Tugas akhir prarancangan pabrik fosgen dari karbon monoksida dan gas klor kapasitas 30. 000 ton/tahun



Yüklə 5.01 Kb.
PDF просмотр
səhifə6/11
tarix28.04.2017
ölçüsü5.01 Kb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11

B.
 
Menyusun Persamaan Reaksi : 
Ditinjau reaksi :  
 
Cl
2
 
(g)    
 +    CO
 (g)  
                    COCl
2
 
(g) 
 
  A 
 

 
    D 
Reaksi Pembentukan phosgene dirumuskan sebagai : 
   (-r
A
 )   =   k (C
A
)
 3/2
 (C
B

 
Reaksi Dekomposisi phosgene dirumuskan sebagai : 
   (r
A
)    =   k’ (C
A
)
 1/2
 (C
B

 (Leidler, 1980) 

dengan : 
 
C
A
 
= konsentrasi Cl
2
 keluar reaktor 
 
C

= konsentrasi CO keluar reaktor 
 

= konstanta kinetika  reaksi pembentukan phosgene 
 
k’ 
= konstanta kinetika reaksi dekomposisi phosgene 
Reaksi  berjalan  pada  suhu  125-150
O
C  sehingga  reaksi  berjalan  searah  atau 
tidak ada reaksi dekomposisi phosgene menjadi karbon monoksida dan klorin. 
Sehingga hanya berlaku rumus reaksi pembentukannya saja. 
 (Ullman, 1985) 
 
C.
 
Menghitung neraca massa komponen pada reaktor. 
·
 
Waktu operasi  
= 330 hari/tahun 
·
 
Kapasitas 
 
= 30.000 ton/tahun 
= 30.000 
tahun
ton
. 1000 
ton
kg

hari
tahun
330
1

jam
hari
24
1
 
= 3787,879 
jam
kg
 
·
 
Basis   
 
= 1 jam operasi 
·
 
Perbandingan umpan masuk reaktor  adalah 
  CO     :    Cl
2
     =     1     :     1 
·
 
Umpan masuk reaktor 
komponen 
kg 
fr.massa 
kgmol 
fr.mol 
H
2
 
19,270 
0,0050 
9,6350  0,1106 
CO 
1084,612 
0,2814 
38,7361  0,4447 
Cl
2
 
2750,266 
0,7136 
38,7361  0,4447 
COCl

0,000 
0,0000 
0,0000  0,0000 
Jumlah 
3854,148 
1,0000 
87,1073  1,0000 

·
 
Reaksi  
CO
(g)
   +   Cl
2(g)
             
 COCl
2 (g)
     
 
Reaksi yang terjadi merupakan reaksi searah dengan konversi 99%. 
 
Secara stoikiometri  
 
           CO
 
          +              Cl
2    
                                      COCl
2
 
Mula         38,7361                        38,7361   
 
          - 
Reaksi       38,3488                      38,3488                                   38,3488 
Akhir         0,3874                         0,3874 
   
   38,3488 
 
·
 
Komposisi gas keluar reaktor 
 
COCl
2
  
= Produk hasil reaksi 
 
 
  = 38,3488 kmol 
 
CO 
 
= CO mula-mula – CO beraksi 
 
 
 
 
 
= 0,3874 kmol 
 
Cl

 
= Cl
2
 mula-mula - Cl
2
  bereaksi 
 
 
 
= 0,3874 kmol 
 
H
2
 
 
= H
2
 mula-mula 
 
 
 
= 9,6350 kmol 
 
komponen 
kg 
fr.massa 
kgmol 
fr.mol 
H2 
19,270 
0,0050 
9,6350 
0,1976 
CO 
10,846 
0,0028 
0,3874 
0,0079 
Cl
2
 
27,503 
0,0071 
0,3874 
0,0079 
COCl
2
 
3796,529 
0,9851 
38,3488 
0,7865 
Jumlah 
3854,148 
1,0000 
48,7585 
1,0000 
 

D.
 
