PRA RANCANGAN PABRIK DIETIL ETER DENGAN PROSES DEHIDRASI ETANOL KAPASITAS PRODUKSI 15.000 TON/TAHUN
TUGAS AKHIR
Diajukan sebagai salah satu syarat s yarat untuk memperoleh Gelar Sarjana Teknik Kimia
Oleh : Nama
: Andi Wibowo
No. Mhs
: 09521031
KONSENTRASI TEKNIK KIMIA JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA YOGYAKARTA 2014
i
REAKTOR REAKTOR (R)
Tugas Tugas
: Mendehi Mende hidra drasi si etanol eta nol (C 2 H5 OH) menjadi dietil eter ((C2 H5 )2 O) dengan bantu bantuan an katali katalis SiO SiO 2 – Al Al2 O3 .
Alat
: Reaktor Reak tor fixed fix ed bed Adiabatis Adiabatis..
1. Reaksi Kimia
Reaksi dehidrasi etanol berlangsung pada suhu 130 - 250 o C dan tekanan 2,5 atm. Reaksi yang terjadi di dalam reaktor adalah : k 1 2 C 2 H 5 OH
C 2 H 5OH
C 2 H 5 2 O H 2O
k C 2 H 4 H 2O
……….(1) ……….(2)
2
Umpan Umpan terdiri dari 95% etanol dan 5% air. Reaksi merupakan order satu. 2. Sifat-sifat Sifat-s ifat Fisis Fisis Camp Campur ura a n Gas 2.1 Kapasitas Panas Gas
Kapasitas masing-masing gas tergantung dari suhu, dan dianggap mengikuti persamaan poli polinomia omia l : C p = A + BT + CT2 + DT3 + ET4, Joule/mol.K Nil Nilai konstan konstanta ta A, B, C, D dan E un untuk tuk masin asing-masing g-mas ing gas diperol diperoleh eh dari Yaws, Yaws, 1999. C p C H OH 27,091 0,11055 T 10,957.105 T 2 15,046.108 T 3 46,6.10 -12 T 4 .........(3) 2
5
C p (C H )
5 2O
2
35,979 0,28444 T 12,673.107 T 2 10,128.108 T 3 34,529.10-12 T 4 .....(4)
C p H O 33,933 0,0084186 T 29,906 906.10 6 T 2 17,825.10 9 T 3 36,934.10-13 T 4 .........(5) 2
C p C H 32,083 0,014831 T 24,774.105 T 2 23,766.108 T 3 68,274.10-12 T 4 .........(6) 2
4
1
REAKTOR REAKTOR (R)
Tugas Tugas
: Mendehi Mende hidra drasi si etanol eta nol (C 2 H5 OH) menjadi dietil eter ((C2 H5 )2 O) dengan bantu bantuan an katali katalis SiO SiO 2 – Al Al2 O3 .
Alat
: Reaktor Reak tor fixed fix ed bed Adiabatis Adiabatis..
1. Reaksi Kimia
Reaksi dehidrasi etanol berlangsung pada suhu 130 - 250 o C dan tekanan 2,5 atm. Reaksi yang terjadi di dalam reaktor adalah : k 1 2 C 2 H 5 OH
C 2 H 5OH
C 2 H 5 2 O H 2O
k C 2 H 4 H 2O
……….(1) ……….(2)
2
Umpan Umpan terdiri dari 95% etanol dan 5% air. Reaksi merupakan order satu. 2. Sifat-sifat Sifat-s ifat Fisis Fisis Camp Campur ura a n Gas 2.1 Kapasitas Panas Gas
Kapasitas masing-masing gas tergantung dari suhu, dan dianggap mengikuti persamaan poli polinomia omia l : C p = A + BT + CT2 + DT3 + ET4, Joule/mol.K Nil Nilai konstan konstanta ta A, B, C, D dan E un untuk tuk masin asing-masing g-mas ing gas diperol diperoleh eh dari Yaws, Yaws, 1999. C p C H OH 27,091 0,11055 T 10,957.105 T 2 15,046.108 T 3 46,6.10 -12 T 4 .........(3) 2
5
C p (C H )
5 2O
2
35,979 0,28444 T 12,673.107 T 2 10,128.108 T 3 34,529.10-12 T 4 .....(4)
C p H O 33,933 0,0084186 T 29,906 906.10 6 T 2 17,825.10 9 T 3 36,934.10-13 T 4 .........(5) 2
C p C H 32,083 0,014831 T 24,774.105 T 2 23,766.108 T 3 68,274.10-12 T 4 .........(6) 2
