Pra Ran Can Gan Reaktor

25
Fungsi : Mereaksikan Amoniak dengan Asam Sulfat sehingga diperoleh Amonium Sulfat Jenis Alat : Reaktor Gelembung Berpengaduk Kondisi operasi : Tekanan : 1 atm Suhu : 105 o C Reaksi yang Terjadi : 2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l) Untuk reaksi antara gas dan cairan dikenal teori dua lapisan film (Two Film Theory), dimana ada 4 hal yang berpengaruh, yaitu: 1. Difusi dari gas ke interface r=kg.ag. ( CgCig) Dengan : r = kecepatan difusi kg = koefisien perpindahan massa melalui lapisan gas Cg = konsentrasi gas mula-mula Cig = konsentrasi gas pada interface ag = interface area antara gas dengan cairan 2. Kesetimbangan gas-cair Cig=H.CiL

Transcript of Pra Ran Can Gan Reaktor

Page 1: Pra Ran Can Gan Reaktor

Fungsi : Mereaksikan Amoniak dengan Asam Sulfat sehingga diperoleh

Amonium Sulfat

Jenis Alat : Reaktor Gelembung Berpengaduk

Kondisi operasi :

Tekanan : 1 atm

Suhu : 105oC

Reaksi yang Terjadi :

2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l)

Untuk reaksi antara gas dan cairan dikenal teori dua lapisan film (Two Film

Theory), dimana ada 4 hal yang berpengaruh, yaitu:

1. Difusi dari gas ke interface

r=kg . ag .(Cg−Cig)

Dengan : r = kecepatan difusi

kg = koefisien perpindahan massa melalui lapisan gas

Cg = konsentrasi gas mula-mula

Cig = konsentrasi gas pada interface

ag = interface area antara gas dengan cairan

2. Kesetimbangan gas-cair

Cig=H .CiL

Dengan : Cig = konsentrasi gas pada interface

H = konstanta Henry

CiL = konsentrasi cairan pada interface

3. Difusi dari interface ke cairan

r=kL . ag .(CiL−CL)

Dengan : kL = koefisien perpindahan massa melalui lapisan

cairan

CiL = konsentrasi cairan pada interface

CL = konsentrasi cairan mula-mula

Page 2: Pra Ran Can Gan Reaktor

4. Reaksi di dalam cairan.

r=k .CL

Dengan : r = kecepatan reaksi

k = konstanta kecepatan reaksi

CL = konsentrasi cairan mula-mula

Jenis reaktor yang digunakan adalah reaktor gelembung. Pada prinsipnya,

berdasarkan pola aliranya, reaktor gas-cair dapat diklarifikasikan sebagai berikut:

1. Gas plug flow, cairan pug flow

2. Gas mixed flow, cairan plug flow

3. Gas mixed flow, cairan mixed flow

Jenis yang dipilih adalah gas dan cairan mixed (completely mixed), yaitu

dengan menambahkan pengaduk kedalam reaktor. Arah aliran umpan adalah

countercurrent yaitu asam sulfat masuk melalui bagian atas reaktor sedang

amoniak digelembungkan dengan sparger di dasar reaktor.

Menurut Froment,1979, reaksi antara gas NH3 dengan larutan H2SO4

adalah reaksi yang instan (instantaneous reaction), sehingga tahapan yang paling

berpengaruh adalah tahap transfer massa gas NH3 ke fase cairan ( larutan H2SO4)

Data-data untuk perancangan reaktor:

1. Menentukan difusifitas gas NH3 dalam larutan H2SO4

Nilai difusifitas dicari dengan persamaan :

D AL=1,03. 10−7 T1.75[ 1

MA+ 1

MB ]0.5

P [(∑ vi )]a13+[ (∑ vi )]b

13 ¿

0.5¿

Dengan: DAL = difusifitas zat A dalam cairan, m2/s

P = tekanan total, atm

MA,MB = berat molekul komponen, kg/kgmol

Vi = jumlah special diffusion film coefficeient

T = suhu sistem , K

Diperoleh nilai dal untuk sistem NH3- H2SO4 sebesar 2,39 . 10-5 m2/s

Page 3: Pra Ran Can Gan Reaktor

2. Menghitung tegangan muka

= NH3- H2SO4 = [P(L-v)]4

Dengan : = tegangan muka, dyne/cm

L, v = densitas pada fase cair dan gas, mol/cm3

P = parameter sudger parachor (perry, 1984)

