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

 
 
 
 
 
 
           
Jadi persamaan differensial pressure drop : 
 
camp
D
G
G
Dp
camp
dZ
dP
r
e
e
m
e
.
.
1
.
75
,
1
.
).
1
.(
150
2
3
-
ú
û
ù
ê
ë
é
+
-
=
 
dengan :  
dP 
=  penurunan tekanan (kg.m/m
2
.j) 
Dp 
=  diameter partikel katalisator (m) 
G 
=  kecepatan massa gas (kg/j) 
ρcamp = densitas gas(kg/m.j) 
µcamp = viskositas gas (kg/m
3
) 
 
         
H.
 
Menentukan jenis dan ukuran tube 
Ukuran  tube  ditentukan  dengan  cara  memilih  pada  table  10,  Apendix  D.Q 
Kern  halaman 843 dengan spesifikasi sebagai berikut : 
 
Diameter dalam tube(IDT) 
: 1,33 in   
 
 
Diameter luar tube (ODT) 
: 1,5 in 
 
BWG   
 
 
: 14 
 
Flow area (a’t)  
 
:  1,4 in 

Panjang  tube  ditentukan  pada  saat  tercapai  konversi  reaksi  yang  sesuai  yaitu 
0,99, sehingga diperoleh tinggi bed katalis = 4.5 m. 
 
  
I.
 
Menentukan susunan tube 
Direncanakan tube disusun dengan pola triangular pitch, dengan alasan : 
1.
 
Turbulensi  yang  terjadi  pada  susunan  segitiga  sama  sisi  lebih  besar 
dibandingkan dengan susunan bujur sangkar, karena fluida yang mengalir 
di  antara  pipa  yang  letaknya  berdekatan  akan  langsung  menumbuk  pipa 
yang terletak pada deretan berikutnya. 
2.
 
Koefisien  perpindahan  panas  konveksi  (h)  pada  susunan  segitiga  25% 
lebih  tinggi  dibandingkan  dengan  fluida  yang  mengalir  dalam  shell  pada 
susunan segi empat. 
                             
    (Agra, S.W.,Perpindahan Panas, p 7-73) 
                 
  
Luas ∆ ABC  
 
= ½.AB.CT 
 
 
 
=  ½.AB.PT sin 60 
 
 
 
= ½.PT.PT sin 60 
Luas daerah ∆ ABC tidak diarsir  
= ½ x luas penampang tube 
 
 
 
 
 
= ½ x (¼.π.ODT
2
) 
 
 
 
 
 
= ½ x (¼. 3,14. 0,0381
2
) 
 
 
 
 
 
=  0,0005698m
2
 
Clearance (C’) = Pitch – ODT 
A 
B 
C 
T 

Pitch  =1 7/8 in 
 
 
 
        (Tabel 9, Apendix Kern) 
 
= 0,047625 m 
C’ 
= 0,047625 - 0,0381 
 
= 0,009525m 
Luas ∆ ABC   = ½ x 0,047625 x 0,047625 x sin 60 
 
 
= 0,0009821m
2 
Luas daerah ∆ ABC yang diarsir = luas ∆ ABC  - luas daerah ∆ ABC tidak 
diarsir 
 
 = 0,0009821- 0,0005698 
 = 0,000412377m
2 
 
J.
 
Menentukan diameter shell dan jumlah tube  
Dari tabel 9, A pendix Kern untuk : 
ODT  
= 1,5 inc 
Pitch 
= 1,875 in 
ID s 
Nt 
12 
18 
13.25 
27 
15.25 
36 
17.25 
48 
19.25 
61 
21.25 
76 
23.25 
95 
25 
115 
27 
136 

y = 0.2472x
2
 - 1.8876x + 6.5125
R
2
 = 0.9997
0
50
100
150
200
250
300
350
0
10
20
30
40
50
IDS
N
t
 
Gambar 1. Grafik hubungan antara diameter shell dengan jumlah tube. 
Pada saat Ids   = 85 inc = 2,159m 
Nt 
 
= 1632 tube 
 
1.  Kecepatan aliran massa gas masuk ke masing-masing tube : 
  
Kecepatan aliran massa gas masuk reaktor (m) =  3854,148 kg/j 
 
 
m
mt
Nt
=
  
=  
1632
148
,
3854
 
 
 
=  2,362 kg/j 
2.
 