4
1
2
Untuk campuran : C p mix
C
p i
. yi
.........(7)
dengan : C p
: kapasitas kapa sitas panas, J/mol.K J/mol.K
T
: suhu, K
yi
: fraksi fraksi mol gas dalam da lam campuran ca mpuran
2.2 Panas Reaksi
Untuk menghitung
pad a ΔHR pada
berbagai ber bagai suhu digun digunaka aka n persamaan per samaan :
T
H R H ,298 0 R
C
p pro du k
C p reak tan dT
..…….( ..…….(8) 8)
29 8
H R0 ,298 H f 0 ,298 pro du k H f 0 ,298reak tan Data-data Data- data entalpi entalpi pemben p embentukan tukan sebagai seb agai berikut berikut : Komponen
ΔHf , 298 (kJ/mol)
C2 H5 OH
– 234.81 234.81
(C2 H5 )2 O
– 252.21 252.21
H2O
-241,80
C2 H4
52.30
Untu Untuk k Reaks Re aksii 1 : 1 2 C2H5OH
k
C 2 H 5 2 O H 2O
H 0 R , 298 K ( Hf C 0 H O Hf H 0 O ) (2 Hf C0 H OH ) 1
2
5 2
2
(252,21 241,80) (2.(234,81)) 24,39 kJ / mol 24390 J / mol
2
5
3
T
C
H R H , 298 K 0 R1
1
p ( C H ) O 2 5 2
C p H O 2.C pC H OH dT 2
2
5
298
Untuk Reaksi 2 : C 4 H 8 5 O2
k 2 CO 2 CO2 4 H 2 O 2
0 0 H 0 R , 298 K (2 Hf CO 2 Hf CO 4 Hf H 0 O ) (5 Hf O0 Hf C 0 H ) 2
2
2
2
4
8
2.(26,2718) 2.(94,052) 4.(57,7979) (0 0,28 7,8 kJ / mol 7800 J / mol T
H R H
, 298 K
0 R2
2
2C
p C H 2
4
C p H O C p C H OH dT 2
2
5
298
dengan : ∆HR
: panas reaksi, kJ/mol
T
: suhu, K
(Smith and Van Ness,1996)
2.3 Berat Molekul
Berat molekul merupakan fungsi fraksi mol gas penyusun : M Campuran
dengan :
yi . M i
.…...(9)
yi
=
fraksi mol
Mi
=
berat molekul komponen gas penyusun
Data berat molekul komponen gas penyusun : Komponen
Berat Molekul, (kg/kmol)
C2 H5 OH
46,069
(C2 H5 )2 O
74,123
H2 O
18,015
C2 H4
28,054
4
2.4 Viskositas Gas
Viskositas gas murni dapat diperkirakan dengan persamaan : i
A B T C T 2
...…...(10) (Yaws, 1999)
Dengan :
μi
=
viskositas gas murni, mikropoise
T
=
suhu, K
Konstanta A, B, dan C masing-masing gas sebagai berikut (Yaws, 1999): Komponen
A
B
C
C2H5OH
1,499
3,07.10 -
-4,45.10-
(C2H5)2O
-7,932
3,02.10 -
-7,39.10-
H2O
-36,826
4,29.10 -
1,62.10-
C2H4
-3,985
3,87.10 -
-1,23. 10-
Untuk campuran gas : μ mix ( yi .μ i )
...…...(11)
2.5 Densitas Gas
Gas di dalam reaktor dianggap mengikuti persamaan gas ideal. Densitas campuran gas dapat dihitung dengan persamaan : P.V n.R.T ρ
Dengan
P T
n M camp M camp R T V
:ρ PT
: densitas campuran gas, kg/m3 : tekanan total, atm
...…...(12)
5
T
: suhu operasi, K
R
: konstanta gas = 0,08206 atm.m3 /kgmol.K
Mcamp : berat molekul campuran gas, g/gmol (Perry and Green, 1984) 2.6 Data Katalis
3
Diameter, Dp
= 8,20E-04 ft
ρp (particle density)
= 480,2151074 lb/ft3
ρb (bulk density)
= 0,7 gr/cm3 = 43,69957 lb/ft3
Porositas, ϕ
= 0,90900001
1-ϕ
= 0,09099999
Konstanta gravitasi, gc
= 416975040 lb.ft/hr2
Perancangan Reaktor
Untuk penyederhanaan lambang dapat dituliskan : 1.
2A
B
+
C
2.
A
D
+
C
+
dengan : A
=
C2 H5 OH
B
=
(C2 H5 )2 O
C
=
H2 O
D
=
C2 H4
1.
2A
B
Mula-mula
FA0
FB0
C FC0
6
Berekasi
-FA0. x
½ FA0. x
Sisa
FA0 - FA0 X
FB0 + ½ FB0.x Fco + ½ F A0 .x
2.
