bab iii new

BAB III

NERACA MASSA DAN ENERGI

3.1 Perhitungan Neraca Massa

Neraca massa merupakan dasar (basis) dalam perancangan proses sebuah

pabrik. Dari neraca massa dapat diketahui jumlah bahan baku yang dibutuhkan

dan produk yang dihasilkan. Selain itu, neraca massa juga merupakan hal yang

sangat beguna untuk mempelajari operasi pabrik, memeriksa rancangan pabrik,

memeriksa instrumen kalibrasi dan mengetahui sumber lokasi material yang

hilang [Coulson, 1999].

Secara umum, neraca massa dibedakan atas dua jenis yaitu neraca massa

physic dan neraca massa kimia [Coulson, 1999]. Pada neraca massa physic, di

dalam sistem tidak terjadi reaksi antara komponen di dalam sistem tersebut.

Sedangkan pada neraca massa kimia, terjadi reaksi komponen di dalam sistem.

a. Neraca massa physic (tanpa reaksi kimia)

Perhitungan neraca massa dilakukan dengan prinsip jumlah massa yang

masuk dan meninggalkan sistem adalah sama. Secara sederhana skema

perhitungan neraca massa ditampilkan pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Diagram Perhitungan Neraca Massa dengan atau Tanpa Reaksi

Kimia

Keterangan gambar :

F1, F2 dan F3 = laju alir massa yang masuk dan keluar sistem, kg/jam

w1, w2, w3 = fraksi massa

Penyelesaian perhitungan neraca massa dilakukan dengan menggunakan neraca

massa total dan neraca massa komponen.

Neraca massa total : F1 + F2 = F3

Neraca massa komponen : F1 w1 + F2 w2 = F3 w3

b. Neraca massa kimia

Prinsip perhitungan dilakukan berdasarkan neraca mol. Jumlah mol suatu

komponen yang memasuki sistem (laju alir molar) ditambah jumlah mol

pengurangan atau pembentukan komponen tersebut harus sama dengan jumlah

mol komponen tersebut meninggalkan sistem. Dalam neraca massa kimia,

perhitungannya menyertakan laju reaksi dan koefisien reaksi pada masing-masing

reaksi yang terlibat di dalam sistem.

3.1.1 Data Perhitungan Neraca Massa

- Kapasitas Propilen : 200.000 ton/tahun

- Komposisi Propana : Propana 95%, Etana 2.5% dan Butana 2.5%

(Lummus), 2012)

- Komposisi Produk : Propilen 99.5% dan Propana 0.5%

(Lummus, 2012)

- Konversi : 80% (Chauvel, 1989)

- Selektivitas : 80% (Chauvel, 1989)

- Reaksi

1. C3H8 C3H6 + H2

2. C3H8 + C3H6 2CH4 + C2H6 + 2C

(Won; dkk, 2010)

- Berat Molekul masing-masing komponen

Tabel 3.1 Berat Molekul masing-masing komponen

Berat Molekul (Kg/Kmol)

Hidrogen 2,016

Metana 16,043

Etana 30,07

Propilen 42,08

Propana 44,094

Butana 58,123

Carbon 12

(Smith; dkk, 2001)

3.1.2 Neraca Massa di Reaktor Fixed Bed

Reaktor fixed bed merupakan tempat terjadinya reaksi dehidrogenasi

propana menjadi propilen menggunnakan katalis chromia-alumina. Pada reaktor

ini menghasilkan beberapa produk yaitu propilen, hidrogen, metana, etana dan

propana serta carbon yang terperangkap dalam katalis.

Gambar 3.2 Aliran pada reaktor fixed bed

Tabel 3.2 Hasil Perhitungan Neraca Massa Total Pada Reaktor

Neraca Massa Total Pada Reaktor

KomponenMasuk (Kg/Jam) Keluar (kg/jam)

F5 F6 Fcoke

Hidrogen - 1361,04 -

Metana - 2406,88 -

Etana 741,9915175 2997,65 -

Propilen - 25252,5 -

Propana 41345,53412 8269,11 -

Butana 1434,212603 1434,21 -

Carbon - - 1800,32

Total 43521,73824 43521,73824

3.1.3 Neraca Massa di Destilasi

Destilasi merupakan alat pemisahan berdasarkan titik didih. Pada proses

pembuatan propilen, destilasi digunakan untuk memisahkan antara propilen

dengan propana. Kemurnian produk yang diinginkan sebesar 99.5%.

