n',[z x T Tc P]')

end

function dY=aldin(z,y)

global IDs Nt OD Ud B ID Ws

x=y(1);

T=y(2); %suhu reaktor (kelvin)

Tc=y(3); %suhu pendingin (kelvin)

P=y(4); %tekanan reaktor (atm)

phi=3.14;

T1=623.15; %suhu reaktan masuk

Z=1.0004; %compressibility factor

BM=30.0592; %BM campuran

%Input Data :

%Mass flow (kg/jam) :

Fox0=9657.3/3;

Fmx0=96.60/3;

Fpa0=0;

Fma0=0;

Fta0=0;

Fpd0=0;

Fba0=0;

Fca0=0;

Fco0=1555.60/3;

Fco20=1.60/3;

Fo20=32734.0/3;



R-19

Fn20=121583.30/3;

Fh2o0=0;

Far0=1.60/3;

Ftot=Fox0+Fmx0+Fpa0+Fma0+Fta0+Fpd0+Fba0+Fca0+Fco0+Fco20+Fo20+Fn2

0+Fh2o0+Far0;%kg/jam

%Berat Molekul (kg/kmol) :

BMox=106.167;

BMmx=106.167;

BMpa=148.118;

BMma=98.058;

BMta=136.15;

BMpd=134.136;

BMba=122.123;

BMca=130.1;

BMco=28.011;

BMco2=44.011;

BMo2=32;

BMn2=28.014;

BMh2o=18.016;

BMar=39.948;

%Konversi satuan reaktan ke kmol/jam:

Fox01=Fox0/BMox;

Fmx01=Fmx0/BMmx;

Fpa01=Fpa0/BMpa;

Fma01=Fma0/BMma;

Fta01=Fta0/BMta;

Fpd01=Fpd0/BMpd;

Fba01=Fba0/BMba;

Fca01=Fca0/BMca;

Fco01=Fco0/BMco;



R-20

Fco201=Fco20/BMco2;

Fo201=Fo20/BMo2;

Fn201=Fn20/BMn2;

Fh2o01=Fh2o0/BMh2o;

Far01=Far0/BMar;

FT0=Fox01+Fmx01+Fpa01+Fma01+Fta01+Fpd01+Fba01+Fca01+Fco01+Fco20

1+Fo201+Fn201+Fh2o01+Far01;

%Daftar stoikhiometris untuk mengetahui F komponen sepanjang reaktor

Fox=Fox01*(1-x);

Fmx=Fmx01;

Fpa=Fpa01+0.773*Fox01*x;

Fma=Fma01+0.040*Fox01*x;

Fta=Fta01+0.002*Fox01*x;

Fpd=Fpd01+0.002*Fox01*x;

Fba=Fba01+0.008*Fox01*x;

Fca=Fca01+0.001*Fox01*x;

Fco=Fco01+0.696*Fox01*x;

Fco2=Fco201+0.867*Fox01*x;

Fo2=Fo201-8.572*Fox01*x;

Fn2=Fn201;

Fh2o=Fh2o01+11.2540*Fox01*x;

Far=Far01;

FT=Fox+Fmx+Fpa+Fma+Fta+Fpd+Fba+Fca+Fco+Fco2+Fo2+Fn2+Fh2o+Far;

%menghitung fraksi mol

yox=Fox/FT;

ymx=Fmx/FT;

ypa=Fpa/FT;

yma=Fma/FT;

yta=Fta/FT;

ypd=Fpd/FT;



R-21

yba=Fba/FT;

yca=Fca/FT;

yco=Fco/FT;

yco2=Fco2/FT;

yo2=Fo2/FT;

yn2=Fn2/FT;

yh2o=Fh2o/FT;

yar=Far/FT;

%Menghitung koefisien transfer panas overall

%Data dimensi multitube :

rhob=840; %(kg/m^3)

eps=0.40; % porositas, epsilon

Dp=0.36/100; %(m)

ID=2.6645/100; %(m)

OD=3.3401/100; %(m)

at1=5.5742/10000; %(m2)

Nt=7505;

%Triangular pitch :

PT=1.25*OD; %(m)

IDb=OD*(Nt/0.319)^(1/2.142); %(m), Coulson, 523

IDs=IDb+(28.571*IDb+44.256)/100;

Cl=PT-OD; %(m)

De=4*(0.5*PT^2*0.866-0.5*3.14/4*OD^2)/(0.5*3.14*OD); %(m)

B=0.3*IDs; %(m)

at=at1*Nt; %(m2)

Gt=Ftot/at/3600; %(kg/m2s)

as=IDs*Cl*B/PT; %(m2)

Ws=150000; %(kg/jam)

Gs=Ws/as; %(kg/m2jam)

R=8.314; %(kJ/kmol K)



R-22

Raks=0.082; %(atm.m3/kmol.K)

%data viskositas, cp, dan konduktivitas gas dalam tube

%viskositas reaktan

miuox=-19.763+2.8022E-01*T-5.9293E-05*T^2;

miumx=-21.620+2.7820E-01*T-6.0531E-05*T^2;

miupa=-10.366+2.2977E-01*T-1.0424E-05*T^2;

miuma=-11.219+T*2.918E-01+T^2*-1.0579e-05;

miuta=-4.764+2.2386E-01*T-2.3427E-05*T^2;

miupd=-7.468+2.4258E-01*T-2.7312E-05*T^2;

miuba=-3.930+2.3677E-01*T-2.4211E-05*T^2;

miuca=-3.432+2.3255E-01*T-1.9261E-05*T^2;

miuco=23.811+5.3944E-01*T-1.5411E-04*T^2;

miuco2=11.811+4.9838E-01*T-1.0851E-04*T^2;

miuo2=44.224+T*5.62e-01+T^2*-1.13e-04;

miun2=42.606+T*4.75e-01+T^2*-9.88e-05;

miuh2o=-36.826+T*4.29e-01+T^2*-1.62e-05;

miuar=212.75+0.6142*T-0.0002*T^2;

sigmamiuiyiBMi=miuox*yox*BMox^0.5+miumx*ymx*BMmx^0.5+miupa*ypa*

BMpa^0.5+miuma*yma*BMma^0.5+miuta*yta*BMta^0.5+miupd*ypd*BMpd^0

.5+miuba*yba*BMba^0.5+miuca*yca*BMca^0.5+miuco*yco*BMco^0.5+yco2*

miuco2*BMco2^0.5+yo2*miuo2*BMo2^0.5+yn2*miun2*BMn2^0.5+yh2o*miu

h2o*BMh2o^0.5+yar*miuar*BMar^0.5;

sigmayiBMi1=yox*BMox^0.5+ymx*BMmx^0.5+ypa*BMpa^0.5+yma*BMma^0

.5+yta*BMta^0.5+ypd*BMpd^0.5+yba*BMba^0.5+yca*BMca^0.5+yco*BMco^

0.5+yco2*BMco2^0.5+yo2*BMo2^0.5+yn2*BMn2^0.5+yh2o*BMh2o^0.5+yar*

BMar^0.5;

miugas=sigmamiuiyiBMi/sigmayiBMi1/10000000; %kg/m/s

%cp reaktan (kJ/kg K)

cpox=1.8200E-01+5.1344E-01*T-2.0212E-04*T^2-2.1615E-08*T^3+2.3212E-

11*T^4;