A
D
Mula-mula
FA0
FB0
FC0
Berekasi
-FA0. x
FA0. x
FC0.x
Sisa
FA0 - FA0. x
FB0 + FA0 .x
Fco + F A0 .x
Komponen
+
C
Bereaksi
Sisa
A
FA0
FA0 .x
Fa = FA0 - FA0 .x
B
FB0
½. FA0 .x
Fb =Fbo+½. FA0 .x
C
FC0
½. FA0 .x+ FA0 .x
Fc = Fco+½. FA0 .x+ FA0 .x
D
FD0
FA0 x
Fd = Fdo+ FA0 .x
Total (FT 0 ) = 3.1
Mula-mula
½ FA0 .x
FA0 + FB0 + FC0 + FD0
Menentukan Harga Konstanta Kecepatan Reaksi
Data konversi reaksi dari jurnal: Suhu (K)
Konversi
Selektivitas Dietil Eter
Selektivitas Etilen
523
0,666
0,932
0,068
573
0,856
0,68
0,32
Kondisi operasi reaktor percobaan: Tekanan, P
: 1 atm
Laju alir, V0
: 0,0048 m3 /jam
Berat katalis, W
: 0,0005 kg
Perhitungan: Reaksi yang terjadi mengikuti orde 1, sehingga:
7
W
F A0
1 k
x A
dx A
C 0
…...(13)
A
Integral diselesaikan dengan metode Simpson’s Rule: W F A0
x
1 x
f x0 4 f x1 2 f x2 ... 2 f xn2 4 f xn1 f xn k 3
…...(14)
x A 0 n
Diambil n 32 Konstanta kecepatan reaksi disusun berdasarkan persamaan Arrhenius
…...(15)
Dimana:
FA0
= Laju alir mol A, kmol/jam
x
= Konversi
CA
= Konsentrasi A dalam larutan, kmol/
k
= konstanta kecepatan reaksi
A
= Faktor tumbukan
E
= Energi aktivasi
pada suhu 523 K Dari perhitungan komputer dengan metode Simpson’s rule, didapat:
x 3
f = 29,78706
k 1
= 5,668161 m3 /kg-cat.jam
k 2
= 0,413557 m3 /kg-cat.jam
8
pada suhu 573 K Dari perhitungan komputer dengan metode Simpson’s rule, didapat:
x 3
f = 152,3947067
k 1
= 21,15813302 m3 /kg-cat.jam
k 2
= 9,956768481 m3 /kg-cat.jam
nilai k 1 dan k 2 disusun berdasarkan persamaan Arrhenius kemudian disubsitusikan, didapat: 7894,50
k 1 20368789,76e
…...(16)
T
19066,85
k 1 2815004243 659060e 3.2
…...(17)
T
Perhitungan Neraca Mas sa Reaktor
Asumsi : 1. Keadaan steady state 2. Difusi ke arah radial dan aksial diabaikan 3. Panas berlangsung secara adiabatic non isothermal 4. Kecepatan gas masuk reaktor tetap 5. Aliran plug flow Neraca massa C2 H5 OH dalam reaktor pada elemen volume Fa|z ∆z z+∆z
Fa|z+∆z Arus massa masuk – arus massa keluar – laju reaksi = akumulasi
9
Mol C 2 H5 OH pada sembarang waktu:
......(19)
Subtitusi ke persamaan (18):
dimana r A adalah kecepatan reaksi berkurangnya C2 H5 OH
.....(20)
.....(21)
.....(22)
10
3.3 Neraca Panas Gas
Asumsi : 1. Kondisi steady state 2. Perbedaan suhu hanya arah aksial Neraca panas pada elemen volume: T|z ∆z
z z+∆z
T|z+∆z Arus panas masuk – arus panas keluar – laju alir panas reaksi = akumulasi
.....(23)
.....(24)
11
3.4 Menghitung Pressure Drop
Pressure drop dalam pipa dapat dihitung dengan persamaan Ergun:
( )[ ]
.....(25)
Dimana
:
Dengan
: P = tekanan (lbf/ft2 ) z = tinggi bed katalis (ft)
4
Perhitungan Reaktor
Persamaan diferensial diselesaikan secara simultan menggunakan metode Runge Kutta orde 4. Perhitungan dihentikan ketika konversi reaksi 2 mulai mningkat. Data yang dibutuhkan: FA0
= 53,31131907 kmol/jam
FC0
= 7,175304668 kmol/jam
FT 0
= 60,48662374 kmol/jam
Cao
= 0,066606308 kmol/m3
Menentukan dimensi reaktor: Stage 1 :
Diameter
= 1,3 m
P masuk
= 2,5 atm
T masuk
= 403,15 K
dz
= 0,05 m
z (m)
x1
x2
x
T (K)
P (atm)
0
0
0
0
403,15
2,5
12
0,05
0,003832 5,16E-07
0,003832
404,2409 2,499936
0,1
0,00785
1,1E-06
0,007851
405,3824 2,499871
0,15
0,012072 1,77E-06
0,012074
406,579
2,499806
0,2
0,016519 2,53E-06
0,016521
407,836
2,499741
0,25
0,021211 3,41E-06
0,021215
409,1592 2,499675
0,3
0,026176 4,43E-06
0,02618
410,5553 2,499609
0,35
0,031443 5,62E-06
0,031449
412,0323 2,499543
0,4
0,037048 7,02E-06
0,037055 413,5991 2,499476
0,45
