TK2103 - NERACA MASSA DAN ENERGI

TUGAS BESAR

NADIA HANA SORAYA / 13008011ANINDA CAHYA PUTRI / 13008022

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG2010

I. ANALISIS MASALAH

Diagram alir sederhana proses pembuatan methanol berbahan baku gas alam (CH4) disajikan berikut ini. Beberapa data operasional disajikan dalam tabel di bawahnya (data kerja praktek di salah satu pabrik methanol di Kalimantan).

1. Lakukan Analisis Derajat Kebebasan: unit per unit, proses, overall.2. Jika soal bukan well-specified, lengkapi informasi yang diperlukan (soal under-specified) atau yang harus disisihkan

(soal over-specified). Kemudian tulis kembali ADK yang baru, dan soal dinyatakan well-specified.3. Selesaikan masalah neraca massa dan energi.

F1 F2 F2A F3 F4 F5 F6 F7 F8P, bar 35 35 80 80 35 35 1 1 1T, oC 500 800 250 250 25 25 850

Flow, mol/s 1000 ..? ..? ..? 3000 ..? ..? ..?yCH4 100% ..? ..? 0 0 100% 0 0yH2O 0 ..? ..? 100% 100% 0 0 ..?yCO 0 ..? ..? 0 0 0 0 0yCO2 0 ..? ..? 0 0 0 0 ..?yH2 0 ..? ..? 0 0 0 0 0

yCH3OH 0 0 ..? 0 0 0 0 0yO2 0 0 0 0 0 0 21% 0yN2 0 0 0 0 0 0 79% ..?

Data operasional:

a. reaktor steam reforming, konversi: XCH4 = 90%; XH2O = 40%b. reaktor methanol synthesis, konversi: XCO = 50%; XCO2= 10%c. aliran F3 memiliki komposisi yang memenuhi: SN = 2

dengan definisi, stoichiometric number,

][][

2

22

COCO

COH

yyyySN

+

=

I. 1. Analisis Derajat Kebebasan

BURNER STEAM REFORMI

NG REACTO

R

HEAT EXCHANGE

R & COMPRES

SOR

BOILER METHANOL

SYNTHESIS

REACTOR

OVERALL

PROCESS

NM NM NM NM NM NME NM NM NM NM NM NM NM NM

E E E E E E

Variabel Aliran + Derajat Kelangsungan Reaksi

7 7 9 9 10 10 2 2 13 13 19 19 30 30

Variabel Neraca Energi 7 7 5 5 5 13 21

Persamaan TTSL Neraca Massa 5 5 5 5 5 5 1 1 6 6 8 8 22 22

Persamaan Neraca Energi 1 1 1 1 1 1 5

Laju Alir yang Diketahui 0 0 2 2 0 0 1 1 0 0 1 1 2 2

Komposisi yang Diketahui 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

Variabel Neraca Energi yang Diketahui

6 6 4 4 4 12 18

Hubungan Pendukung 0 0 2 2 5 5 0 0 3 3 5 5 5 5

Derajat Kebebasan 1 1 0 0 0 0 0 0 4 4 4 6 1 -2

I. 2. Analisis Soal

Soal ini over-specified karena neraca massa energi proses bernilai negatif. Pada persoalan ini, data yang kami kurangi adalah data T3 dan SN. Selain itu, pada reaktor steam reforming, kami meniadakan reaksi kedua yaitu reaksi CH4 + 2H2O CO2 + 4H2, karena kami tidak menemukan reaksi ini pada literatur yang telah kami baca. Selain itu, jika reaksi ini diikutsertakan dalam perhitungan dengan konversi yang telah diberikan dalam soal, hasil komposisi gas yang akan kami dapatkan bernilai negatif.

Berdasarkan, analisis tersebut, kami menyusun analisis derajat kebebasan yang baru.

BURNER STEAM REFORMI

NG REACTO

R

HEAT EXCHANGE

R & COMPRES

SOR

BOILER METHANOL

SYNTHESIS

REACTOR

OVERALL

PROCESS

NM NME

NM NME

NM NME NM NME

NM NME

NM NME

NM NME

Variabel Aliran + Derajat Kelangsungan Reaksi

7 7 9 9 10 10 2 2 13 13 19 19 30 30

Variabel Neraca Energi 7 7 5 5 5 13 21

Persamaan TTSL Neraca Massa 5 5 5 5 5 5 1 1 6 6 8 8 22 22

Persamaan Neraca Energi 1 1 1 1 1 1 5

Laju Alir yang Diketahui 0 0 2 2 0 0 1 1 0 0 1 1 2 2

Komposisi yang Diketahui 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

Variabel Neraca Energi yang Diketahui

6 6 4 4 3 11 17

Hubungan Pendukung 0 0 2 2 5 5 0 0 2 2 4 4 4 4

Derajat Kebebasan 1 1 0 0 0 0 0 0 5 6 5 6 1 0

II. PENYELESAIAN MASALAH

II. 1. Penjelesan Proses Sintesis MetanolMetanol yang akan kami jabarkan proses produksinya dalam tugas ini dikenal juga sebagai metil akohol. Metanol adalah

