modul praktek proses konversi

1

Reaksi konversi

Pada bab ini kita akan mempelajari problem-problem yang berhubungan dengan reaksi

oksidasi parsial metana untuk memproduksi hydrogen. Metode oksidasi parsial merupakan

reaksi antara metane dengan udara untuk memproduksi hydrogen dan karbondioksida.

Mahasiswa akan mempelajari bagaimana menambahkan reaksi konversi dan reaction set di

dalam HYSYS

Reaksi tipe ini tidak memerlukan pengetahuan thermodinamika. Kita tinggal memasukkan

stoikiometri reaksi dan konversi dari basis reaktan yang digunakan. Konversi tidak boleh

lebih besar dari 100%. Reaksi akan terus berlangsung hingga konversi tercapai atau pereaksi

pembatasnya habis.

Reaksi konversi tidak dikelompokkan dengan bentuk reaksi lain di dalam reaction set.

Namun, reaksi-reaksi tersebut dapat dikelompokkan dengan reaksi konversi yang lain dan di

rangking untuk beroperasi secara sekuensial atau simultan. Rangking terendah terjadi paling

awal (mungkin dimulai pada 0 atau 1). Sebagaimana halnya reaksi tunggal, reaksi yang

simultan tidak dapat mencapai konversi melebihi 100% dengan basis yang sama.

Reaksi konversi tidak dapat digunakan di dalam Plug Flow Reaktor atau CSTR. Pada

umumnya reaksi tersebut hanya akan digunakan di dalam reactor konversi.

Tujuan

1) Mensimulasikan reaksi dan reactor konversi di dalam HYSYS 2) Menambahkan reaksi dan reaction set 3) Attach reaction set ke dalam fluid package

Petunjuk awal

Sebelum memulai bab ini, mahasiswa harus terlebih dahulu mengetahui bagaimana :

1) Arah aliran PFD 2) Menambahkan stream pada PFD ke dalam workbook 3) Menambah dan menghubungkan unit operasi

Teori

Permintaan produksi hydrogen dari hidrokarbon meningkat dengan cepat dalam beberapa

decade terakhir. Produksi hydrogen yang efisien secara teknologi cukup memungkinkan dan

berhubungan langsung dengan peralatan konversi energy. Konversi bahan bakar menjadi

hydrogen dapat dilakukan dengan reaksi oksidasi parsial. Metode oksidasi parsial dapat

berupa reaksi oksidasi bahan bakar, sebagai contoh oksidasi metana untuk memproduksi

hydrogen dan karbonmonoksida.

CH4 + O2 CO + 2H2

CH4 + O2 CO2 + 2H2

Tugas

Buatlah model yang merepresentasikan reaksi oksidasi parsial metana untuk menghasilkan

hydrogen

2

Mendefinisikan basis simulasi

Tahap pertama adalah memilih paket fluida. Masukkan harga-harga berikut ini ke dalam

paket fluida.

Di dalam kotak . Masukkan

Property package Peng-robinson

Komponen CH4, O2, N2, CO, CO2, H2

1) Klik reaction tab di simulation basis manager.

2) Pilih semua komponen seperti ditunjukkan pada kotak Rxn components, dengan cara meng-klik add comps dan komponen di dalam kotak component library. Selanjutnya

tutup jendela component list, maka tampilan jendela reaction tab akan seperti di atas.

3

3) Klik tombol Add Rxn dan pilih tipe reaksi : conversion seperti yang ditampilkan pada daftar, kemudian klik tombol Add Reaction

4) Masukkan semua informasi yang diperlukan di dalam kotak stoichiometry info, dengan cara memilih komponen-komponen yang bereaksi sesuai dengan stoikiometri reaksi 1 dan

2, pada kotak **Add Comp**

5) Untuk reaksi pertama yaitu reaksi oksidasi parsial gas metana menjadi CO dan H2. Koefisien stoikiometri reaktan diberi tanda minus, karena jumlah komponen akan

berkurang dengan berjalannya reaksi. Koefisien stoikiometri produk tidak perlu diberi

tanda, yang berarti jumlah komponen akan bertambah akibat konversi dari reaktan.

HYSYS secara default akan member nama reaksi di dalam kotak Name : Rxn-1. Anda

bisa mengubahnya dengan nama lain.

CH4 + O2 CO + 2H2

Koefisien stoikiometri CH4 = -1; O2 = -0,5; CO = 1; H2 = 2

3

4

4

6) Pindah ke tab Basis dan pilih persen konversi sebanyak 40% seperti ditunjukkan di bawah

7) Tutup jendela conversion reaction, kemudian klik add reaction sekali lagi untuk reaksi kedua yaitu reaksi oksidasi gas metana menjadi CO2 dan H2.

