13-reaktor fixed bed r-01
Post on 12-Jan-2017
1.621 Views
Preview:
TRANSCRIPT
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
68
REAKTOR (R-01)
Tugas : Mereaksikan 10929,03 kg/jam methanol menjadi 6293,34 kg/jam
dimethyl ether dengan bantuan katalis silika alumina
Jenis : Reaktor Katalitik Fixed Bed
Menurut studi dari Heide Ambruster berjudul “Methanol (MeOH) /
Dimethyl ether (DME) as an Alternative Fuel for Diesel Engines” yang diperoleh
dari www.che.cemr.wvu.edu yang juga mengutip dari jurnal dengan judul
“Catalytic Dehydration of methanol to Dimethyl ether. Kinetic Investigation and
Reactor Simulation” oleh G. Bercic et al., yang dimuat dalam majalah Industrial
and Engineering Chemistry, vol. 32, 1993, dan juga didapat dari situs
http://www.patentstorm.us/patents/5750799/fulltext.html yaitu tentang US Patent
nomor 5750799 – “Dimethyl ether production and recovery from methanol”
diketahui bahwa kondisi operasi pembuatan dimethyl ether dari methanol adalah:
Fasa : Gas
Tekanan : di atas 14 atm
Suhu : di atas 250oC
Katalis : Silika-Alumina (SiO2.Al2O3.MgO)
Diameter katalis : 3 mm (Amorf-spherical)
Suhu deaktivasi : 400oC
Kondisi reaksi : Eksotermis
URAIAN PROSES
Dimethyl ether dapat diperoleh dengan reaksi dehidrasi methanol
melewati katalis alumina amorf yang di-coating dengan 10,2 % silika. Reaksi
yang terjadi adalah reaksi reversible dan reaktan masuk reaktor pada fase gas.
Reaksi dehidrasi methanol menjadi dimethyl ether merupakan reaksi eksotermis
dengan ∆Hr (25oC) = -11.770 kJ/kmol (jurnal” Production of Dimethyl Ether”)
sehingga suhu keluar reaktor lebih tinggi dari 250oC.
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
69
Reaktor dijalankan pada kondisi adiabatis karena panas reaksi yang
tidak terlalu besar, sehingga tidak memerlukan media pendingin. Reaksi dibatasi
oleh konversi kesetimbangan dan diinginkan konversi methanol menjadi dimethyl
ether sebesar 80%. Didasari oleh katalis dan kinetika reaksi maka reaktor harus
dioperasikan pada tekanan di atas 14 atm.
Tidak ada reaksi samping yang signifikan pada suhu di bawah 400oC,
sedangkan pada suhu di atas 400oC akan terjadi deaktivasi katalis sehingga reaktor
dirancang agar tidak terjadi suhu yang melebihi 400oC di bagian manapun dari
reaktor. Desain reaktor menggunakan single bed catalytic packed bed reactor
dengan katalis amorphous alumina yang di-coating dengan 10,2 % silika. Kondisi
eksotermis suhu keluar reaktor 346,79oC (cukup jauh dari angka batas 400oC yang
dapat mendeaktifasi katalis dan konversi sebesar 80% serta konsentrasi reaktan
yang rendah di bagian ujung reaktor mencegah kemungkinan terjadinya run away.
REAKSI KIMIA
Reaksi kimia yang terjadi pada dehidrasi methanol menjadi dimethyl
ether adalah sebagai berikut :
2 CH3OH ↔ CH3-O-CH3 + H2O . . . . . . . . . . . . . (1)
methanol dimethylether
Konversi pembentukan dimethyl ether mencapai 95% pada kesetimbangan.
Persamaan kecepatan reaksi didapat dari data jurnal, pada suhu reaksi di atas
250oC maka oleh Bondiera dan Naccache dinyatakan sebagai berikut:
methanolmethanol PRTEakr ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −=− exp0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2)
dimana :
-r methanol = kecepatan reaksi pengurangan methanol
k0 = faktor tumbukan = 1,21x106 kmol/m3 reaktor.jam.kPa
Ea = energi aktivasi = 80,48 kJ/mol
Pmethanol = tekanan parsial methanol (kPa)
R = 8,3144 J/mol.K
T = suhu (K)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
70
Sedangkan konstanta kecepatan reaksi (k1) adalah :
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −=
RTEakk exp01 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3)
sehingga nilai konstanta kecepatan reaksi (k1) adalah sebagai berikut:
kPajamreaktormkmol
TKmolj
molj
xk ...3144,8
80480exp.1021,1 3
61
⎟⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜⎜
⎝
⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
−=
kPajamreaktormkmol
Txk ..
59,9679exp.1021,1 36
1 ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −= . . . . . . (4)
Maka persamaan kecepatan reaksi menjadi :
jamreaktormkmolP
Txr methanolmethanol .
59,9679exp.1021,1 36 ⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −=− . . . (5)
KESETIMBANGAN
Konstanta kesetimbangan reaksi diperoleh dari persamaan :
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Δ−
=RT
GKp exp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (6)
(Smith and Van Ness,1959)
dengan nilai -∆G diperoleh dari persamaan :
RS
RTH
RTG Δ
+⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Δ−
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ Δ− . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (7)
(Smith and Van Ness,1959)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
71
Persamaan (7) dan (8):
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡ Δ+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ Δ−
=RS
RTHKp exp
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ += BTAKp exp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (8)
dimana : R
HA Δ−=
RSB Δ
=
dengan ∆S = perubahan entropi reaksi
Dari data jurnal diketahui nilai konstanta kesetimbangan (Kp) untuk masing-
masing suhu pada kisaran reaksi, yaitu:
Tabel 1. Nilai Kp pada Reaksi Dehidrasi Metanol menjadi Dimetil Eter
T (oC) T (K) Kp
200 473 34,1
300 573 12,4
400 673 6,21
Dengan menyelesaikan tiga data di atas sebagai hubungan linier antara 1/T (1/K)
terhadap ln(Kp) maka akan diperoleh konstanta-konstanta persamaan Kp sebagai
fungsi suhu.
Mencari Harga )(TfKp =
Linierisasi persamaan (9) :
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ += BTAKp exp
( ) BTAKp +=ln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (9)
BxAy += . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (10)
dimana : ( )Kpy ln=
T
x 1=
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
72
Konstanta Kesetimbangan
y = 2712.8816x - 2.2093
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
0 0.0005 0.001 0.0015 0.002 0.0025 0.003
1/T (1/K)
ln K
p
Gambar 1. Hubungan antara ln (Kp) versus 1/T
Dari plot hubungan antara ln Kp versus 1/T dapat diperoleh nilai konstanta A dan
B sehingga diperoleh persamaan )(TfKp = sebagai berikut :
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −= 2093,28816,2712exp
TKp . . . . . . . . . . . . . . . . (11)
Kinetika Reaksi
Laju reaksi dehidrasi methanol menjadi dimethyl ether dan air :
OHCHOCHOHCH 2333 21
21
+−−
CBA21
21
+
Karena reaksi bolak-balik maka laju reaksi dikoreksi menjadi :
( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛−=− kataliskgjam
kmolPPkPkr CBAA .5,05,0
21 . . . . . . . . (12)
2
1
kk
Kp = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (13)
Masukkan persamaan (14) ke dalam persamaan (13), maka diperoleh :
( ) ⎟⎠⎞
⎜⎝⎛
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−=− kataliskgjam
kmolPPKpk
Pkr CBAA .5,05,01
1 . . . . . . (14)
k1
k2 k1
k2
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
73
Stoikiometri
Untuk menentukan tekanan parsial gas di sepanjang reaktor maka perlu dihitung
terlebih dahulu stoikiometri reaksinya.