senyawa kimia dengan rumus kimia CH3OH. Ia merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan atmosfer, ia berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna, mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas. Ia digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar, dan sebagai bahan aditif etanol industri.

Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara. Setelah beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.

Metanol dapat diproduksi dalam skala industri secara besar-besaran melalui konversi katalitik dari gas sintesis. Produksi metanol dalam pabrik ini dibagi menjadi dua tahap:

1. Produksi gas sintesis.2. Sintesis metanol.

Saat ini, gas sintesis umumnya dihasilkan dari metana yang merupakan komponen dari gas alam. Terdapat tiga proses yang dipraktekkan secara komersial:

1. Steam methane reforming (SMR).2. Oksidasi parsial.3. Gasifikasi batu bara.

Dalam persoalan ini, gas sintesis dihasilkan melalui steam methane reforming (SMR). Pada tekanan sedang (35 bar) dan temperatur tinggi (500-800 0C), metana bereaksi dengan uap air (steam) dengan katalis nikel untuk menghasilkan gas sintesis menurut reaksi kimia berikut:

CH4 + H2O CO + 3H2

Reaksi ini, umumnya dinamakan steam-methane reforming atau SMR, merupakan reaksi endotermik dan limitasi perpindahan panasnya menjadi batasan dari ukuran reaktor katalitik yang digunakan.

Rasio CO and H2 kemudian diatur dengan menggunakan reaksi perpindahan air-gas (water-gas shift reaction):

CO +H2O CO2 + H2,untuk menghasilkan stoikiometri yang sesuai dalam sintesis metanol.

Panas yang diterima reaktor steam reforming berasal dari panas pembakaran CH4 menggunakan udara yang memiliki komposisi 79% N2 dan 21% O2.

CH4 + O2 CO2 + H2OPembakaran ini berlangsung secara stoikiometrik dan sempurna pada temperatur tinggi dan tekanan atmosfer.

Hasil dari reaktor steam reforming kemudian dilewatkan ke heat exchanger & compressor untuk menurunkan suhu serta menaikkan tekanan karena reaksi methanol synthesis berlangsung pada suhu dan tekanan tertentu. Panas yang dihasilkan dari proses ini dibuang ke luar. Hasil dari heat exchanger & compressor kemudian dijadikan umpan reaktor methanol synthesis.

Karbon monoksida dan hidrogen kemudian bereaksi dengan katalis kedua untuk menghasilkan metanol:

CO + 2H2 CH3OHReaksi pembentukan metanol ini memiliki konversi yang rendah. Hal ini dikarenakan reaksi mudah mencapai kesetimbangan. Untuk mendapat konversi yang lebih tinggi biasanya reaksi dilakukan pada tekanan yang cukup tinggi dan temperatur yang cukup rendah. Perkembangan teknologi reaksi sintesis metanol pada tekanan tinggi mulai ditinggalkan dengan ditemukannya katalis yang lebih reaktif dan jenis reaktor yang sesuai. Saat ini, katalis yang umum digunakan adalah campuran tembaga, seng oksida, dan alumina, yang pertama kali digunakan oleh ICI di tahun 1966. Pada 50-100 bar dan 250 C, ia dapat mengkatalisis produksi metanol dari karbon monoksida dan hidrogen dengan selektifitas yang tinggi.

Perlu diperhatikan bahwa setiap produksi gas sintesis dari metana menghasilkan 3 mol hidrogen untuk setiap mol karbon monoksida, sedangkan sintesis metanol hanya memerlukan 2 mol hidrogen untuk setiap mol karbon monoksida. Salah satu

cara mengatasi kelebihan hidrogen ini adalah dengan mereaksikan karbon dioksida yang dihasilkan dari reaksi perpindahan air-gas (water-gas shift reaction) yang terjadi sebelumnya, dimana ia akan bereaksi membentuk metanol sesuai dengan reaksi kimia berikut:

CO2 + 3H2 CH3OH + H2OSelanjutnya, panas yang dihasilkan dari reaktor ini digunakan untuk menguapkan H2O pada waste heat boiler. Uap air

yang dihasilkan dari waste heat boiler kemudian dijadikan sebagai umpan reaktor steam reforming.Diagram alir produksi metanol dalam persoalan ini adalah sebagai berikut.