Menghitung neraca panas komponen pada reaktor 
   Panas reaksi  
P
H
H
R
H
Q
R
°
D
+
°
D
+
°
D
=
298
 
             Keterangan :  Q  
 
= panas reaksi total 
      ΔH°R   
= panas gas masuk reaktor 
      ΔH°P   
= panas gas keluar reaktor 
      ΔH
R
°298 
= panas reaksi standar pada 298 K 
 
Menghitung panas reaksi (Q) 
       
 
 
 
 
Data harga ∆Hf untuk masing-masing komponen pada 298 K adl sbb: 
∆Hf   CO 
= -110,62 kJ/mol  
= -110620 kj/kmol 
∆Hf   H
2
 
= -0,13 kJ/mol  
= -130 kj/kmol 
∆Hf   Cl
2
 
= 0 kJ/mol 
 
= 0 kj/kmol 
   ∆Hf   COCl
2
 =  -221,06 kJ/mol 
= -221060 kj/kmol 
(Coulson,1983) 
ΔH
R
°298 
=    ΔH°P 
-       ΔH°R 
 
 
 
=  ∆Hf COCl
2
 - (∆Hf CO + ∆Hf Cl
2
)   
 
 
 
 
 
= -221060 –  (-110620 + 0 ) 
 
 
 
= -110440 kJ/kmol 
ΔH
R
°298 bernilai negative sehingga reaksi ini bersifat eksotermis   
 
T =398 K 
ΔH°R
 
 
T = 298 

ΔH
R
°298 
T = 298 K 
ΔH°P
 
 
T =423K 
 

ò
=
°
D
298
398
CpdT
R
H
 
 
ò
=
°
D
423
298
CpdT
m
P
H
 
 
E.
 
Menentukan jenis reaktor 
Dipilih reaktor jenis fixed bed multitube dengan pertimbangan sebagai berikut: 
1.
 
Reaksi yang berlangsung adalah fase gas dengan katalis padat. 
2.
 
Menggunakan katalis karbon aktif yang berumur panjang. 
3.
 
Ukuran  karbon  aktif  (4  mm)  lebih  sesuai  untuk  reaktor  fixed  bed  yang 
mempunyai batasan ukuran katalis 2 – 5 mm. 
4.
 
Pressure Drop gas pada fixed bed lebih kecil dibandingkan dengan reaktor 
fluidized bed. 
5.
 
Kehilangan  katalis  termasuk  kecil  jika  dibandingkan  dengan  reaktor 
fluidized bed
6.
 
Tidak perlu pemisahan katalis dari gas keluaran reaktor. 
7.
 
Konstruksi  reaktor  lebih  sederhana  jika  dibandingkan  dengan  reaktor 
fluidized  bed  sehingga  biaya  pembuatan,  operasional,  dan  perawatannya 
relatif murah. 
( Charles G Hill, p 425-431) 
Kondisi operasi reaktor : 
a.
 
  Non isotermal dan non adiabatis 
b.
 
P = 1,05 atm 
c.
 
  T =  398-423 K 
 
 

F.
 
Menentukan kondisi umpan.  
Kondisi  campuran  gas  yang  bereaksi  di  dalam  reaktor  setiap  saat  mengalami 
perubahan  untuk  tiap  increment  panjang  reaktor.  Persamaan  yang  digunakan 
untuk menghitung kondisi campuran gas tersebut adalah sebagai berikut : 
1.
 
Menghitung berat molekul umpan 
Berat molekul umpan merupakan berat molekul campuran gas yang dapat 
dihitung dengan persamaan :  
 
BM campuran = Σ (Bmi.yi) 
Dengan  : 
BMi 
= berat molekul komponen i, kg/kmol 
yi 
= fraksi mol gas i 
komponen 
kgmol/j 
yi 
Bmi 
Bmi*yi 
H
2
 
9,6350 
0,1106 

0,22122 
CO 
38,7361 
0,4447 
28 
12,45145 
Cl
2
 
38,7361 
0,4447 
71 
31,57332 
COCl
2
 
0,00000 
0,0000 
99 
0,00000 
Jumlah 
87,1073 
1,0000    
44,24599 
Diperoleh Bm
avg 
umpan = 44,246 kg/kmol 
2.
 