Diperoleh nilai : H2SO4= 0.1297 dyne/cm

NH3- = 19.388 dyne/cm

= 19.258 dyne/cm

= 0.019kg/det2

3. Menentukan nilai koefisien transfer massa dari gas ke cairan (kLA)

Harga kofisiem transfer massa dihitung dengan persamaan van

dierendonck

kLA ¿0,423√ ul . g

l.√ DaL. l

ul

Dengan : ul = viskositas larutan, kg/m.det

l = densitas larutan , kg/m3

DaL = difusifitas gas dalam larutan, m2/s

Diperoleh nilai kLa = 4,41.10-2 m/s

PERHITUNGAN NERACA MASSA

Reaksi pembentukan ammonium sulfat merupakan reaksi netralisasi yang

sangat cepat (instantaneous reaction). Pada reaksi tersebut NH3 berdifusi melalui

lapisan film gas dan lapisan film cairan selanjutnya bereaksi dengan H2SO4 pada

fase cair.

Page 4: Pra Ran Can Gan Reaktor

Gambar 1. Skema mekanisme reaksi gas-cair di film cairan

Karena reaksi yang terjadi di badan cairan berlangsung dengan cepat,

maka peristiwa yang mengontrol proses secara keseluruhan adalah difusi gas

amoniak ke badan cairan asam sulfat. Reaksi yang terjadi adalah reaksi

eksotermis, sehingga untuk mempertahankan suhu perlu di tambahkan air

kedalam reaktor.

Reaksi yang terjadi :

2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l)

Kapasitas pabrik = 200.000 ton/tahun

Dengan jumlah hari operasi = 330 hari

1 hari = 24 jam

Produksi ammonium sulfat ¿200.000ton

tahunx

1000 kg1 ton

x1 tahun330 hari

x1 hari

24 jam

= 25.252,52525 kg/jam

Komposisi Produk :

Ammonium Sulfat = 0.9975%

Asam Sulfat = 0.001%

Air = 0.0015%

Page 5: Pra Ran Can Gan Reaktor

Jadi, Ammonium Sulfat yang dihasilkan = 0.9975 x 25.252,525 kg/jam

= 25.189,39 kg/jam

= 190.828742 kmol/jam

Perhitungan kebutuhan umpan:

1. Kebutuhan NH3 stokiometris = 2 x 190.828742 kmol/jam

= 381.6575kmol/jam

= 6488.177 kg/jam

Diambil jumlah amoniak yang tidak terdifusi sebesar 3% (Petrokimia Gresik),

maka :

Jumlah NH3 yang dimasukkan kedalam reaktor = 10097

x6488.177

= 6688.842 kg/jam

2. kebutuhan H2SO4 stokiometris = 190.828742 kmol/jam

= 18701.22 kg/jam

H2SO4 yang terikut produk reaktor = 25.25253 kg/jam

H2SO4 total yang dimasukkan dalam reaktor = 18726.47 kg/jam

H2SO4 98% yang diperlukan = 10098

x 18.726,7 kg/jam

= 19108.64 kg/jam

3. Menghitung kebutuhan H2O

H2O dalam larutan H2SO4 umpan = 0,02 x 19.108,64 kg/jam

= 382,1728 kg/jam

Larutan yang keluar dari reaktor adalah larutan amonium sulfat yang bersuhu

105oC. Dari hasil perhitungan didapatkan produk keluar reaktor mempunyai

kelarutan sebesar 62,34 gram ammonium sulfat / 100 gram air

Jumlah air dalam larutan keluar reaktor = 100

62.34x 25.189,39 kg/jam

= 40.406,5 kg/jam

Page 6: Pra Ran Can Gan Reaktor

Misal H2O yang di tambahkan = m kg/jam

Maka, jumlah H2O yang menguap = (m + 382,1728) – 40.406,5 kg/jam

Untuk mencari jumlah H2O yang di tambahkan digunakan neraca massa di sekitar

reaktor.

