ALKYLATION REAKTOR

Fungsi : Tempat terjadinya reaksi alkilasi benzen menjadi ethylbenzen,

diethylbenzen, dan triethylbenzen.

Tipe : Fixed bed multi bed ( adiabatic non isotermal )

Tujuan :

Menentukan dimensi reaktor meliputi diameter, tinggi, dan

jumlah bed.

Menentukan tebal shell dan tebal isolasi reaktor.

Kondisi operasi

Tekanan : 17 atm

Suhu : 400 – 500oC

Fase : gas

Diameter : 3,4 m

Katalisator : - Jenis : ZSM-5

- Diameter : 3 mm

- Bentuk : spherical

- Porositas : 0,32

- Bulk density : 450 kg/m3

Reaksi yang terjadi:

C2H4 (g) + C6H6 (g) C6H5C2H5 (g) ..............1)

2 C2H4 (g) + C6H6 (g) C6H4(C2H5)2 (g) ..............2)

3 C2H4 (g) + C6H6 (g) C6H3(C2H5)3 (g) ..............3)

Harga konstanta kecepatan reaksi :

k1 = 5161,772 exp (-3181,285/T) m3/kmol.jam6

A. Menghitung tinggi katalis pada pembentukan ethylbenzen ini dilakukan

dengan menggunakan persamaan-persamaan sebagai berikut:

FA XA T

Z

FA+FA XA+XA, T+T

Dimana :

FA = laju alir komponen A (etilen) dalam kmol/jam

XA= konversi komponen A

T = suhu

1. Neraca Massa

Neraca massa etilen pada kondisi steady state dalam pipa setebal Z dan

telah bereaksi sepanjang Z satuan dan sebesar XA bagian membentuk

etilbenzen.

Etilene masuk = etilene keluar + etilene bereaksi

............................................1)

2. Kecepatan reaksi

Kecepatan reaksi total (-rA) adalah :

-rA = (-rA)1 + (-rA)2 + (-rA)3

= k1 CA CB + k2 CA CB + k3 CA CB

Besarnya (-rA)2 dapat ditentukan sebagai berikut :

rA2 = 0,186 rA1

Analog dengan penentuan (-rA2) maka (-rA3) = 0,021 (-rA1), sehingga :

-rA 1,207 k1.CA.CB = k.CA.CB........................................2)

3. Stoikiometri

Pada perbandingan CB0/CA0 = 5 dan V = V0 serta selektifitas reaksi

pembentukan etilbenzen = 0,828 maka :

CA = CA0(1-0,828XA) ................................3)

CB = CA0(5-0,828XA) ................................4)

4. Neraca Panas

Neraca panas untuk keadaan steady state dan adiabatis pada pipa setebal

Z dan telah bereaksi sebesar XA.

Panas input = Panas output – Panas reaksi.

(Fi.Cpi)dT = (-Hr)T0.FA0.dXA

(Fi.Cpi)dT =

.........................5)

5. Pressure Drop

Pressure drop ditentukan dengan menggunakan persamaan Ergun.

..................7)

Dimana : ε = porositas katalis

ρ = massa jenis fluida, kg.m-3

v0= kecepatan superficial, m.jam-1

gc= 1,3164.1012 kg.atm-1.m-1.jam-2

Dp= diameter katalis, m

μ = viskositas fluida, kg.m-1.jam-1

Mole balance ;

= fx(XA,T) ................................8)

Heat Balance:

= fT(XA,T) ...................................9)

Pressure Drop:

= fP(P,T) ..............................10)

Dengan menggunakan metode Runge-Kutta-Gill:

XA(i+1) = ..........................11)

T(i+1) = .........................12)

P(i+1) = ........................13)

Dimana :

k1x = fX(Xi,Ti)

k2X = fX(X2i,T2i)

= fX(Xi + k1X ,Ti + k1T )

k3X = fX(X3i,T3i)

= fX(Xi + k1X + k2X

Ti + k1T + k2T )

k4X = fX(X4i,T4i)

= fX

Untuk harga-harga k1T,P, k2T,P, k3T,P, k4T,P dihitung dengan cara yang sama dengan

yang di atas.

Langkah-langkah penyelesaian untuk menentukan XA, T, dan P adalah sebagai

berikut dengan menentukan increment Z sebesar Z:

1. Pada Z = 0 maka XA=0, T=T Input, P= P Input

2. Hitung harga k (f(T))

3. Hitung harga k1X, k1T, dan k1P

4. Hitung harga X2i, T2i, dan P2i

5. Hitung harga k2X, k2T, dan k2P

6. Hitung harga X3i, T3i, dan P3i

7. Hitung harga k3X, k3T, dan k3P

8. Hitung harga X4i, T4i, dan P4i

9. Hitung harga k4X, k4T, dan k4P

10. Hitung harga XA(i+1) (persamaan 11); T(i+1) (persamaan 12); dan P(i+1)

(persamaan 13).