CH4 + O2 CO2 + 2H2

Koefisien stoikiometri CH4 = -1; O2 = -1; CO2 = 1; H2 = 2

5

8) Pindah ke tab Basis dan pilih persen konversi sebanyak 60% seperti ditunjukkan di bawah. Total konversi reaksi 1 dan 2 sebanyak 100%

Menambahkan reaction set

9) Tutup jendela conversion reaction dan kembali ke jendela simulation basis manager reaction tab.

10) Klik add set button. Beri nama reaksi oksidasi. Pilih semua reaksi oksidasi (Rxn-1 dan Rxn-2) yang berada di dalam kotak active list. Biarkan kotak inactive tetap kosong.

Membuat sekuensial reaksi

Reaksi konversi dapat dikelompokkan dengan reaksi konversi lainnya dan diberi peringkat

untuk beroperasi secara simultan atau sekuensia. Rangking terendah akan bereaksi pertama

kali (dapat dimulai dari 0 atau 1)

11) Untuk membuat reaksi beroperasi secara sekuensial, di dalam jendela reaction set klik ranking dan masukkan informasi di bawah ini. Klik accept

12) Tutup jendela reaction set, dan kembali ke jendela simulation basis manager reaction tab.

6

Memasang reaction set ke fluid package

Setelah reaction set selesai dibuat, maka harus ditambahkan ke dalam fluid package yang

telah ditetapkan, sehingga dapat digunakan di dalam simulasi HYSYS

13) Highlight reaction set yang diinginkan dan klik tombol Add to FP 14) Pilih fluid package yang tersedia, kemudian tekan tombol Add Set to Fluid Package 15) Selanjutnya akan muncul tampilan nama fluid package yang dipilih di dalam kotak

Assoc. Fluid Package

16) Setelah selesai menambahkan reaction set ke dalam fluid package anda dapat masuk ke dalam simulasi dengan meng-klik enter simulation environment.

Membuat aliran umpan

Buat dua aliran material (klik tombol material stream) kemudian isilah dengan informasi

berikut ini :

Material stream 1

11

12

13

7


Conditions

Name Methane

Temperature 25oC

Pressure 2 bar

Molar flow 100 kgmole/h

Compositions

Mole fraction methane 1

Material stream 2


Conditions

Name Udara

Temperature 25oC

Pressure 2 bar


Compositions

Mole fraction N2 0.79

Mole fraction O2 0.21

Membuat reactor konversi

1) Pada object palette, klik general reactor. Selanjutnya akan muncul palet yang lain dengan tiga tipe reactor yaitu : gibbs, equilibrium dan conversion. Pilih reactor konversi dan

masukkan ke dalam PFD

2) Beri nama reactor oksidasi dan pasangkan kedua material stream ke dalam reactor sebagai umpan. Beri nama outlet vapor dengan vap_oks dan beri nama aliran produk liquid

dengan liq_oks, meskipun aliran produk liquidnya nol.

8

3) Pada tab reactions pada page details pilih reaksi oksidasi sebagai reaction set. Ini secara otomatis akan menghubungkan reaksi yang tepat dengan reactor

4) Kembali pada worksheet, pada page composition, analisalah komposisi di dalam aliran vap_oks.

Berapa laju alir molar dari komponen-komponen berikut ini :

Metana : _______________ Nitrogen : _______________

Oksigen : _______________ CO : _______________

CO2 : _______________ Hidrogen : _______________

9

5) Simpan pekerjaan anda - Klik menu file - Pilih Save As - Beri nama file HYSYS dengan reaksi konversi kemudian klik OK

10

Reaksi kesetimbangan

Bab ini berisi persoalan untuk membuat model yang merepresentasikan reaksi water gas shift

(WGS). Tujuan dari reaksi WGS adalah untuk meningkatkan yield hydrogen dan

menurunkan konsentrasi CO untuk mencegah keracunan anoda dan hilangnya efisiensi cell.

Peserta akan mempelajari bagaimana menambahkan reaksi kesetimbangan dan reaction set di

dalam HYSYS

Reactor kesetimbangan merupakan bejana yang memodelkan reaksi kesetimbangan. Aliran

outlet rector berada dalam kesetimbangan kimia dan fisika. Reaction set yang kita pasangkan

di dalam reactor kesetimbangan dapat mengandung sejumlah reaksi kesetimbangan yang

tidak terbatas, yang dapat diselesaikan secara simultan atau sekuensial. HYSYS dapat

menghitung aktivitas kimia dari setiap komponen yang berada dalam campuran berdasarkan

fugasitas komponen murni dan campuran.