R-23

cpmx=-1.6725E+01+5.6424E-01*T-2.6465E-04*T^2+1.3381E-

08*T^3+1.5869E-11*T^4;

cppa=40.083+0.56424*T+9.5956E-04*T^2-1.2341E-06*T^3+4.6597E-10*T^4;

cpma=-7.2015E+01+T*1.0423E+00-T^2*1.8716E-03+T^3*1.6527E-06-

T^4*5.5647E-10;

cpta=5.8310E+00+T*3.2470E-01+T^2*4.8726E-04-T^3*8.7808E-

07+T^4*3.7290E-10;

cppd=1.9986E+01+T*7.7860E-01+T^2*2.9980E-04+T^3*1.7486E-

08+T^4*5.6823E-11;

cpba=1.6158E+01+T*2.8234E-01+T^2*1.7811E-04-T^3*3.2176E-

07+T^4*1.0752E-10;

cpca=-4.4280E+01+T*9.7863E-01-T^2*1.3251E-03+T^3*9.3278E-07-

T^4*2.5668E-10;

cpco=2.9556E+01-T*6.5807E-03+T^2*2.0130E-05-T^3*1.2227E-

08+T^4*2.2617E-12;

cpco2=2.7437E+01+T*4.2315E-02-T^2*1.9555E-05+T^3*3.9968E-09-

T^4*2.9872E-13;

cpo2=2.9526E+01-T*8.8889E-03+T^2*3.8083E-05-T^3*3.2629E-

08+T^4*8.8607E-12;

cpn2=2.9342E+01-T*3.5395E-03+T^2*1.0076E-05-T^3*4.3116E-

09+T^4*2.5935E-13;

cph2o=3.3933E+01-T*8.8146E-03+T^2*2.9906E-05-T^3*1.7825E-

08+T^4*3.6934E-12;

cpar=20.7860;

cp=(yox*cpox+ymx*cpmx+ypa*cppa+yma*cpma+yta*cpta+ypd*cppd+yba*cpba

+yca*cpca+yco*cpco+yco2*cpco2+yo2*cpo2+yn2*cpn2+yh2o*cph2o+yar*cpar)

*FT0/Ftot;

%konduktivitas panas gas dalam tube

kox=-9.7900E-03+7.4087E-05*T+1.8418E-08*T^2;

kmx=-3.7500E-03+2.9995E-05*T+7.4603E-08*T^2;

kpa=-7.6137E-03+3.8854E-05*T+1.6459E-08*T^2;



R-24

kma=-0.01006+T*6.7349e-05+T^2*9.6585e-09;

kta=-9.9731E-03+5.1413E-05*T+2.0662E-08*T^2;

kpd=-8.6137E-03+4.8854E-05*T+2.6459E-08*T^2;

kba=-8.3109E-03+4.4099E-05*T+2.4518E-08*T^2;

kca=-1.0910E-02+6.2992E-05*T+9.2993E-09*T^2;

kco=1.5800E-03+8.2511E-05*T-1.9081E-08*T^2;

kco2=-0.01183+T*1.0174e-04+T^2*-2.2242e-08;

ko2=0.00121+T*8.6157e-05+T^2*-1.3346e-08;

kn2=0.00309+T*7.5930e-05+T^2*-1.1014e-08;

kh2o=0.00053+T*4.7093e-05+T^2*4.9551e-08;

kar=0.016;

sigmayiBMiki=yox*kox*BMox^0.3333+ymx*kmx*BMmx^0.3333+ypa*kpa*B

Mpa^0.3333+yma*kma*BMma^0.3333+yta*kta*BMta^0.3333+ypd*kpd*BMpd

^0.3333+yba*kba*BMba^0.3333+yca*kca*BMca^0.3333+yco*kco*BMco^0.333

3+yco2*kco2*BMco2^0.3333+yo2*ko2*BMo2^0.3333+yn2*kn2*BMn2^0.3333

+yh2o*kh2o*BMh2o^0.3333+yar*kar*BMar^0.3333;

sigmayiBMi2=yox*BMox+ymx*BMmx+ypa*BMpa+yma*BMma+yta*BMta+yp

d*BMpd+yba*BMba+yca*BMca+yco*BMco+yco2*BMco2+yo2*BMo2+yn2*B

Mn2+yh2o*BMh2o+yar*BMar;

kgas=sigmayiBMiki/sigmayiBMi2/1000; %(kJ/msK)

%data viskositas, cp, dan konduktivitas gas dalam shell

cpsalt=1.5613833; %kJ/kg/K

miusalt=0.0025*3600; %kg/m/jam

ksalt=2.1600; %kJ/m/jam/K

rhosalt=340.2322; %kg/m3

%Reynold di dalam shell dan tube

Ret=Dp*Gt/miugas

Res=De*Gs/miusalt;

%bilangan prandtl



R-25

Prt=cp*miugas/kgas;

Prs=cpsalt*miusalt/ksalt;

%mencari nilai hio

hi=(0.027*kgas/ID*(Ret)^0.8*(Prt)^0.33)*3600; %(kJ/m2jamK);

hio=hi*ID/OD; %(kJ/m2jamK)

%mecari nilai ho

ho=0.36*ksalt/De*(Res)^0.55*(Prs)^0.33; %(kJ/m2jamK);

%Uc dan Ud

Uc=(hio*ho/(hio+ho)); %(kJ/m2jamK)

Rd=0.0000733738; %(jam.m2.K/kJ)

Ud=1/(Rd+1/Uc); %(kJ/m2jamK)

FiCpi=Fox*cpox+Fmx*cpmx+Fpa*cppa+Fma*cpma+Fta*cpta+Fpd*cppd+Fba*c

pba+Fca*cpca+Fco*cpco+Fco2*cpco2+Fo2*cpo2+Fn2*cpn2+Fh2o*cph2o+Far*

cpar;

%mencari panas reaksi

%deltaHR=sigma n.Hfproduk - sigma n.Hfreaktan (f(T)), kJ/mol

hfox=44.498-0.10056*T+0.000051556*T^2;

hfpa=-373.47-0.076883*T+0.000036697*T^2;

hfh2o=-238.41-0.012256*T+0.0000027656*T^2;

%deltaHr=deltaHr0+Fcpdtkeluar-Fcpdtmasuk, kJ/kmol

deltaHr=(hfpa+3*hfh2o-hfox)*1000;

%konstanta kecepatan reaksi dan (-rox)=k.pox.po2

k=4.12192075*10^8*exp(-27000/1.987/T); %kmol/jam/kg katalis/atm2

Pox=yox*P;

Po2=yo2*P;

rox=k*Pox*Po2; %kmol/jam/kg katalis



R-26

%neraca massa, x=f(z)

dxdz=rox*rhob*Nt*phi/4*ID^2*(1-eps)/Fox01;

dTdz=(-deltaHr*rox*rhob*phi/4*ID^2+(Ud*phi*OD*Nt*(T-Tc)))/FiCpi;

rhosi=P/Raks/Z/T*BM;

dTcdz=-Ud*phi*OD*Nt*(T-Tc)/(Ws*cpsalt); %suhu pendingin

dPdz=-9.8692*(10^-6)*Gt/(rhosi*Dp)*((1-eps)/eps^3)*((150*(1-

eps)*miugas/Dp)+1.75*Gt);

dY=[dxdz dTdz dTcdz dPdz]';

end

==========================================================

========

Grafik hasil run MATLAB :

Gambar 1. Grafik Konversi Total o-xylene Terhadap Tinggi Bed

0 2 4 6 8 10 120

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

convers

ion

z,m



R-27

Gambar 2. Grafik Temperatur dalam Tube Terhadap Tinggi Bed

Gambar 3. Grafik Temperatur Pendingin dalam Shell terhadap Tinggi

Bed

0 2 4 6 8 10 12622

624

626

628

630

632

634

636

z,m

suhu,K

0 2 4 6 8 10 12598

599

600

601

602

603

604

z,m

suhu p

endin

gin

, K



R-28

Gambar 4. Grafik Tekanan Gas Terhadap Tinggi bed

Dari hasil tersebut, diperoleh tinggi bed sebesar 11 meter dengan tube

sejumlah 7505 buah.