0,043031 8,69E-06
0,04304
0,5
0,049443 1,07E-05
0,049453 417,0469 2,499342
0,55
0,056341 1,31E-05
0,056354
0,6
0,063797 1,61E-05
0,063813 421,0105 2,499206
0,65
0,071898 1,98E-05
0,071918
0,7
0,080752 2,45E-05
0,080777 425,6527 2,499068
0,75
0,090496 3,06E-05
0,090527
0,8
0,101305 3,86E-05
0,101343 431,2232 2,498928
0,85
0,113406 4,94E-05
0,113456
0,9
0,127107 6,46E-05
0,127171 438,1303 2,498784
0,95
0,142827 8,66E-05
0,142914
0,161167
0,161287 447,1038 2,498637
1
0,00012
415,2664 2,499409
418,9556 2,499274
423,2338 2,499137
428,3014 2,498998
434,4745 2,498856
442,2923 2,498711
1,05
0,183012 0,000174 0,183186 452,7733 2,498561
1,1
0,209742 0,000268
1,15
0,243636 0,000451 0,244087 468,1495 2,498405
0,21001
459,6185 2,498484
13
1,2
0,288756 0,000865 0,289621 479,2314 2,498323
1,25
0,352944 0,002037 0,354981 494,3779 2,498238
1,3
0,451593
0,00655
0,458143 515,7576 2,498147
Komposisi gas keluar reaktor stage 1: P
= 2,498 atm
T
= 515,76 K
Komponen
kmol/jam
BM
kg/jam
C2 H5 OH
28,88711954
46,069
1330,80071
(C2 H5 )2 O
12,03751068
74,123
892,2564044
H2 O
19,56199351
18,015
352,4093131
C2 H4
0,349178158
28,054
9,79584405
Total
60,8358019
2585,262272
Gas didinginkan di cooler sampai pada suhu umpan awal dan dialirkan ke reaktor stage 2: Kondisi masuk stage 2: P masuk
= 2,430 atm
T masuk
= 403,15 K
Diameter
= 1,3 m
dz
= 0,05 m
z (m)
x1
x2
x
T (K)
P (atm)
1,3
0,451593
0,00655
0,458143
403,15
2,430101
1,35
0,453563
0,00655
0,460113 403,6864 2,430034
1,4
0,455575
0,00655
0,462125 404,2338 2,429967
14
1,45
0,457631 0,006551 0,464181 404,7925
1,5
0,459732 0,006551 0,466283 405,3631 2,429833
1,55
0,461881 0,006551 0,468433 405,9459 2,429765
1,6
0,46408
0,006552 0,470632 406,5416 2,429698
1,65
0,46633
0,006552 0,472882 407,1504
1,7
0,468634 0,006552 0,475186 407,7731 2,429562
1,75
0,470994 0,006553 0,477546 408,4102 2,429494
1,8
0,473412 0,006553 0,479965 409,0622 2,429426
1,85
0,475891 0,006554 0,482444 409,7299 2,429358
1,9
0,478433 0,006554 0,484988 410,4138 2,429289
1,95
0,481043 0,006555 0,487598 411,1148 2,429221
2
0,483722 0,006555 0,490277 411,8335 2,429152
2,42963
2,05
0,486474 0,006556
2,1
0,489302 0,006557 0,495859 413,3277 2,429014
2,15
0,492211 0,006558 0,498769 414,1049 2,428944
2,2
0,495204 0,006558 0,501763 414,9035 2,428875
2,25
0,498286 0,006559 0,504845 415,7245 2,428805
2,3
0,501461
2,35
0,504735 0,006561 0,511296 417,4385 2,428665
2,4
0,508112 0,006562 0,514675
418,334
2,428595
2,45
0,511599 0,006564 0,518163
419,257
2,428524
2,5
0,515202 0,006565 0,521767 420,2089 2,428453
2,55
0,518927 0,006567 0,525493 421,1915 2,428382
0,00656
0,49303
2,4299
412,5709 2,429083
0,508022 416,5691 2,428735
15
2,6
0,522782 0,006568
2,65
0,526774
2,7
0,530913 0,006572 0,537485 424,3413 2,428167
2,75
0,535207 0,006575 0,541781 425,4654 2,428095
2,8
0,539667 0,006577 0,546244 426,6304 2,428022
2,85
0,544303
0,550883
427,839
2,427949
2,9
0,549129 0,006583 0,555712
429,094
2,427876
2,95
0,554156 0,006587 0,560743 430,3984 2,427803
3
0,5594
0,00657
0,00658
0,52935
422,2065
2,42831
0,533344 423,2558 2,428239
0,006591 0,565991 431,7557 2,427729
3,05
0,564876 0,006596 0,571472 433,1696 2,427655
3,1
0,570602 0,006601 0,577203
3,15
0,576597 0,006607 0,583204 436,1833 2,427506
3,2
0,582882 0,006614 0,589496 437,7925
3,25
0,589479 0,006622 0,596102 439,4767 2,427355
3,3
0,596416 0,006632 0,603048 441,2418 2,427278
3,35
0,60372
3,4
0,611421 0,006656 0,618077 445,0404 2,427125
3,45