Neraca panas di sekitar reaktor:

H masuk reaktor = H keluar reaktor + HR reaksi

Suhu referensi adalah 25C

Jika di gambarkan secara sederhana :

NH3

H H2SO4

NH3 T1 H2O(g)

H2SO4 H2O(l)

H2O (NH4)2SO4(l)

H1 H2

HR (25oC)

H 1=∫298

343

m NH 3.cpNH 3. dT+∫298

305

m H 2 O .cpH 2O .dT ∫298

343

m H 2 SO 4. cpH 2 SO 4. dT

Mencari HR

2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l)

Hf ZA = -1173.1 kj/mol

Hf H2SO4 = -811.32 kj/mol

Hf NH3 = -46.19 kj/mol

HR = Hf ZA - Hf H2SO4 – 2.Hf NH3

= -1173.1 – (-811.32) – (2. -46.19)

= -269.4 kj/molZA

Page 7: Pra Ran Can Gan Reaktor

HR = -269.4 kj/molZA x 190.828742 kmol/jam

= -51409.26 kj/jam

H 2=∫298

378

m NH 3. cpNH 3. dT+∫298

378

m H 2O .cpH 2O .dT ∫298

378

m H 2 SO 4. cpH 2 SO 4. dT

+ H2O.m

HR = H1 + H2 + HR =0

Dengan cara trial dan error di dapat nilai m = 241.4586736 kg/jam

Jadi jumlah air yang di butuhkan adalah sebanyak 241.4586736 kg/jam

PERHTUNGAN DIMENSI REAKTOR

Kondisi operasi

Suhu = 105 C

Tekanan = 1 atm

Jenis reaktor yang dipakai adalah reaktor gelembung berpengaduk dengan

pertimbangan-pertimbangan sebagai berikut :

1. reaksi eksotermis dengan adanya pengadukan diharapkan transfer panas

akan merata

2. Dengan adanya pengadukan maka akan terbentuk luas interface yang lebih

besar sehingga gas akan lebih mudah terdifusi dan reaksi akan semakin

cepat terjadi

3. Dengan adanya pengadukan maka konsentrasi larutan di setiap titik adalah

sama (homogen) , sehingga tidak akan menyebabkan terbentuknya kristal

dalam reaktor.

Page 8: Pra Ran Can Gan Reaktor

Persamaan-persamaan matematis untuk reaktor :

Reaksi yang terjadi :

2NH3 (g) + H2SO4 (1) (NH4)2SO4(l)

aA + bB cC

FAo FBo FCo

FAo.XA12

FAo.XA12

FAo.XA

FAo.(1-XA) FBo-12

FAo.XA FBo-12

FAo.XA

General mole Balance equation :

FAo - FA –NA . Av . (1-og) . V = 0

FAo – Fao.XA –NA . Av . (1-og).V = 0

Fao.XA –NA . Av . (1-og). V = 0

NA . Av . (1-og). V = Fao.XA

V = Fao . XA

NA . Av .(1−og) ………………………………………. (1)

Dimana : NA=kl .CAi .(1+2.CBLCAi )………………………………………(2)

(Rase, 1977)

Dengan :

V = volume Reaktor , m3

Page 9: Pra Ran Can Gan Reaktor

Fao = kecepatan umpan masuk, kmol/jam

XA = konversi amonia

NA = kecepatan transfer massa amonia, kmol/m2.detik

Kl = koefisien transfer massa gas-caor , m/detik

CAi = konsentrasi ammonia di interface, kmol/m3

CBL = Konsentrasi asam sulfat dalam produk , kmol/m3

Av = Interfacial Area, 1/m

og = Hold up gas

Dari persamaan 1 & 2 diperoleh :

V = Fao . XA

kl .[CAi+ab

CBI ] Av .(1−og)

Untuk menghitung volume reaktor diperlukan persamaan-persamaan sebagai

berikut:

1. Kecepatan volumetric gas masuk (FA)

FA = FA .RTP . BM

(m3/jam)

gas =P . BM

RT (kg/m3)

Dengan :

FA = kecepatan aliran gas, kg/det

P = tekanan gas masuk, atm

BM = berat molekul gas, g/gmol

T = suhu gas masuk, K

2. Diameter gelembung

Perhitungan diameter gelembung diperluka untuk perancangan perforator.