Gambar 3.3 Aliran pada Destilasi

Tabel 3.3 Neraca Massa Total Pada Destilasi

Neraca Massa Total di Destilasi (Kg/Jam)

KomponenMasuk Keluar

F22 F23 F24

Propilen 25252,52525 25252,5 -

Propana 8269,106824 132,971 8136,14

Total 33521,63208 33521,63208

3.1.4 Neraca Massa di Flash Drum 1

Gambar 3.4 Aliran pada Flash Drum 1

Tabel 3.4 Neraca Massa Total Pada Flash Drum 1

Neraca Massa Total Flash Drum 1 (Kg/Jam)


F8 F9 F10

Hidrogen 1361,043899 1361,04 -

Metana 2406,881313 2406,88 -

Etana 2997,645731 2997,65 -

Propilen 25252,52525 25252,5 -

Propana 8269,106824 8269,11 -

Butana 1434,212603 - 1434,21

Total41721,41562 40287,2 1434,21

41721,41562 41721,41562




Neraca Massa Total Flash Drum2 (Kg/Jam)


F13 F14 F15

Hidrogen 1361,043899

1361,0

4 -

Metana 2406,881313

2406,8

8 -

Etana 2997,645731 - 2997,65

Propilen 25252,52525 - 25252,5

Propilen 8269,106824 - 8269,11

Total 40287,20302

3767,9

3 36519,3

40287,20302 40287,20302




Neraca Massa Total Flash Drum 3 (Kg/Jam)


F17 F20 F21

Etana 2997,645731

2997,64

6 -

Propilen 25252,52525 - 25252,

5

Propana 8269,106824 -

8269,1

1

Total36519,27781

2997,64

6

33521,

6

36519,27781 36519,27781

3.1.7 Neraca Massa di Absorber

Gambar 3.7 Aliran pada Absorber

Tabel 3.7 Neraca Massa Total Pada Absorber

Neraca Massa Total Absorber (Kg/Jam)


F16 F18 F19

Hidrogen 1361,043899

1361,0

4 -

Metana 2406,881313 - 2406,88

Total 3767,925212

1361,0

4 2406,88

3767,925212 3767,925212

3.2 Perhitungan Neraca Energi

Konservasi neraca energi berbeda dengan neraca massa. Pada neraca

massa, laju alir massa total yang masuk ke dalam unit proses harus sama dengan

laju alir massa yang keluar proses. Namun keadaan ini tidak berlaku dalam neraca

energi. Total entalpi (energi) pada aliran keluar tidak harus sama dengan total

aliran yang masuk jika energi digenerasi atau dikonsumsi di dalam proses. Energi

dapat berada dalam beberapa bentuk, diantaranya panas, energi mekanik, energi

listrik, energi dalam dan sebagainya.

Dalam perancangan proses, neraca energi dibuat untuk menentukan energi

yang diperlukan dalam beberapa proses, seperti pemanasan, pendinginan dan

besarnya daya yang dibutuhkan. Dalam operasi pabrik, neraca energi dapat

digunakan untuk menunjukkan pola energi yang digunakan dalam operasi pabrik

tersebut.

Seperti neraca massa, neraca energi juga dibedakan atas dua jenis yaitu

neraca energi dengan reaksi kimia dan neraca energi tanpa reaksi kimia.

a. Neraca energi untuk sistem tanpa menyertakan reaksi

Jumlah energi yang dibutuhkan ditentukan dengan perubahan panas masuk

dan keluar sistem. Gambar 1.2 menampilkan skema sederhana sistem neraca

energi.

Gambar 3.8 Diagram Perhitungan Neraca Energi dengan atau Tanpa Reaksi

Kimia

Keterangan gambar :

N1 dan N2 = Laju alir molar masuk dan keluar sistem, kmol/jam

T1, T2, T3 = Temperatur, K

Q1 dan Q2 = Panas yang masuk atau keluar sistem, kJ/jam

dQ/dt = Panas yang dikonsumsi dan dihasilkan, kJ/jam

Secara umum dapat dituliskan sebagai berikut:

dQ/dt = Qout – Qin.

Seluruh perhitungan panas masuk dan panas keluar dilakukan berdasarkan

temperatur referensi 298 K. Panas masing-masung aliran dihitung dengan

menggunakan persamaan berikut:

Qi = Ni Cpi (T – 298)

dimana Qi = ∆Hi

b. Neraca Energi untuk Sistem yang Menyertakan Reaksi

Perhitungan neraca energi untuk sistem yang menyertakan reaksi, hampir

sama dengan sistem tanpa reaksi. Panas pembentukan reaksi dibutuhkan untuk

melengkapi persamaan neraca energi.