0,619555 0,006671 0,626226 447,0883 2,427047
3,5
0,62816
449,246
2,426969
3,55
0,637275 0,006711 0,643986 451,5223
2,42689
3,6
0,646947 0,006738 0,653685 453,9267
2,42681
3,65
0,657223
2,42673
3,7
0,668156 0,006809 0,674965 459,1596 2,426649
434,644
2,427581
2,42743
0,006643 0,610362 443,0941 2,427202
0,006689 0,634849
0,00677
0,663993
456,469
16
3,75
0,679798 0,006858 0,686656 462,0088 2,426568
3,8
0,692204 0,006919 0,699123 465,0267 2,426485
3,85
0,705426 0,006995 0,712422 468,2219 2,426402
3,9
0,719511 0,007091 0,726602 471,6009 2,426318
3,95
0,734491 0,007214 0,741705 475,1662 2,426233
4
0,750379 0,007369 0,757748 478,9143 2,426146
4,05
0,767152 0,007567 0,774719 482,8326 2,426059
4,1
0,78474
4,15
0,803005 0,008137 0,811142 491,0663 2,425881
4,2
0,82173
4,25
0,840609 0,009015 0,849623 499,4726 2,425698
4,3
0,859254 0,009587 0,868841 503,5437 2,425604
4,35
0,877229 0,010243 0,887472 507,4017
4,4
0,894096 0,010962 0,905059 510,9585 2,425414
4,45
0,90948
4,5
0,923117 0,012472 0,935589 516,9223 2,425219
4,55
0,934884 0,013193 0,948077 519,2805
4,6
0,944792 0,013854 0,958646 521,2379 2,425021
4,65
0,952961 0,014438 0,967399 522,8317 2,424921
4,7
0,959577 0,014938 0,974515 524,1089
2,42482
4,75
0,964859 0,015354 0,980213 525,1196
2,42472
4,8
0,969026 0,015694
0,98472
525,9113
2,424619
4,85
0,972283 0,015967
0,98825
526,5267 2,424517
0,007819 0,792559 486,8967 2,425971
0,008532 0,830262 495,2835
2,42579
2,42551
0,011717 0,921197 514,1453 2,425317
2,42512
17
4,9
0,974812 0,016183 0,990995 527,0023 2,424416
4,95
0,976764 0,016353 0,993116 527,3681 2,424314
5
0,978264 0,016484 0,994748 527,6484 2,424212
Komposisi gas keluar reaktor stage 1: P
= 2,425 atm
T
= 524,11 K
Komponen
kmol/jam
BM
kg/jam
C2 H5 OH
1,358641792
46,069
62,59126871
(C2 H5 )2 O
25,57816169
74,123
1895,930079
H2 O
33,54982026
18,015
604,400012
C2 H4
0,796353905
28,054
22,34091244
Total
61,28297764
Bed Katalis
Konversi
2585,262272
: Panjang stage 1
= 1,3 m
Panjang stage 2
= 3,4 m
Panjang Total
= 4,7 m
: Konversi total
= 0,9745
Konversi 1
= 0,9596
Konversi 2
= 0,0149
Selektivitas DEE
= 0,9847
Selektivitas Etilen
= 0,0153
18
5
Mechanical De sign Reaktor
5.1 Shell
Tebal minimum dinding reaktor (ts) dihitung dengan persamaan : t shell
P . r i 2. f . E 0,6. P
c
…...(26)
dengan : tshell
: tebal minimum dinding reaktor , in
P
: design pressure, psi
f
: tegangan maksimum yang diijinkan untuk bahan, psi
E
: efisiensi sambungan
c
: corrosion allowance, in
Dipilih bahan shell Stainless Steel SA 212 Grade B dengan tegangan maksimum yang diijinkan untuk suhu maksimum 600 °F adalah 6500 psi (Brownell and Young, 1959). Faktor keamanan untuk “design pressure” sebesar 10-20%, diambil 20%. f
= 12.650 lb/in2
Tekanan Operasi
= 2,5 atm = 36,24 psi
Tekanan untuk perancangan = 1,2. (Tekanan Operasi) = 44,09 psi Diameter dalam shell = 1,3 m = 51,18 in r 1
= 0,5. (IDS) = 0,5 .(51,18) in = 25,59 in
Corrosion allowance = 0,125 in Efisiensi sambungan = 0,8 (double welded butt joint ) t s
44,09. 25,59 0,125 0,237 in 12650. 0,8 0,6. 45,09
19
Dipilih tebal standar 1 /4 in. Diameter luar shell (ODS)
= IDS + 2 tshell = 51,18 + 2 (0,25) = 51,68 in = 1,3127 m
5.2 Head
Dipilih bentuk Torispherical Dished Head (untuk tekanan sampai dengan 225 psi). a = IDS/2 = 51,18/2 = 25,59 in 0,65 m OD
OA
b
sf t ID a
r
Gambar 1. Hubungan Dimensional untuk Tori spheri cal D i shed H ead
Keterangan : t
: tebal head, in
sf
: straight flange, in
r
: jari-jari dish, in
OD