Kita juga dapat memeriksa konversi actual, komponen basis, konstanta kesetimbangan dan

tingkat reaksi untuk setiap reaksi di dalam reaction set yang dipilih. Konversi, konstanta

kesetimbangan dan tingkat reaksi seluruhnya dihitung berdasarkan informasi kesetimbangan

reaksi yang tersedia ketika kita membuat reaction set.

Tujuan pembelajaran

1) Mensimulasikan reactor kesetimbangan dan reaksi di dalam HYSYS 2) Menambahkan reaksi dan reaction set 3) Memasang reaction set di dalam fluid package 4) Mencetak aliran dan workbook datasheet

Petunjuk awal



Persoalan

Aplikasi baru hydrogen sebagai bahan baku untuk fuel cell yang berguna untuk sumber

tenaga (PEM fuel cells) harus memenuhi persyaratan bahwa inlet gas yang masuk ke anoda

harus memiliki konsentrasi CO lebih rendah dari 10 20 ppm

Sehingga jika hydrogen dihasilkan dari hidrokarbon atau reforming alcohol, maka diperlukan

purifikasi untuk menurunkan level CO sehingga memenuhi nilai ambang batas. Teknologi

yang paling feasible untuk purifikasi berupa water gas shift reaction. Reaksinya

CO + H2O CO2 + H2

Telah dijalankan selama kurang lebih 40 tahun untuk memproduksi hydrogen dari liquid dan

as hidrokabon. Reaksi WGS bertujuan untuk meningkatkan proses produksi H2 dan

menurunkan konsentrasi CO yang merupakan racun bagi beberapa katalis yang digunakan.

Buatlah model yang merepresentasikan reaksi WGS

11


1) Untuk bab ini kita dapat menggunakan kasus yang telah kita simpan sebelumnya (bab reaksi konversi) dengan menambahkan komponen H2O

2) Buka file reaksi konversi 3) Klik tombol Enter Basis Environment untuk melihat Simulation Basis Manager 4) Di dalam tab components, View Component List 1 untuk menambahkan komponen 5) Tambahkan H2O ke dalam kotak selected components sebagaimana ditunjukkan pada

gambar berikut

Menambahkan reaksi

Di dalam HYSYS menambahkan reaksi dilakukan dengan cara yang sama seperti metode

menambahkan komponen di dalam simulasi

6) Klik tab Reactions di dalam jendela simulation basis manager 7) Klik tombol Add Rxn dan pilihlah Equilibrium sebagai tipe reaksi, selanjutnya klik

tombol Add Reaction

8) Masukkan semua informasi yang diperlukan ke dalam kotak stoichiometry

CO + H2O CO2 + H2

Koefisien stoikiometri CO = -1; H2O = -1; CO2 = 1; H2 = 1

12

Menambahkan reaction set

9) Tutup jendela jendela equilibrium reaction 10) Masih berada pada tab reaction pada jendela simulation basis manager, klik tombol Add

Set. Beri nama Reaksi WGS, dan tambahkan Rxn-3 ke dalam kotak active list. Biarkan

kotak inactive tetap kosong.

Memasang reaction set ke dalam Fluid Package

Setelah reaction set selesai dibuat, maka harus ditambahkan ke dalam fluid package yang ada,

sehingga dapat digunakan oleh HYSYS

11) Highlight reaction set yang diinginkan dan klik Add to FP 12) Pilih fluid package yang tersedia, kemudian tekan tombol Add Set to Fluid Package 13) Setelah selesai menambahkan reaction set ke dalam fluid package anda dapat kembali ke

dalam simulasi dengan meng-klik Return to Simulation Environment. Pastikan solver

telah aktif

Membuat aliran umpan

Buat aliran material kemudian isilah dengan informasi berikut ini :


Conditions

Name Steam

Temperature 100oC

Pressure 2 bar


Compositions

Mole fraction H2O (water) 1

Menambahkan reactor equilibrium

13

14) Pada object palette, klik general reactor. Selanjutnya akan muncul palet yang lain dengan tiga tipe reactor yaitu : gibbs, equilibrium dan conversion. Pilih reactor equilibrium dan

masukkan ke dalam PFD

15) Beri nama reactor WGS dan pasangkan material stream vap_oks dan steam ke dalam reactor sebagai umpan. Beri nama outlet vapor dengan vap_WGS dan beri nama aliran

produk liquid dengan liq_WGS.

16) Pada page details dari reaction tab pilih reaksi WGS sebagai reaction set-nya. Secara otomatis reaksi yang kita pilih akan terhubung dengan reactor

14

17) Kembali pada worksheet, pada page composition, analisalah komposisi di dalam aliran vap_WGS.