Reaksi : OHCHOCHOHCH 2333 21
21
+−−↔
Penyederhanaan : CBA21
21
+↔
Mula-mula : FA0 FB0 FC0
Reaksi : FA0.XA 0,5 FA0.XA 0,5 FA0.XA
Sisa : FA0(1-XA) FB0 + 0,5 FA0.XA FC0 + 0,5 FA0.XA
Mol total : CBAT FFFF ++= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (15)
( )[ ] [ ] [ ]AACAABAAT XFFXFFXFF 00000 5,05,01 ++++−=
000 CBAT FFFF ++= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (16)
Kemudian dikalkulasi fraksi mol gas di sepanjang reaktor :
T
ii F
Fy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (17)
Dengan yi = fraksi mol komponen i
Fi = mol flowrate komponen i (kmol/jam)
FT = mol flowrate total (kmol/jam)
Jadi, tekanan parsial komponen i di sepanjang reaktor adalah :
Tii PyP .= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (18)
Dengan Pi = tekanan parsial komponen i (kPa)
yi = fraksi mol komponen i
PT = tekanan total sistem (kPa)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
74
NERACA MASSA
Perhitungan neraca massa dipakai untuk mencari konversi di sepanjang reaktor.
Adapun asumsi-asumsi yang diambil :
1. Aliran plug flow, dimana tidak terjadi gradien konsentrasi ke arah radial
2. Dispersi aksial diabaikan
3. steady state
Pemodelan neraca massa dilakukan pada pipa berisi tumpukan katalisator pada
elemen volum sebesar A.∆z.
Neraca Massa Komponen A (Metanol Fase Gas) pada Elemen Volum A.∆z :
(rate of input) – (rate of output + rate of reaction) = (rate of accumulation)
( )[ ] 0..'|| =Δ−+− Δ+ zArFF BAZZAZA ρ
[ ] ( )'..||0 AB
ZAZZA
zrA
zFFLim −−=
Δ−Δ+
→Δρ
( )'.. ABA rA
dzdF
−−= ρ , karena ( ) ( )AAB rr −=− '.ρ , maka :
( )AA rAdz
dXaF −−=− 0
( )0A
AA
FAr
dzdX −
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (19)
atau
( )0
2
4 A
AA
FDr
dzdX π−
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (20)
Dengan : Fa0 = Kecepatan aliran masuk komponen A (kmol/jam)
A = Luas penampang reaktor alir pipa (m2)
ρB = densitas bulk katalis dalam reaktor (kg/m3)
FA FA - ∆FA
XA + ∆XA XA
∆z
D
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
75
Penentuan Porositas dan Densitas Bulk Partikel Katalis
Fraksi ruang kosong dalam bed diberikan oleh persamaan berikut :
⎥⎥⎥⎥
⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎣
⎡
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛ −
++= 2
2
21073,038,0
dpD
dpD
ε . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (21)
(Froment and Bischoff, 1990)
Dengan : ε = Void fraction / porositas katalis dalam bed
D = Diameter bed (m)
dp = Diameter katalis (m)
Densitas bulk partikel katalis ditentukan dari neraca massa bed :
Massa bed = massa fluida + massa padatan
PPffbedB VVV ... ρρρ += . . . . . . . . . . . . . . . . . . (22)
Karena fluida dalam kasus ini adalah gas ( PPff VV .. ρρ <<< ), maka :
PPbedB VV .. ρρ =
( )( )zAzA PB .1).( ερρ −=
( )ερρ −= 1PB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (23)
Dengan : ρB = densitas bulk katalis dalam reaktor (kg/m3)
ρP = densitas partikel katalis (2014 kg/m3)
ε = Void fraction / porositas katalis dalam bed
Partikel Katalis Bed
Ruang Kosong
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
76
NERACA PANAS
Perhitungan neraca massa dipakai untuk mencari temperatur di sepanjang reaktor.
Adapun asumsi-asumsi yang diambil :
1. Aliran plug flow, dimana tidak terjadi gradien konsentrasi ke arah radial
2. Dispersi aksial diabaikan
3. steady state
4. Panas hilang cukup kecil sehingga dapat diabaikan (diisolasi)
5. Kapasitas panas (Cp) dan viskositas gas (µ) hanya fungsi suhu (T)
Pemodelan neraca panas pada tumpukan katalisator pada elemen volum A.∆z
Neraca Panas Fase Gas pada Elemen Volum A.∆z :
(rate of input) – (rate of output) + (heat of reaction) = (rate of accumulation)
( ) ( ) ( ) ( ) 0..'|.|. =Δ−Δ−+−−− ∑∑ Δ+ RBAZZRZR HzArTTCpiFiTTCpiFi ρ
[ ] ( ) ( )RBAZZZ
zHAr
zCpiTFiCpiTFi
Lim Δ−−=Δ
−∑∑ Δ+
→Δ..'
|.|.0
ρ
( ) ( )RBA HArdzdTCpiFi Δ−−=∑ ..'. ρ
( ) ( )ArCpiFi
HdzdT
AR −
Δ−=∑ .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (24)
Atau :
( )dz
dXF
CpiFiH
dzdT A
AR
0.∑Δ−
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (25)
Dengan : T = Suhu gas (K)
Fi = Kecepatan aliran massa komponen i (kmol/jam)
Cpi = Kapasitas panas komponen i ( )Kkmolkcal
.
