Tugas UKD 4 Teknik Reaksi Kimia IIPERANCANGAN REAKTOR BENZENADENGAN PROSES HIDROGENASI TOLUENA

(Dosen Pengampu : Ir. Arif Jumari, M.Sc)

Disusun Oleh :Ardhy Hardiyanto PI0510005

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS SEBELAS MARETS U R A K A R T A2013

DAFTAR ISI

Halaman JudulBAB IPENDAHULUAN .......BAB IITINJAUAN KINETIKA DAN TERMODINAMIKA II.1 Tinjauan KinetikaII.2 Tinjauan Termodinamika ...BAB IIIHASIL DAN PEMBAHASAN III.1 Algoritma Perhitungan Matlab ..III.2 Jenis Reaktor yang Digunakan ..III.3 Spesifikasi Katalis yang Dipakai ...III.4 Persamaan yang Dibutuhkan untuk Membuat Profil Distribusi.III.5 Gambar Profil Hasil Run Program DAFTAR PUSTAKA ..LampiranProgram MATLAB ..

BAB IPENDAHULUAN

Industri ammonia merupakan salah satu industri yang perkembangannya cukup pesat di Indonesia dan mempunyai prospek masa depan yang masih cukup baik. Produksi ammonia digunakan untuk memenuhi kebutuhan dalam negeri dan luar negeri. Penggunaan ammonia meliputi 85.5 % untuk industri pupuk (pupuk urea, ammonium nitrat, ammonium phosphate, ammonium sulfat, asam sulfat); 9.2 % untuk industri plastik, bahan eksposi militer dan komersil; dan 5.3 % untuk industri lain.Perbedaan proses pembuatan ammonia sebenarnya adalah pada bahan baku yang digunakan seperti gas alam, batubara, dan naphta. Secara garis besar proses pembuatan ammonia , yaitu : Pembuatan gas sintesa dengan langkah oksidasi parsial atau steam reforming menggunakan primary secondary reformer atau gasifier tergantung feed-nya. Pemurnian gas sintesa. Loop sintesa dimana dilakukan kompresi, reaksi pada reaktor utama, dan separasi produk dengan diikuti pengembalian sebagian produk ke reaktor atau sering disebut recycle.Macam macam proses pembuatan ammonia yang ada adalah : Proses KellogProses Kellog merupakan proses pembuatan ammonia yang menggunakan bahan baku gas alam dan cukup banyak digunakan di dunia. Kelemahan yang ada dari proses ini terletak pada pemakaian energi yang digunakan untuk menghasilkan produk per ton ammonia bukanlah yang paling hemat diantara yang lain. Di lain pihak, kemudahan perawatan peralatan dan pemakaian katalis merupakan salah satu hal yang cukup diperhatikan oleh pendiri pabrik. Proses Haber-BoschProses ini merupakan proses pembuatan ammonia paling awal. Bahan baku yang digunakan adalah batu bara. Penambahan nitrogen biasanya diperoleh dari udara pembakaran batu bara. Gas bersih yang terdiri dari hydrogen dan nitrogen dengan perbandingan 3 : 1 kemudian masuk ke dalam unit sintesis pada tekanan 200 atm dan suhu 550 0C. Konversi yang dicapai dengan proses ini sebesar 5 sampai 10 % (Kirk & othmer, 1992). Proses ClaudePada proses ini tekanan operasi yang digunakan sangat tinggi yaitu 900 1000 atm dan suhu 500 650 0C. Gas keluaran konverter tidak direcycle karena dalam proses ini digunakan konverter seri. Konversi yang dapat dicapai dengan satu konverter sebesar 40 %(Faith Keyes,1957). Proses LurgiPada proses Lurgi batu bara digasifikasi dalam fixed bed reactor menggunakan oksigen dan steam pada tekanan 20 30 atm dan pada suhu 560 620 0C. (Kirk & othmer, 1992).

