S1-2014-300881-chapter5 (1)
-
Upload
redno-elakadesci -
Category
Documents
-
view
9 -
download
0
description
Transcript of S1-2014-300881-chapter5 (1)
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
161
BAB XIII
KESIMPULAN
Berdasarkan tinjauan kondisi operasi, pemilihan bahan baku, produk dan
teknologi proses, maka Pabrik Phthalic Anhydride dari o-xylene dan udara dengan
kapasitas 80.000 ton/tahun tergolong pabrik berisiko tinggi.
Hasil analisis ekonomi pabrik ini menunjukkan:
1. Keuntungan sebelum pajak sebesar Rp293.601.500.000,00 dan
keuntungan setelah pajak sebesar Rp 146.800.800.000,00.
2. Percent Return on Investment (ROI) sebelum pajak 44,76%, lebih besar
daripada ROI minimum yaitu 44% untuk pabrik beresiko tinggi.
3. Pay Out Time (POT) sebelum pajak adalah 2,12 tahun, sedangkan POT
sebelum pajak adalah maksimum 2 tahun. POT setelah pajak adalah 4,02
tahun.
4. Break Even Point (BEP) adalah sebesar 41,46%, sudah berada dalam
kisaran yang wajar yaitu pada range 40-60%.
5. Shut Down Point (SDP) adalah sebesar 17,02% kapasitas.
6. Discounted Cash Flow Rate of Return (DCFRR) sebesar 36,13%, sudah
melebihi minimal 1,5 kali bunga bank (10,37%).
Dari hasil analisa ekonomi di atas dapat disimpulkan bahwa Pabrik Phthalic
Anhydride dari o-xylene dan udara dengan kapasitas 80.000 ton/tahun menarik dan
layak untuk dikaji lebih lanjut.
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-1
LAMPIRAN
REAKTOR-01 (R-01)
(Detail Design)
Kode : R-01
Tugas : Tempat berlangsungnya reaksi antara o-xylene dan udara menjadi phthalic
anhydride dengan kapasitas 165629,90 kg/jam
Jenis : Fixed Bed Multitube Reactor
Reaktor ini beroperasi secara non-isothermal non-adiabatic dengan reaksi
yang terjadi di dalam reaktor sebagai berikut :
Reaksi utama yang terjadi :
C8H10 + 3 O2 C8H4O3 + 3 H2O
Selain reaksi diatas, terjadi pula reaksi samping :
C8H10 + 1,5 O2 C8H8O2 + H2O
C8H10 + 2 O2 C8H6O2 + 2 H2O
C8H10 + 2,5 O2 C7H6O2 + CO2 + H2O
C8H10 + 6 O2 C5H6O4 + 3 CO2 + 2 H2O
C8H10 + 7,5 O2 C4H2O3 + 4 CO2 + 4 H2O
C8H10 + 8,5 O2 4 CO + 4 CO2 + 5 H2O
Konversi di reaktor 98,19 % mol dari o-xylene dengan selektivitas pada Daftar
sebagai berikut :
Daftar 1. Data Selektivitas Komponen
Komponen Selektivitas (% mol)
C8H4O3 77,3
C8H8O2 0,2
C8H6O2 0,2
C7H6O2 0,8
C5H6O4 0,1
C4H2O3 4,0
CO 17,4
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-2
(Manual Operating Book, PT Petrowidada, Gresik dan Skrzypek, pg. 613)
Reaktor yang digunakan berjumlah tiga reaktor paralel, untuk menjaga
kestabilan proses produksi, sehingga jika salah satu reaktor tidak berfungsi dengan
baik, maka reaktor lainnya akan menjaga produksi tetap berjalan. Ukuran reaktor
juga menjadi pertimbangan dalam memilih jumlah reaktor yang digunakan.
1. Menentukan Jenis dan Ukuran Pipa
Pada sintesa phthalic anhydride digunakan tube dengan inside diameter 2,5
cm untuk penggunaan tube kurang dari 20000 buah (Froment dan Bischoff, 2011).
Berdasarkan Foust, Appendix C halaman 724 maka direncanakan akan untuk
menggunakan pipa baja komersial dengan ASA Standard B36. 10 sebagai berikut :
Schedule Number (Sch) : 40
D nominal : 1 in
Diameter luar (Odt) : 1,315 in = 3,3401 cm
Diameter dalam (Idt) : 1,049 in = 2,6645 cm
Inside sectional area (at) : 0,006 ft2 = 5,5742 cm2
2. Menentukan Panjang dan Jumlah Tube
a. Menghitung berat molekul umpan
Untuk menghitung BM umpan digunakan persamaan :
BM = (Yi BMi)
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-3
Daftar 2. Perhitungan Berat Molekul Relatif
Komponen BM Yi Yi x BM
O-xylene 106,1670 0,0165 1,7526
M-xylene 106,1670 0,0002 0,0174
Carbon monoxide 28,0110 0,0101 0,2823
Carbon dioxide 44,0110 0,0000 0,0003
Oxygen 32,0000 0,1856 5,9403
Nitrogen 28,0140 0,7876 22,0639
Argon 39,9480 0,000007 0,0003
Total 1,0000 30,0592
b. Menghitung harga Z umpan
Z = 1 + TrRTc
BPc Pr.
Persamaan yang digunakan untuk mengitung Pc, Tc, dan campuran didapat
dari Bird persamaan 1.3-3 sampai dengan 1.3-5 sebagai berikut :
Pc = (Yi Pci)
Tc = (Yi Tci)
= (Yi i)
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-4
Daftar 3. Penentuan Nilai Koefisien Untuk Menghitung Z
Komponen Yi YiPci YiTci Yi.i
O-xylene 0,0165 0,6164 10,4061 0,0052
M-xylene 0,0002 0,0058 0,1014 0,0001
Carbon
monoxide 0,0101 0,3526 1,3396 0,0006
Carbon
dioxide 0,0000 0,0005 0,0020 0,0000
Oxygen 0,1856 9,3615 28,6953 0,0041
Nitrogen 0,7876 26,7312 99,3166 0,0315
Argon 0,000007 0,0000 0,0000 0,0000
TOTAL 1.0000 37,0681 139,8610 0,0415
T rerata = 350 oC = 623,15 K
P rerata = 1,4 atm
Tr = T/Tc = 623,15 K / 139,8610 K = 4,4555
Pr = P /Pc = 1,4 atm/37,0681 atm = 0,0378
= 0,0415
Dari Smith Van Ness fig. 3-11, hal 88 titik (Pr,Tr) berada di atas garis, maka
menghitung harga z menggunakan virial coeffisien. Persamaan yang digunakan
dari Smith Van Ness 3rd ed., persamaan 3-36 sampai 3-38 hal. 87 sebagai
berikut :
Bo = 0,083 (0,422/Tr 1,6) = 0,083 (0,422/4,4555 1,6) = 0,0444
B = 0,139 (0,172/Tr 4,2) = 0,139 (0,172/4,4555 4,2) = 0,1387
BPc/RTc = Bo + B
= 0,0444 + (0,1232 0,0415)
= 578,0482
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-5
Z = 1 + TrRTc
BPc Pr.
= 1 + (0,0495)(0,0351/4,4555)
= 1,0004
c. Menghitung densitas umpan
TRZ
BMP
= )15,623)(/.05,82)(0004,1(
)/0571,30)(4,1(3 KmolKcmatm
molgratm
= 8,2272.10-4 gr/cm3
= 0,8227 kg/m3
d. Menghitung viskositas umpan
Viskositas campuran gas dapat diestimasi dengan persamaan Herning dan
Zipperer :
=(.
0,5.)
(.0,5)
Dimana :
yi = fraksi mol masing-masing komponen;
BMi= Berat molekul masing-masing komponen (gram/mol);
i = viskositas komponen (cp).
e. Konduktivitas thermal umpan (kG)
Konduktivitas termal campuran gas dapat diestimasi dengan persamaan :
=(.
1/3. )
(. )
Dimana :
yi = fraksi mol masing-masing komponen;
BMi= Berat molekul masing-masing komponen (gram/mol);
ki = konduktivitas termal masing-masing komponen (cp).
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-6
f. Menghitung diameter dalam shell (IDs)
Direncanakan tube disusun dengan pola triangular pitch, dengan:
Pt = 1,25 ODt
= 1,25 (1,3150 in)
= 1,6438 in
C = PT ODt
= (1,6438 1,3150) in
= 0,3288 in
Diameter bundle shell (IDb) untuk triangular pitch dicari dengan persamaan
sebagai berikut :
= (
1)
1
2
(Coulson and Richardson)
Dimana :
Nt = jumlah tube
IDb = diameter dalam tube, m
C1, C2 = konstanta
Nilai C1 dan C2 ditentukan oleh bentuk pitch dan jumlah pass yang akan
digunakan. Pitch yang digunakan adalah tipe triangular pitch dan jumlah pass
sebanyak 1. Diperoleh nilai C1 = 0,319 dan C2 = 2,142.
= +(28,571 + 44,256)
100
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-7
k. Menghitung koefisien perpindahan panas pada tube dan shell side
1. Kecepatan transfer panas tube side (hio)
Persamaan untuk menghitung koefisien perpindahan transfer panas pada
bagian tube (hio) adalah :
=
Untuk mengevaluasi nilai hi, digunakan persamaan :
.
= 0,027()
0,8()1/3
Dengan,
=.
=
=.
2
4
=
3600
Dimana :
= koefisien transfer panas di tube, kJ/m2.jam.K
= konduktivitas panas gas, kJ/m.jam.K
= kecepatan aliran massa gas, kg/jam
= luas flow area tube, m2
= kapasitas panas gas komponen, kJ/kmol/K
= kapasitas panas gas campuran, kJ/kmol/K
= bilangan Reynold tube = 500
= bilangan Prandtl tube
= diameter luar tube, m
2. Kecepatan transfer panas shell side (ho)
Pada bagian shell akan dialirkan pendingin berupa molten salt dengan
spesifikasi sebagai berikut :
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-8
Cpc = 372,93 Btu/lb oF = 1,5614 kJ/kg K
c = 9,00 kg/m/jam
kc = 2,16 kJ/m/jam/K
Ws = 150.000 kg/jam
B = baffle spacing yang direncanakan = 0,3 IDs = 1,1048 m
Persamaan untuk menghitung koefisien perpindahan transfer panas pada
bagian tube (hio) adalah :
.