T T + ∆T XA + ∆XA XA
∆z
D
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
77
PANAS REAKSI
Reaksi pembentukan Dimethyl Ether dari Metanol :
OHCHOCHOHCH 2333 21
21
+−−↔
Metanol Dimethyl ether Air
∫ Δ+Δ=ΔT
TRRR dTCpHH .0 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (26)
Tabel 2. Entalpi Pembentukan Gas – Komponen Organik (Yaws, 1999)
No Rumus Molekul Komponen Hf pada 298 K, kjoule/mol
1 CH4O Methanol -210,17
2 C2H6O Methyl Ether -184,05
3 H2O Water -241,80
Panas reaksi dehidrasi metanol pada suhu referensi 298 K (fase gas) adalah :
( ) ( )∑∑ Δ−Δ=ΔREAKTANfPRODUKfREAKSI HnHnH .. . . . . . . . . . . . . . . . . (27)
( ) ( ) ( )17,21080,2412105,184
21
)298(0 −−⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −+−=Δ KRH
molkjouleH KR 755,11)298(0 −=Δ
Atau
kmolkjH KR 755.11)298(0 −=Δ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (28)
Kapasitas Panas Campuran Gas
Kapasitas panas campuran gas dipengaruhi oleh komponen gas dan suhu :
∫∫∫∫∫ Δ+Δ+Δ+Δ=ΔTTTTT
dTTddTTcdTTbdTadTCp298
3
298
2
298298298
........ . . . . . . . . (29)
Adapun harga Cp tiap komponen diperoleh dari literatur dengan persamaan:
( )KkmolkJDTCTBTACp .
32 +++= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (30)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
78
Tabel 3. Kapasitas Panas Gas – Komponen Organik (Reid, 1987)
Komponen A B C D
Metanol 21,15 7,0920 E-02 2,5870 E-05 -2,8520 E-08 Dimetil Eter 17,02 1,7910 E-01 -5,2340 E-05 -1,9180 E-09 Air 32,24 1,9240 E-03 1,0550 E-05 -3,5960 E-09
Dari harga masing-masing Cp dan reaksi pembentukan dimetil eter di atas dapat
diperoleh konstanta sebagai berikut :
( ) ( )[ ] [ ] 3,4821,15011,702E21013,224E2
1 =−+++=Δa
Dan seterusnya : 02-1,9592E=Δb
05--4,6765E=Δc
08-2,5763E=Δd
Kemudian diperoleh persamaan ( )TfH R =Δ :
( )( ) ( )22 2982
029592,129848,3755.11 −−
+−+−=Δ TETH R
( ) ( )4433 2984
085763,22983
056765,4−
−+−
−−+ TETE . . . . . . . (31)
VISKOSITAS GAS (µi)
Harga viskositas gas diperoleh dari literatur dengan persamaan :
µi = A + BT + CT2 (µ poise = 10-6 g/cm.s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (32)
Tabel 4. Viskositas Gas – Komponen Organik (Yaws, 1999)
Komponen A B C
Metanol -14,236 3,8935 E-01 -6,2762 E-05
Dimetil Eter -4,276 3,0262 E-01 6,3528 E-05
Air -36,826 4,2900 E-01 -1,6200 E-05
Sedangkan untuk viskositas campuran gas :
∑∑= 5.0
5.0
.
..
ii
iiiM BMy
BMy μμ (Perry, 1984). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (33)
Dengan yi = fraksi mol komponen i
µi = viskositas gas i (dikonversi menjadi kg/m.jam → x 3,6E-04)
BMi = Berat Molekul komponen i (kg/kmol)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
79
Penentuan Diameter Reaktor
Diameter reaktor ditentukan dari densitas dan flowrate massa gas masuk reaktor.
Campuran gas masuk reaktor diasumsikan sebagai gas ideal sehingga :
nRTPV = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (34)
RTBM
mPVG
=
TRVmBMP G .. =
TRBMP GG ... ρ=
TR
BMP GG .
.=ρ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (35)
Dengan : ρG = Densitas campuran gas (kg/m3)
P = Tekanan total gas (atm)
BMG = Berat molekul campuran gas (kg/kmol)
R = 0,08206 ( )Kkmolmatm
.. 3
T = Suhu gas (K)
Berat molekul campuran gas ditentukan dari fraksi mol dan berat molekul masing-
masing komponen, yaitu :
∑= iiG BMyBM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (36)
Dengan yi = fraksi mol komponen i
BMi = Berat Molekul komponen i (kg/kmol)
Kecepatan massa superfisial campuran gas (G) ditentukan dari nilai
kecepatan gas pada luas penampang reaktor kosong (tanpa bed) dengan kisaran
nilai antara 0.005 – 1 m/s (Ulrich, 1984)
GGUG ρ.= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (37)
Dengan : G = Kecepatan massa superfisial campuran gas (kg/jam.m2)
UG = Kecepatan gas (m/jam)
ρG = Densitas campuran gas (kg/m3)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
80
Kemudian luas penampang reaktor dapat diperoleh dari persamaan :
G
FMA T= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (38)
Dengan : A = Luas penampang reaktor (m2)
FMT = Flowrate massa gas total (kg/jam)
Maka diameter reaktor dapat ditentukan :
2
14
⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=πAID . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (39)
Dengan : ID = Diameter dalam reaktor (m)
A = Luas penampang reaktor (m2)
π = 3,14
Pemilihan nilai UG akan mempengaruhi panjang bed (z,m) dan
diameter reaktor (ID, m) sehingga sangat menentukan berat katalis yang akan
dipakai dalam reaktor. Nilai UG yang dipakai adalah UG yang memberikan berat
katalis minimum pada konversi yang diinginkan (dalam kasus ini konversi 80 %)
namun masih dalam batasan umum fixed bed reactor (Ulrich, 1984).
Tabel 5. Batasan Umum Fixed Bed untuk Fase Gas
Komponen Batasan
Diameter bed, D (m) 0,3 – 4
Tinggi bed, L (m) 0,3 – 30
Porositas, ε 0,35 – 0,70
Ukuran partikel katalis, dp (m) < 0,1 D
Kecepatan superfisial fluida (menara kosong), UG (m/s) 0,005 – 1
Pressure drop (kPa/m) 0,001 – 1
Suhu maksimum bahan Carbon Steel (oC) 450
L/D (syarat aliran Plug flow) ≥ 4
(Ulrich, 1984)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
81
PRESSURE DROP
Pressure drop aliran fluida melalui tumpukan katalis menggunakan persamaan
Ergun :
( )
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
−= Gdpdpg
GdzdP M
CG
75,111501
.. 3
μεεε
ρ. . . . . . . . . . . . . (40)
(Fogler, 1999)
Dengan : P = tekanan (lbf / ft2)
ε = porositas
gc = 4,17 x 108 lbm.ft / jam2.lbf (penyehat satuan)
dp = diameter partikel katalis (ft)
µ = viskositas campuran gas (lbm / ft.jam)
z = panjang reaktor pipa (ft)
G = kecepatan massa superfisial gas (lbm / ft2.jam)
Tetapi karena dalam perhitungan sebelumnya dipakai satuan SI, maka persamaan
Ergun tersebut perlu dirubah dahulu (modifikasi) ke dalam satuan SI sehingga
perlu dikalikan faktor koreksi (gcc).
( )
CCM
CG
gGdpdpg
GdzdP
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛+
−⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ −
−= 75,111501
.. 3
μεεε
ρ . . . . . . . . (41)
Dengan : P = tekanan (kPa)
ε = porositas
dp = diameter partikel katalis (m)
µ = viskositas campuran gas (kg / m.jam)
z = panjang reaktor pipa (m)
G = kecepatan massa superfisial gas (kg / m2.jam)
gc = 127101600 kgfjammkgm
..