Menghitung debit aliran gas pada masing-masing tube (qf)  
r
mt
qf
=
      
= 
5736
,
0
362
,
2
  =  4,117 m
3
/j 
3.  Menghitung kecepatan linier gas pada masing-masing tube (v) 
' .
qf
v
a t
e
=
 = 
3
,
0
0009
,
0
11967
,
4
x
 =  15193,613 m/j 
 
29 
160 
31 
184 
33 
215 
35 
246 
37 
275 
39 
307 

ODT
ODT
P
x
P
x
Des
T
T
p
p
5
,
0
))
4
/
5
,
0
(
86
.
0
5
,
0
(
4
2
-
=
4.  Bilangan Reynold (Nre) 
 
m
r
IDT
v
N
.
.
Re
=
        = 
3600
10
.
8685
,
1
0338
,
0
613
,
15193
5736
,
0
5
x
x
x
-
 
 
 
 
 
= 4377,014  > 4000 (aliran turbulen) 
 (Geankoplis, hal 60) 
 
K.
 
Menentukan Baffle space, diameter Ekivalen dan diameter rerata tube 
1.
 
Menghitung baffle space (B) 
Baffle space (B) 
= 0,25 x Ids                                      (Kern, hal 129)
 
 
 
 
= 0,25 x 2,159 
 
 
 
= 0,53975m 
2.
 
Menghitung diameter ekivalen dan diameter rerata tube  
 
            (Kern, hal 139) 
0381
,
0
14
,
3
5
,
0
))
4
/
0381
,
0
14
,
3
5
,
0
(
047625
,
0
86
,
0
047625
,
0
5
,
0
(
4
2
x
x
x
x
x
x
x
x
-
=
 
= 0,0271 m 
                   
2
IDT
ODT
D
+
=
 
 
 
= 
2
0338
,
0
0381
,
0
+
 
 
 
= 0,0359 m 
 
 
 
 
L.
 
Menghitung koefisien perpindahan panas bersih dan kotor(Uc dan Ud) 
Harga  Uc  dan  Ud  di  setiap  inkremen  berbeda-beda.  Oleh  karena  itu  dipakai 
harga  Uc  dan  Ud  rata-rata.  Perhitungan  Uc  dan  Ud  didekati  dengan  cara 
seperti shell and tube heat exchanger, yaitu sebagai berikut: 
 

1.
 
Sisi Tube 
a.
 
Luas penampang total, 
n
t
a
Nt
at
'
.
=
 , m
2
               (kern, pers 7.48) 
1
0009
.
0
1632x
at
=
=  1,4741 m
2
 
b.
 
Flow rate, 
at
W
Gt
=
 , kg/jam m
2
 
4741
,
1
155000
=
Gt
=  105151,6459 kg/jam m
2
 
c.
 
Koefisien transfer panas pada lapisan film di dalam tube 
     
1
0,8
0,14
3
.
.
0, 027
IDT Gt
Cpt t
Kt
t
hi
t
Kt
IDT
w
m
m
m
m
æ
ö
æ
ö
æ
ö æ
ö
=
ç
÷
ç
÷
ç
÷ ç
÷
è
ø è
ø
è
ø
è
ø
 , kJ/jam m
2
 K 
(Kern, pers 6.2) 
d.
 
Koefisien  transfer panas  lapisan film dalam tube yang disetarakan 
dengan luar tube 
(
/
)
hio
hi IDT ODT
=
, kJ/jam m
2
 K                         (Kern, pers 6.5) 
Dengan : 
at’ 
= flow area per pipa , m
2
 
Nt 
= jumlah tube 
n 
= jumlah pass tube 
W 
= Flow rate reaktan, kg/jam 
IDT 
= diameter dalam tube, m 
ODT  = diameter luar tube, m 
µt 
= viskositas fluida dalam tube, kg/m jam 
Kt 
= konduktivitas panas fluida dalam tube, kJ/m jam K 
µt/µw  diasumsikan = 1 
 

2.
 