II. 2. Penyelesaian Masalah Neraca Massa dan Energi

Masalah ini dapat diselesaikan dengan mulai menyelesaikan persamaan neraca massa dan energi di unit reaktor steam reforming yang memiliki derajat kebebasan neraca massa dan energi nol. Untuk menyederhanakan persoalan, Cp setiap komponen dianggap tetap (tidak berubah oleh suhu).

II. 2.1. Unit Steam Reforming ReactorHubungan pendukung:

r1 = 90% x F1= 900 mol/s r1 + r3 = 40% x F5 = 1200 mol/s r3 = 300 mol/s

Neraca massa komponen:CH4 : F1 r1 = yCH4,2 x F2

100 = yCH4,2 x F2H2O : F5 r1 r3 = yH2O,2 x F2

1800 = yH2O,2 x F2CO : r1 r3 = yCO,2 x F2

600 = yCO,2 x F2CO2 : r3 = yCO2,2 x F2

300 = yCO2,2 x F2H2 : 3r1 + r3 = yH2,2 x F2

3000 = yH2,2 x F2-----------------------------------+F2 = 5800 mol/s

yCH4,2 = 1/58

yH20,2 = 18/58 yCO,2 = 6/58 yCO2,2 = 3/58 yH2,2 = 30/58

Mencari Q1:

CH4 H2O(g) CO CO2 H2Hf, 298 K (J/mol) -74520 -241818 -110525 -393509 0Cp (J/(mol.oC) 35.06 33.57 29.2 37.1 28.8

H523 K (J/mol) -66631.5 -234264.75 -103955 -385161.5 6480H773 K (J/mol) -57866.5 -225872.25 -96655 -375886.5 13680H1073 K (J/mol) -47348.5 -215801.25 -87895 -364756.5 22320

H2 = ( HCH4,1073 K + HH20(g),1073 K + HCO,1073 K + HCO2,1073 K + HH2,1073 K) x 5800 mol/s= [1/58 x (-47348.5) + 18/58 x (-215801.25) + 6/58 x (-87895) + 3/58 x (-364756.5) + 30/58 x 22320] J/mol x 5800 mol/s= -84203.63 J/mol x 5800 mol/s= -488481050 J/s

Q1 = H2 H1 - H5= -488481050 J/s 1000 mol/s x (-57866.5 J/mol) 3000 mol/s x (-234264.75 J/mol)= 2569619715 J/s

II. 2.2. Unit Heat Exchanger & CompressorF2A = F2 = 5800 mol/s

yCH4,2A = 1/58 = 1.72% yH20,2A = 18/58 = 31.03%

yCO,2A = 6/58 = 10.34% yCO2,2A = 3/58 = 5.17% yH2,2A = 30/58 = 51.72%

Mencari H2

CH4 H2O(g) CO CO2 H2Hf, 298 K (J/mol) -74520 -241818 -110525 -393509 0Cp (J/(mol.oC) 35.06 33.57 29.2 37.1 28.8 -488381050

H1073 K (J/mol) -47348.5 -215801.25 -87895 -364756.5 22320 -84203.62931

H2 = ( HCH4,1073 K + HH20(g),1073 K + HCO,1073 K + HCO2,1073 K + HH2,1073 K) x 5800 mol/s= [1/58 x (-47348.5) + 18/58 x (-215801.25) + 6/58 x (-87895) + 3/58 x (-364756.5) + 30/58 x 22320] J/mol x 5800 mol/s= -84203.63 J/mol x 5800 mol/s= -488381050 J/s

Mencari H2A

CH4 H2O(g) CO CO2 H2Hf, 298 K (J/mol) -74520 -241818 -110525 -393509 0

Cp (J/(mol. oC) 35.06 33.57 29.2 37.1 28.8H523 K (J/mol) -66631.5 -234264.75 -103955 -385161.5 6480

H2A = ( HCH4,523 K + HH20(g),523 K + HCO,523 K + HCO2,523 K + HH2,523 K) x 5800 mol/s = [1/58 x (-66631.5) + 18/58 x (-234264.75) + 6/58 x (-103955) + 3/58 x (-385161.5) + 30/58 x 6480] J/mol x 5800 mol/s= -101176.06 J/mol x 5800 mol/s= -586821150 J/s

Q3 = H2A H2= -586821150 J/s (-488481050 J/s)