2 (penyehat satuan)
gCC = 9,807 x 10-3 2m
kgfkPa (faktor koreksi)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
82
PROGRAM REAKTOR FIXED SINGLE TUBULAR BED (MATLAB)
function fixedbedreactorcpreidmodergunDW clc clear all global Fao Fbo Fco ya yb yc dp A Fa Fb Fc Ft BMa BMb BMc rhog G por rhob % Input Data Umpan (kg/jam) % a = Metanol; b = Dimetil Eter (DME); c = Air FMao=10929.0300; FMbo=7.9946; FMco=5.2314; FMt=FMao+FMbo+FMco; % Trial Ug, Fluid Superficial Velocity (m/s) % (batasan Ulrich = 0.005 - 1 m/s) Ugt=0.21; % Konversi Ugt menjadi m/jam: Ug=Ugt*3600; % BM komponen (kg/kmol) BMa=32.043; BMb=46.07; BMc=18.02; % Mol Flowrate (kmol/jam) Fao=FMao/BMa; Fbo=FMbo/BMb; Fco=FMco/BMc; Fto=Fao+Fbo+Fco; % Data input: xa0=0; % Konversi inlet T0=523.15; % Temperature Inlet (K) P0=14.8*101.325; % Tekanan inlet (kPa) BMg=BMa*(Fao/Fto)+BMb*(Fbo/Fto)+BMc*(Fco/Fto);% BM campuran gas dp=0.003; % Diameter katalis (m) R=0.08206; % Gasconstant(atm.m3/kmolK) rhog=((P0/101.325)*BMg)/(R*T0); % densitas camp gas(kg/m3) G=Ug*rhog; % kg/jam/m2 A=FMt./G; % LuasPenampang Reaktor(m2) D=(4*A/3.14)^0.5; % Diameter Reaktor (m) rhok=2014; % densitas katalis (kg/m3) por=0.38+0.073*(1+((D/dp-2)^2/(D/dp)^2)); % porositas rhob=rhok*(1-por); % rho bulk katalis (kg/m3) [Z,Y] = ode45(@reactor,[0 10],[xa0 T0 P0]); %profil profil=[Z Y(:,1) Y(:,2) Y(:,3)]'; figure(1) plot(Z,Y(:,1),'b-') title('Profil Konversi Metanol terhadap Panjang Bed') xlabel('Panjang bed, meter') ylabel('Konversi Metanol') figure(2) plot(Z,Y(:,2),'r-') title('Profil Suhu Bed terhadap Panjang Bed') xlabel('panjang bed, meter') ylabel('Suhu bed, K') figure(3) plot(Z,Y(:,3),'g-') title('Profil Tekanan terhadap Panjang Bed') xlabel('panjang bed, meter') ylabel('Tekanan, kPa')
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
83
%output disp('Fixed Bed Reactor: Single Bed Catalyst') disp('Detail:') fprintf('Laju massa umpan total = %6.4f kg/jam\n',FMt) fprintf('Fluid Superficial Velocity = %6.4f m/s\n',Ugt) fprintf('Diameter Reaktor = %6.4f m\n',D) fprintf('Porositas = %6.4f \n',por) fprintf('BM Gas = %6.4f kg/kmol\n',BMg) fprintf('Rho Gas = %6.4f kg/m3\n',rhog) fprintf('Rho Bulk = %6.4f kg/m3\n\n',rhob) disp('Profil') disp('Panjang bed, m Konversi Suhu, K Tekanan, kPa') disp('-------------- -------- -------- ------------') fprintf(' %7.4f %6.4f %6.4f %6.4f\n',profil) function dy=reactor(z,y) global Fao Fbo Fco ya yb yc dp A Fa Fb Fc Ft BMa BMb BMc rhog G por rhob dy=zeros(3,1); % Stoikiometri Fa=Fao*(1-(y(1))); Fb=Fbo+0.5*Fao*(y(1)); Fc=Fco+0.5*Fao*(y(1)); Ft=Fa+Fb+Fc; % Fraksi Mol ya=Fa/Ft; yb=Fb/Ft; yc=Fc/Ft; % Tekanan Parsial Pa=ya*(y(3)); Pb=yb*(y(3)); Pc=yc*(y(3)); % kinetika reaksi k1=1.21e6*exp(-9679.59/(y(2))); % kmol/m3.jam.kPa Kp=exp(2712.8816/(y(2))-2.2093); % Kesetimbangan rp=(k1*Pa)-(k1/Kp)*(Pb^0.5)*(Pc^0.5); % kmol/m3.jam % Kapasitas Panas (kJ/kmol.K) Cpa=21.15+7.092e-2*(y(2))+2.587e-5*(y(2))^2-2.852e-8*(y(2))^3; Cpb=17.02+1.791e-1*(y(2))-5.234e-5*(y(2))^2-1.918e-9*(y(2))^3; Cpc=32.24+1.924e-3*(y(2))+1.055e-5*(y(2))^2-3.596e-9*(y(2))^3; % Perhitungan Neraca Panas CpdT=3.48*((y(2))-298)+0.019592/2*((y(2))^2-298^2)-4.975e-6/3*((y(2))^3-298^3)+2.5763e-8/4*((y(2))^4-298^4); DHRo=-11755; % kJ/kmol minDHR=-(DHRo+CpdT); % kJ/kmol FiCpi=Fa*Cpa+Fb*Cpb+Fc*Cpc; % kJ/jam.K % Profil konversi dy(1)=rp*A/Fao; % Profil suhu bed dy(2)=rp*A*minDHR/FiCpi; % Viskositas (Yaws, micropoise = 1e-6 g/cm.s) myuA=-14.236+3.8935e-1*(y(2))-6.2762e-5*(y(2))^2; myuB=-4.2760+3.0262e-1*(y(2))+6.3528e-5*(y(2))^2; myuC=-36.826+4.2900e-1*(y(2))-1.6200e-5*(y(2))^2; myuG=((ya*myuA*BMa^0.5)+(yb*myuB*BMb^0.5)+(yc*myuC*BMc^0.5))/((ya*BMa^0.5)+(yb*BMb^0.5)+(yc*BMc^0.5)); myuG1=myuG*3.6e-4; % mikropoise dikonversi jadi (kg/m.jam) % Profil tekanan (kPa/m) gc=127101600; % kg.m/jam2.kgf gcc=9.807e-3; % hasil akhir ergun (kgf/m2/m)dikonversi jadi (kPa/m) dy(3)=-(G/(rhog*dp*gc))*((1-por)/(por^3))*(150*(1-por)*myuG1/dp+1.75*G)*gcc;
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
84
Hasil Run Matlab pada berbagai nilai UG dicek dan dibuat tabel perbandingannya.