11. Increment Z dan ulangi langkah 2 sampai 10 dengan XA=XA(i+1),

T=T(i+1), dan P=P(i+1) hingga T Tmax dan atau XA telah mencapai XA

yang diharapkan.

B. Perhitungan tinggi katalis tiap bed.

1. Perhitungan bed

Kondisi operasi:

- Temperatur feed : 400oC

- Tekanan feed : 21 atm

- (Hr)400 : -761.935,6 kJ/kmol

- Diameter reaktor :3,4 m

Komposisi sebelum reaksi :

Komponen Kmol inEtilene 425,224Benzen 2.126,120Etilbenzen 0,825Dietilbenzen 32,556Etana 0,855Metana 1,282Toluen 2,382Total 2.589,243

Perhitungan :

a. Pada Z=0 maka XA(0) = 0, T=400oC, P = 21 atm

b. k=5161,7244exp(3181,285/T) = 55,213 (m3/(kmol.kg kat.jam))

c. k1X =

= 0,3994

k1T =

= 61,415

k1P = -

= -0,00696

d. X2(i)=0,0100; T2(i)=674,69; P2(i)=20,9998

e. k2X=0,3998; k2T=61,314; k2P=-0,00696

f. X3(i)=0,0100; T3(i)=674,68; P3(i)=20,9998

g. k3X=0,3997; k3T=61,313; k3P=-0,00696

h. X4(i)=0,0141; T4(i)=675,32; P4(i)=20,9998

i. k4X=0,3999; k4T=61,266; k4P=-0,00696

j. XA(1) = 0 +

= 0,0400

T(1) = 673,15 +

= 679,27

P(1) = 21 +

= 20,9993

Dengan cara yang sama didapatkan nilai k2X,T,P, k3X,T,P, k4X,T,P sehingga dapat

dihitung nilai XA(i+1), T(i+1), P(i+1) menggunakan increment Z sebesar 0,1.

Hasil perhitungan dapat ditabelkan sebagai berikut:

Z (m) T (oK) K XA P (atm)0 673.15 55.2134 0 17

0,1 679.27 57.6155 0.0400 16.99930,2 685.34 60.0543 0.0800 16.99860,3 691.33 62.5214 0.1200 16.99790,4 697.24 65.0077 0.1599 16.99720,5 703.05 67.5039 0.1995 16.99650,6 708.74 70.0005 0.2387 16.99580,7 714.29 72.4881 0.2775 16.99510,8 719.71 74.9575 0.3158 16.99440,9 724.97 77.4000 0.3534 16.99371,0 730.06 79.8072 0.3904 16.99301,1 734.99 82.1716 0.4265 16.99231,2 739.73 84.4863 0.4619 16.99171,3 744.30 86.7452 0.4963 16.99101,4 748.68 88.9429 0.5297 16.99031,5 752.88 91.0752 0.5622 16.98961,6 756.89 93.1385 0.5937 16.98891,7 760.72 95.1300 0.6240 16.98821,8 764.37 97.0478 0.6534 16.98751,9 767.84 98.8905 0.6816 16.98682,0 771.14 100.6577 0.7087 16.98612,05 772.72 101.5129 0.7219 16.9857

C. Menghitung Space Time ()

Tinggi katalis total : ( 2,05 + 3,4 + 9,115 )m = 14,565 m

Dari persamaan 17 hal.109 Levenspiel, diperoleh :

Pada bed I: = jam

Pada bed II: = jam

Pada bed III: = jam

Total space time () = 0,0138 jam ≈ 0,83 menit ≈ 50 detik

D. Menghitung tebal shell reaktor

Bahan yang digunakan adalah stainless steel SA-240 grade C

Allowable working stress (f) = 12.500 psi

Efisiensi pengelasan (E) = 0,85

Faktor korosi (C) = 0,125

ID = 340 cm = 133,86 in

Tekanan operasi = 20 atm = 293,92 psi

Tekanan operasi perancangan (P) = 1,1 x 293,92 = 308,61 psi

Dari persamaan 14.34 Brownell :

in

Digunakan tebal shell standar 2,25 in

E. Menentukan tebal pembatas antar bed

Bahan dan ketebalan yang digunakan sama dengan bahan pada shell

reaktor, yaitu SA-240 grade C dengan ketebalan 2,25 in.