Proses Koppers-TotzekProses Koppers-Totzek hampir sama dengan proses Lurgi yaitu menggunakan bahan baku batu bara tetapi proses ini terjadi pada tekanan rendah dan suhu yang sangat tinggi agar seluruh hidrokarbon dapat terkonversi. Campuran homogen yang terdiri dari batu bara, oksigen, dan steam direaksikan menghasilkan panas dengan temperatur sekitar 1925 0C. Adanya reaksi antara steam dan karbon yang bersifat endotermik mengakibatkan temperatur turun sampai sekitar 1480 0C. Methane yang tidak bereaksi mencapai 0.1 % atau kurang tergantung pada reaksitivitas dari batu bara. Gas hasil reaksi adalah hidrogen dan karbon monoksida. Gas ini kemudian memasuki serangkaian proses lebih lanjut seperti pembangkitan steam, pencucian, kompresi, penghilangan sulfur, dan sintesis (Kirk & othmer, 1992).

BAB IITINJAUAN KINETIKA DAN TERMODINAMIKA

II.1. Tinjauan KinetikaPersamaan laju kecepatan reaksi pembuatan ammonia dinyatakan sebagai berikut :

dengan ,rNH3: kecepatan reaksi (kmol NH3/jam. m3 katalis)k: konstanta kecepatan reaksi (kmol/jam.m3): faktor aktivitas sebesar 0.87 (ukuran katalis 610 mm)K: konstanta kesetimbangan reaksia: aktivitas komponenbesarnya aktivitas masing masing komponen dapat ditentukan dari persamaan :

harga fi0 = 1 atm untuk gas, sehingga ai = fiFugasitas masing masing komponen dapat dihitung dengan :fi = yi . . P

dimana,yi: fraksi mol masing masing komponen: koefisien fugasitas masing masing komponenP: tekanan reaktorKonstanta kecepatan dan kesetimbangan reaksi dihitung dengan menggunakan persamaan (Rase, 1977):k = 1.7698 x 1015 exp (-40.765/RT)log10 K = -2.691122 log10 T 5.519265 x 10-5 T + 1.848863 x 10-7 T2 + (2001.6/T) + 2.6899dimana,R: konstanta gas ideal = 1.987 cal/mol. KT: suhu (K)

Persamaan kecepatan reaksi dapat menunjukkan pengaruh temperatur, tekanan, dan katalis terhadap reaksi. Pengaruh temperaturJika temperatur meningkat, maka kecepatan reaksi berlangsung semakin cepat karena harga konstanta kecepatan reaksi (k) semakin besar dan sebaliknya. Pengaruh tekananPeningkatan tekanan akan menyebabkan meningkatnya fugasitas masing masing komponen sehingga harga kecepatan reaksi akan semakin besar. Hal ini berarti reaksi berjalan semakin cepat. Pengaruh katalisA. Adanya katalis mempengaruhi energi aktivasi (E). Energi aktivasi reaksi tanpa katalis akan lebih besar dari pada energi aktivasi reaksi dengan katalis. Sehingga dengan adanya katalis, reaksi akan berjalan lebih cepat.B. Tinjauan Kinetika

II.2. Tinjauan TermodinamikaReaksi pembuatan butena-1 ini berlangsung secara eksotermis, hal ini dapat ditinjau dari H reaksi (298 K) di bawah ini: Reaksi : N2 + 3H2 2 NH3 Data-data harga Hf untuk masing-masing komponen pada 298K adalah:Hf N2= 0 k J/molHf H2 = 0 kJ/molHf NH3 = -46.11 kJ/mol(Appendix C, SVNA)HR(298 K)= Hfproduk Hfreaktan= (Hf NH3) (Hf N2 + Hf H2)= (-46.11) (0 + 0)= - 46.11 kJ/kmolKarena nilai panas reaksi pembuatan ammonia dari nitrogen dan hidrogen adalah negatif, maka reaksi ini adalah reaksi eksotermis. Pada reaksi eksotermis, jikatemperatur reactor naik maka nilai K naik, namun konversi kesetimbangan turun.

BAB IIIHASIL DAN PEMBAHASAN

Input data :- kondisi umpan reaktor : dari perhit NM - spesifikasi katalis RHOBULK,EPS,DP, Psi - data lain Tr,R,To,Xo,Po ditentukanIII.1.Algoritma Perhitungan Matlab

Trial Z

Menyusun PD SimultanZO =linspace(0:4:35)YO = (Xo,To,Po)(Z,Y)=ode45(subtrk_ardhy,ZO,YO)