: diameter luar head, in
ID
: diameter dalam head, in
b
: tinggi head, in
a
: jari-jari head,in
Tabel 5.7 Brownell and Young : OD = 51,68 in; ts = ¼ in
icr = 3 ¼ in
r = 54 in
20
AB = IDS/2 – (icr) = 25,59 - 3 ¼ = 22,34 in BC
= r - (icr) = 54 – 3 ¼ = 51,75 in
b
2 2 r BC AB
b
54 51,75 22,34 2
2
= 8,43 in Flange head = sf = 2,5 in Tebal Head
Tebal head dihitung dengan persamaan : t h
P . IDs 2. f . E 0,2 P
c
…...(27)
dengan : th
: tebal head, in
P
: internal pressure, psi
IDs
: diameter dalam shell, in
f
: tegangan maximum yang diijinkan, psi
E
: efisiensi sambungan
c
: corrosion allowance, in
Dipilih bahan head Stainless Steel SA 212 Grade B dengan tegangan maksimum yang diijinkan untuk suhu maksimum 500 °F adalah 6500 psi (Brownell and Young, 1959). Efisiensi sambungan 80% (double welded butt joint ) dan corrosion allowance 0,125 in f
= 6500 lb/in2
Tekanan Operasi
= 2,5 atm = 36,74 psi
21
Tekanan untuk perancangan = 1,2. (Tekanan Operasi) = 44,09 psi Diameter dalam shell = 1,3 m = 51,18 in t h
44,09. 51,18 2. 12650. 0,8 0,2. 44,09
0,125 0,224 in
Dipilih tebal standar ¼ in. Tinggi Head
Tinggi head = b + sf + th
…...(28)
Untuk tebal head 0,875 in, nilai sf standar berkisar antara 1 1 /2 - 21 /2 in (Brownell and Young, 1959). Berdasarkan data tersebut dipilih s f 21 /2 in. Tinggi head = 8,43 + 21 /2 + ¼ = 11,18 in 5.3 Spesifikasi Nozzle
Dipilih jenis pipa Carbon Steel karena harga lebih murah dan komponen yang melewati pipa tidak bersifat korosif. …...(29)
Dopt 293G 0 ,53 ρ-0 ,37
Jumlah gas keluar (Ft ) = 2585,26 kg/jam G 5.3.1
= 0,7181 kg/s
Diameter saluran gas umpan masuk reaktor
ρ = 3,23 kg/m3 Dopt = 293. (0,7181) 0,53 . (3,23)-0,37 Dopt = 159,31 mm = 6,27 in Dipilih pipa dengan spesifikasi:
Nominal Pipe Size (NPS) : 8 in
Sch No.
: 80
ID
: 7,625 in
22
5.3.2
OD
: 8,625 in
Diameter saluran gas keluar stage 1
ρ = 2,51 kg/m3 Dopt = 293. (0,7181) 0,53 . (2,51)-0,37 Dopt = 174,81 mm = 6,88 in Dipilih pipa dengan spesifikasi:
Nominal Pipe Size (NPS) : 8 in
Sch No.
: 80
ID
: 7,625 in
OD
: 8,625 in
5.3.3
Diameter saluran gas masuk stage 2
ρ = 3,12 kg/m3 Dopt = 293. (0,7181) 0,53 . (3,12)-0,37 Dopt = 161,35 mm = 6,35 in Dipilih pipa dengan spesifikasi:
Nominal Pipe Size (NPS) : 8 in
Sch No.
: 80
ID
: 7,625 in
OD
: 8,625 in
5.3.4
Diameter saluran gas keluar reaktor
ρ = 2,38 kg/m3 Dopt = 293. (0,7181) 0,53 . (2,38)-0,37 Dopt = 178,41 mm = 7,02 in Dipilih pipa dengan spesifikasi:
23
Nominal Pipe Size (NPS) : 8 in
Sch No.
: 80
ID
: 7,625 in
OD
: 8,625 in
5.4 Empty Space
Empty space adalah ruang kosong di atas dan di bawah tumpukan katalisator. Emty space di atas tumpukan katalisator stage 1
= 20 in
Emty space di bawah tumpukan katalisator stage 1
= 27,625 in
Emty space antara plate pemisah
= 2 in
Emty space di atas tumpukan katalisator stage 2
= 27,625 in
Emty space di bawah tumpukan katalisator stage 2
= 20 in
Total
= 97,25 in
+
5.5 Plate Pemisah
Plate pemisah adalah plate yang diletakkan diantara stage 1 dan stage 2 Digunakan 2 Plate dengan spasi antar plate 2 inchi. 5.6 Tinggi Reaktor
Tinggi reaktor (L)
= tinggi katalis + 2 tinggi head + Empty Space + Plate Pemisah …...(30)
Tinggi reaktor (L)
= 4,7 meter.(39,37 meter/in) + 2.(11,18 in) + 97,25 in + 2 in = 306,469 in = 7,78 m
5.7 Volume Reaktor
Volume Head, Vh
= 0,000049 (di) 3 = 0,000049. (47,976) 3
24
= 6,5694 in3 = 0,000108 m3 Volume shell, Vs
= π/4. (IDs)2 . LS = π/4. (1,3)2 . 7,22 = 9,58 m3
Volume reaktor,VR
= Vs + 2 Vh
.