∆Hof = out

∆Hof out – in ∆Ho

f in

Untuk panas reaksi pada temperatur T (K), peneracaan energi dapat dituliskan

sebagi berikut, ∆HR = ∆Ho

f + ∑ (Nout Cpi dT) – ∑ ( Nin Cpi dT)

maka neraca energi sistem yang menyertakan reaksi,

dQ/dt = ∆HR + Qout – Qin

dengan,

= koefisien reaksi

N = laju alir molar, kmol/jam

∆Hof = panas pembentukan reaksi pada temperatur standar, kJ/kmol

∆HR = panas reaksi pada temperatur reaksi T, kJ/kmol

Perhitungan neraca energi dilakukan dengan menetapkan :

Satuan : kJ/Jam

T referensi : 298 K

T saturated steam : 453 K

Untuk menghitung panas aliran masuk dan keluar alat pada temperatur

tertentu berdasarkan T referensi.

3.11 Data Perhitungan Neraca Energi

- Basis Perhitungan : 1 jam operasi

- Satuan Operasi : kJ/jam

- Temperatur Referensi : 25oC = 298,15 K

Tabel 3.8 Kapasitas Panas Gas (Reklaitis, 1983)

Komponen A B C D E

propana 47,2659 -0,131469 0,00117 -1,69695E-06 8,1891E-10

propilen 24,3657 0,0712795 0,000338 -5,15275E-07 2,30475E-10

etana 33,8339 -0,0155175 0,000377 -4,1177E-07 1,3889E-10

metana 38,3870 -0,0736639 0,000291 -2,63849E-07 8,00679E-11

hidrogen 17,6386 0,0670055 -0,000131 1,05883E-07 -2,91803E-11

Butana 66,7088 -0,185523 0,001528 -2,18792E-06 1,04577E-09

Tabel 3.9 Kapasitas Panas Cair (Reklaitis, 1983)

Komponen A B C D

Propana 33,7507 0,746408 -0,00364699 7,1067E-06

Propilen 12,2887 0,918751 -0,00434735 7,9432E-06

Etana 20,6881 0,948588 -0,00598221 1,3155E-05

Metana -5,7071 1,02562 -0,00166566 -1,975E-05

Hidrogen 58,8663 -0,230694 -0,0804213 0,00137776

Butana 51,8583 0,656571 -0,00253079 4,4988E-06

Tabel 3.10 Panas Perubahan Fasa Komponen (Reklaitis, 1983)

Komponen ΔHvl pada Tb (J/mol)

Propana 1,8773E+04

Propilen 1,8373E+04

Etana 1,4716E+04

Butana 2,2081E+04

Tabel 3.11 Panas Reaksi Pembentukan Komponen (Reklaitis, 1983)

Komponen Hof (J/mol)

Propana -104,68

Propilen 19,71

Etana -83,82

Metana -74,52

Hidrogen 0

Butana -125,79

Carbon 0

3.11 Hasil Perhitungan Neraca Energi

a. Heater 1 (E-201)

Tabel 3.12 Neraca Energi Total pada Heater (E-201)

KomponenPanas (kJ/jam)

Panas Masuk (Qin) Panas Keluar (Q out)

Propana -7718429.424 73088665.62

Etana -186459.3576 1259489.336

Butana -374783.484 2545542.372

Jumlah -8279672.265 76893697.33

dQ/dt 85173369.59

b. Flash Drum 1 (S-401)

Tabel 3.13 Neraca Energi Total pada Flash Drum (S-401)


Panas Masuk (Qin) Panas Keluar Q1 out) Panas Keluar (Q2 out)

Propana -491169.6442 -491169.6442

Etana -189841.3898 -189841.3898

Butana -184136.1463 0 -184136.1463

Propilen -1368897.02 -1368897.02

Metana -198350.7975 -198350.7975

Hidrogen -714255.7404 -714255.7404

Jumlah -3146650.738 -2962514.592 -184136.1463

dQ/dt 0

c. Cooler (E-301)

Tabel 3.14 Neraca Energi Total pada Cooler (E-301)


Panas Masuk (Qin) Panas Keluar (Qout)