Menghitung densitas umpan 
)
.
.
(
.
T
R
Z
P
BM
avg
=
r
 

= tekanan umpan masuk = 1,05 atm 
R  
= 0, 082057 atm.m
3
/kmol.K 

= suhu umpan masuk = 398 K 

= faktor kompresibilitas (fig 1.1 Chopey hal 11) 

komponen 
yi (mol) 
Tc ( K ) 
yi x Tc 
Pc ( atm ) 
yi x Pc 
H
2
 
0,1106 
33,1800 
3,6701 
12,9583 
1,4333 
CO 
0,4447 
132,9300 
59,1133 
34,5324 
15,3564 
Cl
2
 
0,4447 
417,1500 
185,5044 
76,1016 
33,842 
COCl
2
 
0,0000 
455,0000 
0,0000 
55,9980 
0,000 
Jumlah 
1,0000    
248.2877    
50.6317 
Pr =  P/Pc’  
= 0,02074 
Tr =  T/Tc’ 
= 1,60298 
 
 
 
 
 
 

= 1 
Sehingga ρ  

398
082057
,
0
1
05
,
1
2459898
,
44
x
x
x
 kg/m
3
 
 
 
=  0,5736 kg/m

3.
 
Menghitung viskositas umpan (µg) 
Untuk menghitung viskositas umpan digunakan persamaan yang diperoleh 
dari Yaws, 1999, yaitu :     
2
CT
BT
A
gi
+
+
=
m
 
µgi  
 
= viskositas gas, mikropoise 
 

 
= suhu umpan, K 
 
 
1
)
/
(
-
S
=
gi
xi
gi
campuran
m
m
 
komponen 
kg/jam 
xi (berat) 
µgi 
xi/µgi 
H
2
 
19,270 
0,0050 
106,9384 
0,00005 
CO 
1084,612 
0,2814 
214,0965 
0,00131 
Cl
2
 
2750,266 
0,7136 
176,7431 
0,00404 
COCl

0,000 
0,0000 
166,7052 
0,00000 
Jumlah 
3854,148 
1,0000    
0,00535 

µgi campuran  = (0,00535185)
-1
 micropoise 
 
 
 
= 1,8685E-05kg/m.s 
4.
 
Menghitung konduktivitas panas umpan (K
G

K
G
 dihitung menggunakan persamaan dari Yaws, 1999, yaitu : 
  
     
2
CT
BT
A
K
G
+
+
=
 
 
K
G
 
  
= konduktivitas gas, W/m.K 
 

 
= suhu umpan, K 
 
K
G
 
 
= Σ(K
G
.xi) 
komponen 
xi (massa) 
ki 
ki*xi 
H
2
 
0,00500 
0,21198 
0,00106 
CO 
0,28141 
0,03140 
0,00884 
Cl
2
 
0,71359 
0,01230 
0,00878 
COCl
2
 
0,00000 
0,01387 
0,00000 
Jumlah 
1,00000    
0,01867 
K

= 0,01867 W/m.K 
 
= 0,06721 Kj / m.jam K 
 
G.
 