Sisi shell 
a.
 
Clearance, C’ = PT – ODT , m 
b.
 
Luas penampang aliran dalam shell, 
PT
xB
IDsxC
as
'
=
 , m
2
 
(Kern, pers 7.1) 
c.
 
Flow rate per rate, 
as
Wp
Gs
=
, kg/jam m
2 
              
(Kern, pers 7.2) 
d.
 
Koefisien transfer panas pada lapisan filn di luar tube, kJ/jam m
2
 K 
1
0,55
0,14
3
.
.
0, 36
De Gs
Cps s
Ks
s
ho
s
Ks
De
w
m
m
m
m
æ
ö
æ
ö
æ
ö æ
ö
=
ç
÷
ç
÷
ç
÷ ç
÷
è
ø è
ø
è
ø
è
ø
 
(Kern, hal 137) 
e.
 
Koefisien transfer panas bersih,
ho
hio
ho
hio
Uc
+
=
.
, kJ/jam m
2
 K 
(kern, pers 6.38) 
f.
 
Koefisien transfer panas kotor,
)
.
1
(
Uc
Rd
Uc
Ud
+
=
, kJ/jam m
2
 K 
(Kern, pers 6.10) 
Dengan : 
PT 
= jarak antar pusat tube, m 
IDs 
= Diameter dalam shell, m 
B 
= Jarak antar baffle, m 
Rd 
= Dirt factor, jam m
2
 K/kJ 
Cps 
= kapasitas panas pendingin dalam shell, kJ/kg K 
Ks 
= konduktivitas panas pendingin dalam shell, kJ/kmol K 
 
 

M.
 
Menentukan massa katalis dan volume bed katalis 
Katalis yang dipakai dengan spesifikasi sebagai berikut : 
 
Bahan katalis   
= karbon aktif
 
 
Bentuk  
 
= granular 
 
Umur katalis   
= 3-5 tahun 
 
Diameter katalis 
= 0,004 m 
 
Porositas, ε 
 
= 0,3 m
3
/m
3
 
 
Densitas katalis 
= 1350kg/m
3
 
 
 
 
 
 
 
 
(Kirk-Othmer) 
1. Menghitung massa katalis 
 
2
(
)(1
)
.
4
B
W
IDT
Nt
Z
p
e
r
=
-
D
 
2
(
)(1
)
.
4
B
dW
IDT
Nt
dZ
p
e
r
=
-
 
 
2
0
0
(
)(1
)
.
4
w
Z
B
dW
IDT
Nt
dZ
p
e
r
=
-
ò
ò
 
 
2
(
)(1
)
.
4
B
W
IDT
Nt
Z
p
e
r
=
-
 
     =
0
,
0
(
4
14
,
3
338
2
)(1-0,3)x1632x1350x4,5 
 
     = 4605,440 kg 
2. Menghitung volume bed katalis 
o
 
V
bed 
seluruh tube   
= 
(1
)
B
W
x
r
e
-
 
= 
)
3
,
0
1
(
1350
4395
,
4605
-
x
 
= 6,579 m
3
 

(
)
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
ú
û
ù
ê
ë
é
+
-
-
-
=
75
.
1
/
)
1
(
150
)
1
(
3
2
m
e
e
e
r
DpG
x
x
x
D
G
dZ
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
o
 
V
bed 
katalis untuk tiap tube = 
Nt
Alltube
V
bed
 
 
 
 
 
=  
1632
5792
,
6
  
= 0,004 m
3 
 
N.
 