Tabel 6. Hasil Simulasi pada Berbagai Nilai UG pada konversi XA = 80 %
Trial UG
(m/s)
ID reaktor
(m)
z reaktor
(m)
Suhu keluar
reaktor (oC) L/D
∆P
(kPa/m)
Berat
katalis (kg)
0,005 8,3733 0,1234 346,7892 0,0147 0,0032 6484,07
0,1 1,8723 2,4676 346,7940 1,3180 0,2591 6488,87
0,2 1,3239 4,9423 346,7936 3,7331 0,9409 6500,55
0,21 1,2920 5,1906 346,7916 4,0175 1,0324 6502,36 0,22 1,2623 5,4380 346,7902 4,3080 1,1281 6502,93
0,23 1,2346 5,6875 346,7903 4,6068 1,2281 6506,24
Trial Ug
6480
6485
6490
6495
6500
6505
6510
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 0.20 0.22 0.24
Ug (m/s)
bera
t kat
alis
(k
Trial UgPoly. (Trial Ug)
Gambar 2. Optimasi nilai UG (m/s) terhadap berat katalis (kg)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
85
Dari hasil trial UG pada Tabel 6, maka diambil nilai UG = 0,21 m/s karena
memberikan berat katalis minimum namun masih memenuhi batasan fixed bed.
Fixed Bed Reactor: Single Bed Catalyst
Detail:
Laju massa umpan total = 10942.2560 kg/jam
Fluid Superficial Velocity = 0.2100 m/s
Diameter Reaktor = 1.2920 m
Porositas = 0.5253
BM Gas = 32.0382 kg/kmol
Rho Gas = 11.0452 kg/m3
Rho Bulk = 955.9983 kg/m3
Profil
Panjang bed, m Konversi Suhu, K Tekanan, kPa
-------------- -------- -------- ------------
0.0000 0.0000 523.1500 1499.6100
0.0008 0.0001 523.1573 1499.6092
0.0016 0.0001 523.1646 1499.6084
0.0023 0.0002 523.1719 1499.6076
0.0031 0.0002 523.1792 1499.6068
0.0070 0.0005 523.2158 1499.6028
0.0110 0.0007 523.2525 1499.5988
0.0149 0.0010 523.2891 1499.5948
0.0188 0.0012 523.3258 1499.5908
0.0384 0.0025 523.5097 1499.5707
0.0580 0.0037 523.6945 1499.5507
0.0775 0.0050 523.8801 1499.5306
0.0971 0.0063 524.0666 1499.5105
0.1950 0.0128 525.0119 1499.4103
0.2929 0.0195 525.9794 1499.3100
0.3908 0.0264 526.9700 1499.2097
0.4887 0.0335 527.9846 1499.1093
0.7387 0.0525 530.6914 1498.8530
0.9887 0.0730 533.5783 1498.5966
1.2387 0.0952 536.6649 1498.3400
1.4887 0.1192 539.9731 1498.0833
1.7387 0.1453 543.5274 1497.8264
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
86
1.9887 0.1738 547.3550 1497.5693
2.2387 0.2050 551.4850 1497.3120
2.4887 0.2392 555.9476 1497.0545
2.7387 0.2769 560.7722 1496.7967
2.9887 0.3183 565.9871 1496.5387
3.2387 0.3639 571.6067 1496.2804
3.4887 0.4138 577.6258 1496.0218
3.7387 0.4681 584.0118 1495.7628
3.9887 0.5261 590.6758 1495.5035
4.2387 0.5868 597.4619 1495.2437
4.4887 0.6482 604.1459 1494.9836
4.7387 0.7075 610.4442 1494.7231
4.9887 0.7618 616.0681 1494.4622
5.2387 0.8087 620.8161 1494.2009
5.4887 0.8466 624.5941 1493.9394
5.6860 0.8702 626.9145 1493.7328
5.8833 0.8888 628.7198 1493.5261
6.0807 0.9028 630.0791 1493.3194
6.2780 0.9133 631.0841 1493.1125
6.4753 0.9211 631.8335 1492.9056
6.6726 0.9268 632.3770 1492.6987
6.8700 0.9308 632.7570 1492.4918
7.0673 0.9336 633.0254 1492.2848
7.2946 0.9360 633.2535 1492.0464
7.5219 0.9376 633.4062 1491.8080
7.7491 0.9386 633.4988 1491.5696
7.9764 0.9392 633.5590 1491.3312
8.2264 0.9397 633.6116 1491.0689
8.4764 0.9401 633.6450 1490.8067
8.7264 0.9403 633.6624 1490.5444
8.9764 0.9404 633.6730 1490.2821
9.2323 0.9405 633.6830 1490.0137
9.4882 0.9406 633.6893 1489.7452
9.7441 0.9406 633.6925 1489.4768
10.0000 0.9406 633.6943 1489.2083
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
87
Gambar 3. Profil Konversi Sepanjang Reaktor
Gambar 4. Profil Suhu Sepanjang Reaktor
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
88
Gambar 5. Profil Tekanan (kPa) Sepanjang Reaktor
Gambar 6. Profil Tekanan (atm) Sepanjang Reaktor
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
89
MECHANICAL DESIGN REAKTOR
Mechanical design bertujuan untuk menentukan dimensi dan konstruksi
dari reaktor yang kita rancang agar dapat beroperasi pada kondisi operasi dengan
aman. Adapun beberapa parameter penting dalam perhitungan mechanical design
yaitu bahan kontruksi, jenis vessel, dan head yang digunakan.
Data yang diperlukan adalah suhu dan tekanan operasi, dimensi kasar
reaktor, bahan konstruksi yang akan dipakai serta ukuran standar pasar.
Kondisi operasi reaktor adalah pada range suhu 523 – 620 K dan tekanan
14,8 atm. Perancangan mekanis reaktor harus memperhatikan unsur keamanan
proses. Oleh karena itu, dipilih bahan konstruksi yang masih aman pada suhu
operasi maksimum, sedangkan tekanan diambil overdesign sebesar 120 % Poperasi.
Jenis vessel yang akan dipakai adalah formed head vessel, dan jenis head
yang dipilih adalah elliptical dished head. Dipilih jenis vessel ini karena yang
paling ekonomis untuk tekanan di atas 200 psig (Brownell & Young, 1959).
Bahan konstruksi dipilih carbon steel. Carbon steel adalah bahan
konstruksi yang biasa digunakan karena harganya yang murah dan banyak
tersedia, sehingga baja ini paling banyak dipakai. Pertimbangan lain dalam
pemakaian bahan ini adalah karena bahan yang dialirkan dalam vessel tidak
korosif. Secara spesifik jenis baja Carbon steel yang digunakan adalah Carbon
steel type SA-285 grade C. Walaupun sebenarnya lebih ekonomis jenis SA-283,
namun karena suhu dan tekanan operasi yang digunakan cukup tinggi, sehingga
memerlukan tebal plate yang cukup besar, maka tidak bisa digunakan plate jenis
SA-283 (tebal maksimum 5/8 in). Oleh karena itu dipilihlah bahan konstruksi
Carbon Steel jenis SA-285 grade C karena tipe ini memiliki keistimewaan yaitu
jangkauan penggunaan yang cukup moderat (Brownell & Young, 1959).