Propana 22131956.86 -491169.6442

Etana 7656524.865 -189841.3898

Butana 3780514.523 -103737.1545

Propilen 55643074.1 -1368897.02

Metana 6833989.037 -198350.7975

Hidrogen 15950130.21 -714255.7404

Jumlah 111996189.6 -3066251.746

dQ/dt -115062441.3

d. Reactor Fixed Bed (R-301)

Tabel 3.15 Neraca Energi Total pada Reactor Fixed Bed (R-301)


Panas Masuk (Qin) Panas Keluar (Qout)

Propana 75481474.64 15096294.93

Etana 1365232.047 5515537.47

Butana 2590004.125 2590004.125

Propilen 0 39827536.94

Metana 0 4939260.486

Hidrogen 0 12418602.57

Panas Reaksi 0 81271.81391

Jumlah 79436710.81 80468508.34

dQ/dt 1031797.528

e. Heater 2 (E-202)

Tabel 3.16 Neraca Energi pada Heater (E-202)



Propana 52515655.71 75496823.79

Etana 957954.4721 1365471.616

Butana 1806363.571 2590517.395

Jumlah 55279973.75 79452812.8

dQ/dt 24172839.05

f. Flash Drum 2 (S-402)

Tabel 3.17 Neraca Energi pada Flash Drum 2 (S-402)


Panas Masuk (Qin) Panas Keluar (Q 1 out) Panas Keluar (Q 2 out)

Propana -2315132.995 0 -2315132.995

Etana -1092508.169 0 -1092508.169

Propilen -6905076.86 0 -6905076.86

Metana -633659.6074 -633659.6074 0

Hidrogen -2282973.914 -2282973.914 0

Jumlah -13229351.55 -2916633.522 -10312718.02

dQ/dt 0

g. Cooler 2 (E-401)

Tabel 3.18 Neraca Energi pada Cooler 2 (E-401)



Propana -1456.559064 -2747330.248

Etana -579.1665592 -1575369.955

Propilen -4065.020372 -8277335.099

Metana -641.9933364 -633659.6074

Hidrogen -2312.999003 -2282973.914

Jumlah -9055.738335 -15516668.82

dQ/dt -15507613.09

h. Heater 3 (E-402)

Tabel 3.19 Neraca Energi pada Heater (E-402)


Panas Masuk (Qin) Keluar (Q out)

Propana -2315132.995 -2043777.356

Propilen -6905076.86 -6103994.337

Etana -1092508.169 -978785.5538

Jumlah -10312718.02 -9126557.247

dQ/dt 1186160.777

i. Flash Drum 3 (S-403)

Tabel 3.20 Tabel Neraca Energi pada Flash Drum (S-403)


Panas Masuk (Qin) Panas Keluar (Q 1 out) Panas Keluar (Q 2 out)

Propana -2043777.356 -2043777.36 0

Propilen -6103994.337 -6103994.34 0

Etana -505914.9223 0 -505914.9223

Jumlah -8653686.615 -8147771.69 -505914.9223

dQ/dt 0

j. Absorber (S-404)

Tabel 3.21 Neraca Energi pada Absorber (S-404)


Panas Masuk (Q in) Panas Keluar (Q 1 out) Panas Keluar (Q 2 out)

Metana -548.98 0 -2312.999003

Hidrogen -1982.874514 -641.9933364 0

Jumlah -2531.850745 -641.9933364 -2312.999003

dQ/dt -423

k. Cooler 3 (E-601)

Tabel 3.22 Neraca Energi pada cooler (E-601)


Panas Masuk (Q in) Panas Keluar (Q out)

Hidrogen -2282973.914 -1362129473

Jumlah -2282973.914 -1362129473

dQ/dt -1359846499

l. Distilasi (S-405)

Tabel 3.23 Neraca Energi pada destilasi (S-405)

Komponen

Panas (kJ/jam)

Panas Masuk (Q in)Panas Keluar

(Q 1 out)

Panas Keluar

(Q 2 out)

Propana -2043777.356 -21562.85019 -1262027.979

Propilen -6103994.337 -4108719.897 0

Jumlah -8147771.693 -4130282.747 -1262027.979

dQ/dt 2755460.967

m. Cooler 4 (E-602)

Tabel 3.24 Neraca Energi pada cooler (E-602)

Komponen

Panas (kJ/jam)

Panas Masuk (Q in) Panas Keluar (Q out)

Propana -11939.65579 -3.1648E+04

Propilen -2,722,794.99 -4.6629E+06

Jumlah -2734734.644 -4.6945E+06

dQ/dt -1959812.7767

bab iii new

Documents