F. Menentukan tebal pembatas antar bed

Untuk diameter reaktor 3,05 – 3,66 m digunakan spacing 2 x 30 in

G. Menghitung tebal head standard

Bahan yang digunakan sama dengan yang digunakan pada shell. Untuk

tekanan lebih dari 200 psi dipilih head berbentuk elliptical dished head

dengan harga k = 2 (Brownell, 133).

V = 1/6. (2+k2) = 1

in

Digunakan tebal head standard 2 in

H. Menghitung tinggi head reaktor

OD = ID + 2. ts

= 133,86 + 2 x 2,25 = 138,36 in

Untuk OD 138,36 in dan ts = 2,25 in dari tabel 5.7 Brownell diperoleh:

r = 130 icr = 8,375

α = ID/2 = 66,93 in

AB = α – icr = 58,555 in

BC = r – icr = 121,625 in

AC = (BC2 – AB2)0,5 = 106,60 in

β = r – AC = 23,40 in

dari tabel 5.11 Brownell untuk harga th = 2 in diperoleh harga sf = 3 in.

OA ( tinggi head reaktor) = th + β + sf = 28,40 in

I. Menghitung tinggi reaktor

Tinggi reaktor = tinggi katalis + 2x tinggi head + 5x bed spacing + 2x

tebal pembatas

= 14,565 +{[(2 x 28,40)in + (5 x 30)in + (2 x

2,25)in]x0,0254}m

= 19,92 m

J. Menghitung volume reaktor

Untuk elliptical dished head digunakan persamaan 5.14 Brownell :

Vh = 0,000076 x ID3

= 0,000076 x (133,86)3 = 182,284 ft3 = 5,162 m3

Volume reaktor total (V):

V = (π/4) ID2 L + 2 Vh

= (π/4) x 3,42 x 17,74 + 2 x 5,162 = 171,307 m3

K. Menentukan tebal isolasi reaktor

Isolasi yang digunakan adalah asbes. Dari tabel 2 Peter (hal.637) :

Suhu udara sekitar = 30oC = 536oR

Suhu isolasi = 560oR = 86oF

E = 0,93

Dimana: T1 : suhu isolasi (oR)

T2 : suhu udara luar (oR)

= 1,0759 Btu/ft2.jam.oR

Dari persamaan 7 – 7a Mc Adam :

hc = 0,27. {(Ts – T1)/D}0,25

dimana: Ts : suhu reaktor = 830,82 oK = 1035,81oF

D : diameter reaktor = 3,4 m = 11,155 ft

Hc = 0,27 x {(1035,81 – 100)/ 11,155}0,25

= 0,8171 Btu/jam.ft2.oF

Panas yang hilang tiap jam :

qc = hc x A x (Ts – T1) , dimana: A = π.D.L = π (3,4) (17,74)

= 189,392 m2 = 2038,601 ft2

qc = 0,8171 x 2038,601 x (1035,81 – 86) = 1.582.203,21 Btu/jam

qr = hr x A x (T1 – T2)

= 1,0759 x 2038,601 x (560- 546) = 30.706,631 Btu.jam

q = qr + qc = 1.612.909,84 Btu/jam

Tebal isolasi:

q = k.A.dT/dX

Dari tabel 2 Kern, harga k untuk asbes pada suhu 100oF adalah 0,104

Btu/jam.ft2.(oF/ft).

X = k.A.(Ts – T1) / q

= 2 x 2038,601 x (1035,81 – 86) / 1.612.909,84

= 0,125 ft = 1,49 in

Digunakan tebal isolasi standard 1,5 in

RESUME

Kode R-01

Fungsi : Tempat terjadinya reaksi alkilasi benzen menjadi ethylbenzen,

diethylbenzen, dan triethylbenzen serta reaksi transalkilasi

diethylbenzen menjadi ethybenzen.

Tipe : Fixed bed multi bed

Jumlah : 2 buah

Kondisi Operasi

Tekanan operasi : 20 atm

Suhu operasi : 400 – 500oC

Fase reaksi : gas

Katalis

Jenis : ZSM – 5

Diameter : 0,003 m

Bentuk : Spherical

Bulk density : 450 kg/m3

Resume Alkylation Reactor :

Dimensi Reaktor

Inside Diameter : 3,4 m

Tebal shell : 0,0572 m

Tinggi : 19,92 m

Susunan : 6 bed

Pressure drop total 0,4740 atm

Volume total 171,307 m3

Head

Bentuk Elliptical Dished Head

Tebal 0,0508 m

Tinggi 0,721 m