Penyusunan Model Matematis
 
1. Neraca massa pada elemen volume tube 
                
aliran gas 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                                ΔZ 
 
 
 
           Z + ΔZ 
 


)
1
(
0
A
A
A
X
F
F
-
=
0
A
A
F
dX
dF
-
=
dX
F
dF
A
A
.
0
-
=
dZ
dX
F
dZ
dF
A
a
.
0
-
=
A
r
F
F
B
a
Z
AZ
Z
AZ
.
).
(
r
-
-
=
-
D
D
+
A
r
Z
F
F
B
a
AZ
Z
AZ
.
).
(
r
-
-
=
D
-
D
+
A
r
dZ
dF
B
A
A
.
).
(
r
-
-
=
Nt
A
r
dZ
dX
F
B
A
A
A
.
.
).
(
0
r
-
-
=
-
A
r
dZ
dX
F
B
A
Ao
.
).
(
.
r
-
-
=
-
Elemen volume pada tube  : 
p/4 x (IDT)
2
 x ∆Z 
Asumsi : aliran bersifat plug flow 
 
  : difusi ke arah aksial dan radial diabaikan   
 
  : aliran steady state 
Rate of input – Rate of output – Rate of reaction = Rate of accumulation 
0
)
.
.
.
(
=
D
-
-
-
D
+
Z
A
r
FA
FA
B
Z
Z
Z
r
 
Kedua ruas dibagi dengan ∆Z, sehingga : 
 
Diambil limit ∆Z mendekati nol, sehingga : 
 
lim 
                  ∆Z   = 0 
 
 
dengan : 
 
 
 
 
 
 
 
 
Untuk semua tube : 
 
 
 
 
dengan A  = ¼ . π. (IDT)
2
.(1 - ε) 
 

dZ
dX
Nt
IDT
r
dZ
dX
F
B
A
A
A
).
1
.(
)
.(
4
.
).
(
2
0
e
p
r
-
-
=
)
(
).
1
.(
)
(
4
.
0
2
A
A
B
A
r
F
Nt
IDT
dZ
dX
-
-
=
e
p
r
Nt
IDT
r
dZ
dX
F
B
A
A
A
).
1
.(
)
.(
4
.
).
(
2
0
e
p
r
-
-
-
=
-
 
 
 
 
 
 
 
Dengan: 

= Luas pori katalis, m

ρ
B
 
= Densitas bulk katalis, kg/m
3
 

= porositas tumpukan katalis, m
3
/m
3
 
IDT 
= diameter dalam tube, m 
F
A0
 
= laju alir CO masuk reaktor, kmol/j 
Nt 
= jumlah tube 

= panjang tube dihitung dari atas, m 
 
(-r
A

= kecepatan reaksi CO, kmol/j.mass katalis 
 
 
= konversi tiap increment panjang tube 
 
2. Neraca Panas pereaksi pada elemen volume 
                                                         aliran gas 
 
                                   aliran pendingin 
 
         Z 
 
ΔZ 
   
 
                   Z + ΔZ 
 

0
)
(
)
(
)
(
)
(
0
=
-
D
-
-
D
+
-
D
+
D
+
å
å
AZ
Z
Z
A
R
Z
Z
Z
X
X
F
H
Nt
Tp
T
Z
IDT
Ud
Hi
Hi
p
0
)
(
)
(
)
(
)
(
0
=
D
D
-
-
D
+
-
å
å
D
+
A
A
R
Z
Z
Z
X
F
H
Nt
Tp
T
Z
IDT
Ud
Hi
Hi
p
0
)
(
)
(
)
)(
(
0
=
D
-
D
+
-
-
D
-
D
+
D
+
å
å
Z
X
X
F
H
Nt
Tp
T
IDT
Ud
Z
Hi
Hi
AZ
Z
Z
A
R
Z
Z
Z
p
0
)
(
)
(
)
)(
(
0
=
D
D
+
-
-
D
å
Z
dX
F
H
Nt
Tp
T
IDT
Ud
Z
dHi
A
A
R
p
Z
dX
F
H
Nt
Tp
T
IDT
Ud
dZ
dT
FiCpi
A
A
R
D
D
-
-
=
å
)
(
)
(
)
)(
(
0
p
å
D
D
-
-
=
)
(
)
(
)
(
)
)(
(
0
FiCpi
Z
dX
F
H
Nt
Tp
T
IDT
Ud
dZ
dT
A
A
R
p
Reaktor  jenis  fixed  bed  multitube  mirip  dengan  alat  penukar  panas,  gas 
reaktan mengalir di dalam tube yang berisi tumpukan katalisator dan fluida 
pendingin mengalir di bagian shell. 
Assumsi : steady state 
panas input – panas out put  + panas yang diserap = panas terakumulasi 
 
