Mass & Heat Balance

BAB I

NAMA : BRIAN MARCHSAL

TUGAS NERACA MASSA & ENERGI SECONDARY REFORMER PABRIK AMMONIA PIM

A. DATA RECORD DAN DATA ANALISA LABORATORIUMA.1

Data Record di Lapangan dan Control Room Tabel A.1.1 Gas Proses Masuk ke Primary Reformer (61-101-B)ITEMjam (WIB)rata-ratasatuan

00.0004.0008.0012.0016.00

FIC-1001 (Flow Gas Proses In)26,5626,5926,5626,6026,8026,626KNm3/h

PIC-1010 ( Tekanan Gas Proses)41,9942,0243,6841,9841,9042,314Kg/cm2G

TI-1313 (Temperatur Inlet Gas Proses)479,8482,5482482485482,260C

Tabel A.1.2 Steam Proses Masuk ke Primary Reformer (61-101-B)

ITEMjam (WIB)rata-ratasatuan

00.0004.0008.0012.0016.00

FIC-1002 ( Flow Steam In)74,874,474,574,074,074,34ton/h

PI-1052(Tekanan Steam In)35,1135,1135,1335,1035,1135,112Kg/cm2G

TI-1023(Temperatur Steam In)333,5330,9337337341335,880C

Tabel A.1.3 Udara Proses Masuk ke Secondary Reformer (61-103-D)

ITEMjam (WIB)rata-ratasatuan

00.0004.0008.0012.0016.00

FIC-1003 (Flow Udara In)35,9535,7435,9636,1536,1035,98KNm3/h

PI-1050(Tekanan Udara In)32,4732,4832,532,232,132,41Kg/cm2G

TI-1312 (Temperatur Udara In)623625626623625624,40C

Tabel A.1.3 Temperatur outlet tube Primary Reformer (61-101-B)

ITEMrata-rata (0C)

TI-1315 s/d TI-1316784,65

TI-1314 (Temperatur Outlet Primary Reformer)788,6

A.2Data Analisa Laboratorium Tabel A.2.1 komposisi Feed Gaskomponensatuanjumlah

C1%76,94

C2%5,02

CO2%10,80

C3%1,23

i-C4%0,45

n-C4%0,55

i-C5%0,25

n-C5%0,15

C6%0,14

N2%2,88

H2SPpm0,07

H2%1,59

Tabel A.2.2 Komposisi outlet Primary Reformerkomponensatuanjumlah

H2%66,52

N2%0,34

Ar%0,01

CO%8,61

CO2%14,00

CH4%10,52

Tabel A.2.3 Komposisi outlet Secondary Reformerkomponensatuanjumlah

H2%52,53

N2%23,16

Ar%0,25

CO%12,45

CO2%10,40

CH4%0,22

Tabel A.2.4 Komposisi Udarakomponensatuanjumlah

N2%78,04

Ar%0,94

CO2%0,03

O2%20,99

B. CONTOH PERHITUNGAN

B.1 PERHITUNGAN NERACA MASSA

Reaksi utama:

CH4 + H2O

CO + H2

CO + H2O

CO2 + H2

Reaksi samping:O2 + H2

H2O

Steam (FIC-1002)

Gas proses

(FIC-1001)

Udara (FIC-1003)

Steam(FI-1044)

Gambar B.1 Diagram alir pada Primary dan Secondary ReformerB.1.1 Neraca Massa Pada Primary Reformer (61-101-B)Laju alir gas, FIC-1001= 26.626 KNm3/h = 26626 Nm3/h

Laju alir Steam, FIC-1002= 74,34 ton/h

= 92569,82 Nm3/h

Neraca massa masing-masing komponen yang masuk ke Primary Reformer dihitung berdasarkan data analisa laboratorium, dengan menggunakan carbon balance, hydrogen balance, oxygen balance dan inert balance.

a. carbon balance ()

untuk gas proses= [(0,7694 + 2(0,0502) + 3(0,0123) + 4(0,0045) + 4(0,0055) + 5(0,0025) + 5(0,0015) + 6(0,0014)) + 0,1080] x 26626 Nm3/h

= 28539,0781 Nm3/h

total= 28539,0781 Nm3/h

b. hydrogen balance

untuk gas proses= [0,0159 + {2(0,7694) + 3(0,0502) + 4(0,0123) + 5(0,0045) + 5(0,0055) + 6(0,0025) + 6(0,0015) + 7(0,0014)}] x 26626Nm3/h