18) Simpan pekerjaan anda

Berapa laju alir molar dari komponen-komponen berikut ini :

Metana : _______________ Nitrogen : _______________

Oksigen : _______________ CO : _______________

CO2 : _______________ Hidrogen : _______________

Hitung persentase komponen-komponen berikut ini (bandingkan dengan konversi)

CO (penuruna) : _______________

Hydrogen (kenaikan) : _______________

15

Perbedaan reactor Gibbs dan reactor Equilibrium

Bab ini berisi simulasi fasilitas reactor yang lengkap dengan reaksinya, menggunakan dua

tipe reactor yaitu reactor Gibbs dan Equilibrium. Fungsi utama reactor Gibbs adalah untuk

mengevaluasi komposisi kesetimbangan aliran outlet dengan meminimalisir total energy

bebas Gibbs dari campuran produk (effluent mixture). Reactor kesetimbangan menentukan

komposisi aliran outlet yang diberikan oleh stoikiometri seluruh reaksi yang terjadi serta

harga konstanta kesetimbangan untuk setiap reaksi.

Dalam bab ini kita menggunakan dua tipe reactor yaitu Gibbs dan Equilibrium, dengan tujuan

untuk menyoroti perbedaan dari kedua tipe reactor ini, dan menunjukkan bagaimana

menambahkan reaksi ke dalam simulasi HYSYS

Tujuan pembelajaran

1) Mensimulasikan reactor dan reaksi di dalam HYSYS 2) Memahami perbedaan antara reactor Gibbs dan Equilibrium

Petunjuk awal


1) Arah aliran PFD 2) Menambahkan stream pada PFD 3) Menambah dan menghubungkan unit operasi

Teori Steam cracking etana merupakan proses yang mengkombinasikan steam dan etana pada suhu

yang tinggi untuk memproduksi hydrogen, etilene, asetilene, dan komponen-komponen

lainnya. Reaksi ini merupakan metode utama untuk memproduksi hydrogen.

Reaksinya

C2H6 C2H4 + H2

Buatlah model yang merepresentasikan reaksi cracking di atas


1) Buat case yang baru dengan Peng-robinson sebagai property package-nya 2) Tambahkan komponen-komponen berikut ini :

- Methane (CH4) - Ethane (C2H6) - Ethylene (C2H4) - Acetylene (C2H2) - Carbon Monoxide (CO) - Carbon Dioxide (CO2) - Hydrogen (H2) - Oxygen (O2) - Water (H2O)

3) Menambahkan reaksi Reaksi harus ditambahkan ke dalam fluid package untuk menjalankan reactor

equilibrium. Penambahan reaksi sebagaimana prosedur sebelumnya

16

4) Pada jendela simulation basis manager, klik reaction tab. Klik tombol Add Comps, kemudian pilih komponen-komponen di atas. Jangan lupa klik fluid package dan

tambahkan Peng-Robinson sebagai property package.

5) Klik Add Rxn sehingga muncul jendela reaksi seperti pada gambar di bawah

6) Pilih equilibrium kemudian klik tombol Add Reaction. Selanjutnya akan muncul jendela Equilibrium Reaction. Masukkan informasi reaksi cracking etana di atas sebagai Rxn-1.

17

7) Pada tab Basis pilih Fixed Keq radio button.

8) Pada tab Keq isi Fixed Keq Constant dengan harga 0,343

9) Jumlah reaksi yang terjadi bisa lebih dari satu. Ulangi langkah 5 s.d 8 untuk 5 reaksi di bawah ini

Reaksi Stoikiometri Fixed K

Rxn-2 C2H4 C2H2 + H2 1.99 E-3

Rxn-3 2CH4 C2H2 + 3H2 1.39 E-7

Rxn-4 CH4 + H2O CO + 3H2 26.7

Rxn-5 CO + H2O CO2 + H2 1.37

Rxn-6 2H2O O2 + 2H2 8.7 E-11

10) Setelah selesai membuat ke-enam reaksi tersebut, klik tombol Add Set, maka akan muncul tampilan Reaction Set

11) Beri nama : Equilibrium Set 12) Highlight kolom (cell) di dalam kotak Active List, pilih Rxn-1 s.d Rxn-6. Tutup window.

18

13) Pilih equilibrium set pada kotak Reactions Sets. 14) Klik tombol Add to FP. Add Equilibrium Set screen akan muncul, kemudian klik Add

Set to Fluid Package. Pada kotak Assoc. Fluid Pkgs akan muncul tulisan Basis-1

Sekarang kita sudah siap untuk membuat simulasi. Klik tombol Enter Simulation

Environment pada jendela simulation basis manager

Memasang Stream dan Reaktor Di dalam PFD, buka Object Palette, jika belum tersedia, tekan , atau pilih Open Object

Palette pada menu Flowsheet

1) Buatlah dua aliran dengan menggunakan informasi di bawah ini

Material Stream GB_IN EQ_IN

Conditions

Temperature 730oC 730oC

Pressure 100 kPa 100 kPa

Molar flow 100 kgmole/h 100 kgmole/h

Compositions

Mole fraction ethane 0.2 0.2

Mole fraction H2O 0.8 0.8

Mole fraction komponen yang lain 0 0

2) Tambahkan Gibbs Reactor. Masukkan kedua aliran di atas pada connections page. Tambahkan aliran produk pada reactor

3) Tambahkan aliran energy pada reactor dan setting suhu pada GB_Prod sebesar 730oC.