= 0,36()0,55()
1/3
dengan,
= .
=.
=.
.
=
3600
=4 (
12 . 0,866.
2 18 . .
2)
12 . .
= koefisien transfer panas di shell, kJ/m2.jam.K
= konduktivitas panas pendingin, kJ/m.jam.K
= kecepatan aliran massa pendingin, kg/jam
= fluks aliran massa pendingin, kg/m2.s
= viskositas pendingin, kg/m.s
= konduktivitas panas pendingin, kJ/m.jam.K
= luasflow area shell, m2.
, , = lebar pitch, clearance, dan baffle size, m
, = diameter ekivalen dan diameter dalam shell, m.
l. Menghitung koefisien transfer panas overall (Ud)
Koefisien transfer panas pipa bersih:
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-9
=.
+
Dari Kern, Daftar 12 hal 845 diperoleh:
Rd Shell = 0,0010 (untuk cooling liquid)
Rd tube = 0,0005 (untuk organic vapor)
Rd = Rd shell +Rd tube
= 0,0010 + 0,0005
= 0,0015 jam ft2 oF/BTU
= 7,3374.10-5 jam.m2.K/kJ
=1
+1
dengan :
Uc = koefisien perpindahan panas overall bersih, kJ/jam/m2/K
Ud = koefisien perpindahan panas overall kotor, kJ/jam/m2/K
m. Menyusun persamaan laju reaksi (-ra)
Ditinjau dari reaksi utama:
C8H10 (g) + 3 O2 (g) C8H4O3 (g) + 3 H2O (g)
Persamaan laju reaksi dianggap :
-rox = k Pox PO2
dengan :
-rox = laju reaksi o-xylene, kmol/kg katalis/jam
k = konstanta laju reaksi, kmol/kg katalis/atm2/jam
Pox = tekanan parsial o-xylene, atm
PO2 = tekanan parsial oksigen, atm
Nilai konstanta laju reaksi diketahui :
= exp ( (27000
) + 19,837)
Dimana :
T = suhu (K)
R = konstanta gas = 1,987 kal/gmol K
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-10
Nilai POX dan PO2 dapat divelauasi menggunakan persamaan:
=
2 = 2
dengan,
yOX = fraksi mol o-xylene;
yO2 = fraksi mol oksigen;
P = tekanan total, atm.
Untuk gas berlaku :
Pi = xPtFt
Fi
Untuk menghitung Fi, disusun neraca massa berdasarkan data selektivitas
yang telah diketahui pada Daftar selektivitas:
Daftar 4. Perhitungan Reaksi Komponen dalam Reaktor
Sehingga :
Komponen BM Fi0 Fi0/Fox-0 Reaksi
O-xylene (A) 106,1670 4828,8740 1,0000 -1,0000
M-xylene 106,1670 48,0491 0,0100 0,0000
Phthalic anhydride 148,1180 0,0000 0,0000 0,7730
Maleic anhydride 98,0580 0,0000 0,0000 0,0400
Toluic acid 136,1500 0,0000 0,0000 0,0020
Phthalide 134,1360 0,0000 0,0000 0,0020
Benzoic acid 122,1230 0,0000 0,0000 0,0080
Citraconic acid 130,1000 0,0000 0,0000 0,0010
Carbon monoxide 28,0110 777,8215 0,6105 0,6960
Carbon dioxide 44,0110 0,7794 0,0004 0,8670
Oxygen 32,0000 16366,9855 11,2451 -8,5720
Nitrogen 28,0140 60791,6606 47,7103 0,0000
Water 18,0160 0,0000 0,0000 5,9830
Argon 39,9480 0,7794 0,0004 0,0000
TOTAL 82814,9495 60,5767 -1,2000
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-11
Pox = PXFox
XFox
)2000,15767,60(0
)1(0
= PX
X
)2000,15767,60(
)1(
2 =208,5720.0.
0 (60,57671,2000 )P
Dimana :
P = tekanan total, atm;
X = konversi o-xylene;
FO20 = flowrate O2 umpan, kmol/jam;
FOX0 = flowrate o-xylene, kmol/jam.
n. Menghitung panjang tube (z)
Panjang tube didapat dari persamaan-persamaan profil untuk :
Profil konversi sepanjang reaktor
Profil temperatur sepanjang reaktor
Profil temperatur pendingin sepanjang reaktor
Profil pressure drop sepanjang reactor
Perhitungan profil masing-masing persamaan sebagai berikut :
Menentukan persamaan profil konversi terhadap panjang reaktor
Profil aliran gas dalam tube :
Fa
Xa +
Zz
Fa +Xa
Z = 0 Z = L
z
IDID OD
Gambar 11. Penampang Aliran dalam Tube
Neraca massa pada elemen volume V :
+
=
Pada steady state, akumulasi = 0, maka :
Fox-z = Fox-Z+Z - (-rox). Nt. V. (1- ). B
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-12
Z
ZIDtNroxzz
Foxz
FoxB
)1.(.).(4/..)(2
)1.().(4/..).( 2
IDNtroxZ
FoxFoxB
ZZZ
lim = )1.(2).(4/..).( IDNtroxdZ
dFoxB
Z0
Dimana :
Fox = Fox0 (1 - X)
dFox = -Fox0 . d X
Maka :
)1.().(4/..).(.0 2
IDNtrox
dZ
dXFoxB
0
)1.().(4/..).( 2
Fox
IDNtrox
dZ
dXB (36)
Keterangan :
Fox0 = flowrate inlet o-xylene, kmol/jam;
rOX = laju reaksi oxylene masuk reaktor, kmol o-xylene/jam;
Nt = jumlah tube;
ID = diameter dalam, m;
B = densitas katalis, kg katalis/m3;
= porositas katalis dalam bed, = 0,4 (Hill, hal 559);
Z = panjang tube dihitung dari atas, m;
(-ra) = kecepatan reaksi, kmol o-xylene/kg katalis/jam.
Menentukan persamaan profil temperatur terhadap panjang tube
Neraca panas di dalam tube pada kondisi steady-state:
+ =
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-13
( )| ( )|+
+ (). . . .
. . . . ( ) = 0
lim0
(( )|+ ( )|
)
= (). . . . . . ( )
= (). . . . . . ( )
=
(). . . . . . ( )
Keterangan :
Z = tebal tumpukan katalis, m
= koefisien transfer panas overall, kJ/m2 K.jam
= panas reaksi i, kJ/kmol
rOX = laju reaksi oxylene masuk reaktor, kmol o-xylene/jam;
OD t = diameter luar tube, m
B = berat jenis bulk, kg/m3
Tc = suhu pendingin
Cpi = kapasitas panas komponen, kJ/kmol K
Menentukan persamaan profil temperatur pendingin sepanjang
reactor
Neraca panas pendingin dalam elemen volum shell:
+ =
( )|+ ( )|
+ . . . . ( ) = 0
lim0
(( )|+ ( )|
)
= . . . ( )
= . . . ( )
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-14
=
. . . ( )
(37)
Dimana :
Ws = laju alir pendingin, kg/jam
Cpc = kapasitas panas pendingin, kJ/kg K
Menentukan persamaan profil perbedaan tekanan sepanjang tube
Penurunan tekanan dalam pipa berkatalis (Treybal,1981)
= 9,8692. 106
(1 )
. . 3[150(1 )
+ 1,75] (38)
dengan,
= fluks aliran massa gas dalam reaktor, kg/m2.s
= porositas katalis
= diameter partikel katalis, m
= viskositas gas, kg/m.s
Tinggi bed yang digunakan dicari dengan bantuan program MATLAB.
Tinggi bed ditentukan oleh target konversi total o-xylene sebesar 99 %.