= 24684,9646 Nm3/h

untuk steam= 92569,82 Nm3/h

total= 117254,7846 Nm3/h

c. oxygen balance()

untuk gas proses

= 2(0,1080) x 26626 Nm3/h

= 5751,216 Nm3/h


total= 98321,036 Nm3/h

d. inert balance

N2= 0,0288 x 26626 Nm3/h

= 766,8288 Nm3/h

Inert total= 766,8288 Nm3/h

Untuk menghitung laju alir masing-masing komponen yang keluar dari Primary reformer dilakukan langkah-langkah berikut:

a. Menghitung harga Ks

Ks = exp {Z(Z(0,63508 0,2935 Z) + 4,1778) + 0,311688}

Dimana:

, T dalam Kelvin

Dari Tabel A.1.5 diperoleh temperatur outlet tube rata-rata = 784,650C = 1057,65 K, sehingga:

Ks = exp {-0,0545(-0,0545 (0,63508 0,2935 -0,0545) + 4,1778) + 0,311688}

Ks = exp {0.0859}

Ks = 1,0897b. menghitung flow CH4, laju outlet CH4 dari Primary reformer dapat diketahui dengan membuat asumsi YCH4 yang berbeda-beda(trial and error).

Asumsi, YCH4= 7228 Nm3/h

Ks= 1,0897

A= 1- Ks

= 1-1,0897

= -0,0897

B= ++ (Ks-1)-3 YCH4

= 28539,0781 + 117254,7846 + (1,0897-1) 98321,036 -3(7228)

= 132929,2596 Nm3/h

C= Ks (--YCH4)(- YCH4)

=1,0897 (28539,0781-98321,036-7228)( 28539,0781-7228)

= -1788377748 Nm3/h

D =

=

= 130493,3643 Nm3/h

Dari nilai A,B,C dan D dapat dihitung laju alir tiap-tiap komponen yang keluar dari Primary reformer yaitu:

YCO2= -B +D / 2A

= (-132929,2596 +130493,3643)/2(-0,0897)

= 13578,01171 Nm3/h

YH2= +--3 YCH4 + YCO2

= 28539,0781 +117254,7846 -98321,036-3(7228) + 13578,01171

= 39366,83841 Nm3/h

YH2O= - + YCH4- YCO2

= 98321,036-28539,0781 + 7228 - 13578,01171

= 63431,94619 Nm3/h

YCO= ((-YCH4)x YH2) / (Ks(YH2O)+ YH2)

=

= 7733,066281 Nm3/h

Ytotal= YCH4 + YCO2 + YH2 + YH2O + YCO + Yinert

=( 7228 + 13578,01171 + 39366,83841 + 63431,94619 + 7733,066281 + 766,8288)

= 132104,6914 Nm3/h

= 10,52 %Dari hasil perhitungan diperoleh laju alir masing-masing komponen yaitu:

YCH4= 7228 Nm3/h

YCO2= 13578,01171 Nm3/hYH2= 39366,83841 Nm3/hYH2O= 63431,94619 Nm3/hYCO= 7733,066281 Nm3/h

YN2= 766,8288 Nm3/h

Total massa masuk Primary reformer:

= Gas proses + Steam

= 26626 Nm3/h + 92569,82 Nm3/h

= 119195,82 Nm3/h Neraca massa pada Primary reformer dapat disajikan pada Tabel B.1.1 berikut:

Tabel B.1.1 Neraca massa pada Primary reformerinletoutlet

komponenLaju alir, F% molkomponenLaju alir, F% mol

(Nm3/h)(Nm3/h)

CH420486,044417,19CH472885,51

C2H61336,62521.12CO213578,0117110,27

CO22875,6082,41H239366,8384129,79

C3H8327,49980,27CO7733,0662815,84

i-C4H10119,8170,10N2766,82880,57

n-C4H10146,4430,12

i-C5H1266,5650,06

n-C5H1239,9390,033

C6H1437,27640,031

N2766,82880,64

H2423,35340,36

Total gas kering26626Total gas kering68672,7452148,02

H2O92569,8277,66H2O63431,94619

Total gas basah119195,82Total gas basah132104,6914

18,65202

16,8294

= 99189,91784 kg/h= 99189,91784 kg/h

B.1.2 Neraca Massa Pada Secondary Reformer (61-103-D)

Laju alir udara, FIC-1003= 35,98 KNm3/h =35980 Nm3/h

Laju alir Steam, FIC-1002= 6,794 ton/h

= 8460,039 Nm3/h

Massa gas yang masuk ke Secondary Reformer adalah outlet Primary reformer, yaitu:YCH4= 7228 Nm3/h


YN2= 766,8288 Nm3/h

Perhitungan neraca massa di Secondary Reformer menggunakan data neraca massa pada Primary reformer,dan juga carbon balance, hydrogen balance, oxygen balance dan inert balance.

a. carbon balance ()

untuk gas proses= YCH4 + YCO2 + YCO

= 7228 + 13578,01171 + 7733,066281

= 28539,07799 Nm3/h

untuk udara= 0,00003 x 35980 Nm3/h

= 1,0794 Nm3/h

total

= 28540,15739 Nm3/h

b. hydrogen balance

untuk gas proses

= 2YCH4 + YH2 + YH2O

= 2(7228) + 39366,83841 + 63431,94619

= 117254,78476 Nm3/h

untuk steam

= 8460,039 Nm3/h

total= 125714,8236 Nm3/h

c. oxygen balance()

untuk gas proses

= YCO2 + YH2O + YCO

= 13578,01171 +63431,94619 +7733,066281

= 84743,02418 Nm3/h

untukudara

= YCO2 + YO2

= (0,00003 + 0,2099) x 35980 Nm3/h

= 7553,2814 Nm3/h


total= 100756,3446 Nm3/h

d. inert balance

N2 gas

= 766,8288 Nm3/h

N2 udara = 0,7804 x 35980 Nm3/h

= 28078,792 Nm3/h

Ar udara= 0,0094 x 35980 Nm3/h

= 338,212 Nm3/h

Inert total= 29183,8328 Nm3/h

Laju alir CH4 yang sebenarnya yang keluar dari Secondary Reformer dapat dihitung dengan membuat asumsi yang berbeda-beda.Asumsi, YCH4= 275 Nm3/h

Ks= 1,0897

A= 1- Ks

= 1-1,0897

= -0,0897

B= ++ (Ks-1)-3 YCH4

= 28540,15739 + 125714,8236 + (1,0897-1)100756,3446 -3(275)

= 162467,8251 Nm3/h

C= Ks (--YCH4)(- YCH4)

=1,0897 (28540,15739 -100756,3446 -275)( 28540,15739 -275)

= -2232767857 Nm3/h

D =

=

= 159983,365 Nm3/h

Dari nilai A,B,C dan D dapat dihitung laju alir tiap-tiap komponen yang keluar dari Secondary Reformer yaitu:

YCO2= -B +D / 2A

= (-162467,8251 +159983,365)/2(-0,0897)

= 13848,71851 Nm3/h

YH2= +--3 YCH4 + YCO2

= 28540,15739 +125714,8236 -100756,3446 -3(275) + 13848,71851

= 66522,3549 Nm3/h

YH2O= - + YCH4- YCO2

= 100756,3446 -28540,15739 + 275 - 13848,71851

= 58642,4687 Nm3/h

YCO= ((-YCH4)x YH2) / (Ks(YH2O)+ YH2)

=

= 14416,43907 Nm3/h

Ytotal= YCH4 + YCO2 + YH2 + YH2O + YCO + Yinert

=( 275 + 13848,71851 + 66522,3549 + 58642,4687 + 14416,43907 + 29183,8328)

= 182888,814 Nm3/h

= 0,22 %Dari hasil perhitungan diatas diperoleh laju alir masing-masing komponen yaitu:

YCH4= 275 Nm3/h


YN2= 28845,6208 Nm3/h

YAr= 338,212 Nm3/h

Total massa masuk Secondary reformer:

= Gas proses + Steam + Udara

= 132104,6914 Nm3/h + 8460,039 Nm3/h + 35980Nm3/h

= 176544,7304 Nm3/h

Neraca massa pada Secondary reformer dapat disajikan pada Tabel B.1.2 berikutTabel B.1.2 Neraca massa pada Secondary reformerMassa masukMassa keluar

komponenF (Nm3/h)% molkomponenF (Nm3/h)% mol

CH472284,09CH42750,15

CO213587,726317,70CO213848,718517,57

H239366,8384122,30H266522,354936,38

CO7733,0662814,38CO14416,439077,88

O27552,2024,28N228845,620815,78

N228845,620816,33Ar338,2120,18

Ar338,2120,19

Total gas kering104643,0306Total gas kering124246,3453

H2O71891,9851940,73H2O58642,468732,06

Total gas basah176544,7304Total gas basah182888,814

18,18056

17,54991

Total = 143199,8851 kg/hTotal = 143199,8851 kg/h

B.1 PERHITUNGAN NERACA ENERGI

B.1.1 Perhitungan Panas Jenis (Cp)

Cp = A + BT + CT2dimana,Cp= panas jenis ( kJ/kg.K)

T= temperatur (K)

Nilai A,B dan C tergantung pada jenis gas

Tabel B.2.1 Konstanta panas jenis untuk berbagai gas

Jenis gasA103. B106.C

CH4CO

CO2H2N2O21,702

3,376

5,457

3,249

3,280

3,6399,081

0,557

1,045

0,422

0,593

0,506-2,164-

-

-

-

-

Sumber: Smith dan Van Ness, 2001.Tabel B.2.2 Panas standar untuk berbagai gas pada 298,15 K

Jenis gas

(kJ/kg)

CH4(g)CO(g)CO2(g)H2O(g)

H2O(l)-74,520

-393,509

-110,525

-241,818

-285,830

Sumber: Smith dan Van Ness, 2001.Cp campuran=

=

Dimana:Cpi = panas jenis komponen i

ni = fraksi mol komponen i a. Cp gas keluar Primary ReformerKomposisi gas diambil berdasarkan data Tabel B.1.1.Tabel B.2.3 Perhitungan panas jenis gas keluar Primary ReformerJenis gasnn.An.103. B106.C

CH4CO2H2CO

N2H2O0,0551

0,1027

0,2979

0,0584

0,0057

0,48020,0937802

0,5604339

0,9678771

0,1971584

0,0186961,6662940,50036310,10732150,12571380,03252880,00338010,69629-0,1192364-

-

-

-

-

Total1,003,50423961,4655973-0,1192364

T out = 788,60C = 1061,75 K

Cp= 3,5042396 + 1,4655973 x 10-3 (1061,75) - 0,1192364 x 10-6 (1061,752)

Cp= 4,925920782 kJ/kg.Kb. Cp udara masuk Secondary ReformerKomposisi gas diambil berdasarkan data Tabel A.1.3.Tabel B.2.4 Perhitungan panas jenis udara masuk Secondary ReformerJenis gasnn.An.103. B106.C

N2CO2O2Ar 0,7804

0,0003

0,2099

0,0094

2,559712

0,0016371

0,7638261

-

0,4627772

0,0003135

0,1062094

-

-

-

-

-

Total1,003,32517520,5693001-

T out = 624,40C = 897,55 K

Cp= 3,3251752 + 0,5693001 x 10-3 (897,55)

Cp= 3,836150505 kJ/kg.Kc. Cp gas keluar Secondary ReformerKomposisi gas diambil berdasarkan data Tabel B.1.2

Tabel B.2.3 Perhitungan panas jenis gas keluar Secondary ReformerJenis gasnn.An.103. B106.C

CH4CO2H2CO

N2

Ar

H2O0,0015

0,0757

0,3638

0,0788

0,0057

0,0018

0,32060,002553

0,4130949

1,1819862

0,2660288

0,517584

-

1,1124820,0136215

0,0791065

0,1535236

0,0438916

0,0935754

-

0,46487-0,003246

-

-

-

-

-

Total1,003,19372890,7485886-0,003246

T out = 9650C = 1238,15 K

Cp= 3,1937289 + 0,7485886 x 10-3 (1238,15) - 0,003246 x 10-6 (1238,152)

Cp= 3,646892519 kJ/kg.K

Dari perhitungan neraca massa pada Secondary Reformer diperoleh jumlah massa komponen yang masuk sebagai berikut:

Massa gas masuk= 99189,91786 kg/h

Massa gas keluar= 143199,8851 kg/h

Massa udara= 46503,99751 kg/h Massa steam= 6794 kg/h

B.1.2 Perhitungan Panas masuk ke Secondary Reformer

a.Menghitung panas gas masuk (Q1)

Q1= m.Cp.dT

= (99189,91786)( 4,925920782)( 1061,75-298,15)

= 373096241,2 kJ/h

b. Menghitung panas udara masuk (Q2)

Q2= Qudara + Qsteam Qudara = (46503,99751)(3,836150505)(897,55-298,15)

= 106930762,3 kJ/h Qsteam= m.

Dari steam table App.F Smith & Van Ness, pada P = 42 kg/cm2 = 4396,086 kPa diperoleh nilai sebesar 1490,4 kJ/kg, sehingga

Qsteam= (6794)(1490,4)

= 10125777,6 kJ/h

Q2

= (106930762,3 + 10125777,6) kJ/h

= 117056539,9 kJ/h

c. Menghitung panas reaksi

CH4 + H2O

CO + H2+ Q ...........(1)

CO + H2O

CO2 + H2- Q ............(2)

O2 + H2

H2O

- Q ............(3)

Dari Smith diperoleh:

CH4 + H2O

CO + H2

= 206,151 kJ/kg

CO + H2O

CO2 + H2

= -41,164 kJ/kg

O2 + H2

H2O

= -483,652 kJ/kg

Untuk reaksi (3), panas pembakaran dapat dihitung dengan menggunakan persamaan berikut:

................(a)

Dimana:

Mpr= massa produk

Mr= massa reaktan

Dari Smith diperoleh:

Cp H2O= 4,038 kJ/kg.K

Cp O2= 3,535 kJ/kg.K

Cp H2 = 3,468 kJ/kg.KAsumsi bahwa O2 yang masuk ke secondary reformer semuanya bereaksi, sehingga dari perhitungan neraca massa didapatkan:

O2 yang bereaksi= (0,2099)(46503,99751) kg/h

= 9761,189077 kg/h

H2O yang terbentuk

= O2 yang bereaksi

H2O yang terbentuk pada reaksi (3)= 2(9761,189077) kg/h

= 19522,37185 kg/h

H2 yang bereaksi= H2O yang terbentuk

= 19522,37185 kg/h1. untuk reaksi (1)

CH4 yang bereaksi= CH4 masuk - CH4 keluar CH4 masuk = 7228 Nm3/h= 5159,632 kg/hCH4 keluar = 275 Nm3/h= 196,306 kg/h

CH4 yang bereaksi= (5159,632 -196,306) kg/h

= 4963,326 kg/h

Panas reaksi, QR1= 206,151 x 4963,326

= 1023194,618 kJ/h2. untuk reaksi (2)

CO2 yang terbentuk= CO2 keluar - CO2 masuk

CO2 masuk = 13578,01171 Nm3/h= 26654,43541 kg/h

CO2 keluar = 13848,71851 Nm3/h= 27185,849 kg/h

CO2 yang terbentuk= (26654,43541 - 27185,849) kg/h

= 529,295 kg/hCO2 yang bereaksi= CO2 yang terbentuk

= 529,295 kg/h

Panas reaksi, QR2= -41,164 x 529,295

= -21787,89938 kJ/h

3. untuk reaksi (3)

Panas pembakaran dihitung dengan menggunakan persamaan (a) dan diperoleh:

= -19881879,92 kJ/h

Maka, jumlah panas yang terbentuk karena reaksi adalah:

QR= QR1 + QR2 +

= 1023194,618 + (-21787,89938) + (-19881879,92)

= -18880473,2 kJ/hTotal panas yang masuk secondary reformer adalah:

= Q1 + Q2 QR

= 373096241,2 + 117056539,9 (-18880473,2)

= 508722732,4 kJ/h

d. Menghitung panas gas keluar (Q3)

Q3= m.Cp.dT

= (143199,8851)( 3,646892519)(1238,15 298,15)

= 490900514,3 kJ/h

e. Menghitung panas yang diserap

Qdiserap= panas masuk panas keluar

= (508722732,4 - 490900514,3) kJ/h

= 17822218,1 kJ/h

f. Menghitung persentase panas yang hilang

Primary Reformer

(61-101-B)

Secondary Reformer

(61-103-D)

PAGE

_1292587214.unknown

_1292587743.unknown

_1293473887.unknown

_1293480626.unknown

_1293481119.unknown

_1294032355.unknown

_1294032382.unknown

_1294032701.unknown

_1293481769.unknown

_1293480899.unknown

_1293476769.unknown

_1293476845.unknown

_1293478832.unknown

_1293476817.unknown

_1293473894.unknown

_1292590792.unknown

_1292591236.unknown

_1293468012.unknown

_1293471689.unknown

_1293467893.unknown

_1292588716.unknown

_1292589740.unknown

_1292589823.unknown

_1292588452.unknown

_1292587719.unknown

_1292587043.unknown

_1292586537.unknown

_1292586573.unknown

_1292586967.unknown

_1292586566.unknown

_1292585950.unknown

Mass & Heat Balance

Documents

Transcript of Mass & Heat Balance