Subroutine :- menghitung mol masing-masing komponen Fi = Fio + FCO*X- menghitung fraksi mol xmol(i) = Fi/FT- menghitung massa massa(i) = Fi * Bmi- menghitung fraksi massa xmassa(i) = massa(i)/massa- menghitung kapasitas panas Cp = A + BT + CT2 + DT3- menghitung viskositas - menghitung kecepatan reaksi - menghitung densitas - menghitung bilangan ReynoldRe = D.G / Cetak hasil

Persamaan PD simultandYdZ(1)=22/7*D^2*(RX)/(4*FCo);dYdZ(2)=(-(ALT*DHr*(RX)))/FCp;dYdZ(3)=(-GTL/(RHO*GC*DPT)*(1-EPS)/EPS*((150*(1-EPS)*Visavg/DPT)+1.75*GTL))*(1/2115.36);dYdZ=dYdZ';

III.2. Jenis Reaktor yang DigunakanDipilih reactor jenis fixed bed dengan pertimbangan sebagai berikut:a. Reaksi yang berlangsung adalah fase gas dengan katalis padat.b. Ukuran katalis Besi Oksida (5 mm) sesuai untuk reaktor fixed bed yang mempunyai batasan ukuran katalis 2 5 mm.c. Pressure Drop gas pada fixed bed lebih kecil dibandingkan dengan reaktor fluidized bed.d. Tidak perlu pemisahan katalis dari gas keluaran reaktor.III.3. Spesifikasi Katalis yang DipakaiPada perancangan ini digunakan katalis yang paling umum yaitu besi oksida dengan multi promotor. Komposisinya adalah sebagai berikut : FeO 32.91%, Fe2O3 58.23%, Al2O3 2.90%, K2O 0.54%, MgO 0.37%, SiO2 0.35%, CaO 2.80%, V2O5 2% (% berat).Bahan katalis= Besi OksidaDiameter katalis= 0,005 mDensitas katalis= 4900 kg/m3III.4. Persamaan yang Dibutuhkan untuk Membuat Profil Distribusia. Persamaan untuk Profil Distribusi Konversi

Dengan:B= Densitas bulk katalis, kg/m3(Spesifikasi katalis)= porositas tumpukan katalis, m3/m3(Spesifikasi katalis)Vt= elemen volume tube, m3IDT= diameter dalam tube, m= 1,33 inch(Tabel 10 Kern)FA0= laju alir C4H10 masuk eactor, kmol/jam(Lampiran-Neraca Massa)Nt= jumlah tube= 900 tube(Lampiran-Jumlah Tube)Z= panjang tube dihitung dari atas, m(-rA)= kecepatan reaksi C4H10, mol/jam.mass katalis

b. Persamaan untuk Profil Distribusi Temperatur

Dengan : Keterangan :Fi= laju alir umpan masuk reactor, kmol/jamCpi= kapasitas panas komponen, kJ/kmol.K(HR)= panas reaksi, kJ/kmol(Lampiran-Panas Reaksi)Ud= koefisien perpindahan panas overall kotor, kJ/jam.m2.KIDT= diameter dalam tube, mTp= suhu pemanas, K

c. Persamaan untuk Profil Distribusi Temperatur Pemanas

Keterangan : m= kecepatan alir fluida pemanas, kg/jam = 9850 kg/jamODT= 1,5 inchCpm= kapasitas panas pemanas, kJ/kmol.KT= suhu gas umpan, KTp= suhu pemanas, KUd= (Lampiran-Koefisien Transfer Panas Tube dan Shell)Nt= jumlah tube= 900 tube (Lampiran Perhitungan Jumlah Tube)

d. Persamaan untuk Profil Distribusi Tekanan

Keterangan :Po= tekanan gas pada saat masuk rektor, atmPL = tekanan gas setelah keluar reaktor, atmD= diameter tube, mL= panjang tube, m= porositas katalis, m3/m3G= kecepatan massa gas, kg/jam = densitas gas, kg/m3 = viskositas gas, kg/m.jamDp= diameter katalis, m

