REAKTOR

LAMPIRAN A
REAKTOR STAGE 1

Jenis                                 : Reaktor Fixed Bed Multitube
Fungsi                              : Tempat berlangsungnya reaksi dehidrasi gliserol menjadi asetol, akrolein dan air.
Kondisi Operasi              : Suhu           = 290 oC
                                          Tekanan      = 2 atm
                                          Reaksi         = endotermis
Tujuan                             :
1.      Menentukan jenis reaktor
2.      Menghitung pressure drop
3.      Menghitung berat katalis
4.      Menghitung waktu tinggal dalam reaktor
5.      Menentukan dimensi reaktor
Reaksi yang terjadi didalam reaktor:
Reaksi 1 :
Reaksi 2 :
1.        Menentukan jenis reaktor
Dipilih reaktor fixed bed multitube dengan pertimbangan sebagai berikut:
a.         zat pereaksi berupa fasa gas dengan katalis padat
b.         umur katalis panjang 12-15 bulan
c.         reaksi eksotermis sehingga diperlukan luas perpindahan panas yang besar agar kontak dengan pendingin berlangsung optimal
d.        tidak diperlukan pemisahan katalis dari gas keluaran reaktor
e.         pengendalian suhu relatif mudah karena menggunakan tipe shell and tube
( Hill, hal 425-431 )
2.      Persamaan – persamaan Matematis Reaktor
a.         Neraca massa reaktor
Reaksi berlangsung dalam keadaan steady state dalam reaktor setebal ΔZ dengan konversi X. Neraca massa  pada elemen volume :
Input – Output – Yang bereaksi = 0
                                          FA  z
                                                                    z
                     z                                          
                                                                   z +z
                                      FA  z + z
              Input  -  Output  -  Yang Bereaksi  =  0
FA  Z  - ( FA  Z+ΔZ  + (-ra) Δv) =  0
Δv = Δz
Δv = volume gas diantara katalis pada elemen volum
FA  Z  -  FA  Z+ΔZ  - (-ra) π/4 Di2 . ΔZ   =  0
FA  Z+ΔZ  -  FA  Z  =  (-ra)  π/4 Di2 
          ΔZ
 =   
Dimana FA = - FAo (1 – XA)
ΔFA = - FAo. ΔXA
FAo .  =  
            =
Lim ΔZ              0
 =
dimana :           =          perubahan konversi persatuan panjang
*         =          porositas
(-rA)     =          kecepatan reaksi = k CA. CB
Z         =          tebal tumpukan katalisator
Di        =          diameter dalam pipa


Tabel 1 Komposisi Dengan Perhitungan Kapasitas Stage 1
Input
Massa, Kg/Jam

Output
Massa, Kg/Jam
Gliserol
9674
Gliserol
580,410
Air
22572
Asetol
1462,892


Akrolein
4428,171


Air
25773,318



b.         Neraca panas elemen volume
                        T z                                   QR   =            panas reaksi
                                                                QP   =   panas yang dibuang, ada
                                                                            pendinginan
QR                    QP                                
                                             T z + Δz

Input  -  Output   =Acc
Σ m.Cp (T Z  -  To) – [(Σ m.Cp ) (T  Z+ΔZ – To) + QR + QP]
Σ m.Cp (T Z  -  T Z+ΔZ) = QR + QP
(Σ m.Cp) (-ΔT) = QR + QP
QR = ΔHR FAo ΔXA
QP = UA (T – TS)
A = Do Δz
QP = UDo Δz(T – TS)
(Σ m.Cp) (-ΔT) = ΔHR . Fao . ΔXA + U.π.Do.ΔZ (T-Ts)
                                                                                                                         : ΔZ
(Σ m.Cp) = ΔHR . Fao . + U.π.Do.ΔZ (T-Ts)
 = ΔHR . Fao . + U.π.Do.ΔZ (T-Ts)
                                                         (Σ m.Cp)     
lim ΔZ           0
 = ΔHR . Fao . + U.π.Do.ΔZ (T-Ts)
                                                    (Σ m.Cp)
Dimana:
   =  Perubahan Suhu persatuan panjang katalis
ΔHR  =  Panas Reaksi
U       =  Overall heat transfer coefficient
Do     =  Diameter luar
T       =  Suhu gas
Ts      =  Suhu penelitian
Ts      =  Kapasitas panas
c.         Neraca panas untuk pendingin
Pendingin yang dipakai adalah Dowtherm A yang stabil pada suhu 93,3 – 540 0C
Komposisi Dowtherm A :    - 73,5 % Diphenyl Oxyde
- 26,5 % Diphenyl
Sifat-sifat fisis Dowtherm A (T dalam K) dari Hidrocarbon Processing.
Cp       =  0,11152 + 3,402 . 10-4 T, cal/g.K
*        = 1,4 – 1,0368 . 10-3 T , gr/cm3
μ            = 35,5808 – 0,04212 T , gr/cm.Jam
k          = 0,84335 – 5,8076 . 10-4, cal/J.Cm.K
Pendingin : Dowterm A