 
 
 
 
Kedua ruas dibagi dengan ∆Z diperoleh : 
 
 
Diambil limit ∆Z mendekati nol, sehingga : 
 
 
 
 
 
 
Dengan : 
(
)
tan
reak
produk
f
o
R
H
H
H
H
D
+
D
+
D
=
D
 
=
°
D
f
H
panas reaksi pada keadaan standar (298 K) 
produk
produk
H
Cp
dT
D
=
ò
 
tan
tan
reak
reak
H
Cp
dT
D
=
ò
 
 

Keterangan : 
Fi 
= laju alir umpan masuk reactor,kmol/j 
Cpi 
= kapasitas panas komponen, kJ/kmol.K 
(∆H
R
)  = panas reaksi, kJ/kmol 
Ud 
= koefisien perpindahan panas overall kotor, kJ/j.m
2
.°K 
IDT 
= diameter dalam tube, m 
Tp 
= suhu pendingin, K 
 
3. Neraca Panas pendingin pada elemen volume 
Assumsi : Steady state 
panas input – panas output + panas yang diserap = panas terakumulasi 
 
Wp.Cpp.(Tp
z
-T) – Wp.Cpp.(Tp
z+∆z
-T) +π(ODT).∆Z.Ud.(T-Tp) .Nt = 0 
Kedua ruas dibagi dengan Wp.Cpp.∆Z, sehingga : 
 
 
)
(
.
)
(
Tp
T
Cpp
Wp
UdNt
ODT
Z
Tp
Tp
Z
Z
Z
-
=
D
-
D
+
p
 
Jika diambil 
0
Z
D ®
, diperoleh : 
  
)
(
.
)
(
lim
0
Tp
T
Cpp
Wp
UdNt
ODT
Z
Tp
Tp
Z
Z
Z
Z
-
=
D
-
D
+
®
p
 
 
 
)
(
.
)
(
Tp
T
Cpp
Wp
UdNt
ODT
dZ
dTp
-
=
p
 
 
 
Keterangan :  
 
Wp 
= kecepatan alir fluida pendingin, kg/j 
 
Cpp 
= kapasitas panas pendingin, kJ/kmol K 
 

= suhu gas umpan, K 
 
Tp 
= suhu pendingin, K 
 

(
)
ú
û
ù
ê
ë
é
+
-
-
=
-
75
.
1
/
)
1
(
150
1
3
2
m
e
e
e
r
DpxG
x
x
x
D
G
dL
dP
ò
ò
ú
û
ù
ê
ë
é
+
-
-
=
-
L
PL
PO
dL
DpxG
x
x
x
D
G
dP
0
3
2
75
.
1
/
)
1
(
150
)
1
(
m
e
e
e
r
L
DpxG
x
x
x
D
G
P
P
O
L
ú
û
ù
ê
ë
é
+
-
-
=
-
-
75
.
1
/
)
1
(
150
)
1
(
)
(
3
2
m
e
e
e
r
ú
û
ù
ê
ë
é
+
-
=
ú
û
ù
ê
ë
é
-
úû
ù
êë
é
-
75
.
1
/
)
1
(
150
)
1
(
)
(
3
2
m
e
e
e
r
DpxG
x
x
L
D
x
x
G
P
P
L
O
4.
 
Penurunan tekanan dalam pipa berisi katalisator 
Dengan menggunakan persamaan Ergun : 
1   2   3   4   5   6   7   8   9   10   11


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©azkurs.org 2016
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə