simulasi sintesis ammonia_kelompok 1

8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1

1/19

UNIVERSITAS INDONESIA

SIMULASI SINTESIS AMMONIA

GROUP 01

GROUP PERSONNEL:

ADINDA SOFURA AZHARIYAH (1306370505)

AKWILA EKA MELIANI (1306413725)

DANIA ALFIS FIRDAUSYAH (1306370511)

PANGIASTIKA PUTRI WULANDARI (1306370493)

YOLLA MIRANDA (1306414841)

CHEMICAL ENGINEERING DEPARTMENT

ENGINEERING FACULTY

UNIVERSITAS INDONESIA

MARCH, 2016


2/19

Simulasi Sintesis Ammonia

REAKSI SINTESIS AMMONIA

+ ⇌ PROGRAM HYSYS

Gambar 1. Program HYSYS

DATA YANG DIDAPAT

Integration Information

Number of segment : 5

Min Step Fraction :

1.0×10

Min Step Length : 9.7×10 BasisBasis :Particle Pressure

Base Component :Nitrogen

Rxn Phase :Vapour Phase

Min, Temp :-273 oC

Max, Temp :3000 oC


3/19

Basis Units :atm

Rate Units :Kg mol m 3/s

Data Katalis

Particle Diameter :0.001 mm

Particle Sphericity :1000

Solid Dencity :2500 Kg mol/m 3

Bulk Density :1250 Kg mol/m 3

Solid Head Capacity :250 Kj/Kg oC

Forward Reaction

A :10000

E :91000

β :empty

Reverse Reaction

A’ : 1.3×10. E’ : 1.41×10. β’ : empty

Equation Help

=

= − ′ = ′− Tube Dimension

Total Volume :6.851 m 3

Length :0.969 m

Diameter :3.00 m

Number of tube :1Wall Thickness :0.005 m

Stoichiometry and Rate Information

Component Mole WL Stoich Coeff Fwd order Rev Order

Nitrogen 28.013 -0.5 0.5 0

Hydrogen 2.016 -1.5 1.5 0

Ammonia 17.030 1 1 1

BalanceBalance error : 0.000


4/19

Reaction heat (25 oC) : 9.1×10 kJ/kg molTube Packing

Void fraction : 0.5

Void volume : 3.426

Komposisi Reaktan dan Produk (fraksi mol)

H2 : 0.5148

N2 : 0.1833

NH 3 : 0.0141

Ar : 0.0574

CH 4 : 0.2304

DATA TAMBAHAN

∅ =0.5 = 2.4644 / = 39.477 / = 0.00328 = 0.001 = 1.993×10− = 0.0482 ℎ = 0.07175 ℎ = 2.718 / = 978℃ = 543.15°

= 4.17×10 ℎ = 78 = 1250 / = 8.314 = 270℃ JAWAB

1. Kinetika dan Termodinamika

Kinetika: 12 +32 ⇌ =

= 2[− (

/ /) ′

− ]3600/


5/19

Laju reaksi ke kanan

= 10000

= 91000 / Laju reaksi ke kiri ′ = 1.3×10 ′ = 1.41×10 / Laju alir molar= 5×10 = 1.102×10 /ℎ

= 5×10 ×0.1833 = 9165

∆25℃ = 3.9×10 = 9.142×10/ Termodinamika: Secara termodinamika, konstanta kesetimbangan berdasarkan tekanan

parsial masing-masing pereaksi

= ′ = / / Saat keadaan setimbang, -r

N2=0. Maka,

27.135461 2.8085 31 0.3666 = ′0.0769 +1 0.3666 = ′ = 127.13546 1 0.36661 2.8085 31 0.3660.0769+2 Untuk menemukan persamaan diatas, digunakan Solver

Data kapasitas kalor (Cp) untuk setiap komponen:

Cp = 28.84+0.00765 ×10−T+0.3288×10− Cp = 29+0.2199 ×10−T+0.5723 ×10− Cp = 35.25+2.954×10−T+0.4421×10− Cp = 34.31+5.469×10−T+0.3661×10− Cp = 220.7945


6/19

2. Neraca Mol Persamaan untuk reaktor PFR

= ′ Rate Law:- ′ = 5.76 Stoikiometri:

+3 ⇌ 2 o

= 2 1 3 = 2

o

= 2×0.1833 = 0.3 = = +1+ o = 148.0385×0.183 = o = .. = 1.257 o = .. = 1.257 o

= .. = 1.257

o = .. = 1.257 = = 5.76 = = 5.76 11 0.3666

/ 2.8085 31 0.3666 / 0.0769 1 0.366

= 5.76 1 1 0.3666 /

2.8085 31 0.3666 / 0.07691 0.366

= 5.761 2.8085 3/1 0.3666 0.0769 21 0.3666 = 5.76 1 2.8085 3/1 0.3666 0.0769 21 0.3666 = 5.76×27.134569651 148.038527.13456 148.03851 2.8085 3/1 0.3666 0.07691 0.36