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
90
Perhitungan mechanical design fixed bed reactor meliputi:
1. Pemilihan bahan shell
2. Tebal dan tinggi shell
3. Jenis, tinggi, dan tebal head
4. Design grid support (penyangga katalisator)
5. Bahan dan tebal isolasi
6. Diameter man hole
7. Diameter lubang pemasukan umpan
8. Diameter lubang pengeluaran hasil
9. Cek ketahanan terhadap stress yang dialami reaktor
Data dimensi reaktor hasil pemrograman komputer dengan matlab digunakan
untuk menentukan mechanical design:
Tabel 7. Komparasi Jenis Plate
No. Kondisi Operasi Hasil Simulasi Matlab +
overdesign 50oF
Carbon steel SA-
283 grade C
Carbon steel SA-
285 grade C
1 Temperatur, oF 706,2249 maks 650 maks 900
2 Ketebalan plate, in 0,7738 maks 0,625 -
Tinggi bed reaktor
Panjang tumpukan katalis = 5,1906 meter
Tebal dinding reaktor
Nilai tebal shell dicari dengan persamaan :
CPEf
riPts +−
=.6,0.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (42)
dengan : P = tekanan perancangan, (lb/in2)
ri = jari-jari dalam shell, (in)
f = tegangan maksimum yang diijinkan, (lb/in2)
E = efisiensi sambungan
C = faktor korosi , (in)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
91
Bahan : Carbon steel SA-285 grade C
Ukuran :
1. Diameter dalam shell (IDs) = 1,2920 m
= 50,8661 in
2. Jari-jari dalam shell (ri) = 0,6460 m
= 25,4331 in
3. P operasi = 14,8 atm absolute
P operasi = (14,8-1) atm gage → overdesign 20 % = ( ) gageatm18,142,1 −
= 16,56 atm gage
= 243,432 psig
4. Nilai maximum allowable stress (f) bahan bahan :
f carbon steel SA-285 grade C untuk T ≤ 750 oF = 12050 psi
(Tabel 13.1 Brownell & Young, 1959)
5. Jenis sambungan yang digunakan adalah double welded butt-joint
Maka nilai maksimum efisiensi sambungan → E = 0,8
(Tabel 13.2 Brownell & Young, 1959)
6. faktor korosi untuk bahan non korosif → C = 0,125 in
Maka dengan menggunakan persamaan (42) diperoleh nilai tebal shell :
ts = 0,7771 in
dipilih tebal plate standar = 0,875 in
= 87 in
Diameter luar shell (ODs) = IDs + 2 ts = 52,6161 in
= 1,3365 m
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
92
Head dan Bottom
Bentuk : Elliptical dished head
( Head tipe ini digunakan untuk pressure vessel >200 psig)
Brownell and Young, hal 92
Bahan : Carbon steel SA-285 grade C
Keterangan :
IDs = diameter dalam head
th = tebal head
sf = straight flange
Persamaan untuk mencari tebal head dan bottom
CPEf
IDPth s +
−=
.2,0..2.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (43)
Data maximum allowable stress (f), maksimum efisiensi (E), dan faktor korosi (C)
untuk head sama dengan data untuk shell, maka diperoleh :
th = 0,7689 in
dipilih tebal plate standar = 0,875 in
= 87 in
IDs = 50,8661 in
sf (Tabel 5.11 Brownell & Young, 1959) = 3 in (nilai 2 ~ 4”,diambil 3”)
b = IDs / 4 = 12,7165 in
Tinggi head = th + b + sf = 16,5915 in
= 0,4214 m
sf IDs
th
IDs/ 4
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
93
Tebal Grid Support
Grid support berfungsi untuk menyangga tumpukan katalis dan mencegah
kelebihan pressure drop. Desain yang biasa digunakan adalah piringan berlubang
(perforated plate) dan piringan bergelombang (slotted plate). Support dirancang
untuk tahan terhadap korosi sehingga sering dipilih carbon steel, cast iron, atau
cast ceramic.
(Rase, 1977)
Dipilih desain grid support berupa perforated plate dari bahan carbon steel SA-
285 grade C dengan asumsi :
SHELLAAp21
= . . . . . . . . . . . . . (44)
22 6552,042
1 mIDsAp =⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=π
Inert Katalisator
Di atas penyangga ditempatkan bola-bola inert (keramik/ alumina) dengan tebal
3” sampai 6”. Inert katalisator berfungsi untuk membantu distribusi aliran fluida
dan untuk mencegah kontaminasi bed dari bahan-bahan yang tak diinginkan.
Dipilih inert dari bahan keramik dengan penyusunan sistem cubic.
Densitas keramik = 2000 – 3000 kg/m3 (diambil 2500 kg/m3).
Menurut Rase (1977), penyusunan bola inert di atas bed dimulai dengan :
1. 6” layer bola inert berukuran 1”
2. 6” layer bola inert berukuran 1/2”
Dan untuk susunan bola inert di bawah bed (dan di atas grid support) berurutan
sebagai berikut :
1. 3” layer bola inert berukuran 1/4”
2. 4” layer bola inert berukuran 1/2”
3. 5” layer bola inert berukuran 3/4”
Kemudian dicari porositas masing-masing layer untuk selanjutnya dikalkulasi
berat inert pada masing-masing layer tersebut.