Script MATLAB yang digunakan :
==========================================================
========
function revisi1
clc
clear
clf
global IDs Nt OD Ud B ID
%jumlah mol umpan, kmol/jam
Fox1=99.6804/3;
Fmx1=0.99918/3;
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-15
Fpa1=0;
Fma1=0;
Fta1=0;
Fpd1=0;
Fba1=0;
Fca1=0;
Fco1=62.754/3;
Fco21=0.062/3;
Fo21=1320.4936/3;
Fn21=4904.690/3;
Fh2o1=0;
Far1=0.0620/3;
x0=0;
z0=0;
T0=623.15;%K
Tc0=603.15;%K
P0=6;%atm
zc=[z0:0.1:11];
y0=[x0 T0 Tc0 P0];
[z,y]=ode45(@aldin,zc,y0);
x=y(:,1);
T=y(:,2);
Tc=y(:,3);
P=y(:,4);
figure(1)
grid off
hold on
plot(z,y(:,1),'-g')
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-16
ylabel('conversion')
xlabel('z,m')
figure(2)
grid off
hold on
plot(z,y(:,2),'-g')
xlabel('z,m')
ylabel('suhu,K')
figure(3)
grid off
hold on
plot(z,y(:,3),'-g')
xlabel('z,m')
ylabel('suhu pendingin, K')
figure(4)
grid off
hold on
plot(z,y(:,4),'-g')
xlabel('z,m')
ylabel('tekanan,atm')
disp('FIXED BED MULTITUBE REACTOR')
disp('-----------------')
disp('-----------------')
fprintf('Komponen keluar reaktor :\n')
fprintf(' - O-Xylene = %8.4f kmol/s\n',(Fox1*(1-x(end))))
fprintf(' - M-Xylene = %8.4f kmol/s\n',(Fmx1))
fprintf(' - Phthalic Anhydride = %8.4f
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-17
kmol/s\n',(Fpa1+0.773*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Maleic Anhydride = %8.4f
kmol/s\n',(Fma1+0.040*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Toluic Acid = %8.4f kmol/s\n',(Fta1+0.002*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Phthalide = %8.4f kmol/s\n',(Fpd1+0.002*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Benzoic Acid = %8.4f kmol/s\n',(Fba1+0.008*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Citraconic Acid = %8.4f
kmol/s\n',(Fca1+0.001*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Carbon Monoxide = %8.4f
kmol/s\n',(Fco1+0.696*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Carbon Dioxide = %8.4f
kmol/s\n',(Fco21+0.867*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Oxygen = %8.4f kmol/s\n',(Fo21-8.572*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Nitrogen = %8.4f kmol/s\n',(Fn21))
fprintf(' - Water = %8.4f kmol/s\n',(Fh2o1+5.983*Fox1*x(end)))
fprintf(' - Argon = %8.4f kmol/s\n',(Far1))
fprintf('konversi = %8.4f\n',x(end))
fprintf('suhu masuk = %8.4f K\n',T0)
fprintf('suhu keluar = %8.4f K\n',T(end))
fprintf('suhu pendingin masuk = %8.4f K\n',Tc(end))
fprintf('suhu pendingin keluar = %8.4f K\n',Tc0)
disp('design reaktor')
fprintf(' - Diameter Shell = %8.4f m\n',IDs)
fprintf(' - Panjang Reaktor = %8.4f m\n',z(end))
fprintf(' - Tekanan keluar = %8.4f atm\n',P(end))
fprintf('Spesifikasi tube \n');
fprintf('Outside diameter : %.2f in \n',OD*100/2.54);
fprintf('Inside diameter : %.2f in \n',ID*100/2.54);
fprintf('Jumlah tube : %.0f \n\n',Nt);
fprintf('Spesifikasi shell \n');
fprintf('Inside diameter : %.2f m \n',IDs);
fprintf('Baffle Size : %.2f m \n\n',B);
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-18
fprintf('Heat Trans Coeff : %.4f kJ/m2.jam.K \n',Ud);
disp('Profil')
disp('Panjang bed, m Konversi Suhu,K Suhu Pemanas, K Tekanan,
atm')
fprintf(' %7.4f %6.4f %6.4f %6.4f %6.4f\n',[z x T Tc P]')
end
function dY=aldin(z,y)
global IDs Nt OD Ud B ID Ws
x=y(1);
T=y(2); %suhu reaktor (kelvin)
Tc=y(3); %suhu pendingin (kelvin)
P=y(4); %tekanan reaktor (atm)
phi=3.14;
T1=623.15; %suhu reaktan masuk
Z=1.0004; %compressibility factor
BM=30.0592; %BM campuran
%Input Data :
%Mass flow (kg/jam) :
Fox0=9657.3/3;
Fmx0=96.60/3;
Fpa0=0;
Fma0=0;
Fta0=0;
Fpd0=0;
Fba0=0;
Fca0=0;
Fco0=1555.60/3;
Fco20=1.60/3;
Fo20=32734.0/3;
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-19
Fn20=121583.30/3;
Fh2o0=0;
Far0=1.60/3;
Ftot=Fox0+Fmx0+Fpa0+Fma0+Fta0+Fpd0+Fba0+Fca0+Fco0+Fco20+Fo20+Fn2
0+Fh2o0+Far0;%kg/jam
%Berat Molekul (kg/kmol) :
BMox=106.167;
BMmx=106.167;
BMpa=148.118;
BMma=98.058;
BMta=136.15;
BMpd=134.136;
BMba=122.123;
BMca=130.1;
BMco=28.011;
BMco2=44.011;
BMo2=32;
BMn2=28.014;
BMh2o=18.016;
BMar=39.948;
%Konversi satuan reaktan ke kmol/jam:
Fox01=Fox0/BMox;
Fmx01=Fmx0/BMmx;
Fpa01=Fpa0/BMpa;
Fma01=Fma0/BMma;
Fta01=Fta0/BMta;
Fpd01=Fpd0/BMpd;
Fba01=Fba0/BMba;
Fca01=Fca0/BMca;
Fco01=Fco0/BMco;
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-20
Fco201=Fco20/BMco2;
Fo201=Fo20/BMo2;
Fn201=Fn20/BMn2;
Fh2o01=Fh2o0/BMh2o;
Far01=Far0/BMar;
FT0=Fox01+Fmx01+Fpa01+Fma01+Fta01+Fpd01+Fba01+Fca01+Fco01+Fco20
1+Fo201+Fn201+Fh2o01+Far01;
%Daftar stoikhiometris untuk mengetahui F komponen sepanjang reaktor
Fox=Fox01*(1-x);
Fmx=Fmx01;
Fpa=Fpa01+0.773*Fox01*x;
Fma=Fma01+0.040*Fox01*x;
Fta=Fta01+0.002*Fox01*x;
Fpd=Fpd01+0.002*Fox01*x;
Fba=Fba01+0.008*Fox01*x;
Fca=Fca01+0.001*Fox01*x;
Fco=Fco01+0.696*Fox01*x;
Fco2=Fco201+0.867*Fox01*x;
Fo2=Fo201-8.572*Fox01*x;
Fn2=Fn201;
Fh2o=Fh2o01+11.2540*Fox01*x;
Far=Far01;
FT=Fox+Fmx+Fpa+Fma+Fta+Fpd+Fba+Fca+Fco+Fco2+Fo2+Fn2+Fh2o+Far;
%menghitung fraksi mol
yox=Fox/FT;
ymx=Fmx/FT;
ypa=Fpa/FT;
yma=Fma/FT;
yta=Fta/FT;
ypd=Fpd/FT;
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-21
yba=Fba/FT;
yca=Fca/FT;
yco=Fco/FT;
yco2=Fco2/FT;
yo2=Fo2/FT;
yn2=Fn2/FT;
yh2o=Fh2o/FT;
yar=Far/FT;
%Menghitung koefisien transfer panas overall
%Data dimensi multitube :
rhob=840; %(kg/m^3)
eps=0.40; % porositas, epsilon
Dp=0.36/100; %(m)
ID=2.6645/100; %(m)
OD=3.3401/100; %(m)
at1=5.5742/10000; %(m2)
Nt=7505;
%Triangular pitch :
PT=1.25*OD; %(m)
IDb=OD*(Nt/0.319)^(1/2.142); %(m), Coulson, 523
IDs=IDb+(28.571*IDb+44.256)/100;
Cl=PT-OD; %(m)
De=4*(0.5*PT^2*0.866-0.5*3.14/4*OD^2)/(0.5*3.14*OD); %(m)
B=0.3*IDs; %(m)
at=at1*Nt; %(m2)
Gt=Ftot/at/3600; %(kg/m2s)
as=IDs*Cl*B/PT; %(m2)
Ws=150000; %(kg/jam)
Gs=Ws/as; %(kg/m2jam)
R=8.314; %(kJ/kmol K)
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-22
Raks=0.082; %(atm.m3/kmol.K)
%data viskositas, cp, dan konduktivitas gas dalam tube
%viskositas reaktan
miuox=-19.763+2.8022E-01*T-5.9293E-05*T^2;
miumx=-21.620+2.7820E-01*T-6.0531E-05*T^2;
miupa=-10.366+2.2977E-01*T-1.0424E-05*T^2;
miuma=-11.219+T*2.918E-01+T^2*-1.0579e-05;
miuta=-4.764+2.2386E-01*T-2.3427E-05*T^2;
miupd=-7.468+2.4258E-01*T-2.7312E-05*T^2;
miuba=-3.930+2.3677E-01*T-2.4211E-05*T^2;
miuca=-3.432+2.3255E-01*T-1.9261E-05*T^2;
miuco=23.811+5.3944E-01*T-1.5411E-04*T^2;
miuco2=11.811+4.9838E-01*T-1.0851E-04*T^2;
miuo2=44.224+T*5.62e-01+T^2*-1.13e-04;
miun2=42.606+T*4.75e-01+T^2*-9.88e-05;
miuh2o=-36.826+T*4.29e-01+T^2*-1.62e-05;
miuar=212.75+0.6142*T-0.0002*T^2;
sigmamiuiyiBMi=miuox*yox*BMox^0.5+miumx*ymx*BMmx^0.5+miupa*ypa*
BMpa^0.5+miuma*yma*BMma^0.5+miuta*yta*BMta^0.5+miupd*ypd*BMpd^0
.5+miuba*yba*BMba^0.5+miuca*yca*BMca^0.5+miuco*yco*BMco^0.5+yco2*
miuco2*BMco2^0.5+yo2*miuo2*BMo2^0.5+yn2*miun2*BMn2^0.5+yh2o*miu
h2o*BMh2o^0.5+yar*miuar*BMar^0.5;
sigmayiBMi1=yox*BMox^0.5+ymx*BMmx^0.5+ypa*BMpa^0.5+yma*BMma^0
.5+yta*BMta^0.5+ypd*BMpd^0.5+yba*BMba^0.5+yca*BMca^0.5+yco*BMco^
0.5+yco2*BMco2^0.5+yo2*BMo2^0.5+yn2*BMn2^0.5+yh2o*BMh2o^0.5+yar*
BMar^0.5;
miugas=sigmamiuiyiBMi/sigmayiBMi1/10000000; %kg/m/s
%cp reaktan (kJ/kg K)
cpox=1.8200E-01+5.1344E-01*T-2.0212E-04*T^2-2.1615E-08*T^3+2.3212E-
11*T^4;
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-23
cpmx=-1.6725E+01+5.6424E-01*T-2.6465E-04*T^2+1.3381E-
08*T^3+1.5869E-11*T^4;