= 1.0981×104 0.18331 2.8085 3/1 0.3666 0.07691 0.366


7/19

= 24 1.0981×104 0.18331 2.8085 3/1 0.3666 0.0769 1 0.36 3. Neraca Energi

= 4 + ∆ΣΘCp + ∆ Mencari nilai ∆ ∆ = ∆+∆ +∆2 ( )+∆3 ( ) Reaksi: + ⇌ ∆ = = 35.1532×28.8412×29 = 22 ∆ = = 2.954×10− 32×0.00765 ×10− 12×0.2199−

= 0.028326

∆ = = 0.4421×10− 32×0.3288×10− 12×0.5723−= 3.3725×10− Maka,

∆ = 9.142×10− 22.61

25 +0.0283262 25

3.3725×10−3 25

Mencari nilai ΣΘCp ΣΘCp = ΘCp +ΘCp +ΘCp +ΘCp +ΘCp = 2.8085×28.84+0.00765×1−T+0.3288×1− +1×29+0.2199 ×10−T+0.5723×1− +0.076×35.25+2.954×10−T+0.4421 ×− +1.257×34.31+5.469×10−T+0.3661 ×− +0.313×20.7945

= 162.342+0.0734T+−


8/19

Mencari nilai

4 = = 4×2.7181250×3

= 2.8992×10− ℃

= 10.437 ℎ

Mencari nilai W

= 4 4 = 1250 34 = 8835.73 /

Persamaan Akhir

= + ∆

ΣΘCp + ∆

4 = + ∆ΣΘCp + ∆

= 4 + ∆ΣΘCp + ∆ 4. Neraca Momentum

Persamaan Ergun

= 1 1 ∅1501 +1.756 Mencari nilai G

= Σ = 0.5148×2.016+ 0.1833×28 ×1.1−76.0853 = 17963.0257 /ℎ

Maka,

= 1 1 ∅1501 +1.756

= 0.17965221 0.3666


9/19

5. Hasil Simulasi

a. Simulasi Model Reaktor Adiabatis

Gambar 2. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic

Pada simulasi sintesis ammonia dengan reaktor adiabatic didapatkan konversi

sebesar 45.6%. Nilai konversi ini cukup rendah dikarena pada panjang reaktor sekitar

8 m, reaksi sudah hampir mencapai kesetimbangan sehingga konversi tidak dapat

meningkat lebih besar lagi. Pada kurva pertama, terlihat bahwa terjadi penurunan

tekanan. Hal tersebut diakibatkan oleh gesekan antara reaktan dengan katalis yang

akan meningkatkan pressure drop .

Pada kurva 2 yaitu profil X dan Xe terhadap T, dapat dilihat bahwa terjadi

kenaikan konversi seiring peningkatan temperature. Hal tersebut terjadi karena reaksi

sintesis amonia ini merupakan reaksi eksotermis yang akan menghasilkan panas

selama reaksi berlangsung. Reaksi dalam telah mencapai kesetimbangan pada

temperature 304.2 oC. Selain itu, dapat dilihat bahwa nilai konversi kesetimbangannya

menurun seiring dengan meningkatnya suhu yang dikarenakan terjadinya reaksi balik

yang merupakan reaksi endotermis. Pada reaksi endotermis panas cenderung diserap

sehingga suhu akhir reaktor akan menurun. Hasil produksi dari proses ini adalah 1709

ton ammonia/hari untuk setiap tabung.


10/19

b. Simulasi Model Reaktor Adiabatis-Interstage Cooler

Gambar 3. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic

+interstage cooler

Pada simulasi sintesis ammonia, dapat digunakan interstage cooler untuk

meningkatkan konversi. Ternyata konversi yang didapatkan benar lebih besar dari

pada hanya menggunakan reaktor adiabatis yaitu sebesar 54.6 % . Pada kurva 1, dapat

dilihat bahwa pada jarak ±11 m konversi mengalami keadaan konstan sehingga

reaktan akan melewati interstage cooler yang kemudian didinginkan hingga

temperatur awal umpan. Kemudian umpan dimasukkan kembali ke bed 2 dan reaksi

kembali berjalan dan konversi mengalami peningkatan hingga jarak ±27 m di mana

terjadi kesetimbangan. Suhu akhir dari proses ini adalah 276.8 oC.

