TK2103 - NERACA MASSA DAN ENERGI

TUGAS BESAR

NADIA HANA SORAYA / 13008011

ANINDA CAHYA PUTRI / 13008022

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

2010

I. ANALISIS MASALAH

Diagram alir sederhana proses pembuatan methanol berbahan baku gas alam (CH4) disajikan berikut ini. Beberapa data operasional disajikan dalam tabel

di bawahnya (data kerja praktek di salah satu pabrik methanol di Kalimantan).

1. Lakukan Analisis Derajat Kebebasan: unit per unit, proses, overall.

2. Jika soal bukan well-specified, lengkapi informasi yang diperlukan (soal under-specified) atau yang harus disisihkan (soal over-specified). Kemudian

tulis kembali ADK yang baru, dan soal dinyatakan well-specified.

3. Selesaikan masalah neraca massa dan energi.

  F1 F2 F2A F3 F4 F5 F6 F7 F8P, bar 35 35 80 80 35 35  1 1  1

T, oC 500 800 250 250     25 25 850Flow, mol/s 1000 ..?   ..? ..? 3000 ..? ..? ..?

yCH4 100% ..?   ..? 0 0 100% 0 0

yH2O 0 ..?   ..? 100% 100% 0 0 ..?

yCO 0 ..?   ..? 0 0 0 0 0

yCO2 0 ..?   ..? 0 0 0 0 ..?

yH2 0 ..?   ..? 0 0 0 0 0

yCH3OH 0 0   ..? 0 0 0 0 0

yO2 0 0   0 0 0 0 21% 0

yN2 0 0   0 0 0 0 79% ..?Data operasional:

a. reaktor steam reforming, konversi: XCH4 = 90%; XH2O = 40%b. reaktor methanol synthesis, konversi: XCO = 50%; XCO2= 10%c. aliran F3 memiliki komposisi yang memenuhi: SN = 2

dengan definisi, stoichiometric number, SN=

[ yH 2− yCO2 ][ yCO+ yCO2 ]

I. 1. Analisis Derajat Kebebasan

BURNER STEAM REFORMING

REACTOR

HEAT EXCHANGER & COMPRESSOR

BOILER METHANOL SYNTHESIS REACTOR

OVERALL PROCESS

NM NME

NM NME NM NME NM NME NM NME NM NME

NM NME

Variabel Aliran + Derajat Kelangsungan Reaksi 7 7 9 9 10 10 2 2 13 13 19 19 30 30

Variabel Neraca Energi 7 7 5 5 5 13 21

Persamaan TTSL Neraca Massa 5 5 5 5 5 5 1 1 6 6 8 8 22 22

Persamaan Neraca Energi 1 1 1 1 1 1 5

Laju Alir yang Diketahui 0 0 2 2 0 0 1 1 0 0 1 1 2 2

Komposisi yang Diketahui 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

Variabel Neraca Energi yang Diketahui 6 6 4 4 4 12 18

Hubungan Pendukung 0 0 2 2 5 5 0 0 3 3 5 5 5 5

Derajat Kebebasan 1 1 0 0 0 0 0 0 4 4 4 6 1 -2

I. 2. Analisis Soal

Soal ini over-specified karena neraca massa energi proses bernilai negatif. Pada persoalan ini, data yang kami kurangi adalah data T3 dan SN. Selain itu,

pada reaktor steam reforming, kami meniadakan reaksi kedua yaitu reaksi CH4 + 2H2O CO2 + 4H2, karena kami tidak menemukan reaksi ini pada

literatur yang telah kami baca. Selain itu, jika reaksi ini diikutsertakan dalam perhitungan dengan konversi yang telah diberikan dalam soal, hasil komposisi

gas yang akan kami dapatkan bernilai negatif.

Berdasarkan, analisis tersebut, kami menyusun analisis derajat kebebasan yang baru.

BURNER STEAM REFORMING

REACTOR

HEAT EXCHANGER & COMPRESSOR

BOILER METHANOL SYNTHESIS REACTOR

OVERALL PROCESS

NM NME

NM NME NM NME NM NME NM NME NM NME

NM NME

Variabel Aliran + Derajat Kelangsungan Reaksi 7 7 9 9 10 10 2 2 13 13 19 19 30 30