Persamaan untuk menghitung diameter gelembung diperoleh dari froment, 1979.

Db = ( Eob .ll . g )

1 /2

Page 10: Pra Ran Can Gan Reaktor

Untuk N > 2.5 N*, Eob = 0.41

Untuk N > 2.5 N*, Eob = 0.21.[USG( l . gl )]

−1 /2

[ l3 . l

❑4 . g ]−1/8

Dengan :

N = kecepatan putaran pengaduk

N = [ FA . g .(drdi

)3,3

16 dr4 ]1/3

N* = kecepatan putaran karakteristik untuk pengeluaran gelembung

gelembung dan disperse gelembung gas dalam cairan , rps

N* dapat dihitung dengan persamaan :

N* = 2.[ HL−Kidr ]

1 /2

. [ l . gpl ] . dr

ds2

Dengan :

L = tegangan permukaan cairan , N/m

HL = tinggi permukaan cairan dalam tangki, m

Hs = Tinggi impeller, m

Jadi (HL-Hs) adalah tinggi cairan diatas pengaduk ketika belum ada

penggelembungan

og untuk larutan elektrolit dihitung dengan rumus :

og = 0,31.[ Usg

(l . g)pl

1/4 ]2 /3

+ 0,45 ¿¿

Dengan :

USg = kecepatan superficial gas, m/s

A = luas penampang reactor, m2

ds = diameter pengaduk, biasanya diambil = 1/3 diameter reactor

dr = diameter reaktor, m

Luas permukaan interface per satuan volum larutan untuk dispersi dapat

dihitung dengan rumus:

Page 11: Pra Ran Can Gan Reaktor

Av = 6.og

db .(1−og)

Harga koefisien transfer masssa, dihitung dengan rumus :

kl=0,42√ l . gpl

.√ DAB . pll

PERANCANGAN REAKTOR

A. MENENTUKAN DIMENSI REAKTOR

Dari perhitungan diperoleh hasil sebagai berikut:

Jumlah reactor = 1 buah

Volume reaktor = 46.3924 m3

Diameter reaktor = 3.6644 m

Over design factor 20%

Sehingga V reactor = 1.2 x 46.3924

= 55.67088 m3

Diameter = 4.39728 m

Diambil diameter standar 3.9624 m atau 156 in

Menurut rase(1977), tinggi reactor = 1,2 kali diameter reactor ditambah

dengan ruang bebas (vapor room) sebesar 3ft.

H reaktor = 1,2 X D reactor + 3ft

= 1.2 x 3.9624 m + 3 ft

= 5.6693 m

B. MENENTUKAN TEKANAN DESIGN

Tekanan dalam reactor = tekanan operasi + tekanan hidrostatik

Luas tampang reactor = Ar = ❑4

.(D standar)2

= ❑4

.(3.9624 )2

= 12.3249818 m2

Page 12: Pra Ran Can Gan Reaktor

Tinggi cairan dalam reactor =volume cairan dalamreaktor

luastampa ng reaktor

h=V x (1−og)

Ar=

55.6709 x (1−0.5649)12.34

=1.9653 m

P hidrostatik = l x g x h

= 1250.2 kg/m3 x 9.8 m/s2 x 1.9653092 m

= 24078.9 kg/m.s2

P operasi = 1 + 0,2407 atm = 1.240788895 atm

P design = 1.2 x 1.240 atm = 1.488946674 atm

= 21.699998159 psia

P gauge = 21,7 -14,7 psig

= 6.999998159 psig

C. MENENTUKAN TEBAL DINDING REAKTOR

Bahan yang di pakai : stainless steel

ID

Stainless steel

OD

Data-data untuk stainless steel :