III.5. Gambar Profil Hasil Run Program

Gambar 1Profil Distribusi Konversi Panjang vs Konversi

Gambar 2Profil Distribusi Temperatur Panjang vs Temperatur

Gambar 3Profil Distribusi Tekanan Panjang vs Tekanan

Lampiran

Program Utamaclear allclcglobal FAo FBo FCo FDo FEo FFo Xo To Po D Si EPS DPT R Tr T1 P1 %Komponen% A = CH4% B = H2% C = N2% D = Ar% E = Air% F = Ammonia %Reaksi% C + 3B ----> 2F %Data umpan reaktorXo = 0; To =673; %KPo =200; %atmFAo = 516.143; % kmol/jamFBo = 14125.866; % kmol/jamFCo = 4578.526; % kmol/jamFDo = 105.714; % kmol/jamFEo = 6.464; % kmol/jamFFo = 492.368; % kmol/jam % Data OperasionalD = 1.75; %Diameter, mSi = 0.87; %Faktor aktifitasEPS = 0.459; %Porositas katalisDPT = 5.8e-3; %Diameter partikel, mR=1.987; %Tetapan gas ideal,cal/mol.K Tr=298; %Suhu referensi, K %Menghitung laju alir masing-masing komponen%Menyusun PD simultanZo = linspace (0,4,35);Yo = [Xo To Po];[Z,Y]=ode45('subtrk_ardhy',Zo,Yo);X=Y(:,1);T=Y(:,2);P=Y(:,3); disp(' ')disp('Hasil Perhitungan Bed 1')disp('_________________________________________')disp(' Tinggi Konversi Temperature Pressure ')disp(' (m) (K) (atm) ')disp('==============================================')for i = 1:35 fprintf('%8.4f%12.4f%14.4f%13.4f\n',Z(i),X(i),T(i),P(i))enddisp('______________________________________________') %disp([Z,Y])figure(1)plot(Z,Y(:,1),'blue-')title('Distribusi Konversi')xlabel('panjang(m)')ylabel('Konversi Nitrogen')figure(2)plot(Z,Y(:,2),'black-')title('Distribusi temperature')xlabel('panjang(m)')ylabel('Temperature(K)')figure(3)plot(Z,Y(:,3),'cyan-')title('Distribusi Tekanan')xlabel('panjang(m)')ylabel('Tekanan(atm)')