Variabel Neraca Energi 7 7 5 5 5 13 21

Persamaan TTSL Neraca Massa 5 5 5 5 5 5 1 1 6 6 8 8 22 22

Persamaan Neraca Energi 1 1 1 1 1 1 5

Laju Alir yang Diketahui 0 0 2 2 0 0 1 1 0 0 1 1 2 2

Komposisi yang Diketahui 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1

Variabel Neraca Energi yang Diketahui 6 6 4 4 3 11 17

Hubungan Pendukung 0 0 2 2 5 5 0 0 2 2 4 4 4 4

Derajat Kebebasan 1 1 0 0 0 0 0 0 5 6 5 6 1 0

II. PENYELESAIAN MASALAH

II. 1. Penjelesan Proses Sintesis Metanol

Metanol yang akan kami jabarkan proses produksinya dalam tugas ini dikenal juga sebagai metil akohol. Metanol adalah senyawa kimia dengan rumus

kimia CH3OH. Ia merupakan bentuk alkohol paling sederhana. Pada keadaan atmosfer, ia berbentuk cairan yang ringan, mudah menguap, tidak berwarna,

mudah terbakar, dan beracun dengan bau yang khas. Ia digunakan sebagai bahan pendingin anti beku, pelarut, bahan bakar, dan sebagai bahan aditif

etanol industri.

Metanol diproduksi secara alami oleh metabolisme anaerobik oleh bakteri. Hasil proses tersebut adalah uap metanol (dalam jumlah kecil) di udara.

Setelah beberapa hari, uap metanol tersebut akan teroksidasi oleh oksigen dengan bantuan sinar matahari menjadi karbon dioksida dan air.

Metanol dapat diproduksi dalam skala industri secara besar-besaran melalui konversi katalitik dari gas sintesis. Produksi metanol dalam pabrik ini dibagi

menjadi dua tahap:

1. Produksi gas sintesis.

2. Sintesis metanol.

Saat ini, gas sintesis umumnya dihasilkan dari metana yang merupakan komponen dari gas alam. Terdapat tiga proses yang dipraktekkan secara

komersial:

1. Steam methane reforming (SMR).

2. Oksidasi parsial.

3. Gasifikasi batu bara.

Dalam persoalan ini, gas sintesis dihasilkan melalui steam methane reforming (SMR). Pada tekanan sedang (35 bar) dan temperatur tinggi (500-800 0C),

metana bereaksi dengan uap air (steam) dengan katalis nikel untuk menghasilkan gas sintesis menurut reaksi kimia berikut:

CH4 + H2O CO + 3H2

Reaksi ini, umumnya dinamakan steam-methane reforming atau SMR, merupakan reaksi endotermik dan limitasi perpindahan panasnya menjadi

batasan dari ukuran reaktor katalitik yang digunakan.

Rasio CO and H2 kemudian diatur dengan menggunakan reaksi perpindahan air-gas (water-gas shift reaction):

CO +H2O CO2 + H2,

untuk menghasilkan stoikiometri yang sesuai dalam sintesis metanol.

Panas yang diterima reaktor steam reforming berasal dari panas pembakaran CH4 menggunakan udara yang memiliki komposisi 79% N2 dan 21% O2.

CH4 + O2 ↔ CO2 + H2O

Pembakaran ini berlangsung secara stoikiometrik dan sempurna pada temperatur tinggi dan tekanan atmosfer.

Hasil dari reaktor steam reforming kemudian dilewatkan ke heat exchanger & compressor untuk menurunkan suhu serta menaikkan tekanan karena

reaksi methanol synthesis berlangsung pada suhu dan tekanan tertentu. Panas yang dihasilkan dari proses ini dibuang ke luar. Hasil dari heat exchanger &

compressor kemudian dijadikan umpan reaktor methanol synthesis.

Karbon monoksida dan hidrogen kemudian bereaksi dengan katalis kedua untuk menghasilkan metanol:

CO + 2H2 CH3OH

Reaksi pembentukan metanol ini memiliki konversi yang rendah. Hal ini dikarenakan reaksi mudah mencapai kesetimbangan. Untuk mendapat konversi

yang lebih tinggi biasanya reaksi dilakukan pada tekanan yang cukup tinggi dan temperatur yang cukup rendah. Perkembangan teknologi reaksi sintesis

metanol pada tekanan tinggi mulai ditinggalkan dengan ditemukannya katalis yang lebih reaktif dan jenis reaktor yang sesuai. Saat ini, katalis yang umum

digunakan adalah campuran tembaga, seng oksida, dan alumina, yang pertama kali digunakan oleh ICI di tahun 1966. Pada 50-100 bar dan 250 °C, ia dapat

mengkatalisis produksi metanol dari karbon monoksida dan hidrogen dengan selektifitas yang tinggi.