F = 17.000 psia

= 0,8 (welded butt joint)

Tebal dinding reactor di hitung dengan rumus :

t= P . D2. f .−0,2 . P

+C

Dengan :

t = tebal dinding shell, inchi

P = tekanan system, psia

f = allowable stress, psia

= efisinsi sambungan,

C = corrosion allowance, inchi

Page 13: Pra Ran Can Gan Reaktor

D = diameter reaktor, inchi

Diperoleh nilai t :

t= P . D2. f .−0,2 . P

+C=0.124475∈¿

Diambil diameter standar = 0.25 in atau 4/16”

D. MENENTUKAN JENIS DAN UKURAN HEAD

Head yang dipilih : Torispherical Flanged and Dished Head.

Alasan pemilihan : head jenis ini dapat digunakan untuk vessel dengan

tekanan 15 – 200 psig (brownell & young, 1959)

Untuk menghitung tebal head digunakan persamaan-persamaan :

w=14 (3+√ RC

iCR ) dan th= P x RC xW2x F x−0,2 x p

Dengan

RC = jari jari dish, in

iCR = jari jari sudut dalam, in

w = factor intensifikasi tegangan untuk torispherical dished head

untuk asumsi awal digunakan teabal head = tebal dinding reactor = 0,25 in

Dengan ID reactor = 156 in

Dari table 5.7 B & Y diperoleh nilai RC = 144 in dan iCR = 9,375

Sehingga:

Page 14: Pra Ran Can Gan Reaktor

w=14 (3+√ RC

iCR )th= P x RC xW

2 x F x−0,2 x p

Tebal head standar 0,375 in

E. MENENTUKAN

F. MENENTUKAN POWER PENGADUKAN

Power pengadukan tanpa gas dihitung dengan menggunakan Fig. 8.7

(Rase,1977)

Dengan:

= 1.201 g/cm3

N = 2 rps

Dimp = 1.3207 m = 132.07 cm

= 2.6 cp = 0.026 g/cm.s = 0.0017474 lb/ft.s

ℜ= x N x Dimp2

❑=

1.201g

cm 3x2 rps x (132.07 cm)2

0.026 g /cms= 1611417.259

Dari fig 8.7 (rase, 1977 ) diperoleh nilai Np 1.3

Pa= Np. N . Di2

550. gc = 3808.804 HP

Sehingga diperoleh nilai Pa sebesar …. Hp

Sedangkan power pengadukan cairan dan gas (Pa)g dihitung dengan

persamaan:

(Pa)g ¿0.08 x [ Pa2 x Nx Dimp3

Qg0.56 ]0.45

Dengan: Qg = kecepatan volumetric gas = 8291.31 ft2/menit

Pa = power pengadukan tanpa gas = 3808.804 HP

N = kecepatan putar pengaduk = 2rps

Sehingga (Pa)g = 335.3520 HP

Diambil efisiensi motor = 80% sehingga power motor yang digunakan :

Page 15: Pra Ran Can Gan Reaktor

P=10080

x Hp = 419.19 HP

Diambil power pengadukan sebesar 450 Hp

G. MENENTUKAN LAYOUT PERFORATOR

Diameter gelembung yang diperoleh dari hasil perhitungan:

Db = 0.00065 m = 0.65 mm

Diameter lubang perforator dihitung dengan rumus :

do1.17=1.35(USG2

g )( lgpl )

13

(USG2 pll )

0.5

db

(froment, 1979)

Dengan :

USG = kecepatan gas melalui pipa berlubang = 0.2186 m/s

Db = diameter gelembung = 0.00065m = 0.65 mm

= tegangan permukaan cairan = 0.019 kg/det2

= rapat massa cairan =1835 kg/m3

Sehingga diperoleh diameter lubang perforator = 1.0058 x 10-6 m =

0.001058 mm

Kecepatan volumetric gas melalui lubang orifice :

Q 1=( π6

x g0.6 x db3

1.378 )5/6

m / s

(Perry , 1984)

Q1 = 1.395x10-8 m3/s

Kecepatan gas masuk reactor = Q = 2.3031 m3/s

Jumlah lubang perforator = n = Q/Q1 =165138975 buah

Luas total lubang = n . Ao = n . π/4 do2 = 131.1486 m2

Dipilih susunan lubang triangular Pitch dengan jarak antar pusat lubang (s)

= 2-5 diameter lubang orifice (do) (Treybal , 1984). Dipilih s = 3.5 do.