Menghitung Pressure Drop Sepanjang  Tube 
Menggunakan persamaan Ergun : 
 
 
 
 
 
 
 
 
           
 
 
Jadi persamaan differensial pressure drop : 
 
 
Dari program diperoleh tekanan keluar reaktor adalah : 1,0486 atm 
Jadi Pressure dropnya = 1,05 - 1,0486 = 0,0014 atm
  
Keterangan : 
Po  = tekanan gas pada saat masuk rektor, atm
 
P
L 
  = tekanan gas setelah keluar reaktor, atm 
D  = diameter tube, m 

C
P
fE
ri
P
ts
+
-
=
6
.
0
.
L  = panjang tube, m 
e  = porositas katalis, m
3
/m
3
 
G  = kecepatan massa gas, kg/jam 
ρ    = densitas gas, kg/m
3
 
µ    = viskositas gas, kg/m.jam 
Dp = diameter katalis, m 
 
O.
 
Menentukan Tinggi dan Volume Reaktor 
 
1.   Menghitung tebal shell 
     
Tebal shell (ts) dapat dihitung dengan persamaan berikut : 
 
 
 
 
 
 
 
  in 
 
 
 
 
 
 
(Brownell, pers 13-1, p 254) 
 
 
Direncanakan shell terbuat dari Stainless steel  SA 167 grade 3 
 
Kondisi operasi : 
 
 
Suhu    
 
= 423 K = 302 F 
 
 
Tekanan operasi 
= 1,05 atm 
 
Spesifikasi : 
 
 
1. Faktor keamanan diambil   = 20% 
 
 
2. P desain 
 
 
= 1,26 atm 
= 18,522 psia 
 
 
3. Tekanan yang diijinkan(f)  =  1540          (Brownell and Young, p 342) 
 
 
4. Efisiensi pengelasan (E) 
= 0,8              (Brownell and Young, p 254) 
 
 
5. Corrosion allowance (C)  = 0,125 inc 
 
 
6. Jari-jari dalam shell (ri) 
= 42,5 inc  
 
 
7. Diameter dalam shell (IDs) = 85 inc 

÷
ø
ö
ç
è
æ +
=
+
-
=
icr
rc
x
W
C
xP
xfxE
PxrcxW
th
3
4
1
)
2
.
0
(
2
ts
IDS
OD
2
+
=
 
 
 
522
,
18
6
.
0
8
.
0
1540
5
,
42
522
,
18
x
x
x
ts
-
=
 + 0,125 
 
 
 
    = 0,1888 in  
 
 
Digunakan tebal shell standart yaitu 0,25 inc 
 
 
Diameter luar shell (ODs) 
= IDs + 2 x ts 
 
 
 
 
 
 
= 85 + 0,5  
 
 
 
 
 
 
= 85,5 inc 
 
 
Dipakai diameter luar shell standart = 90 inc 
 
2. Menghitung tebal head 
Direncanakan  head  menggunakan  bahan  yang  sama  dengan  shell  reaktor 
yaitu  Stainless  steel    SA  167  grade  3.  Head  yang  digunakan  berbentuk 
torisperical,  karena  cocok  digunakan  untuk  tekanan  antara  15  psig  –  200 
psig atau antara 1,02 atm – 14 atm.                                  (Brownell, hal 88) 
 
  Tebal head dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut : 
 
 
 
 
                 
 
Dengan :  
 
th 
= tebal head, inc 
 
icr 
= inside corner radius, inc 
 
rc 
= radius of dish, inc 
 
Tabel 5.7 Brownell  untuk OD = 90 inc dan t = 0.3125 inc 
 
icr 
= 5,5inc 
 
rc 
= 90 inc 
 
maka didapat   W 
= 1,7613 inc 
 
 
 
 
th 
= 0,2438 inc 

sf
b
th
+
+
2
ID
2
2
AB
BC
-
 
Dipilih tebal standart  = 0,25 inc 
3.
 