Perlu diperhatikan bahwa setiap produksi gas sintesis dari metana menghasilkan 3 mol hidrogen untuk setiap mol karbon monoksida, sedangkan sintesis

metanol hanya memerlukan 2 mol hidrogen untuk setiap mol karbon monoksida. Salah satu cara mengatasi kelebihan hidrogen ini adalah dengan

mereaksikan karbon dioksida yang dihasilkan dari reaksi perpindahan air-gas (water-gas shift reaction) yang terjadi sebelumnya, dimana ia akan bereaksi

membentuk metanol sesuai dengan reaksi kimia berikut:

CO2 + 3H2 CH3OH + H2O

Selanjutnya, panas yang dihasilkan dari reaktor ini digunakan untuk menguapkan H2O pada waste heat boiler. Uap air yang dihasilkan dari waste heat

boiler kemudian dijadikan sebagai umpan reaktor steam reforming.

Diagram alir produksi metanol dalam persoalan ini adalah sebagai berikut.

II. 2. Penyelesaian Masalah Neraca Massa dan Energi

Masalah ini dapat diselesaikan dengan mulai menyelesaikan persamaan neraca massa dan energi di unit reaktor steam reforming yang memiliki derajat

kebebasan neraca massa dan energi nol. Untuk menyederhanakan persoalan, Cp setiap komponen dianggap tetap (tidak berubah oleh suhu).

II. 2.1. Unit Steam Reforming Reactor

Hubungan pendukung:

r1 = 90% x F1= 900 mol/s

r1 + r3 = 40% x F5 = 1200 mol/s

r3 = 300 mol/s

Neraca massa komponen:

CH4 : F1 – r1 = yCH4,2 x F2

100 = yCH4,2 x F2

H2O : F5 – r1 – r3 = yH2O,2 x F2

1800 = yH2O,2 x F2

CO : r1 – r3 = yCO,2 x F2

600 = yCO,2 x F2

CO2 : r3 = yCO2,2 x F2

300 = yCO2,2 x F2

H2 : 3r1 + r3 = yH2,2 x F2

3000 = yH2,2 x F2

-----------------------------------+

F2 = 5800 mol/s

yCH4,2 = 1/58

yH20,2 = 18/58

yCO,2 = 6/58

yCO2,2 = 3/58

yH2,2 = 30/58

Mencari Q1:

H2 = (HCH4,1073 K + HH20(g),1073 K + HCO,1073 K + HCO2,1073 K + HH2,1073 K) x 5800 mol/s

= [1/58 x (-47348.5) + 18/58 x (-215801.25) + 6/58 x (-87895) + 3/58 x (-364756.5) + 30/58 x 22320] J/mol x 5800 mol/s

= -84203.63 J/mol x 5800 mol/s

= -488481050 J/s

Q1 = H2 – H1 - H5

= -488481050 J/s – 1000 mol/s x (-57866.5 J/mol) – 3000 mol/s x (-234264.75 J/mol)

= 2569619715 J/s

II. 2.2. Unit Heat Exchanger & Compressor

F2A = F2 = 5800 mol/s

yCH4,2A = 1/58 = 1.72%

yH20,2A = 18/58 = 31.03%

yCO,2A = 6/58 = 10.34%

yCO2,2A = 3/58 = 5.17%

yH2,2A = 30/58 = 51.72%

Mencari H2

H2 = (HCH4,1073 K + HH20(g),1073 K + HCO,1073 K + HCO2,1073 K + HH2,1073 K) x 5800 mol/s

= [1/58 x (-47348.5) + 18/58 x (-215801.25) + 6/58 x (-87895) + 3/58 x (-364756.5) + 30/58 x 22320] J/mol x 5800 mol/s

= -84203.63 J/mol x 5800 mol/s

= -488381050 J/s

Mencari H2A

H2A = (HCH4,523 K + HH20(g),523 K + HCO,523 K + HCO2,523 K + HH2,523 K) x 5800 mol/s

= [1/58 x (-66631.5) + 18/58 x (-234264.75) + 6/58 x (-103955) + 3/58 x (-385161.5) + 30/58 x 6480] J/mol x 5800 mol/s

= -101176.06 J/mol x 5800 mol/s

= -586821150 J/s

Q3 = H2A – H2

= -586821150 J/s – (-488481050 J/s)

= -98340100 J/s

II. 2.3. Unit Boiler

F4 = F5 = 3000 mol/s

yH20,4 = 100%

yH2O,5 = 100%

Data

Q2 = m x Cp(l) x T + m. U + m x Cp(g) x T

= 3000 mol/s x 75.6 J/(mol.oC) x (242-25)oC + 3000 mol/s x 40320 J/mol + 3000 mol/s x 33.57 J/(mol.oC) x (250-242)oC

= 170981280 J/s

II. 2.4. Unit Burner

Karena Q1 sudah diketahui dari penyelesaian unit reaktor steam reforming, neraca massa dan energi unit burner dapat diselesaikan.