Pada kurva 2 yaitu profil X, Xe terhadap T dapat dilihat saat konversi

mencapai kondisi kesetimbangan maka temperatur akan diturunkan ke temperatur

awal umpan dengan cara melewatkan pada interstage cooler . Pada suhu ± 305 oC,

reaksi mengalami kesetimbangan yang pertama. Namun reaktan dilewatkan ke

interstage cooler sehingga didinginkan dan reaksi berjalan lagi dan konversi pun

ditingkatkan hingga mencapai kesetimbangannya. Tekanan keluaran reaktor adalah

139.2 atm. Kapasitas produksi NH3 untuk proses adiabatis dan interstage ini adalah


11/19

2044 ton/hari (1 tube). Jadi, dengan menggunakan interstage cooler konversi

meningkat dari 45.6% (adiabatis) menjadi 54.6 % (adiabatis + interstage cooler ) dan

hasil produksi akan meningkat 1709 ton/hari menjadi 2044 ton/hari.

c. Simulasi Model Reaktor Non-Adiabatis

Gambar 4. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor non-adiabatic

Pada simulasi sintesis ammonia dengan reaktor non-adiabatic didapatkan

konversi sebesar 53% dengan panjang reaktor 30 m. Nilai konversi tersebut lebih

kecil dari pada konversi reaktor adiabatis yang menggunakan interstage cooler

(54.6%) namun lebih besar dari reaktor adiabatis tanpa interstage cooler (45.6%).

Pada kurva 1 yaitu profil X, T, P/Po terlihat bahwa konversi terus meningkat

walaupun tidak signifikan dan temperatur awalnya meningkat kemudian terus turun,temperatur sengaja diturunkan agar konversi meningkat. Temperatur keluaran reaktor

adalah 278,84 C. Temperatur diturunkan dengan mengontakkan reaktan dengan air

pendingin sehingga akan terjadi perpindahan kalor melalui dinding reaktor dengan

UA sebesar 10,44 kW/m2 hr dan Ta = 270 C. Ketika melewati posisi awal reaktor,

reaksi berlangsung sangat cepat sehingga panas yang diserap air pendingin tidak dapat

mengimbangi panas reaksi yang dihasilkan sehingga temperatur awal reaktor menjadi

naik. Pada grafik juga dapat dilihat terjadi penurunan pada tekanan. Hal ini

disebabkan terjadi friksi antara reaktan dan katalis yang akan meningkatkan pressure


12/19

drop . Tekanan keluaran reaktor sebesar 139 atm dengan kapasitas produksi

NH 3sebesar 1986 ton/hari (1 tube).

d. Simulasi Model Reaktor Adiabatis dengan Absorber NH 3 dan Suplai N 2 dan H 2

Gambar 5. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic dengan absorber

NH 3 dan suplai N 2 dan H 2

Simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic dengan menambah suplai

tekanan N 2 dan H 2 masing-masing sebesar 5 atm dan mengabsorbsi tekanan NH 3

sebesar 5 atm, konversi pada reaktor adiabatis meningkat menjadi 52.2 %. Temperatur

keluaran sebesar 310 oC dan tekanan keluaran 138.5 atm. Kapasitas produksi NH 3

sebesar 1957 ton/hari (1 tube). Hal ini berarti apabila tekanan dinaikkan lebih besar

lagi maka konversi akan semakin lebih besar lagi sehingga akan menghasilkan produkkeluaran yang lebih banyak lagi.

e. Simulasi Model Reaktor Adiabatis+Interstage Cooler dengan Absorber NH 3 dan

Suplai N 2 dan H 2


13/19

Gambar 6. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatis+interstage cooler

dengan absorber NH 3 dan suplai N 2 dan H 2

Pada simulasi sintesis ammonia ini, digunakan reaktor adiabatic dan interstage

cooler untuk meningkatkan konversi. Selain itu, untuk meningkatkan konversi

ditambahkan suplai tekanan H 2dan N 2 sebanyak masing-masing 10 atm dan

ammonia (NH3) sebagai produk akan diabsorbsi dengan absorben air murni pada

jumlah yang sama yaitu sebesar 10 atm. Dengan metode tersebut, dihasilkan

konversi sebesar 68.8%.

Penambahan reaktan akan menyebabkan reaksi reversibel ini bergeser

kesetimbangannya ke arah produk, sehingga konversi meningkat. Pada kurva,

terlihat bahwa konversinya melewati kurva konversi kesetimbangan. Hal tersebut

terjadi karena adanya absorben yang menyerap produk sehingga produk dapat

terbentuk kembali. Proses ini menghasilkan kapasitas produksi sebesar 2577 ton

ammonia/hari untuk satu tabung, melampaui semua proses yang ada di atas.