cppa=40.083+0.56424*T+9.5956E-04*T^2-1.2341E-06*T^3+4.6597E-10*T^4;
cpma=-7.2015E+01+T*1.0423E+00-T^2*1.8716E-03+T^3*1.6527E-06-
T^4*5.5647E-10;
cpta=5.8310E+00+T*3.2470E-01+T^2*4.8726E-04-T^3*8.7808E-
07+T^4*3.7290E-10;
cppd=1.9986E+01+T*7.7860E-01+T^2*2.9980E-04+T^3*1.7486E-
08+T^4*5.6823E-11;
cpba=1.6158E+01+T*2.8234E-01+T^2*1.7811E-04-T^3*3.2176E-
07+T^4*1.0752E-10;
cpca=-4.4280E+01+T*9.7863E-01-T^2*1.3251E-03+T^3*9.3278E-07-
T^4*2.5668E-10;
cpco=2.9556E+01-T*6.5807E-03+T^2*2.0130E-05-T^3*1.2227E-
08+T^4*2.2617E-12;
cpco2=2.7437E+01+T*4.2315E-02-T^2*1.9555E-05+T^3*3.9968E-09-
T^4*2.9872E-13;
cpo2=2.9526E+01-T*8.8889E-03+T^2*3.8083E-05-T^3*3.2629E-
08+T^4*8.8607E-12;
cpn2=2.9342E+01-T*3.5395E-03+T^2*1.0076E-05-T^3*4.3116E-
09+T^4*2.5935E-13;
cph2o=3.3933E+01-T*8.8146E-03+T^2*2.9906E-05-T^3*1.7825E-
08+T^4*3.6934E-12;
cpar=20.7860;
cp=(yox*cpox+ymx*cpmx+ypa*cppa+yma*cpma+yta*cpta+ypd*cppd+yba*cpba
+yca*cpca+yco*cpco+yco2*cpco2+yo2*cpo2+yn2*cpn2+yh2o*cph2o+yar*cpar)
*FT0/Ftot;
%konduktivitas panas gas dalam tube
kox=-9.7900E-03+7.4087E-05*T+1.8418E-08*T^2;
kmx=-3.7500E-03+2.9995E-05*T+7.4603E-08*T^2;
kpa=-7.6137E-03+3.8854E-05*T+1.6459E-08*T^2;
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-24
kma=-0.01006+T*6.7349e-05+T^2*9.6585e-09;
kta=-9.9731E-03+5.1413E-05*T+2.0662E-08*T^2;
kpd=-8.6137E-03+4.8854E-05*T+2.6459E-08*T^2;
kba=-8.3109E-03+4.4099E-05*T+2.4518E-08*T^2;
kca=-1.0910E-02+6.2992E-05*T+9.2993E-09*T^2;
kco=1.5800E-03+8.2511E-05*T-1.9081E-08*T^2;
kco2=-0.01183+T*1.0174e-04+T^2*-2.2242e-08;
ko2=0.00121+T*8.6157e-05+T^2*-1.3346e-08;
kn2=0.00309+T*7.5930e-05+T^2*-1.1014e-08;
kh2o=0.00053+T*4.7093e-05+T^2*4.9551e-08;
kar=0.016;
sigmayiBMiki=yox*kox*BMox^0.3333+ymx*kmx*BMmx^0.3333+ypa*kpa*B
Mpa^0.3333+yma*kma*BMma^0.3333+yta*kta*BMta^0.3333+ypd*kpd*BMpd
^0.3333+yba*kba*BMba^0.3333+yca*kca*BMca^0.3333+yco*kco*BMco^0.333
3+yco2*kco2*BMco2^0.3333+yo2*ko2*BMo2^0.3333+yn2*kn2*BMn2^0.3333
+yh2o*kh2o*BMh2o^0.3333+yar*kar*BMar^0.3333;
sigmayiBMi2=yox*BMox+ymx*BMmx+ypa*BMpa+yma*BMma+yta*BMta+yp
d*BMpd+yba*BMba+yca*BMca+yco*BMco+yco2*BMco2+yo2*BMo2+yn2*B
Mn2+yh2o*BMh2o+yar*BMar;
kgas=sigmayiBMiki/sigmayiBMi2/1000; %(kJ/msK)
%data viskositas, cp, dan konduktivitas gas dalam shell
cpsalt=1.5613833; %kJ/kg/K
miusalt=0.0025*3600; %kg/m/jam
ksalt=2.1600; %kJ/m/jam/K
rhosalt=340.2322; %kg/m3
%Reynold di dalam shell dan tube
Ret=Dp*Gt/miugas
Res=De*Gs/miusalt;
%bilangan prandtl
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-25
Prt=cp*miugas/kgas;
Prs=cpsalt*miusalt/ksalt;
%mencari nilai hio
hi=(0.027*kgas/ID*(Ret)^0.8*(Prt)^0.33)*3600; %(kJ/m2jamK);
hio=hi*ID/OD; %(kJ/m2jamK)
%mecari nilai ho
ho=0.36*ksalt/De*(Res)^0.55*(Prs)^0.33; %(kJ/m2jamK);
%Uc dan Ud
Uc=(hio*ho/(hio+ho)); %(kJ/m2jamK)
Rd=0.0000733738; %(jam.m2.K/kJ)
Ud=1/(Rd+1/Uc); %(kJ/m2jamK)
FiCpi=Fox*cpox+Fmx*cpmx+Fpa*cppa+Fma*cpma+Fta*cpta+Fpd*cppd+Fba*c
pba+Fca*cpca+Fco*cpco+Fco2*cpco2+Fo2*cpo2+Fn2*cpn2+Fh2o*cph2o+Far*
cpar;
%mencari panas reaksi
%deltaHR=sigma n.Hfproduk - sigma n.Hfreaktan (f(T)), kJ/mol
hfox=44.498-0.10056*T+0.000051556*T^2;
hfpa=-373.47-0.076883*T+0.000036697*T^2;
hfh2o=-238.41-0.012256*T+0.0000027656*T^2;
%deltaHr=deltaHr0+Fcpdtkeluar-Fcpdtmasuk, kJ/kmol
deltaHr=(hfpa+3*hfh2o-hfox)*1000;
%konstanta kecepatan reaksi dan (-rox)=k.pox.po2
k=4.12192075*10^8*exp(-27000/1.987/T); %kmol/jam/kg katalis/atm2
Pox=yox*P;
Po2=yo2*P;
rox=k*Pox*Po2; %kmol/jam/kg katalis
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-26
%neraca massa, x=f(z)
dxdz=rox*rhob*Nt*phi/4*ID^2*(1-eps)/Fox01;
dTdz=(-deltaHr*rox*rhob*phi/4*ID^2+(Ud*phi*OD*Nt*(T-Tc)))/FiCpi;
rhosi=P/Raks/Z/T*BM;
dTcdz=-Ud*phi*OD*Nt*(T-Tc)/(Ws*cpsalt); %suhu pendingin
dPdz=-9.8692*(10^-6)*Gt/(rhosi*Dp)*((1-eps)/eps^3)*((150*(1-
eps)*miugas/Dp)+1.75*Gt);
dY=[dxdz dTdz dTcdz dPdz]';
end
==========================================================
========
Grafik hasil run MATLAB :
Gambar 1. Grafik Konversi Total o-xylene Terhadap Tinggi Bed
0 2 4 6 8 10 120
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
convers
ion
z,m
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-27
Gambar 2. Grafik Temperatur dalam Tube Terhadap Tinggi Bed
Gambar 3. Grafik Temperatur Pendingin dalam Shell terhadap Tinggi
Bed
0 2 4 6 8 10 12622
624
626
628
630
632
634
636
z,m
suhu,K
0 2 4 6 8 10 12598
599
600
601
602
603
604
z,m
suhu p
endin
gin
, K
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-28
Gambar 4. Grafik Tekanan Gas Terhadap Tinggi bed
Dari hasil tersebut, diperoleh tinggi bed sebesar 11 meter dengan tube
sejumlah 7505 buah.
Mechanical Design Reaktor
1. Pipa
Jenis pipa : ASA Standard B36.10 commercial steel pipe
Susunan pipa : Triangular Pitch
Ukuran pipa yang dipakai dalam reaktor adalah:
Diameter luar (OD) = 1,315 in
Diameter dalam (ID) = 1,049 in
Luas penampang pipa = 0,006 ft2
Tebal pipa = 0,266 in
Pitch (PT) = 1,25 x OD
= 1,644 in = 0,0418 m
Clearance (C = PT OD) = 0,329 in
Jumlah pipa = 8615 buah
2. Tebal Shell (ts)
0 2 4 6 8 10 121.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
z,m
tekanan,a
tm
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-29
Direncanakan shell dibuat dari alloy steel SA 204 grade A dengan spesifikasi
sebagai berikut :
Tekanan yang diijinkan (f) = 16250
Efisiensi pengelasan (E) = 0,8 (double wetted joint)
Faktor korosi (c) = 0,125
IDs = 5,1608 m
Ri = IDs/2 = 2,55804 m = 101,5906 in
Tekanan operasi = 6 atm = 88,20 psi
Faktor keamanan = 20 %
Tekanan rancangan = 120 % P
= 120 % (88,20 psi)
= 105,84 psi
Tekanan hidrostatis = salt .g .h
= 340 kg/m3.(9.8 m/s2). 11 m
= 36689,40 N/m2
= 5,32 psi
Tekanan total = (105,84+5,32) psi
= 111,16 psi
Untuk menghitung tebal shell digunakan persamaan 13-1 Brownell & Young :
ts = 125,06,0.
.
PEf
RiP
= inpsipsi
inpsi125,0
)16,111(6,0)8,0)(16250(
)59,101)(16,111(
= 0,998 in
untuk perancangan digunakan tebal shell standar 1 inch.
Diameter luar = IDS + 2.ts
= 205,1811 in
= 5,2116 m
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-30
3. Tebal Head (th)
Dipilih head bentuk torispherical dished head yang mampu menahan tekanan
15-200 psig
Gambar 5. PenampangTorispherical Dished Head
Ukuran head yang digunakan dalam perancangan reaktor adalah:
a = 1/2 IDS
= 101,59 in
Dari Daftar 5.7 Brownell and Young diperoleh nilai berikut:
OD = 204 in
icr = 12,25 in
r = 170 in
AB = a - (icr)
= 89,3406 in
BC = r - (icr)
= 157,75 in
b = r -22 ABBC
= 39,9872 in
Tebal head (th) dihitung dengan persamaan :
=0,885. .
. 0,1. +
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-31
Bahan head diambil sama dengan bahan shell
=0,885x27,6931 psi (122,92 )
14.900 0,8 0,1 27,6391 psi +
1
8 = 0,3778 in
Dipilih tebal standar = 7/16 in = 0,4375 in.
4. Tinggi Head
Dari Daftar 5.8 Brownell dan Young diperoleh bahwa untuk tebal head 0,4375
in, standar straight flange yang digunakan sebesar 1,5-3,5 in. Jika digunakan
straight flange sebesar 2,5 in, maka:
tinggi head = b + sf + th
= (39,9872 + 2,5 + 1,5) in
= 43,9872 in
= 1,1173 m
5. Tebal grid support
Grid support berfungsi untuk menyangga tumpukan katalis dan memegang
pipa. Grid support biasanya berbentuk piringan bergelombang atau piringan
berlubang dengan tebal antara 4-6 in. Grid support terbuat dari bahan tahan
korosi seperti carbon steel, alloy stell, cast iron, dan keramik (Rase, 1977).