…...(31)
= 9,58 + 2. (0,000108) = 9,58 m3 5.8 Wi re Screen
Wire screen terletak diatas dan dibawah tumpukan katalisator berupa anyaman kawat berukuran 80 x 80 mesh x 0,131 wire screen 5.9 Penyangga Tumpukan Katalisator
Penyangga tumpukan katalis yang dipakai berupa piringan berlubang-lubang ( perforated plate). 5.10 Menghitung Tebal Isolasi Reaktor
Perhitungan tebal isolasi dilakukan dengan meninjau proses transfer panas yang terjadi dari dinding dalam reaktor sampai udara luar. Proses transfer panas yang terjadi adalah :
Transfer panas konduksi melalui dinding reaktor
Transfer panas konduksi melalui isolasi
Transfer panas konveksi dan radiasi dari dinding luar isolasi ke udara
Tebal isolasi dihitung dengan menggunakan asumsi : 1. Perpindahan panas pada keadaan steady state Sehingga q1 = q2 = q3 = q4
25
2. Suhu pada permukaan shell sebelah dalam (T 1 ) adalah sama dengan suhu ratarata gas dalam shell, yaitu: T 1
T c in T c out
…...(32)
2
dimana
: Tc in Tc out
= suhu gas masuk = suhu gas keluar Keterangan :
xs
xis
R1 R2 R3
Ta q1
R 1
= jari-jari dalam shell
R 2
= jari-jari luar shell
R 3
= jari-jari luar setelah diisolasi
xs
= tebal dinding
xis
= tebal isolasi
Ta
= suhu udara luar 30 C
T1
= suhu dinding dalam shell
T2
= suhu dinding luar shell
T3
= suhu dinding isolator
o
q 3
q 2
o
50 C
Gambar 2. Profil Perpindahan Panas pada Dinding Re aktor
Tahap-tahap perpindahan panas dari cairan dalam reaktor ke lingkungan sekitar : 1. Konveksi dari cairan ke dinding dalam reaktor Q1 hc1 Ai (T 1 T 2 )
…...(33)
Dengan: hc1
= Koefisien perpindahan panas konveksi dari cairan ke dinding dalam reaktor, Btu/jam.ft2 .R
Asumsi:
hc1 >> sehingga T1 ~ T2
26
2. Konduksi dari dinding dalam reaktor ke dinding luar reaktor 2 . z p .k s .(T 2 T 3 )
Q2
r 2
ln
......(33)
r 1
k s = Konduktifitas bahan reaktor (steel), Btu/jam.ft2 .(R/ft)
Dengan:
3. Konduksi melalui dinding isolasi Q3
2 . z p .k is .(T 3 T 4 )
Dengan :
......(34)
r ln 3 r 2
k is = Konduktifitas bahan isolator, Btu/jam.ft2 .(R/ft)
4. Konveksi bebas dan radiasi dari dinding luar isolasi ke sekitar Q4 (hc 2 hr ) Aois (T 4 T 3 )
......(35)
Dengan: hc2
= Koefisien perpindahan panas konveksi dari dinding luar isolasi ke sekitar, Btu/jam.ft^2.R
hr
= Koefisien perpindahan panas radiasi dari dinding luar isolasi ke sekitar, Btu/jam.ft^2.R
Aois = Luas permukaan dinding luar isolasi, ft2 Asumsi : Tidak ada akumulasi panas (steady state) Sehingga, Qloss = Q1 = Q2 = Q3 = Q4 Dipilih isolasi dengan spesifikasi sebagai berikut : * Bahan
= Asbes
* Konduktifitas, k is
= 0,114 Btu/jam.ft2 .(R/ft)
* Emisifitas, eis
= 0,9375 (kisaran e untuk asbes = 0.93 - 0.945)
Sifat fisis dinding reaktor : * Konduktifitas, k s
= 26 Btu/jam.ft2 .(R/ft)
27
Algoritma Perhitungan : 1. Trial tebal isolasi, tis
= 0,3469788 ft = 4,163745606 in
2. Jari-jari luar isolasi
= r3 = r2 + tis = 2,500351571 ft
3. Perhitungan luas permukaan luar isolasi Aois = phi.(ID + 2.t p + 2.tis).z p = 399,0051774 ft 2 4. Trial suhu permukaan luar isolasi T4 = Tw = 39,975 C = 103,955 F = 563,955 R 5. Perhitungan koefisien perpindahan panas konveksi bebas dan radiasi dari dinding luar isolasi ke sekitar Menentukan koefisien perpindahan panas konveksi asbestos-udara Tf = (T4 +Tu)/2 = 34,9875 o C = 307,9875 K Sifat-sifat udara suhu 104 o F (Holman) v
= 1,70082E-05 m2 /s
β
= 0,003246885 K -1
k
= 0,0272254 W/mC
Pr
= 0,70514
ρ
= 1,130756 kg/m3
Gr L Pr
g β (T3 - Tu) L3
υ2
Pr = 3,58494E+11
......(36)
GrL Pr > 10E+09 maka aliran turbulen digunak an rumus dr Holman hc=1.31 (ΔT) 1/3 Koefisien perpindahan panas konveksi bebas hc = 1,31 (ΔT) 1/3 Dengan:
ΔT = Tw - Tu = 17,955 R
Diperoleh:
hc2 = hc = 3,430307863 Btu/jam.ft 2 .R
......(37)
28
Koefisien perpindahan panas radiasi
hr
Diperoleh :
(T w4 T u4 ) (T w T u )
hr = 1,109218561 Btu/jam.ft 2 .R
6. Perhitungan panas hilang setelah diisolasi (persamaan 35) Qloss = 32521,79358 Btu/jam 7. Perhitungan suhu dinding luar reaktor Persamaan (33) diatur kembali sehingga diperoleh persamaan berikut :