Tekanan keluaran proses ini yaitu 139.5 atm pada temperature 278.5 oC.

f. Simulasi Model Reaktor Non-Adiabatis dengan Absorber NH 3 dan Suplai N 2 dan

H 2


14/19

Gambar 7. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic+interstage cooler

Pada simulasi sintesis ammonia ini, digunakan reaktor non-adiabatik yang

kemudian ditambahkan suplai tekanan H 2dan N 2 sebanyak masing-masing 10 atm dan

ammonia (NH3) sebagai produk akan diabsorbsi dengan absorben air murni pada

jumlah yang sama yaitu sebesar 10 atm untuk meningkatkan konversi. Metode inimenghasilkan konversi sebesar 67.1%. Nilai ini lebih besar daripada hasil dari proses

pada reaktor non-adiabatis yang tidak terdapat proses penambahan komposisi pereaksi

dan proses absorpsi produk, namun lebih kecil dari hasil proses yang menggunakan

reaktor adiabatis + interstage cooler . Hal ini dikarenakan pada reaktor adiabatik +

interstage cooler bekerja lebih efisien memanfaatkan pereaksi yang masuk ke kolom.

Pereaksi ini akan didinginkan di setiap tahap dalam kolom sehingga konversi

perubahan menjadi produknya menjadi lebih besar.

Pada kurva 1 yaitu profil X, T, P/Po (grafik sebelah kiri), dapat dilihat bahwa

konversi terus meningkat dan profil temperatur pada awalnya meningkat kemudian

terus turun. Temperatur sengaja diturunkan agar konversi tetap meningkat.

Temperatur keluaran reaktor adalah 282,6 oC. Temperatur diturunkan dengan cara

mengontakkan reaktan dengan air pendingin sehingga akan terjadi perpindahan kalor

melalui dinding reaktor dengan UA sebesar 10,44 kW/m 2 hr dan Ta = 270 C. Ketika

melewati posisi awal reaktor, reaksi berlangsung sangat cepat sehingga panas yang

diserap air pendingin tidak dapat mengimbangi panas reaksi yang dihasilkan sehingga


15/19

temperatur awal reaktor menjadi naik. Pada grafik juga dapat dilihat terjadi penurunan

pada tekanan. Hal ini disebabkan terjadi friksi antara reaktan dan katalis yang akan

meningkatkan pressure drop . Tekanan keluaran reaktor sebesar 139.3 atm dengan

kapasitas produksi NH3 sebesar 2512 ton/hari (1 tube).

g. Simulasi Model Temperatur Umpan Optimum pada Reaktor Adiabatis

T0 (oC) T ( oC) X Xe

200 209.388 0.123 0.78

210 225.898 0.2077 0.763

220 246.078 0.3383 0.726

240 279.349 0.5078 0.608

260 295.157 0.4588 0.5

270 302.805 0.4306 0.471

280 310.496 0.4026 0.443

300 326.041 0.3476 0.391

320 341.856 0.2949 0.34

330 349.883 0.2697 0.306

350 366.209 0.2221 0.264

370 382.209 0.1789 0.212

400 408.777 0.1232 0.1555

Tabel di atas adalah variasi data dari temperatur umpan (To) yang masuk ke

reaktor adiabatis, untuk mengetahui pada temperatur berapa akan dicapai konversi

maksimum. Temperatur yang dicapai ini adalah temperatur umpan yang optimum.


16/19

Grafik 1. Konversi terhadap variasi temperature umpan pada reaktor adiabatis

Hasil dari simulasi ini, terlihat bahwa seiring dengan naiknya temperatur

umpan, akan menghasilkan konversi yang semakin besar. Pada grafik di atas, dapat

dilihat bahwa pada konversi maksimum sebesar 0.5078 dicapai pada temperatur

umpan 240 oC. Apabila temperature dinaikkan kembali konversi akan turun. Semakin

tinggi temperatur maka laju reaksi akan semakin cepat sehingga konversi bernilai

besar. Setelah suhu dinaikkan melewati 240 oC, reaksi kesetimbangan telah berjalan

stabil dan sudah dikenai adanya cooling yang bekerja sehingga konversi akan turun.