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
94
Tabel 8. Perhitungan Massa Inert pada Tiap Layer
Layer 1 Layer 2 Layer 3 Layer 4 Layer 5
Ukuran inert 1” ½” ¼” ½” ¾”
Tebal layer 6” 6” 3” 4” 5”
partikeldbedd 50,8661 101,7323 203,4646 101,7323 67,8215
Ε (persamaan 21) 0,5204 0,5232 0,5246 0,5232 0,5218
Volum layer, m3 0,1997 0,1997 0,0999 0,1331 0,1664
ρbulk inert, kg/m3 1199,07 1192,11 1188,57 1192,11 1195,60
Massa inert, kg 239,46 238,06 118,68 158,71 198,97
Massa inert total = 953,88 kg
Massa katalis = 6502,36 kg
Berat total yang harus disangga grid support = massa inert total + massa katalis
= 7456,24 kg
Beban berat, ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛=
CggmF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (45)
⎟⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜⎜
⎝
⎛=
2
2
..1
807,924,7456
sNmkg
sm
kgF
NF 36,73123=
Tekanan yang dialami grid support → PA
FP = . . . . . . . . . . . . . . . (46)
26552,036,73123
mNP =
PaP 01,111607=
psiP 19,16=
Tekanan design → overdesign 20 % = ( )GRIDP2,1
= 19,42 psi
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
95
Tebal perforated plate (grid support) dicari dengan persamaan :
2
1
163
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=
fP
IDstp G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (47)
Dengan : tp = tebal grid support, in
IDs = diameter dalam shell, in
PG = tekanan design yang pada grid support, psi
f = tegangan maksimum yang diijinkan pada bahan grid, psi
Diperoleh tp = 0,8843 in → dipakai tebal standar = 1 in
Tinggi Reaktor
Tinggi head = 16,5915 in
Tinggi ruang kosong atas = 5 in
Lapisan inert 1 = 6 in
Lapisan inert 2 = 6 in
Tinggi tumpukan katalis = 204,3552 in
Lapisan inert 3 = 3 in
Lapisan inert 4 = 4 in
Lapisan inert 5 = 5 in
Tebal grid support = 1 in
Tinggi ruang kosong bawah = 5 in
Tinggi head (bottom) = 16,5915 in
Jadi, ketinggian reaktor (total) = 272,5383 in
L = 6,9225 meter
Volume Reaktor
( )HEADDISHEDELLIPTICALSHELLREAKTOR VVV 2+= . . . . . . . . . . . . (48)
( )( ) 332 000076,024
ftinIDsLIDsV SHELLREAKTOR +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=π . . . . . . (49)
(Persamaan 5.14 Brownell & Young, 1959)
( ) ( )( )32 50,8661000076,023552,23950,86614
inininVREAKTOR +⎟⎠⎞
⎜⎝⎛=π
33413,301 ftVREAKTOR =
LVREAKTOR 0366,8533=
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
96
Perancangan Isolasi Reaktor
Isolasi perlu ditambahkan pada dinding reaktor untuk keamanan
(safety) para operator yang berada dekat dengan reaktor mengingat reaksi
eksotermis yang terjadi bisa menimbulkan panas hingga temperatur 350oC. Selain
itu isolasi juga berfungsi untuk menjaga kondisi operasi (suhu) peralatan agar
tidak terpengaruh fluktuasi suhu lingkungan, serta melindungi material alat dari
kemungkinan korosi.
Adapun asumsi yang digunakan adalah :
1. Suhu di dalam reaktor = suhu permukaan dinding dalam shell.
2. Perpindahan panas steady state, sehingga q1 = q2 = q3 = q4
Keterangan :
r1 = jari-jari dalam shell (0,6460 m)
r2 = jari-jari luar shell (0,6682 m)
r3 = jari-jari luar isolator
q1 = konveksi dari gas ke shell
q2 = konduksi melalui shell / dinding reaktor
q3 = konduksi melalui isolator
q4 = konveksi dari permukaan luar isolator ke udara
T1 = suhu dinding dalam reaktor (346,79oC = 619,94 K)
T2 = suhu dinding luar reaktor
T3 = suhu dinding luar isolator (50oC = 323 K)
Tu = suhu udara luar (30oC = 303 K)
r1
r3
T1 T2 T3 Tu
k1 k2
r2
q1 q2 q3 q4
HEAT FLOW
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
97
Bahan dinding kolom adalah baja (carbon steel) dengan spesifikasi :
ks = 45 W/m.K Daftar A-2 Holman (1986)
ρs = 7833 kg/m3 Daftar A-2 Holman (1986)
εs = 0,61 Daftar A-10 Holman (1986)
Bahan isolasi yang dipilih adalah asbestos dengan spesifikasi :
kis = 0,161 W/m.K Daftar A-3 Holman (1986)
ρis = 570 kg/m3 Daftar A-3 Holman (1986)
εis = 0,96 Daftar A-10 Holman (1986)
Bila suhu udara luar diasumsikan 30oC dan diinginkan suhu permukaan luar
isolasi (T3) = 50oC, maka diperoleh T bulk (Tf) :
2
3 uf
TTT
+= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (50)
2
303323 KKTf+
=
KTf 313=
Sifat-sifat udara pada temperatur 313 K (40oC) diperoleh dengan cara interpolasi
data dari Daftar A-5 Holman (1986) :
Ρud = 1,1308 kg/m3
Cp = 1,0066 kJ/kg.K
µ = 1,9057 E-05 kg/m.s
v = 1,7008 E-05 m2/s
kud = 0,0272 W/m.K
Pr = 0,705
Data tambahan :
1031949,3/1 −−== KETfβ
g = 9,807 m/s2
Tinggi reaktor, L = 6,9225 m
Konstanta Stefan Boltzman, σ = 5,669 E-08 W/m2.K4
R1 = 0,6460 m
R2 = 0,6682 m
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
98
Menghitung Bilangan Grasshof :
( )
2
33.v
LTTgGr u−
=β
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (51)
Gr = 7,1860 E+11
Menghitung Bilangan Nusselt :
( ) 31
Pr..1,0 GrNu = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (52)
Nu = 797,2382
Menghitung koefisien perpindahan panas konveksi (hc) :
ud
c
kLh
Nu.
= . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (53)
LkNu
h udc
.=
hc = 3,1355 W/m2.K
Menghitung koefisien perpindahan panas radiasi (hr) :
( )
( )u
uisr TT
TTh
−−
=3
443..σε
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (54)
hr = 6,6821 W/m2.K
Menentukan suhu T2 dari neraca panas di tiap lapisan :
( )
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
−=
1
2
212
ln
2
RR
kTTLq sπ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (55)
( )
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
−=
2
3
323
ln
2
RR
kTTLq isπ
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (56)
( ) ( )urc TTLRhhq −+= 334 ..2π . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (57)
Karena steady state maka q2 = q3 = q4
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
99
Untuk q2 = q4 , maka : ( ) ( ) ( )urc
s TTLRhh
RR
kTTL−+=
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
−33
1
2
21 ..2ln
2π
π
( )
( )( ) ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛−+
−=
1
23
213
ln RRTThh
kTTR
urc
s . . . . . . . . . . . . . . . . . (58)
Untuk q3 = q4 , maka : ( ) ( ) ( )urc
is TTLRhh
RR
kTTL−+=
⎟⎠⎞⎜
⎝⎛
−33
2
3
32 ..2ln
2π
π
( )
( )( ) ⎟⎠⎞⎜
⎝⎛−+
−=
2
33
323
ln'
RRTThh
kTTR
urc
is . . . . . . . . . . . . . . . . . (59)
Kemudian trial nilai T2 sampai nilai R3 = R3’
Hasil trial diperoleh : T2 = 619,81159 K = 346,66 oC
R3 = 0,8809 m = 88,09 cm
Jadi, tebal isolasi yang digunakan = R3 – R2 = 21,27 cm
Menghitung panas hilang ke lingkungan (Qlosses) :
( ) ( ) sJTTLRhhqQ urclosses 1771,7519..2 334 =−+== π
Man Hole
Man hole digunakan untuk pembersihan reaktor. Besarnya diameter
man hole harus didesain sedemikian rupa sehingga agar saat pembersihan reaktor,
teknisi dapat masuk ke dalam reaktor untuk membersihkan isi dalam reaktor. Pada
perancangan reaktor ini dipakai diameter man hole dengan ukuran standar 20 in.