Neraca massa komponen:

CH4: F6 – r6 = yCH4,8 x F8

F6 = r6 ... 1)

H2O: r6 = yH2O,8 x F8 ... 2)

CO2: r6 = yCO2,8 x F8 ... 3)

O2: 0.21 x F7 – r6 = 0

0.21 x F7 = r6 … 4)

N2: 0.79 x F7 = yN2,8 x F8 … 5)

Dari persamaan 1) dan 4) diperoleh:

F7 = 1/0.21 x F6

F7 = 4.7619 x F6 ...6)

Dengan menyelesaikan persamaan neraca energi di unit burner, akan diperoleh salah satu laju alir.

Mencari H6

H6 = HCH4,298 K x F6

= -74520 x F6

Mencari H8

H8 = (HCH4,1123 K x yCH4,8 + HH2O,1123 K x yH2O,8 + HCO2,1123 K x yCO2,8 + HN2,1123 K x yN2,8) x F8

= (0 + -214122.75 x yH2O,8 + -362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8

= (– 214122.75 x yH2O,8 – 362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8

Hubungan antara F6 dan F8

Q1 = H8 – H6

-2569619715 = (– 214122.75 x yH2O,8 – 362901.5 x yCO2,8 + 24007.5 x yN2,8) x F8 – (-74520 x F6)

-74520 x F6 = – (214122.75 x yH2O,8 x F8) – (362901.5 x yCO2,8 x F8) + (24007.5 x yN2,8 x F8) + 2569619715

Dari persamaan 2), 3), 5), dan 6)

-74520 x F6 = – 214122.75 x F6 – 362901.5 x F6 + 4.7619 x 24007.5 x F6 + 2569619715

502504.25 x F6 = 24007.5 x 4.7619 x F6 + 2569619715

388182.936 x F6 = 2569619715

F6 = 6619.61 mol/s

F7 = 4.7619 x F6

= 31521.92 mol/s

Dari penjumlahan persamaan 2), 3), dan 5) didapatkan:

2 x F6 + 0.79 x F7 = F8

F8 = 38141.54 mol/s

yH2O,8 = F6/F8 = 17.355%

yCO2,8 = 17.355%

yN2,8 = 0.79 x F7 / F8 = 65.29%

II. 2.5. Unit Overall

Karena Q3 sudah diketahui dari penyelesaian unit heat exchanger & compressor, dan F6, F7, serta F8 sudah diketahui dari penyelesaian unit burner,

neraca massa dan energi overall unit dapat diselesaikan.

Neraca massa

Data dan hubungan pendukung:

r1 = 900 mol/s

r3 = 300 mol/s

r4 = mol CO yang bereaksi = 0.5 x yCO,2A x F2A

= 0.5 x 6/58 x 5800 mol/s

= 300 mol/s

r5 = mol CO2 yang bereaksi = 0.1 x yCO2,2A x F2A

= 0.1 x 3/58 x 5800 mol/s

= 30 mol/s

F1 = 1000 mol/s

F4 = 3000 mol/s

F6 = 6619.61 mol/s

r6 = 6619.61 mol/s

F7 = 31521.92 mol/s

F8 = 38141.54 mol/s

Q3 = -98340100 J/s

Neraca massa komponen:

CH4: F1 + F6 – r1 – r6 = yCH4,3 x F3

1000 mol/s + 6619.61 mol/s – 900 mol/s - 6619.61 mol/s = yCH4,3 x F3

100 mol/s = yCH4,3 x F3 …1)

H2O: F4 – r1 – r3 + r5 + r6 = yH2O,3 x F3 + yH2O,8 x F8

3000 mol/s – 900 mol/s – 300 mol/s + 30 mol/s + 6619.61 mol/s = yH2O,3 x F3 + 0.17355 x 38141.54 mol/s

1830.15 mol/s = yH2O,3 x F3 …2)

CO: r1 - r3 - r4 = yCO,3 x F3

900 mol/s – 300 mol/s – 300 mol/s = yCO,3 x F3

300 mol/s = yCO,3 x F3 …3)

CO2: r3 – r5 + r6 = yCO2,3 x F3 + yCO2,8 x F8

300 mol/s – 30 mol/s + 6619.61 mol/s = yCO2,3 x F3 + 0.17355 x 38141.54 mol/s

270.15 mol/s = yCO2,3 x F3 …4)