Mechanical Design Reaktor

1. Pipa

Jenis pipa : ASA Standard B36.10 commercial steel pipe

Susunan pipa : Triangular Pitch

Ukuran pipa yang dipakai dalam reaktor adalah:

Diameter luar (OD) = 1,315 in

Diameter dalam (ID) = 1,049 in

Luas penampang pipa = 0,006 ft2

Tebal pipa = 0,266 in

Pitch (PT) = 1,25 x OD

= 1,644 in = 0,0418 m

Clearance (C = PT OD) = 0,329 in

Jumlah pipa = 8615 buah

2. Tebal Shell (ts)

0 2 4 6 8 10 121.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

z,m

tekanan,a

tm



R-29

Direncanakan shell dibuat dari alloy steel SA 204 grade A dengan spesifikasi

sebagai berikut :

Tekanan yang diijinkan (f) = 16250

Efisiensi pengelasan (E) = 0,8 (double wetted joint)

Faktor korosi (c) = 0,125

IDs = 5,1608 m

Ri = IDs/2 = 2,55804 m = 101,5906 in

Tekanan operasi = 6 atm = 88,20 psi

Faktor keamanan = 20 %

Tekanan rancangan = 120 % P

= 120 % (88,20 psi)

= 105,84 psi

Tekanan hidrostatis = salt .g .h

= 340 kg/m3.(9.8 m/s2). 11 m

= 36689,40 N/m2

= 5,32 psi

Tekanan total = (105,84+5,32) psi

= 111,16 psi

Untuk menghitung tebal shell digunakan persamaan 13-1 Brownell & Young :

ts = 125,06,0.

.

PEf

RiP

= inpsipsi

inpsi125,0

)16,111(6,0)8,0)(16250(

)59,101)(16,111(

= 0,998 in

untuk perancangan digunakan tebal shell standar 1 inch.

Diameter luar = IDS + 2.ts

= 205,1811 in

= 5,2116 m



R-30

3. Tebal Head (th)

Dipilih head bentuk torispherical dished head yang mampu menahan tekanan

15-200 psig

Gambar 5. PenampangTorispherical Dished Head

Ukuran head yang digunakan dalam perancangan reaktor adalah:

a = 1/2 IDS

= 101,59 in

Dari Daftar 5.7 Brownell and Young diperoleh nilai berikut:

OD = 204 in

icr = 12,25 in

r = 170 in

AB = a - (icr)

= 89,3406 in

BC = r - (icr)

= 157,75 in

b = r -22 ABBC

= 39,9872 in

Tebal head (th) dihitung dengan persamaan :

=0,885. .

. 0,1. +



R-31

Bahan head diambil sama dengan bahan shell

=0,885x27,6931 psi (122,92 )

14.900 0,8 0,1 27,6391 psi +

1

8 = 0,3778 in

Dipilih tebal standar = 7/16 in = 0,4375 in.

4. Tinggi Head

Dari Daftar 5.8 Brownell dan Young diperoleh bahwa untuk tebal head 0,4375

in, standar straight flange yang digunakan sebesar 1,5-3,5 in. Jika digunakan

straight flange sebesar 2,5 in, maka:

tinggi head = b + sf + th

= (39,9872 + 2,5 + 1,5) in

= 43,9872 in

= 1,1173 m

5. Tebal grid support

Grid support berfungsi untuk menyangga tumpukan katalis dan memegang

pipa. Grid support biasanya berbentuk piringan bergelombang atau piringan

berlubang dengan tebal antara 4-6 in. Grid support terbuat dari bahan tahan

korosi seperti carbon steel, alloy stell, cast iron, dan keramik (Rase, 1977).

Dikarenakan reaktor harus beroperasi pada suhu 623.15-628.15 K, maka grid

support dipilih terbuat dari austenitic steel (18Cr-8Ni) SA-167 Tipe 304 Grade

3 yang dapat bekerja pada suhu operasi 1300oF dengan tekanan maksimum

yang diizinkan (f) sebesar 2.450 psi. Grid support dipilih berbentuk piringan

berlubang (perforated).

Tebal grid support yang dipilih ialah sebesar 4 in.

6. Massa katalis

Persamaan kinetika untuk reaktor fixed bed adalah :

W = BNt/4(IDt)2(1-)dZ

= (0,84 gram/cm3)(7505) /4 (2,6645cm)2(1-0,4)(1100 cm)

= 23200,3880 kg katalis

7. Tinggi Shell



R-32

Tinggi shell dihitung dengan menjumlahkan:

- Tinggi reaktor = 11 meter.

- Grid support = 4 in

= 0,1016 meter.

Tinggi shell = 11,1016 m.

8. Tinggi reaktor total

Tinggi reaktor total dihitung dengan persamaan:

Tinggi reaktor total = tinggi shell + 2 (tinggi head)

= 13,3161 m

9. Volume reaktor

Volume reaktor = Volume Shell + 2 (Volum Head)

= /4.L.IDS2 + 2 (0,000049. IDS3)

= /4.11 m.(5,1608 m)2 + 2.0,000049.(5,1608 m)3

= 230,1135 m3

10. Pipa Pemasukan Gas

Jumlah gas masuk = 82.814,9495 kg/jam = 23,0042 kg/s

Berat molekul campuran gas umpan = 30,0592 kg/kgmol

=1,55 . 101,325 (30,0592 /)

8,314. (623.15 )= 0,9112

3

Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran gas dipakai persamaan

Coulson berikut:

Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35

= 226 (23,0042 kg/s)0.50 (0,9112

3)-0.35

= 1.119,8077 mm

= 41,0869 in

Diambil ukuran pipa dengan spesifikasi sebagai berikut :

NPS = 42 in

OD = 42 in



R-33

Tipe = Standard

ID = 41,25 in (Kern Table 11,1950)

11. Pipa Pengeluaran Gas Hasil Reaksi

Jumlah gas keluar = 82.814,9495 kg/jam = 23,0042 kg/s

BM campuran gas keluar reaktor = 29,0671 kg/kgmol

=1,31.101,325(29,0671)

8,314. (623,9373 )= 0,7438

3


Coulson berikut:

Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35

= 226 (23,0042 kg/s)0.50 (0,7438 kg/m3)-0.35

= 1.202,2876 mm

= 61,3342 in


NPS = 42 in

OD = 42 in

Tipe = Standard

ID = 41,25 in (Kern Table 11,1950)

12. Pipa pemasukan pendingin

Molten salt masuk shell reaktor pada suhu 325.83 oC = 598,9819 K, adapun

densitas molten salt adalah:

s = 340,2329 kg/m3 = 0,3402 g/L

Jumlah molten salt masuk = 150.000 kg/jam

Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran pendingin dipakai persamaan

Coulson berikut :

Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35

= 226 (150000 kg/jam jam/3600s)0.50 (340,2329 kg/m3)-0.35

= 114,8198 mm = 4,5205 in



R-34


NPS = 6 in

OD = 6,625 in

Tipe = 40

ID = 6,065 in (Kern Table 11,1950)

13. Pipa pengeluaran pendingin

Molten salt keluar shell reaktor pada suhu 330 oC = 603,15 K, adapun densitas

molten salt adalah:

s = 340,2329 kg/m3 = 0,3402 g/L

Jumlah molten salt keluar = 150.000 kg/jam

Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran pendingin dipakai persamaan

Coulson berikut :

Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35

= 226 (150000 kg/jam jam/3600s)0.50 (340,2329 kg/m3)-0.35

= 114,8198 mm = 4,5205 in


NPS = 6 in

OD = 6,625 in

Tipe = 40

ID = 6,065 in (Kern Table 11,1950)

14. Man hole

Man hole digunakan untuk membersihkan bagian-bagian reaktor yang tidak

terjangkau oleh alat pembersih. Diameter man hole berkisar 14 - 24 in

(Backhurst). Dipilih diameter man hole 24 in dan letaknya di sebelah lubang

pemasukan umpan dan pengeluaran hasil.

15. Tebal Isolasi

Tebal isolasi dihitung dengan menggunakan asumsi :



R-35

Perpindahan panas pada keadaan steady state sehingga q1 = q2 = q3 = q4

Suhu pada permukaan shell sebelah dalam (T1) adalah sama dengan rata-

rata suhu pendingin dalam shell.

Untuk menghitung T1 digunakan persamaan:

1 = +

2

1 =(603,15 273,15) + (598,9819 273,15)

2

1 = 327,9160

Keterangan :

R1 = jari- jari dalam shell

R2 = jari- jari luar shell

R3 = jari- jari luar setelah diisolasi

Xs = tebal dinding

Xis = tebal isolasi

Ta = suhu udara luar 30oC

T1 = suhu dinding dalam shell

T2 = suhu dinding luar shell

T3 = suhu dinding isolator 50oC

Gambar 6. Penampang Reaktor dengan Isolasi

Bahan isolasi yang dipakai adalah diatomaceous earth dengan sifat-sifat

diambil dari buku Kern, 1950:

Suhu operasi maksimum : 1600oF (871.11oC)

Densitas bahan (is) : 27,7 lb/ft3 (443,6958 kg/m3)

Konduktivitas panas (Kis) : 0,051 Btu/jam.ft.oF = 0,0883 W/mK

Emisivitas (is) : 0,93

Bahan dinding reaktor adalah Stainless Steel SA-240 Grade C dengan sifat-

sifat berikut (Holman, 1986):

Densitas bahan : 7817 kg/m3

Kapasitas panas : 0,46 kJ/kgoC



R-36

Konduktivitas panas (ks) : 16,3 W/m0C (200 0C)

22 W/m0C (600 0C)

27 W/m0C (800 0C)

Konduktitivitas panas untuk suhu T1 (T1 = 327,9160 0C) dicari dengan cara

interpolasi sebagai berikut:

200

600 200=

16,3

22 16,3

= 16,3 +327,9160 200

600 200 (22 16,3)

= 18,1228

.

a. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (hc) Udara

Sifat fisis udara ditentukan berdasarkan pada rerata suhu udara dengan suhu

isolator. Rerata suhu tersebut (TF) dapat dihitung dengan persamaan:

=3 +

2

=30 + 50

2

TF = 40

Sifat fisis udara pada suhu 40 adalah sebagai berikut (Holman, 1986):

Kecepatan aliran gas (v) = 1,7008. 10-5 m2/s

Koefisien pemuain volume () = 3,1949. 10-3 K-1

Konduktivitas termal gas (k) = 0,0272 W/(m.K)

Densitas gas () = 1,1308 kg/m3

Bilangan Prandtl (Pr) = 0,7051

Untuk mengetahui sifat aliran udara maka perlu dihitung nilai bilangan

Rayleigh dengan persamaan:

Ra = Gr x Pr

=. . (3 ).

3

2



R-37

dengan : g = percepatan gravitasi (9,8 m2/s)

L= panjang pipa over design reaktor (m)

=9,8

2

3,19491031

(323,15 303,15)(11 )3

(1,7 105 2/)20,7051

= 2,8840 1012

Ra lebih besar dari 109, maka aliran udara adalah turbulen. Untuk

menghitung koefisien transfer panas konveksi aliran turbulen digunakan

persamaan (Holman, 1986):

= 0,1

(Gr. Pr)1/3

= 0,10,0272

11 (2,8841012)1/3

= 3,5197

2

b. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Radiasi (hr)

Untuk menentukan koefisien perpindahan panas radiasi (hr) digunakan

persamaan:

. (3 ) = . . (T3 4 Ta

4) (Holman, 1986)

dengan:

= Konstanta Boltzman = 5,669.10-8W/m2K4

= emisivitas dinding isolator = 0,93

=0,93 5,669108 ((323,15 )4 (303,15 )4)

(323,15 303,15 )

= 6,4733

2

c. Menghitung Panas Tiap Lapisan

Perpindahan panas di tiap lapisan dianggap steady state, sehingga q1=

q2 = q3 = q4.

Nilai q4 dihitung dengan persamaan:



R-38

q4 = (hc + hr). 2..R3.L.(T3-Ta)

q4 = (3,5197+6,4733) 2 . R3. L (323,15 K-303,15 K)

q4 = 399,7206 . R3. L


3 =2. . (2 3)

ln (32

)

3 =2(0,0883) . . (2 323,15)

ln (3

2,6058 )


2 =2. . (1 2)

ln (21

)

=2. . (1 2)

ln (2,6058 2,5804 )

18,1228

2 = 3700,3042. . . (601,0660 2)

d. Menghitung Suhu Dinding Luar Shell (T2)

Untuk menghitung nilai T2, terlebih dahulu nilai R3 di-trial sehingga

nilai q4 dapat diketahui. Dari persamaan di atas diketahui bahwa nilai

q4 = q2.

q4 =q2

399,7206 . R3. L= 3700,3042. . . (601,0660 2)

2 = 601,0660 0,10803

e. Menghitung Nilai Jari-jari Reaktor Setelah Diisolasi (R3)

Nilai R3 dapat dihitung dengan persamaan:

q3 = q4

3 =2(0,0883) . . (2 323,15)

ln (3

2,6058 )= 399,7206 . R3. L

2 = 323,15 + 2407,9552 3. ln (3

2,6058 )



R-39

Dari hasil trial diperoleh:

R3 = 2,7187 m

Tebal isolasi = R3 - R2

= (2,7187 2,6058) m

= 0,1129 m

Nilai R3 yang didapat dari trial digunakan untuk mencari nilai T2,

yaitu:

2 = 601,0660 0,1080 3

2 = 600,7723 = 327,6223

f. Mengitung Jumlah Panas yang Hilang ke Lingkungan

Untuk mencari besarnya nilai panas yang hilang ke lingkungan

digunakan persamaan:

Qloss = (hc + hr).2..R3.L.(T3 Ta)

= (3,5197 + 6,4733)

2. 2. . 2,7187 m. 11 m(323,15 303.15 K)