= -98340100 J/s

II. 2.3. Unit BoilerF4 = F5 = 3000 mol/s

yH20,4 = 100% yH2O,5 = 100%

Data

H20(l) H2O(g)Cp (J/(mol. oC)) 75.6 33.57Hvap (J/mol) 40320

Q2 = m x Cp(l) x T + m. U + m x Cp(g) x T= 3000 mol/s x 75.6 J/(mol.oC) x (242-25)oC + 3000 mol/s x 40320 J/mol + 3000 mol/s x 33.57 J/(mol.oC) x (250-242)oC= 170981280 J/s

II. 2.4. Unit BurnerKarena Q1 sudah diketahui dari penyelesaian unit reaktor steam reforming, neraca massa dan energi unit burner dapat

diselesaikan.Neraca massa komponen:CH4: F6 r6 = yCH4,8 x F8

F6 = r6 ... 1)H2O: r6 = yH2O,8 x F8 ... 2)CO2: r6 = yCO2,8 x F8 ... 3)

O2: 0.21 x F7 r6 = 00.21 x F7 = r6 4)

N2: 0.79 x F7 = yN2,8 x F8 5)Dari persamaan 1) dan 4) diperoleh:F7 = 1/0.21 x F6

F7 = 4.7619 x F6 ...6)Dengan menyelesaikan persamaan neraca energi di unit burner, akan diperoleh salah satu laju alir.

CH4 H2O(g) CO2 O2 N2Hf, 298 K (J/mol) -74520 -241818 -393509 0 0

Cp (J/(mol. oC) 35.06 33.57 37.1 29.39 29.1H1123 K (J/mol) -45595.5 -214122.75 -362901.5 24246.75 24007.5

Mencari H6H6 = HCH4,298 K x F6

= -74520 x F6Mencari H8H8 = ( HCH4,1123 K x yCH4,8 + HH2O,1123 K x yH2O,8 + HCO2,1123 K x yCO2,8 + HN2,1123 K x yN2,8) x F8

= (0 + -214122.75 x yH2O,8 + -362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8= ( 214122.75 x yH2O,8 362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8

Hubungan antara F6 dan F8Q1 = H8 H6

-2569619715 = ( 214122.75 x yH2O,8 362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8 (-74520 x F6) -74520 x F6 = (214122.75 x yH2O,8 x F8) (362901.5 x yCO2,8 x F8) + (24007.5 x yN2,8 x F8) + 2569619715Dari persamaan 2), 3), 5), dan 6)

-74520 x F6 = 214122.75 x F6 362901.5 x F6 + 4.7619 x 24007.5 x F6 + 2569619715 502504.25 x F6 = 24007.5 x 4.7619 x F6 + 2569619715 388182.936 x F6 = 2569619715 F6 = 6619.61 mol/s

F7 = 4.7619 x F6= 31521.92 mol/s

Dari penjumlahan persamaan 2), 3), dan 5) didapatkan:2 x F6 + 0.79 x F7 = F8

F8 = 38141.54 mol/syH2O,8 = F6/F8 = 17.355%yCO2,8 = 17.355%yN2,8 = 0.79 x F7 / F8 = 65.29%

II. 2.5. Unit OverallKarena Q3 sudah diketahui dari penyelesaian unit heat exchanger & compressor, dan F6, F7, serta F8 sudah diketahui dari

penyelesaian unit burner, neraca massa dan energi overall unit dapat diselesaikan.

Neraca massaData dan hubungan pendukung:r1 = 900 mol/sr3 = 300 mol/sr4 = mol CO yang bereaksi = 0.5 x yCO,2A x F2A

= 0.5 x 6/58 x 5800 mol/s= 300 mol/s

r5 = mol CO2 yang bereaksi = 0.1 x yCO2,2A x F2A= 0.1 x 3/58 x 5800 mol/s= 30 mol/s

F1 = 1000 mol/sF4 = 3000 mol/sF6 = 6619.61 mol/sr6 = 6619.61 mol/sF7 = 31521.92 mol/s

F8 = 38141.54 mol/sQ3 = -98340100 J/sNeraca massa komponen:CH4: F1 + F6 r1 r6 = yCH4,3 x F3

1000 mol/s + 6619.61 mol/s 900 mol/s - 6619.61 mol/s = yCH4,3 x F3100 mol/s = yCH4,3 x F3 1)

H2O: F4 r1 r3 + r5 + r6 = yH2O,3 x F3 + yH2O,8 x F83000 mol/s 900 mol/s 300 mol/s + 30 mol/s + 6619.61 mol/s = yH2O,3 x F3 + 0.17355 x 38141.54 mol/s1830.15 mol/s = yH2O,3 x F3 2)