Dikarenakan reaktor harus beroperasi pada suhu 623.15-628.15 K, maka grid
support dipilih terbuat dari austenitic steel (18Cr-8Ni) SA-167 Tipe 304 Grade
3 yang dapat bekerja pada suhu operasi 1300oF dengan tekanan maksimum
yang diizinkan (f) sebesar 2.450 psi. Grid support dipilih berbentuk piringan
berlubang (perforated).
Tebal grid support yang dipilih ialah sebesar 4 in.
6. Massa katalis
Persamaan kinetika untuk reaktor fixed bed adalah :
W = BNt/4(IDt)2(1-)dZ
= (0,84 gram/cm3)(7505) /4 (2,6645cm)2(1-0,4)(1100 cm)
= 23200,3880 kg katalis
7. Tinggi Shell
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-32
Tinggi shell dihitung dengan menjumlahkan:
- Tinggi reaktor = 11 meter.
- Grid support = 4 in
= 0,1016 meter.
Tinggi shell = 11,1016 m.
8. Tinggi reaktor total
Tinggi reaktor total dihitung dengan persamaan:
Tinggi reaktor total = tinggi shell + 2 (tinggi head)
= 13,3161 m
9. Volume reaktor
Volume reaktor = Volume Shell + 2 (Volum Head)
= /4.L.IDS2 + 2 (0,000049. IDS3)
= /4.11 m.(5,1608 m)2 + 2.0,000049.(5,1608 m)3
= 230,1135 m3
10. Pipa Pemasukan Gas
Jumlah gas masuk = 82.814,9495 kg/jam = 23,0042 kg/s
Berat molekul campuran gas umpan = 30,0592 kg/kgmol
=1,55 . 101,325 (30,0592 /)
8,314. (623.15 )= 0,9112
3
Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran gas dipakai persamaan
Coulson berikut:
Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35
= 226 (23,0042 kg/s)0.50 (0,9112
3)-0.35
= 1.119,8077 mm
= 41,0869 in
Diambil ukuran pipa dengan spesifikasi sebagai berikut :
NPS = 42 in
OD = 42 in
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-33
Tipe = Standard
ID = 41,25 in (Kern Table 11,1950)
11. Pipa Pengeluaran Gas Hasil Reaksi
Jumlah gas keluar = 82.814,9495 kg/jam = 23,0042 kg/s
BM campuran gas keluar reaktor = 29,0671 kg/kgmol
=1,31.101,325(29,0671)
8,314. (623,9373 )= 0,7438
3
Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran gas dipakai persamaan
Coulson berikut:
Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35
= 226 (23,0042 kg/s)0.50 (0,7438 kg/m3)-0.35
= 1.202,2876 mm
= 61,3342 in
Diambil ukuran pipa dengan spesifikasi sebagai berikut :
NPS = 42 in
OD = 42 in
Tipe = Standard
ID = 41,25 in (Kern Table 11,1950)
12. Pipa pemasukan pendingin
Molten salt masuk shell reaktor pada suhu 325.83 oC = 598,9819 K, adapun
densitas molten salt adalah:
s = 340,2329 kg/m3 = 0,3402 g/L
Jumlah molten salt masuk = 150.000 kg/jam
Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran pendingin dipakai persamaan
Coulson berikut :
Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35
= 226 (150000 kg/jam jam/3600s)0.50 (340,2329 kg/m3)-0.35
= 114,8198 mm = 4,5205 in
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-34
Diambil ukuran pipa dengan spesifikasi sebagai berikut :
NPS = 6 in
OD = 6,625 in
Tipe = 40
ID = 6,065 in (Kern Table 11,1950)
13. Pipa pengeluaran pendingin
Molten salt keluar shell reaktor pada suhu 330 oC = 603,15 K, adapun densitas
molten salt adalah:
s = 340,2329 kg/m3 = 0,3402 g/L
Jumlah molten salt keluar = 150.000 kg/jam
Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran pendingin dipakai persamaan
Coulson berikut :
Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35
= 226 (150000 kg/jam jam/3600s)0.50 (340,2329 kg/m3)-0.35
= 114,8198 mm = 4,5205 in
Diambil ukuran pipa dengan spesifikasi sebagai berikut :
NPS = 6 in
OD = 6,625 in
Tipe = 40
ID = 6,065 in (Kern Table 11,1950)
14. Man hole
Man hole digunakan untuk membersihkan bagian-bagian reaktor yang tidak
terjangkau oleh alat pembersih. Diameter man hole berkisar 14 - 24 in
(Backhurst). Dipilih diameter man hole 24 in dan letaknya di sebelah lubang
pemasukan umpan dan pengeluaran hasil.
15. Tebal Isolasi
Tebal isolasi dihitung dengan menggunakan asumsi :
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-35
Perpindahan panas pada keadaan steady state sehingga q1 = q2 = q3 = q4
Suhu pada permukaan shell sebelah dalam (T1) adalah sama dengan rata-
rata suhu pendingin dalam shell.
Untuk menghitung T1 digunakan persamaan:
1 = +
2
1 =(603,15 273,15) + (598,9819 273,15)
2
1 = 327,9160
Keterangan :
R1 = jari- jari dalam shell
R2 = jari- jari luar shell
R3 = jari- jari luar setelah diisolasi
Xs = tebal dinding
Xis = tebal isolasi
Ta = suhu udara luar 30oC
T1 = suhu dinding dalam shell
T2 = suhu dinding luar shell
T3 = suhu dinding isolator 50oC
Gambar 6. Penampang Reaktor dengan Isolasi
Bahan isolasi yang dipakai adalah diatomaceous earth dengan sifat-sifat
diambil dari buku Kern, 1950:
Suhu operasi maksimum : 1600oF (871.11oC)
Densitas bahan (is) : 27,7 lb/ft3 (443,6958 kg/m3)
Konduktivitas panas (Kis) : 0,051 Btu/jam.ft.oF = 0,0883 W/mK
Emisivitas (is) : 0,93
Bahan dinding reaktor adalah Stainless Steel SA-240 Grade C dengan sifat-
sifat berikut (Holman, 1986):
Densitas bahan : 7817 kg/m3
Kapasitas panas : 0,46 kJ/kgoC
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-36
Konduktivitas panas (ks) : 16,3 W/m0C (200 0C)
22 W/m0C (600 0C)
27 W/m0C (800 0C)
Konduktitivitas panas untuk suhu T1 (T1 = 327,9160 0C) dicari dengan cara
interpolasi sebagai berikut:
200
600 200=
16,3
22 16,3
= 16,3 +327,9160 200
600 200 (22 16,3)
= 18,1228
.
a. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (hc) Udara
Sifat fisis udara ditentukan berdasarkan pada rerata suhu udara dengan suhu
isolator. Rerata suhu tersebut (TF) dapat dihitung dengan persamaan:
=3 +
2
=30 + 50
2
TF = 40
Sifat fisis udara pada suhu 40 adalah sebagai berikut (Holman, 1986):
Kecepatan aliran gas (v) = 1,7008. 10-5 m2/s
Koefisien pemuain volume () = 3,1949. 10-3 K-1
Konduktivitas termal gas (k) = 0,0272 W/(m.K)
Densitas gas () = 1,1308 kg/m3
Bilangan Prandtl (Pr) = 0,7051
Untuk mengetahui sifat aliran udara maka perlu dihitung nilai bilangan
Rayleigh dengan persamaan:
Ra = Gr x Pr
=. . (3 ).
3
2
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-37
dengan : g = percepatan gravitasi (9,8 m2/s)
L= panjang pipa over design reaktor (m)
=9,8
2
3,19491031
(323,15 303,15)(11 )3
(1,7 105 2/)20,7051
= 2,8840 1012
Ra lebih besar dari 109, maka aliran udara adalah turbulen. Untuk
menghitung koefisien transfer panas konveksi aliran turbulen digunakan
persamaan (Holman, 1986):
= 0,1
(Gr. Pr)1/3
= 0,10,0272
11 (2,8841012)1/3
= 3,5197
2
b. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Radiasi (hr)
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas radiasi (hr) digunakan
persamaan:
. (3 ) = . . (T3 4 Ta
4) (Holman, 1986)
dengan:
= Konstanta Boltzman = 5,669.10-8W/m2K4
= emisivitas dinding isolator = 0,93
=0,93 5,669108 ((323,15 )4 (303,15 )4)
(323,15 303,15 )
= 6,4733
2
c. Menghitung Panas Tiap Lapisan
Perpindahan panas di tiap lapisan dianggap steady state, sehingga q1=
q2 = q3 = q4.
Nilai q4 dihitung dengan persamaan:
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-38
q4 = (hc + hr). 2..R3.L.(T3-Ta)
q4 = (3,5197+6,4733) 2 . R3. L (323,15 K-303,15 K)
q4 = 399,7206 . R3. L
Nilai q3 dihitung dengan persamaan:
3 =2. . (2 3)
ln (32
)
3 =2(0,0883) . . (2 323,15)
ln (3
2,6058 )
Nilai q2 dihitung dengan persamaan:
2 =2. . (1 2)
ln (21
)
=2. . (1 2)
ln (2,6058 2,5804 )
18,1228
2 = 3700,3042. . . (601,0660 2)
d. Menghitung Suhu Dinding Luar Shell (T2)
Untuk menghitung nilai T2, terlebih dahulu nilai R3 di-trial sehingga
nilai q4 dapat diketahui. Dari persamaan di atas diketahui bahwa nilai
q4 = q2.
q4 =q2
399,7206 . R3. L= 3700,3042. . . (601,0660 2)
2 = 601,0660 0,10803
e. Menghitung Nilai Jari-jari Reaktor Setelah Diisolasi (R3)
Nilai R3 dapat dihitung dengan persamaan:
q3 = q4
3 =2(0,0883) . . (2 323,15)
ln (3
2,6058 )= 399,7206 . R3. L
2 = 323,15 + 2407,9552 3. ln (3
2,6058 )
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-39
Dari hasil trial diperoleh:
R3 = 2,7187 m
Tebal isolasi = R3 - R2
= (2,7187 2,6058) m
= 0,1129 m
Nilai R3 yang didapat dari trial digunakan untuk mencari nilai T2,
yaitu:
2 = 601,0660 0,1080 3
2 = 600,7723 = 327,6223
f. Mengitung Jumlah Panas yang Hilang ke Lingkungan
Untuk mencari besarnya nilai panas yang hilang ke lingkungan
digunakan persamaan:
Qloss = (hc + hr).2..R3.L.(T3 Ta)
= (3,5197 + 6,4733)
2. 2. . 2,7187 m. 11 m(323,15 303.15 K)
= 37554,1273
RESUME
Kode : R-01
Fungsi : mereaksikan o-xylene dan udara menjadi phthalic
anhydride dengan kapasitas 165629,90 kg/jam
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
R-40
Tipe : fixed bed multitube
Bahan konstruksi
- Tube : baja komersial ASA Standar B.36.10
- Shell : stainless steel SA-204 Grade A
Jumlah reaktor : 3 buah
Jumlah tube : 7505 buah
Kondisi operasi : non isotermal - non adiabatik
Temperatur : 350 oC
Tekanan umpan : 6 atm
Fase reaksi : reaktan gas dengan katalis padat
Katalis : V2O5
Pendingin : molten salt
Tinggi reaktor : 11 m
Volume reaktor : 230,11m3
Tebal shell : 1 in
Tinggi head : 43,98 in
Massa katalis : 23200,38 kg katalis
Bahan Isolasi : diatomeous earth
Tebal isolasi : 0,11 m
Harga : $ 3.479.716
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-1
SWITCH CONDENSER-01 (SC-01)
(Detail Design)
Gambar 1. Skema Aliran Fluida Masuk dan Keluar Switch Condenser
(SC-01)
Tugas : Mengembunkan gas keluar reaktor sebanyak 165629,90 kg/jam
Jenis alat : Heat Exchanger 1-1 (multi tube dengan aliran counter current
antara pemanas dan pendingin)
Prinsip kerja dari Switch Condenser adalah seperti Heat Exchanger dimana
gas keluar reaktor akan dipisahkan dari non-condensable gas melalui
pengembunan. Namun dalam perjalanan pengembunannya terdapat beberapa
komponen yang memadat sehingga mengendap didalam bagian luar tube SC-01.
Oleh karena itu kata switch menggambarkan setelah terjadi proses pendinginan
terjdi proses pemanasan untuk melelehkan kembali padatan yang mengendap
didalam SC. Oleh karena itu SC akan bekerja secara semi-kontinyu yang terdiri dari
2 tahap yaitu tahap receiving (tahap pengembunan) dan tahap melting (tahap
melelehkan kembali padatan yang terendapkan didalam SC)
A.1. Menghitung Panjang Switch Condenser
Untuk mempermudah perhitungan panjang Switch Condenser maka SC-01
dibagi menjadi 2 zona dimana zona 1 adalah zona sensibel untuk menurunkan suhu
gas dari 350oC (suhu keluaran reaktor) menjadi T dew dari campuran. Sedangkan
zona 2 berfungsi sebagai sona pengembunan yang dimana pada saat pengembunan
tersebut terjadi pemadatan beberapa komponen yang tidak bisa dihindarkan.
Panjang Switch Condenser total adalah panjang zona 1 ditambah dengan panjang
zona 2.
A.1.1. Menghitung panjang zona 1
Dalam zona 1 adalah zona dimana semua komponen dalam shell masih
berfase uap. Rentang suhu pada zona 1 ini adalah 350oC (suhu gas keluar reaktor)
sampai dengan 211oC (T dew campuran komponen).
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-2
Sebelum menghitung jumlah tube beberapa variabel yang harus ditentukan
di awal perancangan antara lain.
- Inside diameter tube : 0,532 in
- Outside diameter tube : 0,018375 m = 0,75 in
- PT : 1 in
- BWG : 12
- Jumlah tube : 3876
- Jumlah tube pass : 1
- Jumlah shell pass : 1
- Metrial penyusun shell dan tube adalah Carbon steel SA-283 Grade
C
Diameter dalam shell dicari dengan persamaan dari Ludwig Vol. III halaman
25 sebagai berikut :
Nt = 2
2
/ 4 ( 1,080) 0,9 ( 1,080)(0,69 0,8)
1,223
T
T
IDs P IDs n
P
(1)
Dimana :
Nt = jumlah tube
IDs = diameter dalam shell, in
PT = pitch tube, in
n = jumlah pass
Maka dari Persamaan 1 dapat dicari ID shell sebesar 2 m
Perhitungan panjang zona 1
Persamaan-persamaan yang berlaku :
= . . ( )
(2)
= . . ( )
(3)
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-3
= . . (( ) ( )
( )( )
)
= . . .
(4)
Dengan :
Fs = flowrate fluida pendingin (mol/sekon)
Cps = kapasitas panas fluida pendingin (J/(mol.K))
T = suhu didalam shell (K)
Ud = koefisien transfer panas total (W/(m2.K))
ODtube = diameter tube (m)
Ts = suhu didalam tube (K)
F = flowrate gas umpan (mol/sekon)
Cp = kapasitas panas gas (J/(mol.K))
z = panjang zona 1 (m)
ntube = jumlah tube
Perhitungan dan penentuan variabel-variabel terkait
Pendingin yang digunakan dalam Switch Condenser adalah oil dengan :
Cps = 1988 J/(kg.K)
Ud = 94,34 J/(s.m2.K)
F = 93,12 kmol/menit = 1552,06 mol/sekon
Fs = 44,44 kg/sekon
Tin = 350oC
Tout = 211oC
Tsin = 140oC
ODtube = 0,0183 m
n tube = 3876
Untuk mempermudah perhitungan maka komponen yang mengalir dalam
Switch Condenser dikelompokkan menjadi 3 kelompok yaitu :
Komponen A
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-4
Daftar 1. Daftar Sifat Fisis Komponen A
Komponen mi (kg) BM ni (kmol) Fraksi mol BM gabungan
O-xylene 4,83 106,17 0,05 0,00013
18,26 M-xylene 96,10 106,17 0,91 0,00265
Water 6133,44 18,02 340,44 0,99722
Total 6234,37 341,39
Daftar 2. Daftar Sifat Fisis (Kapasitas Panas) Komponen A
Komponen Fraksi
mol i
T rata rata
(K)
Cp
(J/molK) Cp gabungan
O-xylene 0,00013
553,65
221,01
36,05
M-xylene 0,00265 218,31
Water 0,99722 35,54
Komponen B
Daftar 3. Daftar Sifat Fisis Komponen B
Komponen mi (kg) BM ni (kmol) Fraksi mol i BM gabungan
Phthalic anhydride 10410,14 148,12 70,28 0,9358
145,36
Maleic anhydride 356,63 98,06 3,64 0,0484
Toluic acid 24,76 136,15 0,18 0,0024
Phthalide 24,39 134,14 0,18 0,0024
Benzoic acid 88,83 122,12 0,73 0,0097
Citraconic acid 11,83 130,10 0,09 0,0012
10916,57 75,10
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-5
Daftar 4. Daftar Sifat Fisis Komponen B
Komponen Fraksi mol i Cp (J/molK) Cp gabungan
Phthalic
anhydride 0,9358 188,54
188,08
Maleic
anhydride 0,0484 159,55
Toluic acid 0,0024 220,98
Phthalide 0,0024 551,26
Benzoic acid 0,0097 182,57
Citraconic acid 0,0012 225,54
Komponen C
Daftar 5. Daftar Sifat Fisis Komponen C
Komponen mi (kg) BM ni (kmol) Fraksi mol i BM gabungan
Carbon monoxide 3328,23 28,01 118,82 0,0230
28,71
Carbon dioxide 2862,68 44,01 65,04 0,0126
Oxygen 20703,17 32,00 646,97 0,1251
Nitrogen 121583,32 28,01 4340,09 0,8393
Argon 1,56 39,95 0,04 7,546.10-06
148478,96 5170,97
Daftar 6. Daftar Sifat Fisis (Kapasitas Panas) Komponen C
Komponen Fraksi mol i Cp (J/molK) Cp gabungan
Carbon
monoxide 0,0230 30,22
30,33 Carbon dioxide 0,0126 45,52
Oxygen 0,1251 31,57
Nitrogen 0,8393 29,76
Argon 7,546.10-06 20,79
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-6
Physical Properties gabungan untuk ketiga komponen tersebut dapat
dilihat pada Daftar 7 berikut ini :
Daftar 7. Daftar Sifat Fisis Gabungan Komponen A, B, dan C
Kompone
n
Fraksi
mol
T rata
rata (K)
Cp gabungan
(J/mol.K)
BM gabungan
(kg/kmol)
A 0,0611
553,65 32,78 29,64 B 0,0134
C 0,9255
Dari Persamaan 2 maka didapatkan nilai :
= 1552,06mol
sekon. 32,82
Joule
mol. K. (350 211)
= 7080912,626Joule
sekon
Dari Persamaan 2 maka didapatkan nilai :
= 7080912,626
32,82
. 1988
.
+ (140 + 273,15)
= 220,5 C = 493,64 K
Dari Persamaan 3 maka didapatkan nilai :
= 7080912,62
94,34 2. . 2.3,14.0,018375 . 3876.
(350 220,5) (211 140)
350 220,5211 140
= 3,44
A.1.2 Menghitung panjang zona 2
Zona 2 adalah zona pengembunan dimana dalam zona ini terjadi perubahan
fase komponen uap A dan B menjadi cair. Rentang suhu pada zona 2 berkisar dari
suhu 211oC (suhu jenuh komponen A dan B) sampai dengan 105oC (T bubble
komponen A dan B). Namun dalam perjalanannya terjadi perubahan fasa sebagian
komponen A menjadi padatan pada suhu 130oC. Sehingga padatan akan
terakumulasi dalam bagian bawah zona 2.
Perhitungan panjang zona 1
Persamaan-persamaan yang berlaku :
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-7
= (. ) + (. ) + (0,8. . ) + . . ( )
(5)
= . . ( )
(6)
= . . (( ) ( )
( )( )
)
= . . .
(7)
Dengan :
ma = massa A yang mengembun total (mol/sekon)
mb = massa B yang mengembun total (mol/sekon)
Hva = panas pengembunan A (J/mol)
Hvb = panas pengembunan B (J/mol)
Fc = flowrate komponen C (mol/sekon)
Cpc = kapasitas panas C (J/(mol.K)
Perhitungan dan penentuan variabel-variabel terkait
Pendingin yang digunakan dalam Switch Condenser adalah oil dengan :
Cps = 1988 J/(kg.K)
Ud = 94,34 J/(s.m2.K)
F = 93,12 kmol/menit = 1552,06 mol/sekon
Fs = 44,44 kg/sekon
Tin = 211oC
Tout = 105oC
Tsout = 140oC
ODtube = 0,0183 m
n tube = 3876
ma = 20,86 mol/sekon
ma + mb = 115,69 mol/sekon
Fc = 1436,374 mol/sekon
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-8
Dengan perhitungan yang sama dengan perhitungan pada zona 1 maka
didapatkan properties dari komponen yang mengalir dalam shell side sebagai
berikut :
Daftar 8. Sifat Fisis Fluida pada Shell Side
Komponen T rata-rata zona 2 (K) Cpv (J/mol.K) Cpl (J/mol.K)
A
431,15
34,79397633 78,82458417
B 151,5327478 252,5324306
C 29,65969773
Perhitungan nilai panas pengembunan komponen A dan B
Daftar 9. Perhitungan Panas Pengembunan Komponen A dan B
Komponen A Tc
(K) n Hvi Fraksi
Hv parsial
(kJ/mol)
O-xylene 55,61
630,3
7
0,3
8
32,1
5
0,000
3 0,01
M-xylene 60,22
617,0
5
0,4
6
29,8
1
0,005
6 0,17
Phthalic
anhydride 55,50
791,0
0
0,0
4
53,5
3
0,607
0 32,49
Maleic anhydride 59,57
721,0
0
0,2
2
46,8
4
0,020
8 0,97
Toluic acid 91,44
751,0
0
0,3
9
61,2
1
0,001
4 0,09
Phthalide 45,55
710,0
0
0,0
4
43,6
1
0,001
4 0,06
Benzoic acid 79,55
751,0
0
0,3
8
53,6
9
0,005
2 0,28
Citraconic acid
121,1
9
829,0
0
0,3
8
86,5
4
0,000
7 0,06
Water 52,05
647,1
3
0,3
2
33,4
4
0,357
6 11,96
Hv 46,09
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-9
Daftar 10. Perhitungan Panas Pemadatan Komponen A
Komponen Fraksi mol Hb (J/mol) Hb parsial
Phthalic anhydride 0,9536 2786,00 2656,75
Maleic anhydride 0,0327 2911,00 95,10
Toluic acid 0,0023 2425,00 5,50
Phthalide 0,0022 8664,00 19,36
Benzoic acid 0,0081 4125,00 33,57
Citraconic acid 0,0011 4732,00 5,13
Hb 2815,40
Dari Persamaan 5 didapatkan nilai :
= 11,61
. 46088,75
+ 0,8.20,86
. 2815,40
+ 144,21
. 29,65
. . (211 105)
= 9894987,20
Dari Persamaan 6 didapatkan nilai :
= (140 + 273,15) 9894987,20
44,4
. 1988
.
= 301,15 = 28 C
Dari Persamaan 7 maka didapatkan nilai :
= 9894987,2
94,34 2. . 2.3,14.0,018375 . 3876.
(211 140) (105 28)
211 140105 28
= 6,34
Jadi panjang total Switch Condenser adalah = 3,44+6,34 = 9,52 meter
A.2. Menghitung Waktu Tahap Receiving dan Melting
A.2.1. Menghitung waktu tahap receiving
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-10
Total waktu receiving dapat dicari dengan :
Diinginkan total massa gas yang masuk ke dalam Switch Condenser setiap
siklusnya adalah sebesar 931,24 kmol/batch
Jumlah Switch Condenser = 2 unit
Flowrate umpan = 93,12 kmol/menit
Total waktu receiving = 931,24
93,124
= 10
A.2.2. Menghitung waktu tahap melting
Dalam tahap melting ini terjadi perubahan fase komponen B yang sudah
memadat berubah menjadi cairan. Tahap melting ini hanya terjadi di dalam zona 2
karena distribusi padatan B hanya terkonsentrasi pada zona tersebut. Suhu awalan
padatan adalah 105oC dan suhu akhir cairan B adalah 130oC.
Persamaan yang berlaku dalam tahap melting ini adalah :
= (. )
(10)
= . . ( )
(11)
Dengan :
mb = massa B yang mencair total (mol)
Hsb = panas pelelehan B (J/mol)
Tin = suhu awal shell side (K)
Tout = suhu akhir shell side (K)
Tsin = suhu masuk pemanas (K)
Tsout = suhu keluar pemanas (K)
Perhitungan dan penentuan variabel-variabel terkait
Pemanas yang digunakan dalam Switch Condenser adalah oil dengan :
Cps = 1988 J/(kg.K)
Fs = 3,58 kg/sekon
Tin = 105oC
Tout = 130oC
Tsin = 135oC
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-11
Tsin = 102oC
ODtube = 0,0183 m
n tube = 1049
ma = 20027,09 mol
Hsb = 2815,40 J/mol (dari data tahap receiving di zona 2)
Dari persamaan 10 didapatkan nilai :
= 20027,09 . 2815,40
= 56384331,36
Dari persamaan 11 didapatkan nilai :
= 0,7161
. 1988
. . (130 100)
= 46986,967
Maka didapatkan waktu melting total adalah sebagai berikut :
=56384331,36
46986,967
= 1,99
Maka waktu total 1 siklus operasi Switch Condenser adalah = 12 menit
Gann Chart untuk proses batch didalam Switch Condenser adalah sebagai berikut :
Tahap
Receiving 10 menit 10 menit 10 menit
Tahap Melting
2
menit
2
menit
2
menit
2
menit
SC-01
SC-
02
Gambar 2. Gannt Chart Proses di dalam Switch Condenser
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-12
Waktu pergantian siklus adalah 10 menit dan terdapat jeda waktu antara proses
melting ke proses melting selanjutnya selama 8 menit.
A.3. Evaluasi Ketebalan Padatan pada Permukaan Luar Tube Setelah Tahap
Reciving
Massa padatan total = 10,01 kmol = 1455,54 kg
OD tube = 0,018375 m
ID shell = 2 m
Panjang zona 2 = 6,34 m
Jumlah tube = 3876
padatan = 1231 kg/m3
Volume padatan = padatan.m padatan = 1,18 m3
Volume ruang kosong tanpa padatan = 3,14
4. 2.
3,14
4. 2. .
= 13,39 m3
Volume ruang kosong dengan padatan = 13,39-1,18 = 12,21m3
Volume padatan yang melekat disetiap tube = 12,21
3876= 0,00030 3
Luas padatan tiap tube = 0,00030 m3/6,34 m = 4,8.10-5 m2
Diameter luar tube + tebal padatan = 4,8.105.3,14
4+ 0,0183752 = 0,019
Tebal padatan = 0,019-0,0183 = 0,001 m =1 mm
Dari hasil tersebut maka dapat disimpulkan bahwa ketebalan padatan pada tube
sangat kecil sehingga perubahan koefisien transfer panas akibat melekatnya padatan
dipermukaan tube dapat diabaikan. Selain itu aliran dalam shell pun tidak terlalu
terganggu akibat adanya padatan yang melekat dalam tube karena luas ruang kosong
dengan padatan masih sangat besar sekitar 91% dari luas ruang kosong total tanpa
padatan.
A.4. Menghitung Pressure Drop
Untuk perhitungan pressure drop pada Switch Condenser menggunakan
algoritma yang ada pada Handbook Heat Transfer karya Kern.
Shell side
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-13
=350 105
2= 227,5 = 441,5
= 0,0135 = 0,0327
. dari figure 15 Kern
Persamaan 7.5 Kern
=4. (0,5. . 0,86. 0,5. .
2
4 )
0,5. . = 0,7094 = 0,0591
=
=
0,454
. ( ).
! 44.
=
27605,00,454
39,21. (0,75 1).39,21144.1
= 22780,4
2.
=.
= 41221
= 0,001 2
2 figure 29 Kern
Jumalah cross = N+1 = 12.
=
12.32,09
39,21= 9,82
BM uap = 29,64
= 0,0451
3
s =
12= 0,00072
=
12=
39,21
12= 3,27
=0,5. . 2. . ( + 1)
5,22. 1010. . = 3,74 = 0,254
Jadi didalam shell terjadi penurunan tekanan sistem sebesar dari 1,3 atm menjadi
1,045 atm
A.5. Menghitung Mechanical Design Switch Condenser
Ukuran Switch Condenser total adalah :
L = 9,78 m = 385,19 in =32,09 ft
ID shell = 78,74 in = 2 m = 6,56 ft
V = 30,72 m3 = 1874764,70 in3 =1084,933 ft3
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-14
A.5.1. Menghitung Tebal Switch Condenser
Direncanakan menggunakan shell plate komersial Carbon steel SA-283
Grade C dengan spesifikasi sebagai berikut :
f = stress yang diijinkan, 12650 lb/in2 (Daftar 13.1 Brownell & Young)
E = efisiensi pengelasan (Daftar 13.2 Brownell & Young)
= 0,85, untuk double-weided butt-joint construction
c = factor korosi, 2 mm = 0,0787 inch
Tebal dinding dihitung dengan persamaan :
t = cEf
dp
2 (Persamaan 3.16, Brownell, hal. 45)
Tekanan dalam dinding dengan persamaan :
p = 144
1HL (Persamaan 3.17, Brownell, hal. 46)
Dimana :
t = tebal dinding, in
p = tekanan dalam tangki, lb/in2
d = diameter dalam, in
c = factor korosi, in
f = tekanan maksimum yang diijinkan, lb/in2
E = efisiensi pengelasan
H = tinggi dari dasar course ke puncak, ft
L = densitas airan, lb/ft
Gabungan dari dua persamaan tersebut menghasilkan :
t =
cEf
DHL
2144
121
t = 54 1 12
0,07874288 12650 0,80
H D
t = 2,0910-4 (H 1)D + 0,07874
Plate yang digunakan sebanyak delapan buah untuk tiap course dengan jarak
sambungan antar plate 5/32 in (Appendix E, Brownell) untuk penyambungan
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-15
vertikal (allowance vertical welded joint) dan lebar plate 6 ft. Panjang plate
dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut :
L =n
lengthweldd
12
Dimana :
L = panjang plate, ft
d = diameter dalam tangki + tebal shell, in
n = jumlah course
Weld length = 2 allowable weld joint
Course 1
41 2,209.10 32,1 1 3,26 0,07874 0,121t in
Digunakan tebal shell 0,1875 in :
1
3,14 78,74 0,1875 10 5 / 323,42
12 6L ft
Jadi ukuran plate (course 1) = 3,42 ft 6 ft 0,1875 in
Dengan cara yang sama maka dapat dihitung tebal dan panjang plate untuk course
2 s/d 6 sehingga didapat hasil seperti Daftar 13 berikut.