Program Subrutinfunction dYdZ=subrkt(Z,Y)global FAo FBo FCo FDo FEo FFo D Si EPS DPT R Tr %keterangan Y%Y(1)=X%Y(2)=T%Y(3)=P %data konstanta kecepatan reaksi, kmol/(jam.m3cat.atm2)k=0.5*Si*(1.7698e15)*exp(-40765/(R*Y(2)));LK=-2.691122*log10(Y(2))-5.519265e-5*Y(2)+1.848863e-7*Y(2)^2+(2001.6/Y(2))+2.6899;KEQ=10^LK;VH=exp((exp(-3.8402*(Y(2)^0.125)+0.1541))*Y(3)-(exp(-0.1263*(Y(2)^0.5)-15.98)).... *Y(3)^2+300*(exp(-0.011901*Y(2)-5.941))*(exp(-Y(3)/300)-1));VN=0.93431737+0.3101804e-3*Y(2)+2.95896e-4*Y(3)-2.707279e-7*Y(2)^2+0.4775207e-6*Y(3)^2;VA=0.1438996+0.2028538e-2*Y(2)-0.4487672e-3*Y(3)-0.1142945e-5*Y(2)^2+0.2761216e-6*Y(3)^2; FB=FBo-3*FCo*Y(1);FC=FCo*(1-Y(1));FF=FFo+2*FCo*Y(1);sigmamol=FAo+FB+FC+FDo+FEo+FF;xmolA=FAo/sigmamol;xmolB=FB/sigmamol;xmolC=FC/sigmamol;xmolD=FDo/sigmamol;xmolE=FEo/sigmamol;xmolF=FF/sigmamol; RX =k*(KEQ^2*Y(3)^(3/2)*(VN*xmolC*VH^(3/2)*xmolB^(3/2)/(VA*xmolF))-1/Y(3)*(VA*xmolF/.... (VH^(3/2)*xmolB^(3/2))));massaA=FAo*16.0426;massaB=FB*2.0158;massaC=FC*28.0134;massaD=FDo*39.948;massaE=FEo*18.0152;massaF=FF*17.0304;sigmamassa=massaA+massaB+massaC+massaD+massaE+massaF; xmassaA=massaA/sigmamassa;xmassaB=massaB/sigmamassa;xmassaC=massaC/sigmamassa;xmassaD=massaD/sigmamassa;xmassaE=massaE/sigmamassa;xmassaF=massaF/sigmamassa; %Data Cp (kJ/(kmol.K));% Cp = Cp(1)*T^4 + Cp(2)*T^3 + Cp(3)*T^2 + Cp(4)*T + Cp(5);CpA=3.9321E-11*Y(2)^4-1.5303E-07*Y(2)^3+1.9184E-04*Y(2)^2-0.039957*Y(2)+34.942;CpB=-8.7585E-12*Y(2)^4+3.188E-08*Y(2)^3-3.8549E-05*Y(2)^2+0.020178*Y(2)+25.399;CpC=2.5935E-13*Y(2)^4-4.3116E-09*Y(2)^3+1.0076E-05*Y(2)^2-0.035395*Y(2)+29.342;CpD=20.786;CpE=3.6934E-12*Y(2)^4-1.7825E-08*Y(2)^3+2.9906E-05*Y(2)^2-0.0084186*Y(2)+33.933;CpF=1.8569E-11*Y(2)^4-7.1783E-08*Y(2)^3+8.8906E-05*Y(2)^2-0.012581*Y(2)+33.573; IntCpB=(1/5)*-8.7585E-12*(Y(2)^5-Tr^5)+(1/4)*3.188E-08*(Y(2)^4-Tr^4)-(1/3)*3.8549E-05.... *(Y(2)^3-Tr^3)+(1/2)*0.020178*(Y(2)^2-Tr^2)+25.399*(Y(2)-Tr);IntCpC=(1/5)*2.5935E-13*(Y(2)^5-Tr^5)-(1/4)*4.3116E-09*(Y(2)^4-Tr^4)+(1/3)*1.0076E-05.... *(Y(2)^3-Tr^3)-(1/2)*0.035395*(Y(2)^2-Tr^2)+29.342*(Y(2)-Tr);IntCpF=(1/5)*1.8569E-11*(Y(2)^5-Tr^5)-(1/4)*7.1783E-08*(Y(2)^4-Tr^4)+(1/3)*8.8906E-05.... *(Y(2)^3-Tr^3)-(1/2)*0.012581*(Y(2)^2-Tr^2)+33.573*(Y(2)-Tr); DHr=-91858+(2*IntCpF-IntCpC-3*IntCpB); FCp=FAo*CpA+FB*CpB+FC*CpC+FDo*CpD+FEo*CpE+FF*CpF; %Data Viskositas (micropoise)%Konversi ke lb/ft.jam, dikalikan 2.42e-6% Vis = Vis(1)*T^2 + Vis(2)*T + Vis(3)VisA=-1.4303e-4*Y(2)^2+4.0112e-1*Y(2)+3.844;VisB=-3.2800e-5*Y(2)^2+2.1200e-1*Y(2)+27.758;VisC=-9.8800e-5*Y(2)^2+4.7500e-1*Y(2)+42.606;VisD=-1.2455e-5*Y(2)^2+6.3892e-1*Y(2)+44.997;VisE=1.6200e-5*Y(2)^2+4.2900e-1*Y(2)-36.826;VisF=-4.4700e-6*Y(2)^2+3.6700e-1*Y(2)-7.874; vis=((xmassaA/VisA)+(xmassaB/VisB)+(xmassaC/VisC)+(xmassaD/VisD)+(xmassaE/VisE)+.... (xmassaF/VisF));Visavg=(1/vis)*2.42e-6; BMRATA=xmolA*16.0426+xmolB*2.0158+xmolC*28.0134+xmolD*39.948+xmolE*18.0152+xmolF*17.0304;RG=0.08205; % m3.atm/(kmol.K)RHO=(Y(3)*BMRATA/(RG*Y(2)))*(2.205/35.31); % lb/ft3GC = 4.17E8; %lbm.ft/(jam2.lbf)ALT=22/7/4*D^2;GTL=sigmamol*BMRATA/ALT*(2.205/10.76); %lbm/(ft2.jam) dYdZ(1)=22/7*D^2*(RX)/(4*FCo);dYdZ(2)=(-(ALT*DHr*(RX)))/FCp;dYdZ(3)=(-GTL/(RHO*GC*DPT)*(1-EPS)/EPS*((150*(1-EPS)*Visavg/DPT)+1.75*GTL))*(1/2115.36);dYdZ=dYdZ';