Menghitung tinggi head (OA) 
Tinggi head dihitung dengan cara berikut 
     
 
 
 
 
Tinggi head   =  
 
 
a 
 
= 
 
 
 
AB 
 
=   a - icr 
 
 
BC 
 
=   r – icr 
       
AC 
 
=  
 
 
b 
 
=   r – AC 
Data-data  icr,  r,  th  pada  ts  dan  OD  dapat  dilihat  pada  tabel  5.7  hal  89-91 
Brownell. Harga sf dilihat dari tabel 5.6 hal 88 Brownell. Data-data tersebut 
diperoleh sebagai berikut : 
 
 
a 
= 42,5 inc 
 
 
sf 
= 1,5 – 2,25    dipilih sf = 2,25 inc 
 
 
icr 
= 5,875 inc 

 
 
AB 
= 36,625inc 
 
 
BC 
= 84,125inc 
 
 
AC 
= 75,7339 inc 
 
 
b 
= 14,2661inc 
 
 
maka tinggi head  
= 0,2299 + 14,2661 + 2,5 
 
 
 
 
 
= 16,7661inc 
 
 
 
 
 
= 0,42586 m 
 
4. Menghitung tinggi reaktor  
Tinggi reaktor merupakan tinggi tube yang digunakan ditambah 2 x tinggi 
head.  Tinggi  tube  diperoleh  dari  hasil  run  program  matlab  untuk 
menyelesaikan persamaan-persaman yang diperoleh. 
 
    Didapat tinggi/panjang tube yang digunakan, Z = 4,5 m 
 
    Tinggi reaktor (Hr)   =  Z + 2 x Tinggi head 
 
 
 
 
 
= 4,5 + 0,85172 
 
 
 
 
 
= 5,352 m 
 
5. Menghitung volume total reaktor 
 
 
Volume Head   
= 0.000049 IDS
3
 
                  (Brownell, hal 88)      
  
 
 
IDs dalam inc ,  V dalan ft
3
 
 
 
 
 
 
= 0.000049 x 85
3
 
 
 
 
 
 
=  30,0921 ft
3 
 
 
 
 
 
= 0,852 m
3
 
 
 
Volume shell   
= (1/4) 
p IDS
2
 Z 
 
 
 
 
 
= ¼ x 3.14 x 2,159
2
 x 4,5 
 
 
 
 
 
= 16,466 m
3
 
 
 
Volume reaktor 
= Volume shell + 2.Volume Head 
 
 
 
 
 
= 16,466 + 2 x 0,852 

 
 
 
 
 
= 18,170 m
3
 
 
P.
 
Menentukan diameter pipa masuk dan pipa keluar reaktor : 
Direncanakan diameter pipa masuk dan keluar sama, karena debit aliran sama. 
Umpan masuk (G)  
=  3854,148kg/j = 1,071kg/s 
ρ avg 
 
 
=  0.5736 kg/m
3 
Diameter optimum  
= 
35
.
0
5
.
0
226
-
r
G
 
 
            (Coulson,161)  
 
 
 
 
= 226 x  1,0706
0.5
 x 0,5736
-0.35
 
 
 
 
 
= 284,054mm  
 
 
 
 
= 11,183inc 
 
Dipakai diameter pipa standart 
= 12 inc SN 30 
 
 
 
 
 
OD 
= 12,75 inc 
 
 
 
 
 
 ID 
= 12,09 inc 
 
     
 
 
Q.
 
Menentukan Diameter Pipa Pendingin Masuk dan Keluar Reaktor 
Direncanakan diameter pipa masuk dan keluar sama, karena debit aliran sama. 
Kecepatan alir massa pendingin masuk reaktor  =  115000kg/j= 31,9444 kg/s 
Densitas pendingin ( flue gas ), ρ  
 
=  995,68
 
kg/m
3
 
 
Diameter optimum 
= 
35
.
0
5
.
0
226
-
r
G
 
 
 
 
 
 
= 226 x 31,9444 
0.5
 x 995,68 
-0,35
 
 
 
 
 
 
=  114,0156 mm 
 
 
 
 
 
= 4,489 inc 
 
Dipakai diameter standart  
=6 incSN 40 
 
 
 
 
 
OD 
= 6,625 inc 
 
 
 
 
 
 ID 
= 6,065 inc