19

Pertanyaan : Berapakah fraksi mol H2 di dalam GB_Prod stream

4) Menambahkan equilibrium reactor. Masukkan informasi di atas ke dalam connection page.

5) Pada Details page dari Reaction tab, gunakan use the drop-down menu untuk memilih Equilibrium Set sebagai pasangan pada reaction set. Status bar untuk operasi akan

berubah menjadi "Unsolved" dengan warna kuning.

6) Seting suhu pada UQ_Prod stream menjadi 730oC

Pertanyaan :

1) Berapakah fraksi mol H2 di dalam EQ_Prod stream 2) Bandingkan aliran produk untuk kedua reactor, apakah keduanya identik 3) Dapatkah anda menjelaskan aplikasi dari kedua reactor tersebut?

20

CSTR

Dalam bab ini proses yang akan dimodelkan adalah proses produksi propylene glycol.

Propylene glycol dihasilkan dari proses konversi propilen oksida dan air menjadi pada

Reaktor Tangki Berpengaduk Kontinu (CSTR).

Aliran umpan propylene glycol dan air dicampur di dalam mixer. Aliran yang sudah

tercampur dimasukkan ke dalam reactor yang beroperasi pada tekanan atmosfer dimana

propylene glycol dihasilkan

Tujuan

Setelah menyelesaikan bab ini mahasiswa akan mampu mensimulasikan reaksi dan reactor

CSTR di dalam HYSYS

Petunjuk awal



Teori

Senyawa glycol digunakan secara meluas di gas plant untuk mendehidrasi air. Kandungan air

di dalam gas alam dapat menjadi masalah yang serius pada proses transportasi, pencairan

ataupun pada pembakaran. Kandungan air di dalam gas alam menyebabkan terbentuknya

hidrat di perpipaan ataupun peralatan pencairan gas dan juga menurunkan nilai bakar dari gas

alam. Reaksi pembentukan propylene glycol sebagai berikut

H2O + C3H6O C3H8O2

Tugas

Buatlah model yang merepresentasikan reaksi pembuatan propylene glycol


Dalam simulasi ini menggunakan satuan field. Sehingga terlebih dahulu anda harus

mengubahnya di dalam Tools/Preference/Variables

Tahap selanjutnya adalah memilih komponen dan paket fluida. Masukkan informasi berikut

ini ke dalam paket fluida.


Property package UNIQUAC

Komponen Propylene oxide, propylene

glycol, H2O

21

Menentukan koefisien biner

Setelah memilih fluid package, tahap selanjutnya adalah menentukan parameter-parameter

interaksi biner dari masing-masing komponen :

1) Klik tab Binary Coeffs pada tampilan Fluid Package property Di dalam model parameter interaksi aktivias Aij, parameter interaksi yang ditampilkan

secara default oleh HYSYS berdasarkan data yang tersedia di library. Seandainya kita

memiliki data-data parameter interaksi, kita bisa memasukkan data-data tersebut ke dalam

table yang tersedia. Kita juga dapat menggunakan UNIFAC VLE untuk menghitung nilai

parameter yang tidak diketahui.

2) Klik tombol Unknowns Only. HYSYS akan memberikan nilai parameter interaksi yang tidak diketahui.

3) Untuk melihat parameter interaksi biner klik radio button Bij. Pada kasus ini Bij secara default bernilai nol

Mendefinisikan reaksi

1) Kembali ke jendela simulation basis manager

22

2) Klik tab reaction. Reaksi yang terjadi adalah antara propylene oxide dengan air menghasilkan propylene glycol.

H2O + C3H6O C3H8O2

Tahapan-tahapan yang kita lakukan untuk mendefinsikan reaksi sebagai berikut :

- Membuat dan mendefinisikan kinetika reaksi - Membuat reaction set yang berisi reaksi - Mengaktivasi reaction set sehingga dapat digunakan di dalam simulasi

Membuat reaksi 1) Di dalam tab reaction klik Add Rxn, pilih tipe reaksi : Kinetic. Selanjutnya tekan tombol

Add reaction, maka akan muncul jendela Kinetic Reaction property. Masukkan

informasi yang tersedia ke dalam table.