Diameter Nozel Pemasukan dan Pengeluaran
Untuk menentukan diameter nozel yang berhubungan dari dan ke reaktor
digunakan persamaan 45, Peters (2000) :
13,045,0.9,3 ffopt QDi ρ= . . . . . . . . . . . . . . . . (60)
dengan : Diopt = diameter nozel optimum, in
Qf = debit fluida, ft3/s
ρf = densitas fluida, lb/ft3
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
100
Nozel Input Reaktor
Data : T in = 523 K
P in = 14,8 atm
R = 0,08206 atm.m3/kmol.K
Komponen Mass flowrate
(kg/jam)
BM
(kg/kmol)
Mol flowrate
(kmol/jam)
Fraksi
mol
Dimethyl ether
Methanol
Air
7,9946
10929,0300
5,2314
46,07
32,043
18,02
0,1735
341,0739
0,2903
0,0005
0,9986
0,0009
Total = 10942,2560 341,5377 1,0000
BM campuran gas (input) = 32,0382 kg/kmol (pers. 36)
ρf (input) = 11,0483 kg/m3 (pers. 35)
= 0,6897 lbm/ft3
Mass flowrate (konversi) = 6,7009 lbm/s
s
ftflowratemassQf
f
3
7156,9==ρ
Diperoleh Diopt = 10,3384 in
Kemudian diambil ukuran pipa standar dari Tabel 11 Kern (1950) :
Spesifikasi pipa : IPS = 12 in
OD = 12,75 in
Schedule No. = 30
ID = 12,09 in
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
101
Nozel Output Reaktor
Data : T out = 619,9416 K
P out = 14,7471 atm
R = 0,08206 atm.m3/kmol.K
Komponen Mass flowrate
(kg/jam)
BM
(kg/kmol)
Mol flowrate
(kmol/jam)
Fraksi
mol
Dimethyl ether
Methanol
Air
6293,3400
2185,8070
2463,1130
46,07
32,043
18,02
136,6039
68,2148
136,6877
0,4000
0,4003
0,1997
Total = 10942,2600 341,5064 1,0000
BM campuran gas (output) = 32,0412 kg/kmol (pers. 36)
ρf (output) = 9,2882 kg/m3 (pers. 35)
= 0,5798 lbm/ft3
Mass flowrate (konversi) = 6,7009 lbm/s
s
ftflowratemassQf
f
3
5567,11==ρ
Diperoleh Diopt = 10,9287 in
Kemudian diambil ukuran pipa standar dari Tabel 11 Kern (1950) :
Spesifikasi pipa : IPS = 12 in
OD = 12,75 in
Schedule No. = 30
ID = 12,09 in
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
102
CEK STRESS
Data-data yang diperlukan :
Hv = 6,9225 m
ID = 1,2920 m
ts = 0,0222 m
xis = 0,2127 m
ρs = 7833 kg/m3
P design = 16,56 atm (gage) = 1,6779 N/mm2
Berat mati vessel :
Wv = Cv.π.ρs.Dm.g.(Hv + 0,8.Dm).t x 1E-03 (Coulson, 1983)
Cv = 1,08 (vessel with few internal fitting)
Dm = D + ts = 1,3142 m
Diperoleh, Wv = 60673,27 N
Berat isolator :
ρ is = 570 kg/m3
V is = π.D.Hv.xis = 6,1775 m3
W is = ρ is .Vis.g = 34532,22 N
Dikoreksi 2x untuk sambungan = 69064,43 N
Berat head :
V head = 0,000076.(ID,in)3 = 10,0023 ft3
0,2832 m3
W head = ρs .V head.g = 2016,01 N
W head total = 4032,03 N
Total berat, W = Wv + Wis + Whead = 133769,74 N Beban angin :
Kecepatan angin, uw = 160 km/jam (design)
Tekanan angin, Pw = 0,05 uw2 = 1280 N/m2
Dm + xis = 1,5269 m
Fw = Pw.(Dm+xis) = 1954,40 N/m
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
103
Momen beban
Bending moment
Mx = 0,5 Fw.Hv2 = 46828,11 Nm
Earthquake moment
Fg = W.(ag/g) = 13376,97 N (diambil ag/g = 0,1)
Mg = Fg.Hv = 92601,74 Nm
Total moment
Mt = Mx + Mg = 139429,85 Nm
Pressure stress
σL = P.ID / 4t = 24,39 N/mm2
σH = P.ID / 2t = 48,77 N/mm2
Dead weight stress
( ) =+
=ttID
WW π
σ 1,4585 N/mm2
Bending stress
OD = ID + 2t = 1,3365 m
( ) =−= 44
64IDODlV
π0,0198 m4
=⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ += tID
lMx
Vb 2
σ 4703960,74 N/m2
4,7040 N/mm2
Resultant longitudinal stress
σz (upwind) = σL – σw + σb = 27,63 N/mm2 (+)
σz (downwind) = σL – σw + σb = 18,22 N/mm2 (-)
Torsional shear stress dan radial stress dapat diabaikan sehingga principal stress
hanya σh dan σZ : Selisih terbesar dari principal stress = σh – σZ
∆σ principal = σh – σZ(downwind) = 67,00 N/mm2
Maximum allowable stress
Bahan : Carbon steel SA-285 grade C
f allowable = 12050 psi = 83,08 N/mm2
(f allowable > ∆σ principal, maka desain aman)
Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun
Arian Reza Suwondo 04/177287/TK/29938 Riszki Maretha 04/181178/TK/30166
104
SPESIFIKASI REAKTOR (R-01)
Tugas : Mereaksikan 10942,03 kg/jam methanol menjadi
6293,34 kg/jam dimethyl ether dengan bantuan katalis
silika alumina.
Jenis : Reaktor Catalytic Fixed Bed
Jenis : Silinder tegak
Fasa : Gas
Tekanan operasi : 14,8 atm absolut
Suhu masuk : 250 oC
Suhu keluar : 346,79 oC
Katalis : Silika-Alumina (SiO2.Al2O3.MgO)
Diameter katalis : 3 mm (Amorf-spherical)
ρ katalis : 2014 kg/m3
ρ bulk : 955,99 kg/m3
Spesifikasi :
• Diameter dalam shell : 1,2929 m
• Tinggi bed katalis : 5,1906 m
• Tinggi reaktor (total) : 6,9209 m
• Tebal shell : 7/8”
• Tebal isolasi : 21,27 cm
• Jenis Head : Elliptical dished head
Jumlah : 1 buah
Konversi : 80 %
Bahan shell : Carbon steel SA 285 grade C
Bahan isolasi : asbestos
top related