Daftar 11 .Tebal Switch Condenser
Course H (ft) t (in) t standard (in) D (in) L plate (ft)
1 32,100 0,121 0,1875 78,740 3,420
2 26,100 0,113 0,1875 78,740 3,420
3 20,100 0,105 0,1875 78,740 3,420
4 14,100 0,097 0,1875 78,740 3,420
5 8,100 0,088 0,1875 78,740 3,420
6 2,100 0,080 0,1875 78,740 3,420
A.5.2. Menghitung Diameter Pipa Pengisian dan Pengeluaran
Pipa Pemasukan Gas
Jumlah gas masuk (G) = 165629,9 kg/jam = 46,00 kg/s
Berat molekul campuran gas umpan = 28,175 kg/kgmol
=1,3 . 101,325 (28,175 /)
8,314. (350 + 273,15 )= 0,716
3
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-16
Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran gas dipakai persamaan
Coulson berikut:
Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35
= 1722,79 mm
= 172,27 cm = 67,82 in
Diambil ukuran pipa standard sebesar 68 in
Pipa Pengeluaran Campuran Cair dan Gas
Jumlah gas keluar = 148478,95 kg/jam
Jumlah cairan keluar = 172,27 kg/jam
Total fluida keluar SC = 148651,20 kg/jam = 41,29
kg/sekon
= 1239,60 kg/m3
BM campuran gas keluar Switch Condenser = 28,71 kg/kgmol
=1,1.101,325(28,71)
8,314. (105 + 273,15 )= 0,92
3
= 2,36 kg/m3
Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran gas dipakai persamaan
Coulson berikut:
Dopt = 226 (G)0.50 ()-0.35
= 226 (41,29 kg/s)0.50 (2,36kg/m3)-0.35
= 1075,14 mm
= 42,32 in
Diambil ukuran pipa standard sebesar 44 in
A.5.1. Menghitung Tebal Isolasi
Tebal isolasi dihitung dengan menggunakan asumsi :
Perpindahan panas pada keadaan steady state sehingga q1 = q2 = q3 = q4
Suhu pada permukaan shell sebelah dalam (T1) adalah sama dengan rata-
rata suhu pendingin dalam shell.
Untuk menghitung T1 digunakan persamaan:
1 = +
2
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-17
1 =(28 228)
2
1 = 124
Keterangan :
R1 = jari- jari dalam shell
R2 = jari- jari luar shell
R3 = jari- jari luar setelah diisolasi
Xs = tebal dinding
Xis = tebal isolasi
Ta = suhu udara luar 30oC
T1 = suhu dinding dalam shell
T2 = suhu dinding luar shell
T3 = suhu dinding isolator 50oC
Gambar 3. Penampang Switch Condenser dengan Isolasi
Bahan isolasi yang dipakai adalah diatomaceous earth dengan sifat-sifat
diambil dari buku Kern, 1950:
Suhu operasi maksimum : 1600oF (871.11oC)
Densitas bahan (is) : 27,7 lb/ft3 (443,6958 kg/m3)
Konduktivitas panas (Kis) : 0,051 Btu/jam.ft.oF = 0,0883 W/mK
Emisivitas (is) : 0,93
Bahan dinding reaktor adalah Carbon steel SA-283 Grade C dengan sifat-sifat
berikut (Holman, 1986):
Densitas bahan : 7817 kg/m3
Kapasitas panas : 0,46 kJ/kgoC
Konduktivitas panas (ks) : 16,3 W/m0C (200 0C)
22 W/m0C (600 0C)
27 W/m0C (800 0C)
Konduktitivitas panas untuk suhu T1 (T1 = 124 0C) dicari dengan cara
interpolasi sebagai berikut:
200
600 200=
16,3
22 16,3
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-18
= 16,3 +1247 200
600 200 (22 16,3)
= 15,21
.
a. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Konveksi (hc) Udara
Sifat fisis udara ditentukan berdasarkan pada rerata suhu udara dengan suhu
isolator. Rerata suhu tersebut (TF) dapat dihitung dengan persamaan:
=3 +
2
=30 + 50
2
TF = 40
Sifat fisis udara pada suhu 40 adalah sebagai berikut (Holman, 1986):
Kecepatan aliran gas (v) = 1,7008. 10-5 m2/s
Koefisien pemuain volume () = 3,1949. 10-3 K-1
Konduktivitas termal gas (k) = 0,0272 W/(m.K)
Densitas gas () = 1,1308 kg/m3
Bilangan Prandtl (Pr) = 0,7051
Untuk mengetahui sifat aliran udara maka perlu dihitung nilai bilangan
Rayleigh dengan persamaan:
Ra = Gr x Pr
=. . (3 ).
3
2
dengan : g = percepatan gravitasi (9,8 m2/s)
L= panjang pipa switch condenser (m)
=9,8
2
3,19491031
(323,15 303,15)(9,78 )3
(1,7 105 2/)20,7051
= 2,02 1012
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-19
Ra lebih besar dari 109, maka aliran udara adalah turbulen. Untuk
menghitung koefisien transfer panas konveksi aliran turbulen digunakan
persamaan (Holman, 1986):
= 0,1
(Gr. Pr)1/3
= 0,10,0272
9,78 (2,02 1012)1/3
= 3,487
2
b. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Radiasi (hr)
Untuk menentukan koefisien perpindahan panas radiasi (hr) digunakan
persamaan:
. (3 ) = . . (T3 4 Ta
4) (Holman, 1986)
dengan:
= Konstanta Boltzman = 5,669.10-8W/m2K4
= emisivitas dinding isolator
=0,93 5,669108 ((323,15 )4 (303,15 )4)
(323,15 303,15 )
= 6,4733
2
c. Menghitung Panas Tiap Lapisan
Perpindahan panas di tiap lapisan dianggap steady state, sehingga q1=
q2 = q3 = q4.
Nilai q4 dihitung dengan persamaan:
q4 = (hc + hr). 2..R3.L.(T3-Ta)
q4 = (3,1327+6,4733) 2 . R3. L (323,15 K-303,15 K)
q4 = 384,2416 . R3. L
Nilai q3 dihitung dengan persamaan:
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-20
3 =2. . (2 3)
ln (32
)
3 =2(0,0883) . . (2 323,15)
ln (3
1 )
Nilai q2 dihitung dengan persamaan:
2 =2. . (1 2)
ln (1,8492
1)
=2. . (1 2)
ln (1,8492
1 )
15,21
2 = 7140,8271. . . (600,0657 2)
d. Menghitung Suhu Dinding Luar Shell (T2)
Untuk menghitung nilai T2, terlebih dahulu nilai R3 di-trial sehingga
nilai q4 dapat diketahui. Dari persamaan di atas diketahui bahwa nilai
q4 = q2.
q4 =q2
384,2416 . R3. L = 7140,8271. . . (600,0657 2)
2 = 600,0657 0,05383
e. Menghitung Nilai Jari-jari Switch Condenser Setelah Diisolasi (R3)
Nilai R3 dapat dihitung dengan persamaan:
q3 = q4
2(0,0883) . . (2 323,15)
ln (3
1,569 )= 384,2416 . R3. L
2 = 323,15 + 2175,7735 3. ln (3
1,5690 )
Dari hasil trial diperoleh:
R3 = 1,1186 m
Tebal isolasi = R3 - R2
= (1,7186 1,5690) m
= 0,181 m
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-21
RESUME
Kode : SC-01
Fungsi : Mengembunkan gas keluar reaktor dengan kapasitas
165629,90 kg/jam
Tipe : Multitube heat exchanger 1-1 dengan aliran counter
current
Jumlah alat : 2
Waktu siklus : 12 menit
Tahap desublimasi : 10 menit
Tahap melting : 2 menit
Medium pemanas/pendingin : Crude oil
Beban desublimasi : 10185540 kJ/siklus
Beban pemanas : 28192,17 kJ/siklus
Flowrate pendingin : 44,44 kg/sekon
Flowrate pemanas : 3,58 kg/sekon
Luas transfer panas : 2188,09 m2
Kondisi operasi :
Tekanan : 1,3 atm
Tahap receiving :
- Suhu gas masuk : 350oC
- Suhu keluar proses receiving : 105oC
- Suhu pendingin masuk : 28oC
- Suhu pendingin keluar : 211oC
Tahap melting :
- Suhu awal padatan : 105oC
- Suhu keluar cairan : 130oC
- Suhu pemanas masuk : 135oC
- Suhu pemanas keluar : 102oC
Dimensi :
Shell side :
- Komponen yang mengalir : Crude oil pendingin dan pemanas
- Jumlah pass : 1
-
Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan
Kapasitas 80.000 ton/tahun
SC-22
- Bahan : Carbon steel SA-283 Grade C
- Inside diameter : 78,74 in = 2 m = 6,56 ft
- Tebal : 0,1875 in
- Panjang plate : 3,42 ft
- Panjang shell : 9,78 m
Tube side :
- Komponen yang mengalir : Fluida keluar reactor
- Inside diameter : 0,532 in
- Outside diameter : 0,018375 m = 0,75 in
- PT : 1 in
- BWG : 12
- Panjang tube : 9,78 m
- Jumlah pass : 1
- Jumlah tube : 3876
- Bahan : Carbon steel SA-283 Grade C
Pressure Drop : 0,254 atm
Tebal isolasi : 0,181 m
Jenis isolasi : Diatomaceous Earth
Harga : $ 616680