= 37554,1273

RESUME

Kode : R-01

Fungsi : mereaksikan o-xylene dan udara menjadi phthalic

anhydride dengan kapasitas 165629,90 kg/jam



R-40

Tipe : fixed bed multitube

Bahan konstruksi

- Tube : baja komersial ASA Standar B.36.10

- Shell : stainless steel SA-204 Grade A

Jumlah reaktor : 3 buah

Jumlah tube : 7505 buah

Kondisi operasi : non isotermal - non adiabatik

Temperatur : 350 oC

Tekanan umpan : 6 atm

Fase reaksi : reaktan gas dengan katalis padat

Katalis : V2O5

Pendingin : molten salt

Tinggi reaktor : 11 m

Volume reaktor : 230,11m3

Tebal shell : 1 in

Tinggi head : 43,98 in

Massa katalis : 23200,38 kg katalis

Bahan Isolasi : diatomeous earth

Tebal isolasi : 0,11 m

Harga : $ 3.479.716



SC-1

SWITCH CONDENSER-01 (SC-01)

(Detail Design)

Gambar 1. Skema Aliran Fluida Masuk dan Keluar Switch Condenser

(SC-01)

Tugas : Mengembunkan gas keluar reaktor sebanyak 165629,90 kg/jam

Jenis alat : Heat Exchanger 1-1 (multi tube dengan aliran counter current

antara pemanas dan pendingin)

Prinsip kerja dari Switch Condenser adalah seperti Heat Exchanger dimana

gas keluar reaktor akan dipisahkan dari non-condensable gas melalui

pengembunan. Namun dalam perjalanan pengembunannya terdapat beberapa

komponen yang memadat sehingga mengendap didalam bagian luar tube SC-01.

Oleh karena itu kata switch menggambarkan setelah terjadi proses pendinginan

terjdi proses pemanasan untuk melelehkan kembali padatan yang mengendap

didalam SC. Oleh karena itu SC akan bekerja secara semi-kontinyu yang terdiri dari

2 tahap yaitu tahap receiving (tahap pengembunan) dan tahap melting (tahap

melelehkan kembali padatan yang terendapkan didalam SC)

A.1. Menghitung Panjang Switch Condenser

Untuk mempermudah perhitungan panjang Switch Condenser maka SC-01

dibagi menjadi 2 zona dimana zona 1 adalah zona sensibel untuk menurunkan suhu

gas dari 350oC (suhu keluaran reaktor) menjadi T dew dari campuran. Sedangkan

zona 2 berfungsi sebagai sona pengembunan yang dimana pada saat pengembunan

tersebut terjadi pemadatan beberapa komponen yang tidak bisa dihindarkan.

Panjang Switch Condenser total adalah panjang zona 1 ditambah dengan panjang

zona 2.

A.1.1. Menghitung panjang zona 1

Dalam zona 1 adalah zona dimana semua komponen dalam shell masih

berfase uap. Rentang suhu pada zona 1 ini adalah 350oC (suhu gas keluar reaktor)

sampai dengan 211oC (T dew campuran komponen).



SC-2

Sebelum menghitung jumlah tube beberapa variabel yang harus ditentukan

di awal perancangan antara lain.

- Inside diameter tube : 0,532 in

- Outside diameter tube : 0,018375 m = 0,75 in

- PT : 1 in

- BWG : 12

- Jumlah tube : 3876

- Jumlah tube pass : 1

- Jumlah shell pass : 1

- Metrial penyusun shell dan tube adalah Carbon steel SA-283 Grade

C

Diameter dalam shell dicari dengan persamaan dari Ludwig Vol. III halaman

25 sebagai berikut :

Nt = 2

2

/ 4 ( 1,080) 0,9 ( 1,080)(0,69 0,8)

1,223

T

T

IDs P IDs n

P

(1)

Dimana :

Nt = jumlah tube

IDs = diameter dalam shell, in

PT = pitch tube, in

n = jumlah pass

Maka dari Persamaan 1 dapat dicari ID shell sebesar 2 m

Perhitungan panjang zona 1

Persamaan-persamaan yang berlaku :

= . . ( )

(2)

= . . ( )

(3)



SC-3

= . . (( ) ( )

( )( )

)

= . . .

(4)

Dengan :

Fs = flowrate fluida pendingin (mol/sekon)

Cps = kapasitas panas fluida pendingin (J/(mol.K))

T = suhu didalam shell (K)

Ud = koefisien transfer panas total (W/(m2.K))

ODtube = diameter tube (m)

Ts = suhu didalam tube (K)

F = flowrate gas umpan (mol/sekon)

Cp = kapasitas panas gas (J/(mol.K))

z = panjang zona 1 (m)

ntube = jumlah tube

Perhitungan dan penentuan variabel-variabel terkait

Pendingin yang digunakan dalam Switch Condenser adalah oil dengan :

Cps = 1988 J/(kg.K)

Ud = 94,34 J/(s.m2.K)

F = 93,12 kmol/menit = 1552,06 mol/sekon

Fs = 44,44 kg/sekon

Tin = 350oC

Tout = 211oC

Tsin = 140oC

ODtube = 0,0183 m

n tube = 3876

Untuk mempermudah perhitungan maka komponen yang mengalir dalam

Switch Condenser dikelompokkan menjadi 3 kelompok yaitu :

Komponen A



SC-4

Daftar 1. Daftar Sifat Fisis Komponen A

Komponen mi (kg) BM ni (kmol) Fraksi mol BM gabungan

O-xylene 4,83 106,17 0,05 0,00013

18,26 M-xylene 96,10 106,17 0,91 0,00265

Water 6133,44 18,02 340,44 0,99722

Total 6234,37 341,39

Daftar 2. Daftar Sifat Fisis (Kapasitas Panas) Komponen A

Komponen Fraksi

mol i

T rata rata

(K)

Cp

(J/molK) Cp gabungan

O-xylene 0,00013

553,65

221,01

36,05

M-xylene 0,00265 218,31

Water 0,99722 35,54

Komponen B

Daftar 3. Daftar Sifat Fisis Komponen B

Komponen mi (kg) BM ni (kmol) Fraksi mol i BM gabungan

Phthalic anhydride 10410,14 148,12 70,28 0,9358

145,36

Maleic anhydride 356,63 98,06 3,64 0,0484

Toluic acid 24,76 136,15 0,18 0,0024

Phthalide 24,39 134,14 0,18 0,0024

Benzoic acid 88,83 122,12 0,73 0,0097

Citraconic acid 11,83 130,10 0,09 0,0012

10916,57 75,10



SC-5

Daftar 4. Daftar Sifat Fisis Komponen B

Komponen Fraksi mol i Cp (J/molK) Cp gabungan

Phthalic

anhydride 0,9358 188,54

188,08

Maleic

anhydride 0,0484 159,55

Toluic acid 0,0024 220,98

Phthalide 0,0024 551,26

Benzoic acid 0,0097 182,57

Citraconic acid 0,0012 225,54

Komponen C

Daftar 5. Daftar Sifat Fisis Komponen C

Komponen mi (kg) BM ni (kmol) Fraksi mol i BM gabungan

Carbon monoxide 3328,23 28,01 118,82 0,0230

28,71

Carbon dioxide 2862,68 44,01 65,04 0,0126

Oxygen 20703,17 32,00 646,97 0,1251

Nitrogen 121583,32 28,01 4340,09 0,8393

Argon 1,56 39,95 0,04 7,546.10-06

148478,96 5170,97

Daftar 6. Daftar Sifat Fisis (Kapasitas Panas) Komponen C

Komponen Fraksi mol i Cp (J/molK) Cp gabungan

Carbon

monoxide 0,0230 30,22

30,33 Carbon dioxide 0,0126 45,52

Oxygen 0,1251 31,57

Nitrogen 0,8393 29,76

Argon 7,546.10-06 20,79



SC-6

Physical Properties gabungan untuk ketiga komponen tersebut dapat

dilihat pada Daftar 7 berikut ini :

Daftar 7. Daftar Sifat Fisis Gabungan Komponen A, B, dan C

Kompone

n

Fraksi

mol

T rata

rata (K)

Cp gabungan

(J/mol.K)

BM gabungan

(kg/kmol)

A 0,0611

553,65 32,78 29,64 B 0,0134

C 0,9255

Dari Persamaan 2 maka didapatkan nilai :

= 1552,06mol

sekon. 32,82

Joule

mol. K. (350 211)

= 7080912,626Joule

sekon


= 7080912,626

32,82

. 1988

.

