Tugas akhir prarancangan pabrik fosgen dari karbon monoksida dan gas klor kapasitas 30. 000 ton/tahun
Yüklə 5,01 Kb. Pdf görüntüsü
|
|
B. Menyusun Persamaan Reaksi : Ditinjau reaksi : Cl 2 (g) + CO (g) COCl 2 (g) A B 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 B = konsentrasi CO keluar reaktor k = 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 2 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 2 = 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 K 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 2 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 P = tekanan umpan masuk = 1,05 atm R = 0, 082057 atm.m 3 /kmol.K T = suhu umpan masuk = 398 K Z = 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 Z = 1 Sehingga ρ = 398 082057 , 0 1 05 , 1 2459898 , 44 x x x kg/m 3 = 0,5736 kg/m 3 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 T = 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 2 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 T = 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 G = 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 Z ) 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: A = Luas pori katalis, m 2 ρ B = Densitas bulk katalis, kg/m 3 e = porositas tumpukan katalis, m 3 /m 3 IDT = diameter dalam tube, m F A0 = laju alir CO masuk reaktor, kmol/j Nt = jumlah tube Z = 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 T = 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 : Yüklə 5,01 Kb. Dostları ilə paylaş:
|