HYSYS secara default akan memberikan nilai forward order dan reverse order

berdasarkan stoikiometri reaksi. Data kinetika pada kasus ini didasarkan pada excess

water, sehingga kinetika orde pertama hanya pada propylene oxide.

2) Pada kolom Fwd order untuk H2O ubah nilainya menjadi nol (0) yang berarti terdapat ekses air. Sekarang tab stochiometry sudah didefinisikan dengan lengkap seperti

ditunjukkan pada gambar di bawah ini

3) Masih pada Kinetic Reaction property view, klik tab Basis 4) Pada Basis cell, pilih Molar Concn 5) Klik Base Component cell, pilih propylene oxide sebagai basis komponen

23

6) Klik Rxn Phase cell, pilih CombinedLiquid. Selanjutnya tab Basis sudah lengkap seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini

7) Klik pada Parameters tab. Dalam tab ini tersedia parameter sesuai persamaan Arhenius untuk kinetika reaksi. Dalam kasus ini tidak ada reverse reaction yang terjadi. Sehingga

kita hanya perlu mengisi data parameter-parameter untuk forward reaction.

8) Masukkan harga A = 1.7e13 dan E (energy aktivasi) = 3.24e4 (btu/lbmole). Indicator status di bagian bawah tampilan akan berubah dari not ready menjadi ready, yang berarti

bahwa reaksi sudah terdefinisi dengan lengkap.

9) Tutuplah baik tampilan Kinetic Reaction Property dan Reactions. 10) Klik ikon Home View untuk memastikan bahwa Simulation Basis Manager aktif. Pada

menu Reactions telah muncul Rxn-1 sebagai sistem reaksi pada flowsheet ini.

11) Pada kolom Reaction Sets, klik tombol Add Set maka tampilan Reaction Set Property akan muncul dengan default Set-1

12) Pada kolom Active List, pilih Rxn-1. 13) Label cekbox muncul secara otomatis di samping kolom Active List. Kotak status akan

berubah dari Not Ready menjadi Ready.

14) Tutup tampilan Reaction Set dan kembali ke Simulation Basis Manager. Reaction Set yang baru (Set-1) muncul pada kolom Reaction Sets

15) Klik Set-1 pada menu Reactions. 16) Klik tombol Add to FP hingga muncul tampilan Add Set-1 yang menyarankan anda

untuk memilih Fluid Package yang akan ditambahkan pada Reaction Set. Pada tutorial ini

hanya ada satu Fluid Package, yaitu Basis-1.

17) Pilih Basis-1 dan klik tombol Add Set to Fluid Package

24

18) Klik menu Fluid Pkgs untuk menampilkan summary dari Fluid Package yang lengkap. 19) Klik Enter Simulation Environment untuk memulai simulasi

Membuat simulasi

1) Membuat material stream berdasarkan informasi berikut ini

Material Stream Prop oxide Water feed

Conditions

Temperature 75oF 75oF

Pressure 1.1 atm 16.17 psia

Flow 150 lbmole/h 11000 lb/h

Compositions

Mole fraction 12C3Oxide 1.000 0

Mole fraction H2O 0 1.000

Mole fraction komponen yang lain 0 0

2) Meng-install unit operasi : Mixer. Gabungkan dua aliran umpan di atas ke dalam mixer. Beri nama aliran outlet dengan mix_out

3) Meng-install reactor. Pada object palette klik CSTR dan masukkan ke dalam PFD. 4) Beri nama CSTR dan pasangkan mix_out sebagai feed. Beri nama vapor outlet dengan

CSTR vent dan liquid outlet dengan CSTR Produk

5) Buat aliran energy dan beri nama dengan coolant, pasangkan ke reactor

6) Pada Reactions tab, highlight page Details dan pilih set-1 sebagai reaction set 7) Selanjutnya adalah menspesifikasi parameter bejana. Dalam kasus ini katakanlah reactor

memiliki volume 280 ft3 dan 85% terisi.

8) Klik tab Dynamics dan pilih page specs 9) Di dalam model details, ketik 280 ft3 pada vessel volume dan 85% pada Liq Volume

Percent

25

10) Klik pada worksheet tab. Pada titik ini aliran produk dan aliran energy coolant belum diketahui karena reactor memiliki satu derajat kebebasan.

11) Sebagai kondisi awal, reactor kita asumsikan beroperasi pada kondisi isothermal, sehingga suhu outlet reactor sebesar 75oF. Pada cell CSTR Produk temperature ketik

75oF.

12) Tidak ada perubahan fase pada reactor pada kondisi isothermal, karena aliran produk vapor CSTR vent sama dengan nol. Sebagai tambahan kebutuhan pendingin (cooling

duty) telah dihitung dan direpresentasikan dengan heat flow pada coolant stream. Tahap

selanjutnya adalah memeriksa konversi reactor sebagai fungsi temperature.

13) Klik reaction tab dan pilih results page. Konversi akan nampak di dalam table.

26

PFR

Dalam bab ini proses yang akan dimodelkan adalah proses reaksi klorinasi metana. Reaksi

klorinasi metana merupakan reaksi yang cukup penting di dalam industry petrokimia.

Paraffin dan terutama olefin akan cepat bereaksi dengan klorine (Cl2). Produk yang

dihasilkan merupakan produk intermediate ataupun produk akhir di dalam industry kimia

Reaksi klorinasi dapat dilakukan dengan tiga metode yaitu : photochemical, katalitik dan

thermal. Dalam bab ini kita akan mempelajari pemodelan produksi klorometana dengan

menggunakan proses thermal.

Model simulasi yang kita bangun, merupakan model simulasi yang lengkap dengan

menggunakan mixer, heater, reactor, kompresor, dan separator.

Tujuan

Setelah menyelesaikan bab ini mahasiswa akan mampu mensimulasikan reaksi dan reactor

PFR di dalam HYSYS serta memahami proses klorinasi secara thermal

Petunjuk awal


1) Arah aliran PFD 2) Menambahkan stream pada PFD ke dalam workbook 3) Menambah dan menghubungkan unit operasi 4) Set up recycle compressor

Teori

Reaksi klorinasi metana merupakan reaksi seri dengan tahapan-tahapan reaksi sebagai berikut

CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl

CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl

CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl

Tugas

Buatlah model yang merepresentasikan reaksi klorinasi metana


Dalam simulasi ini menggunakan satuan field. Sehingga terlebih dahulu anda harus

mengubahnya di dalam Tools/Preference/Variables

Tahap selanjutnya adalah memilih komponen dan paket fluida. Masukkan informasi berikut

ini ke dalam paket fluida.

Property package : Peng Robinson

Komponen : Gunakan family filter halogen untuk mendapatkan klorometana

Metana (CH4) Mono-chloromethane (Refrig-40) Di-chloromethane (Cl2-C1) Tri-chloromethane (Chloroform) Tetra-chloromethane (CCl4)

27

Chlorine (Cl2) Hydrogen chloride (HCl)

Mendefinisikan reaksi

1) Kembali ke jendela simulation basis manager 2) Klik tab reaction. Tahapan-tahapan dan stoikiometri reaksi yang terjadi adalah sebagai

berikut :

Reaksi Stoikiometri

Rxn-1 CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl

Rxn-2 CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl

Rxn-3 CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl

Rxn-4 CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl

Tahapan-tahapan yang kita lakukan untuk mendefinsikan reaksi sebagai berikut :

- Membuat dan mendefinisikan kinetika reaksi - Membuat reaction set yang berisi reaksi - Mengaktivasi reaction set sehingga dapat digunakan di dalam simulasi

Membuat reaksi 1) Di dalam tab reaction klik Add Rxn, pilih tipe reaksi : Kinetic. Selanjutnya tekan tombol

Add reaction, maka akan muncul jendela Kinetic Reaction property. Masukkan

informasi yang tersedia ke dalam table.

HYSYS secara default akan memberikan nilai forward order dan reverse order

berdasarkan stoikiometri reaksi.

2) Masih pada Kinetic Reaction property view, klik tab Basis dan masukkan informasi berikut ini :

28

Di dalam cell Masukkan

Basis Mole fraction

Rxn Phase Vapour phase

Rate Units Kgmole/m3s

Masukkan data yang sama untuk ketiga jenis reaksi lainnya.

3) Klik pada Parameters tab. Dalam tab ini tersedia parameter sesuai persamaan Arhenius untuk kinetika reaksi. Lengkapi reaksi dengan memasukkan parameter-parameter berikut

ini

Reaksi Parameter-parameter Kinetika

Rxn-1

Base component : CH4

A = 37 939 kgmol/m3s

E = 78 160 kJ/kgmole

Rxn-1

Base component : R-40



Rxn-1

Base component : Cl2-Cl



Rxn-1

Base component : Chloroform



Status windows sekarang sudah ready

4) Tutup tampilan Reaction Set dan kembali ke Simulation Basis Manager. Reaction Set yang baru (Set-1) muncul pada kolom Reaction Sets

5) Klik Set-1 pada menu Reactions. 6) Klik tombol Add to FP hingga muncul tampilan Add Set-1 yang menyarankan anda

untuk memilih Fluid Package yang akan ditambahkan pada Reaction Set. Pada tutorial ini

hanya ada satu Fluid Package, yaitu Basis-1.