+ (140 + 273,15)

= 220,5 C = 493,64 K


= 7080912,62

94,34 2. . 2.3,14.0,018375 . 3876.

(350 220,5) (211 140)

350 220,5211 140

= 3,44

A.1.2 Menghitung panjang zona 2

Zona 2 adalah zona pengembunan dimana dalam zona ini terjadi perubahan

fase komponen uap A dan B menjadi cair. Rentang suhu pada zona 2 berkisar dari

suhu 211oC (suhu jenuh komponen A dan B) sampai dengan 105oC (T bubble

komponen A dan B). Namun dalam perjalanannya terjadi perubahan fasa sebagian

komponen A menjadi padatan pada suhu 130oC. Sehingga padatan akan

terakumulasi dalam bagian bawah zona 2.

Perhitungan panjang zona 1

Persamaan-persamaan yang berlaku :



SC-7

= (. ) + (. ) + (0,8. . ) + . . ( )

(5)

= . . ( )

(6)

= . . (( ) ( )

( )( )

)

= . . .

(7)

Dengan :

ma = massa A yang mengembun total (mol/sekon)

mb = massa B yang mengembun total (mol/sekon)

Hva = panas pengembunan A (J/mol)

Hvb = panas pengembunan B (J/mol)

Fc = flowrate komponen C (mol/sekon)

Cpc = kapasitas panas C (J/(mol.K)


Pendingin yang digunakan dalam Switch Condenser adalah oil dengan :

Cps = 1988 J/(kg.K)

Ud = 94,34 J/(s.m2.K)

F = 93,12 kmol/menit = 1552,06 mol/sekon

Fs = 44,44 kg/sekon

Tin = 211oC

Tout = 105oC

Tsout = 140oC

ODtube = 0,0183 m

n tube = 3876

ma = 20,86 mol/sekon

ma + mb = 115,69 mol/sekon

Fc = 1436,374 mol/sekon



SC-8

Dengan perhitungan yang sama dengan perhitungan pada zona 1 maka

didapatkan properties dari komponen yang mengalir dalam shell side sebagai

berikut :

Daftar 8. Sifat Fisis Fluida pada Shell Side

Komponen T rata-rata zona 2 (K) Cpv (J/mol.K) Cpl (J/mol.K)

A

431,15

34,79397633 78,82458417

B 151,5327478 252,5324306

C 29,65969773

Perhitungan nilai panas pengembunan komponen A dan B

Daftar 9. Perhitungan Panas Pengembunan Komponen A dan B

Komponen A Tc

(K) n Hvi Fraksi

Hv parsial

(kJ/mol)

O-xylene 55,61

630,3

7

0,3

8

32,1

5

0,000

3 0,01

M-xylene 60,22

617,0

5

0,4

6

29,8

1

0,005

6 0,17

Phthalic

anhydride 55,50

791,0

0

0,0

4

53,5

3

0,607

0 32,49

Maleic anhydride 59,57

721,0

0

0,2

2

46,8

4

0,020

8 0,97

Toluic acid 91,44

751,0

0

0,3

9

61,2

1

0,001

4 0,09

Phthalide 45,55

710,0

0

0,0

4

43,6

1

0,001

4 0,06

Benzoic acid 79,55

751,0

0

0,3

8

53,6

9

0,005

2 0,28

Citraconic acid

121,1

9

829,0

0

0,3

8

86,5

4

0,000

7 0,06

Water 52,05

647,1

3

0,3

2

33,4

4

0,357

6 11,96

Hv 46,09



SC-9

Daftar 10. Perhitungan Panas Pemadatan Komponen A

Komponen Fraksi mol Hb (J/mol) Hb parsial

Phthalic anhydride 0,9536 2786,00 2656,75

Maleic anhydride 0,0327 2911,00 95,10

Toluic acid 0,0023 2425,00 5,50

Phthalide 0,0022 8664,00 19,36

Benzoic acid 0,0081 4125,00 33,57

Citraconic acid 0,0011 4732,00 5,13

Hb 2815,40

Dari Persamaan 5 didapatkan nilai :

= 11,61

. 46088,75

+ 0,8.20,86

. 2815,40

+ 144,21

. 29,65

. . (211 105)

= 9894987,20

Dari Persamaan 6 didapatkan nilai :

= (140 + 273,15) 9894987,20

44,4

. 1988

.

= 301,15 = 28 C


= 9894987,2

94,34 2. . 2.3,14.0,018375 . 3876.

(211 140) (105 28)

211 140105 28

= 6,34

Jadi panjang total Switch Condenser adalah = 3,44+6,34 = 9,52 meter

A.2. Menghitung Waktu Tahap Receiving dan Melting

A.2.1. Menghitung waktu tahap receiving



SC-10

Total waktu receiving dapat dicari dengan :

Diinginkan total massa gas yang masuk ke dalam Switch Condenser setiap

siklusnya adalah sebesar 931,24 kmol/batch

Jumlah Switch Condenser = 2 unit

Flowrate umpan = 93,12 kmol/menit

Total waktu receiving = 931,24

93,124

= 10

A.2.2. Menghitung waktu tahap melting

Dalam tahap melting ini terjadi perubahan fase komponen B yang sudah

memadat berubah menjadi cairan. Tahap melting ini hanya terjadi di dalam zona 2

karena distribusi padatan B hanya terkonsentrasi pada zona tersebut. Suhu awalan

padatan adalah 105oC dan suhu akhir cairan B adalah 130oC.

Persamaan yang berlaku dalam tahap melting ini adalah :

= (. )

(10)

= . . ( )

(11)

Dengan :

mb = massa B yang mencair total (mol)

Hsb = panas pelelehan B (J/mol)

Tin = suhu awal shell side (K)

Tout = suhu akhir shell side (K)

Tsin = suhu masuk pemanas (K)

Tsout = suhu keluar pemanas (K)


Pemanas yang digunakan dalam Switch Condenser adalah oil dengan :

Cps = 1988 J/(kg.K)

Fs = 3,58 kg/sekon

Tin = 105oC

Tout = 130oC

Tsin = 135oC



SC-11

Tsin = 102oC

ODtube = 0,0183 m

n tube = 1049

ma = 20027,09 mol

Hsb = 2815,40 J/mol (dari data tahap receiving di zona 2)

Dari persamaan 10 didapatkan nilai :

= 20027,09 . 2815,40

= 56384331,36

Dari persamaan 11 didapatkan nilai :

= 0,7161

. 1988

. . (130 100)

= 46986,967

Maka didapatkan waktu melting total adalah sebagai berikut :

=56384331,36

46986,967

= 1,99

Maka waktu total 1 siklus operasi Switch Condenser adalah = 12 menit

Gann Chart untuk proses batch didalam Switch Condenser adalah sebagai berikut :

Tahap

Receiving 10 menit 10 menit 10 menit

Tahap Melting

2

menit

2

menit

2

menit

2

menit

SC-01

SC-

02

Gambar 2. Gannt Chart Proses di dalam Switch Condenser



SC-12

Waktu pergantian siklus adalah 10 menit dan terdapat jeda waktu antara proses

melting ke proses melting selanjutnya selama 8 menit.

A.3. Evaluasi Ketebalan Padatan pada Permukaan Luar Tube Setelah Tahap

Reciving

Massa padatan total = 10,01 kmol = 1455,54 kg

OD tube = 0,018375 m

ID shell = 2 m

Panjang zona 2 = 6,34 m

Jumlah tube = 3876

padatan = 1231 kg/m3

Volume padatan = padatan.m padatan = 1,18 m3

Volume ruang kosong tanpa padatan = 3,14

4. 2.

3,14

4. 2. .

= 13,39 m3

Volume ruang kosong dengan padatan = 13,39-1,18 = 12,21m3

Volume padatan yang melekat disetiap tube = 12,21

3876= 0,00030 3

Luas padatan tiap tube = 0,00030 m3/6,34 m = 4,8.10-5 m2

Diameter luar tube + tebal padatan = 4,8.105.3,14

4+ 0,0183752 = 0,019

Tebal padatan = 0,019-0,0183 = 0,001 m =1 mm

Dari hasil tersebut maka dapat disimpulkan bahwa ketebalan padatan pada tube

sangat kecil sehingga perubahan koefisien transfer panas akibat melekatnya padatan

dipermukaan tube dapat diabaikan. Selain itu aliran dalam shell pun tidak terlalu

terganggu akibat adanya padatan yang melekat dalam tube karena luas ruang kosong

dengan padatan masih sangat besar sekitar 91% dari luas ruang kosong total tanpa

padatan.

A.4. Menghitung Pressure Drop

Untuk perhitungan pressure drop pada Switch Condenser menggunakan

algoritma yang ada pada Handbook Heat Transfer karya Kern.

Shell side



SC-13

=350 105

2= 227,5 = 441,5

= 0,0135 = 0,0327

. dari figure 15 Kern

Persamaan 7.5 Kern

=4. (0,5. . 0,86. 0,5. .

2

4 )

0,5. . = 0,7094 = 0,0591

=

=

0,454

. ( ).

! 44.

=

27605,00,454

39,21. (0,75 1).39,21144.1

= 22780,4

2.

=.

= 41221

= 0,001 2

2 figure 29 Kern

Jumalah cross = N+1 = 12.

=

12.32,09

39,21= 9,82

BM uap = 29,64

= 0,0451

3

s =

12= 0,00072

=

12=

39,21

12= 3,27

=0,5. . 2. . ( + 1)

5,22. 1010. . = 3,74 = 0,254

Jadi didalam shell terjadi penurunan tekanan sistem sebesar dari 1,3 atm menjadi

1,045 atm

A.5. Menghitung Mechanical Design Switch Condenser

Ukuran Switch Condenser total adalah :

L = 9,78 m = 385,19 in =32,09 ft

ID shell = 78,74 in = 2 m = 6,56 ft

V = 30,72 m3 = 1874764,70 in3 =1084,933 ft3



SC-14

A.5.1. Menghitung Tebal Switch Condenser

Direncanakan menggunakan shell plate komersial Carbon steel SA-283

Grade C dengan spesifikasi sebagai berikut :

f = stress yang diijinkan, 12650 lb/in2 (Daftar 13.1 Brownell & Young)

E = efisiensi pengelasan (Daftar 13.2 Brownell & Young)

= 0,85, untuk double-weided butt-joint construction

c = factor korosi, 2 mm = 0,0787 inch

Tebal dinding dihitung dengan persamaan :

t = cEf

dp

2 (Persamaan 3.16, Brownell, hal. 45)

Tekanan dalam dinding dengan persamaan :

p = 144

1HL (Persamaan 3.17, Brownell, hal. 46)

Dimana :

t = tebal dinding, in

p = tekanan dalam tangki, lb/in2

d = diameter dalam, in

c = factor korosi, in

f = tekanan maksimum yang diijinkan, lb/in2

E = efisiensi pengelasan

H = tinggi dari dasar course ke puncak, ft

L = densitas airan, lb/ft

Gabungan dari dua persamaan tersebut menghasilkan :

t =

cEf

DHL

2144

121

t = 54 1 12

0,07874288 12650 0,80

H D

t = 2,0910-4 (H 1)D + 0,07874

Plate yang digunakan sebanyak delapan buah untuk tiap course dengan jarak

sambungan antar plate 5/32 in (Appendix E, Brownell) untuk penyambungan



SC-15

vertikal (allowance vertical welded joint) dan lebar plate 6 ft. Panjang plate

dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :

L =n

lengthweldd

12

Dimana :

L = panjang plate, ft

d = diameter dalam tangki + tebal shell, in

n = jumlah course

Weld length = 2 allowable weld joint

Course 1

41 2,209.10 32,1 1 3,26 0,07874 0,121t in

Digunakan tebal shell 0,1875 in :

1

3,14 78,74 0,1875 10 5 / 323,42

12 6L ft

Jadi ukuran plate (course 1) = 3,42 ft 6 ft 0,1875 in

Dengan cara yang sama maka dapat dihitung tebal dan panjang plate untuk course

2 s/d 6 sehingga didapat hasil seperti Daftar 13 berikut.

Daftar 11 .Tebal Switch Condenser

Course H (ft) t (in) t standard (in) D (in) L plate (ft)

1 32,100 0,121 0,1875 78,740 3,420

2 26,100 0,113 0,1875 78,740 3,420

3 20,100 0,105 0,1875 78,740 3,420

4 14,100 0,097 0,1875 78,740 3,420

5 8,100 0,088 0,1875 78,740 3,420

6 2,100 0,080 0,1875 78,740 3,420

A.5.2. Menghitung Diameter Pipa Pengisian dan Pengeluaran

Pipa Pemasukan Gas

Jumlah gas masuk (G) = 165629,9 kg/jam = 46,00 kg/s

Berat molekul campuran gas umpan = 28,175 kg/kgmol

=1,3 . 101,325 (28,175 /)

8,314. (350 + 273,15 )= 0,716

3



SC-16


Coulson berikut:

Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35

= 1722,79 mm

= 172,27 cm = 67,82 in

Diambil ukuran pipa standard sebesar 68 in

Pipa Pengeluaran Campuran Cair dan Gas

Jumlah gas keluar = 148478,95 kg/jam

Jumlah cairan keluar = 172,27 kg/jam

Total fluida keluar SC = 148651,20 kg/jam = 41,29

kg/sekon

= 1239,60 kg/m3

BM campuran gas keluar Switch Condenser = 28,71 kg/kgmol

=1,1.101,325(28,71)

8,314. (105 + 273,15 )= 0,92

3

= 2,36 kg/m3


Coulson berikut:

Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35

= 226 (41,29 kg/s)0.50 (2,36kg/m3)-0.35

= 1075,14 mm

= 42,32 in

Diambil ukuran pipa standard sebesar 44 in

A.5.1. Menghitung Tebal Isolasi

Tebal isolasi dihitung dengan menggunakan asumsi :

Perpindahan panas pada keadaan steady state sehingga q1 = q2 = q3 = q4

Suhu pada permukaan shell sebelah dalam (T1) adalah sama dengan rata-

rata suhu pendingin dalam shell.

Untuk menghitung T1 digunakan persamaan:

1 = +

2



SC-17

1 =(28 228)

2

1 = 124

Keterangan :

R1 = jari- jari dalam shell

R2 = jari- jari luar shell

R3 = jari- jari luar setelah diisolasi

Xs = tebal dinding

Xis = tebal isolasi

Ta = suhu udara luar 30oC

T1 = suhu dinding dalam shell

T2 = suhu dinding luar shell

T3 = suhu dinding isolator 50oC

Gambar 3. Penampang Switch Condenser dengan Isolasi

Bahan isolasi yang dipakai adalah diatomaceous earth dengan sifat-sifat

diambil dari buku Kern, 1950:

Suhu operasi maksimum : 1600oF (871.11oC)

Densitas bahan (is) : 27,7 lb/ft3 (443,6958 kg/m3)

Konduktivitas panas (Kis) : 0,051 Btu/jam.ft.oF = 0,0883 W/mK

Emisivitas (is) : 0,93

Bahan dinding reaktor adalah Carbon steel SA-283 Grade C dengan sifat-sifat

berikut (Holman, 1986):

Densitas bahan : 7817 kg/m3

Kapasitas panas : 0,46 kJ/kgoC

Konduktivitas panas (ks) : 16,3 W/m0C (200 0C)

22 W/m0C (600 0C)

27 W/m0C (800 0C)

Konduktitivitas panas untuk suhu T1 (T1 = 124 0C) dicari dengan cara

interpolasi sebagai berikut:

200

600 200=

16,3

22 16,3



SC-18

= 16,3 +1247 200

600 200 (22 16,3)

= 15,21

.

a. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (hc) Udara

Sifat fisis udara ditentukan berdasarkan pada rerata suhu udara dengan suhu

isolator. Rerata suhu tersebut (TF) dapat dihitung dengan persamaan:

=3 +

2

=30 + 50

2

TF = 40

Sifat fisis udara pada suhu 40 adalah sebagai berikut (Holman, 1986):

Kecepatan aliran gas (v) = 1,7008. 10-5 m2/s

Koefisien pemuain volume () = 3,1949. 10-3 K-1

Konduktivitas termal gas (k) = 0,0272 W/(m.K)

Densitas gas () = 1,1308 kg/m3

Bilangan Prandtl (Pr) = 0,7051

Untuk mengetahui sifat aliran udara maka perlu dihitung nilai bilangan

Rayleigh dengan persamaan:

Ra = Gr x Pr

=. . (3 ).

3

2

dengan : g = percepatan gravitasi (9,8 m2/s)

L= panjang pipa switch condenser (m)

=9,8

2

3,19491031

(323,15 303,15)(9,78 )3

(1,7 105 2/)20,7051

= 2,02 1012



SC-19

Ra lebih besar dari 109, maka aliran udara adalah turbulen. Untuk

menghitung koefisien transfer panas konveksi aliran turbulen digunakan

persamaan (Holman, 1986):

= 0,1

(Gr. Pr)1/3

= 0,10,0272

9,78 (2,02 1012)1/3

= 3,487

2

b. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Radiasi (hr)

Untuk menentukan koefisien perpindahan panas radiasi (hr) digunakan

persamaan:

. (3 ) = . . (T3 4 Ta

4) (Holman, 1986)

dengan:

= Konstanta Boltzman = 5,669.10-8W/m2K4

= emisivitas dinding isolator

=0,93 5,669108 ((323,15 )4 (303,15 )4)

(323,15 303,15 )

= 6,4733

2

c. Menghitung Panas Tiap Lapisan

Perpindahan panas di tiap lapisan dianggap steady state, sehingga q1=

q2 = q3 = q4.


q4 = (hc + hr). 2..R3.L.(T3-Ta)

q4 = (3,1327+6,4733) 2 . R3. L (323,15 K-303,15 K)

q4 = 384,2416 . R3. L




SC-20

3 =2. . (2 3)

ln (32

)

3 =2(0,0883) . . (2 323,15)

ln (3

1 )


2 =2. . (1 2)

ln (1,8492

1)

=2. . (1 2)

ln (1,8492

1 )

15,21

2 = 7140,8271. . . (600,0657 2)

d. Menghitung Suhu Dinding Luar Shell (T2)

Untuk menghitung nilai T2, terlebih dahulu nilai R3 di-trial sehingga

nilai q4 dapat diketahui. Dari persamaan di atas diketahui bahwa nilai

q4 = q2.

q4 =q2

384,2416 . R3. L = 7140,8271. . . (600,0657 2)

2 = 600,0657 0,05383

e. Menghitung Nilai Jari-jari Switch Condenser Setelah Diisolasi (R3)

Nilai R3 dapat dihitung dengan persamaan:

q3 = q4

2(0,0883) . . (2 323,15)

ln (3

1,569 )= 384,2416 . R3. L

2 = 323,15 + 2175,7735 3. ln (3

1,5690 )

Dari hasil trial diperoleh:

R3 = 1,1186 m

Tebal isolasi = R3 - R2

= (1,7186 1,5690) m

= 0,181 m



SC-21

RESUME

Kode : SC-01

Fungsi : Mengembunkan gas keluar reaktor dengan kapasitas

165629,90 kg/jam

Tipe : Multitube heat exchanger 1-1 dengan aliran counter

current

Jumlah alat : 2

Waktu siklus : 12 menit

Tahap desublimasi : 10 menit

Tahap melting : 2 menit

Medium pemanas/pendingin : Crude oil

Beban desublimasi : 10185540 kJ/siklus

Beban pemanas : 28192,17 kJ/siklus

Flowrate pendingin : 44,44 kg/sekon

Flowrate pemanas : 3,58 kg/sekon

Luas transfer panas : 2188,09 m2

Kondisi operasi :

Tekanan : 1,3 atm

Tahap receiving :

- Suhu gas masuk : 350oC

- Suhu keluar proses receiving : 105oC

- Suhu pendingin masuk : 28oC

- Suhu pendingin keluar : 211oC

Tahap melting :

- Suhu awal padatan : 105oC

- Suhu keluar cairan : 130oC

- Suhu pemanas masuk : 135oC

- Suhu pemanas keluar : 102oC

Dimensi :

Shell side :

- Komponen yang mengalir : Crude oil pendingin dan pemanas

- Jumlah pass : 1



SC-22

- Bahan : Carbon steel SA-283 Grade C

- Inside diameter : 78,74 in = 2 m = 6,56 ft

- Tebal : 0,1875 in

- Panjang plate : 3,42 ft

- Panjang shell : 9,78 m

Tube side :

- Komponen yang mengalir : Fluida keluar reactor

- Inside diameter : 0,532 in

- Outside diameter : 0,018375 m = 0,75 in

- PT : 1 in

- BWG : 12

- Panjang tube : 9,78 m

- Jumlah pass : 1

- Jumlah tube : 3876

- Bahan : Carbon steel SA-283 Grade C

Pressure Drop : 0,254 atm

Tebal isolasi : 0,181 m

Jenis isolasi : Diatomaceous Earth

Harga : $ 616680

s1-2014-300881-chapter5 (1)

Documents