H2: 3 r1 + r3 – 2 r4 – 3 r5 = yH2,3 x F3

(2700 + 300 – 600 – 90) mol/s = yH2,3 x F3

2310 mol/s = yH2,3 x F3 …5)

CH3OH: r4 + r5 = yCH3OH,3 x F3

(300 + 30) mol/s = yCH3OH,3 x F3

330 mol/s = yCH3OH,3 x F3 …6)

O2: 0.21 x F7 – r6 = 0 (telah terselesaikan di unit sebelumnya)

N2: 0.79 x F7 = yN2,8 x F8 (telah terselesaikan di unit sebelumnya)

Dari penjumlahan persamaan 1), 2), 3), 4), 5), 6) didapatkan:

F3 = 100 mol/s + 1830.15 mol/s + 300 mol/s + 270.15 mol/s + 2310 mol/s + 330 mol/s

= 5140.3 mol/s

yCH4,3 = 1.95%

yH2O,3 = 35.6%

yCO,3 = 5.84%

yCO2,3 = 5.26%

yH2,3 = 44.94%

yCH3OH,3 = 6.41%

II. 2.6. Unit Reaktor Methanol Synthesis

Mencari T3 dan SN dengan data sebagai berikut:

F2A = 5800 mol/s

yCH4,2A = 1/58 = 1.72%

yH20,2A = 18/58 = 31.03%

yCO,2A = 6/58 = 10.34%

yCO2,2A = 3/58 = 5.17%

yH2,2A = 30/58 = 51.72%

F3 = 5140.3 mol/s

yCH4,3 = 1.95%

yH2O,3 = 35.6%

yCO,3 = 5.84%

yCO2,3 = 5.26%

yH2,3 = 44.94%

yCH3OH,3 = 6.41%

r4 = 300 mol/s

r5 = 30 mol/s

Q2 = -170981280 J/s (keluar dari reaktor)

Q2 = H3 – H2A

-170981280 J/s = [5140.3 mol/s x (-1453.14 – 86087.21 – 6454.66 – 20698.57 – 13182.81)J/mol] + [5140.3 mol/s x (0.68 + 11.95 + 1.71 + 1.95 + 12.94 +

3.9) J/(mol.K) x (T3 – 298)K] - (-586821150 J/s)

-170981280 J/s = (-657323007.52 + 170298.14 T3 – 50748845.42 + 586821150) J/s

-49730577.06 J/s = 170298.14 T3

T3 = -1677.95 K

= -1404.95 oC

SN=[ yH 2,3− yCO 2,3 ][ yCO ,3+ yCO2,3 ]

=( 0.0449−0 .0526 )

(0 .0255+0.0 )

= 3.01992754

III. KESIMPULAN

Dari penyelesaian yang telah dilakukan, spesifikasi proses di dalam pabrik metanol yang lengkap dapat di lihat di diagram alir dan tabel berikut.

  F1 F2 F2A F3 F4 F5 F6 F7 F8P, bar 35 35 80 80 35 35 1 1 1

T, oC 500 800 250 -565.2 25 250 25 25 850Flow, mol/s 1000 5800 5800 5140.3 3000 3000 6619.61

31521.92 38141.54

yCH4 100% 1.72% 1.72% 1.95% 0 0 100% 0 0

yH2O 0 31.03% 31.03% 35.60% 100% 100% 0 0 17.355%

yCO 0 10.34% 10.34% 5.84% 0 0 0 0 0

yCO2 0 5.17% 5.17% 5.26% 0 0 0 0 17.355%

yH2 0 51.72% 51.72% 44.94% 0 0 0 0 0

yCH3OH 0 0 0 6.41% 0 0 0 0 0

yO2 0 0 0 0 0 0 0 21% 0

yN2 0 0 0 0 0 0 0 79% 65.29%

Untuk hasil T3 yang minus, menurut kami disebabkan oleh pemilihan angka faktor konversi CO dan CO2. Sebab, dari literatur yang kami baca, dengan

tekanan dan suhu seperti pada soal, konversi yang dihasilkan mencapai 90%.

IV. DAFTAR PUSTAKA

G.V., Reklaitis. 1983. Introduction to Material and Energy Balances. New York: John Wiley and Sons Inc.

Susanto, Herri. 2005. Diktat Kuliah Neraca Massa dan Energi. Bandung.

http://repository. ui .ac.id/dokumen/lihat/1853.pdf

http://sheldiez.panglimaorganizer.com/index2.php