r Q2 ln 2 r 1 T 3 T 2 2 z p k s Kemudian dengan menganggap Q 2 = Qloss dan T2 = T1 maka diperoleh : T3 = 831,0287319 R 8. Perhitungan panas dinding isolasi (persamaan 34) Q3
2 z p k is (T 3 T 4 ) r ln 3 r 2
Q 3 = 32521,79358 Btu/jam Kemudian dengan menganggap Q 3 = Qloss maka diperoleh : Qloss - Q3 = 3,70092E-08 Btu/jam
......(38)
29
51,18 in 7,625 in A 11,18 in
20 in
C
51,18 in
D 27,625 in
B
7,625 in
G
7,625 in
H
F
133,86 in
Keterangan : E
I
A
: Pipa pemasukan gas
B
: Pipa pengeluaran gas ke pendingin
C
: Katalis
D
: Dinding reaktor
E
: Isolasi
F
: Ruang kosong
G
: Pipa peMasukan gas dari pendingin
H
: Plate pemisah
I
: Pipa pengeluaran gas
7,625 in
Gambar 3. Penampang Membujur Reaktor
30
600 500 400
K , u h300 u S
T
200 100 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Panjang Reaktor, meter
Gambar 4. Hubungan Panjang Re aktor dengan Suhu Gas 2.55
m t 2.5 a , n a n a k 2.45 e T
P
2.4 0
1
2
3
4
5
6
7
Panjang Reaktor, meter
Gambar 5. Hubungan Panjang Re aktor dengan Tekanan 1.2 1 0.8
i s r e v 0.6 n o K
x1 x2
0.4
x 0.2 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Panjang Reaktor, meter
Gambar 6. Hubungan Panjang Re aktor dengan Konversi
LEMBAR PENGESAHAN PEMBIMBING
PRA RANCANGAN PABRIK DIETIL ETER DENGAN PROSES DEHIDRASI ETANOL KAPASITAS PRODUKSI 15.000 TON/TAHUN
TUGAS AKHIR
oleh : Nama
: Andi Wibowo
No.Mhs
: 09521031
Yogyakarta, 20 Oktober 2014 Pembimbing,
Diana, ST., M.Sc
iii
LEMBAR PENGESAHAN PENGUJI
PRA RANCANGAN PABRIK DIETIL ETER DENGAN PROSES DEHIDRASI ETANOL KAPASITAS PRODUKSI 15.000 TON/TAHUN TUGAS AKHIR
oleh : Nama
: Andi Wibowo
No.Mh
: 09521031
Telah Dipertahankan di Depan Sidang Penguji Sebagai Salah Satu Syarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Universitas Islam Indonesia Yogyakarta,
November 2012
Tim Penguji Diana, ST., M.Sc
…………………..
Ketua
Asmanto Subagyo, Ir.,M.Sc
…………………..
Anggota I
Bachrun Sutrisno, Ir.,M.Sc
…………………..
Anggota II Mengetahui, Ketua Program Studi Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri Universitas Islam Indonesia
Ir. Drs. Faisal RM, M.T., Ph.D. iv
LEMBAR PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS PRA RANCANGAN PABRIK
Saya yang bertanda tangan di bawah ini,
Nama
: Andi Wibowo
No. Mahasiswa
: 09521031
Yogyakarta,
November 2014
Menyatakan bahwa seluruh hasil Tugas Penelitian/ Pra Rancangan Pabrik ini adalah hasil karya sendiri. Apabila di kemudian hari terbukti bahwa ada beberapa bagian dar karya ini adalah bukan hasil karya sendiri, maka saya siap menanggung resiko dan konsekuensi apapun. Demikian surat pernyataan ini saya buat, semoga dapat dipergunakan sebagaimana mestinya.
Andi Wibowo ii
KATA PENGANTAR
Assalamu’ alaikum Wr., Wb.
Puji syukur atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, taufik dan karunia-Nya, sehingga Tugas Akhir ini dapat diselesaikan dengan baik. Shalawat dan salam semoga selalu tercurahkan atas junjungan kita Nabi Muhammad S.A.W, sahabat serta para pengikutnya. Tugas Akhir Pra Rancangan Pabrik yang berjudul PABRIK
DIETIL
ETER
DENGAN
PROSES
KAPASITAS PRODUKSI 15.000 TON/TAHUN ”,
PRA RANCANGAN
“
DEHIDRASI
ETANOL
disusun sebagai penerapan
dari ilmu teknik kimia yang telah didapat selama dibangku kuliah, dan merupakan salah satu syarat untuk mendapatkan gelar Sarjana Teknik Kimia Fakultas Teknologi Industri, Universitas Islam Indonesia, Yogyakarta. Penulisan laporan Tugas Akhir ini dapat berjalan dengan lancar atas bantuan berbagai pihak. Oleh karena itu, penyusun ingin menyampaikan terima kasih kepada : 1. Ibu Diana, ST., M.Sc selaku Dosen Pembimbing Tugas Akhir yang telah memberikan pengarahan dan bimbingan dalam penyusunan dan penulisan Tugas Akhir ini. 2. Bapak Asmanto Subagyo, Ir.,M.Sc dan Bachrun Sutrisno, Ir.,M.Sc selaku dosen penguji, yang telah memberikan saran dan masukan dalam Tugas Akhir ini.
v