Untuk konversi kesetimbangan (Xe), dapat terlihat pada profil ini, yaitu pada reaksi

eksotermis, dengan meningkatnya temperatur umpan maka reaksi akan bergeser ke

arah endotermis, atau ke arah reaktan, sehingga nilai konversi kesetimbangan untuk

membentuk produk akan menurun.

h. Simulasi Model Temperatur Umpan Optimum pada Reaktor Non-AdiabatisTo ( oC) T ( oC) X Xe

200 275.129 0.46696 0.753

210 275.963 0.48734 0.737

220 276.343 0.50167 0.73

240 276.644 0.51438 0.716

260 277.757 0.51163 0.68

270 278.84 0.50668 0.66

200

250

300

350

400

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

200 250 300 350 400

T o u t

( o C )

X d

a n

X e

To ( oC)

Reaktor Adiabatis

X Xe T (oC)


17/19

280 280.217 0.50035 0.624

300 283.543 0.48543 0.557

320 287.289 0.46915 0.515

330 289.251 0.46078 0.5350 293.293 0.44381 0.469

370 297.446 0.42664 0.46

400 303.827 0.40067 0.433

Pada simulasi ini, ingin dilihat pada temperatur umpan (To) masuk reaktor

berapa kah yang akan menghasilkan konversi maksimum, pada reaktor yang non-

adiabatis.

Grafik 2. Konversi terhadap variasi temperature umpan pada reaktor non-adiabatis

Hasil dari simulasi ini, terlihat bahwa seiring dengan naiknya temperatur

umpan, akan menghasilkan konversi yang semakin besar. Pada grafik di atas, dapatdilihat bahwa pada konversi maksimum sebesar 0.51438 dicapai pada temperatur

umpan 240 oC. Apabila temperature dinaikkan kembali konversi akan turun. Semakin

tinggi temperatur maka laju reaksi akan semakin cepat sehingga konversi bernilai

besar. Setelah suhu dinaikkan melewati 240 oC, reaksi kesetimbangan telah berjalan

stabil dan sudah dikenai adanya cooling yang bekerja sehingga konversi akan turun.

Untuk konversi kesetimbangan (Xe), dapat terlihat pada profil ini, yaitu pada reaksi

eksotermis, dengan meningkatnya temperatur umpan maka reaksi akan bergeser ke

275

280

285

290

295

300

305

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

200 250 300 350 400

T o u t

( o C

)

X d

a n

X e

To (oC)

Reaktor Non Adiabatis

X Xe T (oC)


18/19

arah endotermis, atau ke arah reaktan, sehingga nilai konversi kesetimbangan untuk

membentuk produk akan menurun.

i. Simulasi Model Temperatur Pendingin pada Reaktor Non-Adiabatis

TaX

To=240 C To=270 C

150 0.15163 0.38874

170 0.1986 0.44977

200 0.31249 0.53326

220 0.41624 0.56003

250 0.52245 0.54321270 0.51438 0.50668

300 0.45192 0.43604

320 0.40314 0.38614

350 0.3309 0.31386

Tabel di atas merupakan data variasi temperatur pendingin (Ta) pada reaktor

non-adiabatis yang akan dicari pada temperatur pendingin ke berapa yang optimum

akan dicapai konversi yang maksimum.

Grafik 3. Konversi terhadap variasi temperature pendingin pada reaktor reaktor non-

adiabatis

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

150 200 250 300 350

X

Ta (oC)

Pengaruh Temperatur pendingin

To=240 C

To=270 C


19/19

Berdasarkan grafik hasil simulasi di atas, variasi kenaikan temperatur

pendingin dihubungkan dengan temperatur umpan masuk reaktor. Pada temperatur

umpan 240 oC, temperatur pendingin yang optimum untuk mencapai konversi

maksimumnya adalah pada 250 oC. Sedangkan pada temperatur umpan 270 oC,

temperatur pendingin yang optimum adalah pada 220 oC. Pada temperatur air

pendingin dibawah 250 oC, konversi untuk To = 270 oC lebih besar daripada konversi

untuk To = 240 oC. Hal ini dikarenakan pada bagian temperatur air pendingin dibawah

250 oC, konversi berkaitan dengan laju reaksi. Pada temperatur umpan 270C lebih

besar maka konversinya juga akan lebih besar (temperatur berbanding lurus dengan

konversi dalam hubungannya dengan laju reaksi). Akan tetapi saat temperatur air

pendingin diatas 250 oC, konversi untuk To = 240C dan To = 270C memberikan nilai

yang tidak jauh berbeda. Hal ini disebabkan saat temperatur air pendingin diatas

250 oC, konversi telah dibatasi oleh kesetimbangan termodinamis, sehingga konversi

untuk To = 240 oC dan To = 270 oC hampir sama. Dengan demikian untuk temperatur

air pendingin diatas 250 oC, variasi temperatur umpan kurang berpengaruh terhadap

nilai konversi akhir.

simulasi sintesis ammonia_kelompok 1

Documents