CO: r1 - r3 - r4 = yCO,3 x F3900 mol/s 300 mol/s 300 mol/s= yCO,3 x F3300 mol/s = yCO,3 x F3 3)

CO2: r3 r5 + r6 = yCO2,3 x F3 + yCO2,8 x F8300 mol/s 30 mol/s + 6619.61 mol/s = yCO2,3 x F3 + 0.17355 x 38141.54 mol/s270.15 mol/s = yCO2,3 x F3 4)

H2: 3 r1 + r3 2 r4 3 r5 = yH2,3 x F3(2700 + 300 600 90) mol/s = yH2,3 x F32310 mol/s = yH2,3 x F3 5)

CH3OH: r4 + r5 = yCH3OH,3 x F3(300 + 30) mol/s = yCH3OH,3 x F3330 mol/s = yCH3OH,3 x F3 6)

O2: 0.21 x F7 r6 = 0 (telah terselesaikan di unit sebelumnya)N2: 0.79 x F7 = yN2,8 x F8 (telah terselesaikan di unit sebelumnya)

Dari penjumlahan persamaan 1), 2), 3), 4), 5), 6) didapatkan:F3 = 100 mol/s + 1830.15 mol/s + 300 mol/s + 270.15 mol/s + 2310 mol/s + 330 mol/s

= 5140.3 mol/syCH4,3 = 1.95%yH2O,3 = 35.6%yCO,3 = 5.84%yCO2,3 = 5.26%yH2,3 = 44.94%yCH3OH,3 = 6.41%

II. 2.6. Unit Reaktor Methanol Synthesis Mencari T3 dan SN dengan data sebagai berikut:F2A = 5800 mol/s

yCH4,2A = 1/58 = 1.72%yH20,2A = 18/58 = 31.03%yCO,2A = 6/58 = 10.34%yCO2,2A = 3/58 = 5.17%yH2,2A = 30/58 = 51.72%

F3 = 5140.3 mol/syCH4,3 = 1.95%yH2O,3 = 35.6%yCO,3 = 5.84%yCO2,3 = 5.26%

yH2,3 = 44.94%yCH3OH,3 = 6.41%

r4 = 300 mol/sr5 = 30 mol/sQ2 = -170981280 J/s (keluar dari reaktor)

Q2 = H3 H2A-170981280 J/s = [5140.3 mol/s x (-1453.14 86087.21 6454.66 20698.57 13182.81)J/mol] + [5140.3 mol/s x (0.68 +

11.95 + 1.71 + 1.95 + 12.94 + 3.9) J/(mol.K) x (T3 298)K] - (-586821150 J/s)-170981280 J/s = (-657323007.52 + 170298.14 T3 50748845.42 + 586821150) J/s-49730577.06 J/s = 170298.14 T3T3 = -1677.95 K

= -1404.95 oC

][][

3,23,

3,23,2

COCO

COH

yyyy

SN+

=

)0.00255.0()0526.00449.0(

+

=

= 3.01992754

III. KESIMPULANDari penyelesaian yang telah dilakukan, spesifikasi proses di dalam pabrik metanol yang lengkap dapat di lihat di diagram

alir dan tabel berikut.

F1 F2 F2A F3 F4 F5 F6 F7 F8P, bar 35 35 80 80 35 35 1 1 1T, oC 500 800 250 -565.2 25 250 25 25 850Flow, mol/s 1000 5800 5800 5140.3 3000 3000 6619.61

31521.92 38141.54

yCH4 100% 1.72% 1.72% 1.95% 0 0 100% 0 0yH2O 0 31.03% 31.03% 35.60% 100% 100% 0 0 17.355%yCO 0 10.34% 10.34% 5.84% 0 0 0 0 0yCO2 0 5.17% 5.17% 5.26% 0 0 0 0 17.355%

yH2 0 51.72% 51.72% 44.94% 0 0 0 0 0yCH3OH 0 0 0 6.41% 0 0 0 0 0

yO2 0 0 0 0 0 0 0 21% 0yN2 0 0 0 0 0 0 0 79% 65.29%

Untuk hasil T3 yang minus, menurut kami disebabkan oleh pemilihan angka faktor konversi CO dan CO2. Sebab, dari literatur yang kami baca, dengan tekanan dan suhu seperti pada soal, konversi yang dihasilkan mencapai 90%.

IV. DAFTAR PUSTAKAG.V., Reklaitis. 1983. Introduction to Material and Energy Balances. New York: John Wiley and Sons Inc. Susanto, Herri. 2005. Diktat Kuliah Neraca Massa dan Energi. Bandung.http://repository. ui .ac.id/dokumen/lihat/1853.pdf http://sheldiez.panglimaorganizer.com/index2.php