Page 16: Pra Ran Can Gan Reaktor

Dari fig 8-69 Ludwig, luas lubang orifice = 7,5 % luas plate

Luas plate = 1748.65 m2

Diameter plate = 23.5986 m

H. PERANCANGAN PIPA PEMASUKAN DAN PENGELUARAN

1. Pipa pemasukan larutan H2SO4

Peersamaan yang dipakai :

Diopt = 3,9 x Q0,45 x 0.13 untuk aliran turbulen

Diopt = 3,9 x Q0,36 x 0.18 untuk aliran laminar

( Peter & Timmerhaus, 1981)

Dengan Diopt = diameter dalam pipa optimum, m

Q = debit cairan masuk = 0.488 ft3/det

= massa jenis cairan= 70 lb/ft3

Diperoleh Diopt = 4.9058 in (turbulen)

=4.9781 in (laminar)

Asumsi aliran turbulen.

Dipilih ukuran pipa standar : NPS 5 ; Sch 40 ; OD = 5,563 in, ID = 5.047

in, A =20.01 in2

Cek aliran : v = QA

= 3.51212 ft/detik

ℜ= vD❑ = 59169.855 aliran turbulen, jadi asumsi benar

2. Pipa pemasukan NH3

Tekanan gas Nh3 masuk reactor = tekanan reactor + tekanan hidrostatis

= 1.24078 atm

Densitas gas NH3 = P . BM

R .T

= 0.64004 kg/l

= 39.9564lb/ft3

Kecepatan aliran gas =6688.8422 kg/jam

= 4.0962 lb/s

Page 17: Pra Ran Can Gan Reaktor

Qv = 0.1025 ft3/s

Diopt = 4.9059 in (laminar)

Diopt =4.9782 in (turbulen)

Asumsi aliran turbulen.

Dipilih ukuran pipa standar : NPS 1 ½ ; Sch 40 : OD =1.9 in ID = 1.61 in

A = 2.0348 in2

Cek aliran : v=QA

= 7.25557 ft/det

ℜ= vD❑

= 22257.874 aliran turbulen, jadi asumsi benar

3. Pipa pengeluaran gas H2O dan NH3

Kecepatan aliran gas = 11982.860 kg/jam

=7.3382 lb/s

Densitas campuran gas = 0.578 kg/L

=36.0833 lb/ft3

Qv = 0.20337 ft3/s

Diopt =3.22 in (laminar)

Diopt =3.03 in (turbulen)

Asumsi aliran turbulen.

Dipilih ukuran pipa standar : NPS 1 ½ ; Sch 40 : OD =3.5 in ID = 3.068 in

A = 7.3889 in2

Cek aliran : v=QA

= 3.96371 ft/det

ℜ= vD❑

= 20924.9 aliran turbulen, jadi asumsi benar

4. Pipa pengeluaran hasil ammonium sulfat

Kecepatan aliran gas = 25189.3939 kg/jam

= 15.4258 lb/s

Densitas campuran gas = 1250 kg/L

=78034.956 lb/ft3

Page 18: Pra Ran Can Gan Reaktor

Qv = 0.0002 ft3/s

Diopt = 3.3042 in (laminar)

Diopt = 2.9092 in (turbulen)

Asumsi aliran turbulen.

Dipilih ukuran pipa standar : NPS 1 ½ ; Sch 40 : OD = 3.5 in ID = 3.068 in

A =7.3889 in2

Cek aliran : v=QA

=0.00385 ft/det

ℜ= vD❑

= aliran turbulen, jadi asumsi benar

Page 19: Pra Ran Can Gan Reaktor