7) Pilih Basis-1 dan klik tombol Add Set to Fluid Package 8) Klik menu Fluid Pkgs untuk menampilkan summary dari Fluid Package yang lengkap. 9) Klik Enter Simulation Environment untuk memulai simulasi

Membuat simulasi

1) Membuat material stream berdasarkan informasi berikut ini

Material Stream CH4 Feed Cl2 feed

Conditions


Pressure 1000 kPa 1000 kPa

Flow 50 kgmole/h 100 kgmole/h

Compositions

Mole fraction CH4 1.000 0

Mole fraction Cl2 0 1.000

29

2) Membuat material stream yang lain berdasarkan informasi di bawah ini. Kita akan mengkoneksikan material stream ini setelah memasang unit operasi.

Material Stream RX_feed RX_out HX_feed

Conditions


Pressure 980 kPa

Material Stream Produk Top Gas Recycle_1 Recycle_2

Conditions

Temperature 100oC 100oC 112oC

Pressure 890 kPa 890 kPa 1000 kPa

Flow 3.82 kgmole/h

Compositions

Mole fraction CH4 0.0121

Mole fraction Cl2 0.9879

Mole fraction

komponen lain

0

Tambahkan pula 4 buah energy stream yaitu : HX_energy, SP_energy, RX_energy dan

CP_energy. Kita tidak perlu memasukkan informasi apapun ke dalam aliran ini.

3) Menambahkan mixer - Dari object palette klik mixer - Tempatkan mixer ke dalam PFD - Masukkan informasi seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Aliran inlet

mixer berupa : CH4_feed, Cl2_feed dan Recycle_2. Aliran outlet berupa HX_feed.

- Klik kanan Feed_mix dan pilih show_table. Sehingga muncul table yang berisi suhu, tekanan dan flow.

30

4) Menambahkan heater Tambahkan heater dan masukkan informasi berikut ini : aliran inlet = HX_feed, aliran

outlet = RX_feed, dan aliran energy = HX_energy. Beri nama dengan pre-heater.

Aliran outlet mixer HX_feed dipanaskan ke dalam pre-heater hingga mencapai suhu

427oC digunakan sebagai aliran inlet reactor, RX_feed.

5) Menambahkan reactor. Reaktor klorinasi memiliki tipe reactor plug flow. Masukkan informasi berikut ini : aliran

inlet = RX_feed, aliran outlet = RX_out, aliran energy = RX_energy.

31

Pada tab rating, masukkan informasi di bawah ini :


Length, m 10

Diameter, m 0,057

Number of tubes 500

Void fraction 1

Void fraction untuk tube yang kosong di-set 1, karena proses yang berlangsung adalah

proses thermal yang tidak memerlukan katalis.

Pertanyaan ?

Berapakan total volume yang terhitung ? ________________________________


Reaction set Global Rxn Set

Delta P, kPa 50

Dengan suhu pada kedua aliran inlet dan outlet telah dispesifikasi, duty reactor akan dapat

dihitung. Namun demikian, duty belum dapat dihitung karena looping belum lengkap.

6) Menambahkan component splitter Produk hasil reaksi dimasukkan ke dalam unit pemisahan. Kita tidak dapat memodelkan

secara rigorous. Namun demikian kita akan menggunakan operasi pemisahan sederhana

yaitu komponen splitter.

- Doble klik komponen splitter dan masukkan informasi berikut ini : nama = separator, inlet = RX_out, overhead outlet = Top_Gas, Bottoms outlet = Produk, energy streams

= SP_energy.

32

- Pada splits page masukkan angka 1 untuk metana dan angka nol untuk komponen yang lain pada fraksi overhead.

7) Menambahkan recycle compressor Recycle compressor berfungsi untuk menaikkan kembali tekanan reaktan (yang tidak

terkonversi) untuk dikembalikan ke aliran inlet pre-heater. Masukkan informasi berikut

ini : nama = recycle compressor, inlet = Top_gas, outlet = recycle_1, energy =

CP_energy.

8) Menambahkan operasi recycle Terakhir kita memasang operasi recycle, untuk melengkapi material balance loop.

Masukkan stream Recycle_1 sebagai inlet dan Recycle_2 sebagai outlet

Jika kita mendapati aliran belum konvergen padahal iterasi sudah maksimum, coba klik

tab parameter, pada page numerical, pada cell maximum iterations ubah harganya dari 10

33

menjadi 100. Setelah selesai dan simulasi konvergen kita dapat masuk kembali ke operasi

reactor dan memeriksa profil suhu, tekanan dan komposisi dengan membuat plot atau

table dari variable-variabel tersebut.

Pertanyaan

Hitung berapa kebutuhan panas (heat duty) reactor ? _____________________

modul praktek proses konversi

Documents