K
C
F
T in
367
94
201.2
T out
643
370
698.0
delta T
276
276
496.8
Cp pendingin            = 0,2364 Cal/gr.K
                                  = 0,4258 Btu/lb.K
                                  = 0,9895 J/gr.K
Menghitung densitas pendingin pada T in:

Rho p = 1,0101 gr/cm3
Menghitung konduktivitas thermal pendingin pada T in:

k pendingin     = 1,1308 cal/cm.jam.K
                        = 0,4734 kJ/m.jam.K
                        = 1,1669 Btu/ft.jam.F
Menghitung viskositas pendingin pada T in:

μp        = 20,1318 gr/cm.jam
= 0,0056 gr/cm.det
= 2,0132 kg/m.jam
= 1,3528 lb/ft.jam
            Menentukan pendingin yang dibutuhkan:
            Pendingin yang dipakai adalah downterm A = 1683728,9049 kg/jam
Aliran pendingin dalam reaktor searah dengan aliran gas
Neraca Panas pada elemen volum
                       FA z                         Ts  z
       z
                                      Qp                           ΔTd
    z+Δz          
                       FA  z+ Δz              Ts z+ Δz

mp.Cpp (  Ts Z –To  ) + Qp – mp Cpp (Ts z + Dz – To)  = 0
mp.Cpp (Ts Z –  Ts z + Dz) = - Qp
(Ts Z –  Ts z + Dz)   =  -    
(Ts Z –  Ts z + Dz) / Dz = - 
- (Ts z + Dz - Ts Z ) / Dz = -   
 =            
lim ΔZ       0    
  =   

d.        Penurunan tekanan
Dalam pipa = penurunan tekanan dalam pipa berisi katalisator (Fixed bed) digunakan rumus 11.6 (chapter 11 hal 492 “ Chemical Reactor Design For Process Plants”.
    =  .  .
Dimana :
G    =   Kecepatan aliran massa gas dalam pipa, gr/cm3
   =   Densitas gas, gr/cm3
Dp  =   Densitas pertikel katalisator, cm
G    =   Gaya Gravitasi, cm/det2
    =   Porosity tumpukan katalisator
   =   Viskositas gas, gr/cm jam




3.        Data – data sifat fisis bahan
a.         Menentukan umpan Yi masuk
Tabel 2 Umpan YI Masuk Reaktor 1
Komponen
Fumpan, kmol/jam
yumpan
Massaumpan
BM
C3H8O3
105.0396855
0.077351711
9673.51
92
H2O
1252.909405
0.922648289
22571.51
18

b.         Menentukan volume gas reaktor
PV =  nRT
n        = 1357,9490  kmol/jam
R       = 0,08206 atm. m3/kmol.K
P        = 2 atm
c.         Menetukan densitas umpan
d.        Menentukan viskositan umpan
Tabel 3 Data Viskositas Umpan Masuk Reaktor 1
Komponen
A
B
C
C3H8O3
-23.119
0.28879
-3.43E-05
H2O
-36.826
0.429
-1.62E-05
 (Chemical properties handbook,Mc Graw-hill Carl L.yaws)

Tabel 4 Perhitungan Viskositas Umpan Masuk Reaktor 1
Komponen
µi, micropoise
µi, kg/m.s
µi.yi
µi.yi, micropoise
C3H8O3
128.6425519
1.28643E-05
9.95E-07
9.950721491
H2O
199.6277157
1.99628E-05
1.84E-05
184.1861703

m gas        =   0,0000194 kg/m.s
                 =   0,000194 g/cm.s
e.         Menentukan konduktivitas gas umpan
Tabel 5 Data Konduktivitas Umpan Masuk Reaktor 1
Komponen
A
B
C
C3H8O3
-0.00842
4.4977E-05
2.4839E-08
H2O
0.00053
4.7093E-05
4.9551E-08
C3H4O
-0.00889
6.0453E-05
1.2049E-08
C3H6O2
0.08924
-2.5339E-04
2.9793E-07
(Chemical properties handbook,Mc Graw-hill Carl L.yaws)
Tabel 6 Perhitungan Konduktivitas Umpan Reaktor 1
Komponen
ki , W/m . K
BM0,33
yi umpan * BM0,33
yi umpan * ki * BM0,33
C3H8O3
0.02479
4.44832
0.34409
0.00853
H2O
0.04276
2.59634
2.39551
0.10244
C3H4O
0.02898
3.77620
0.00000
0.00000
C3H6O2
0.04103
4.14001
0.00000
0.00000
TOTAL
2.73959
0.11097

k campuran     =   0,04051 W/m.K
                        =   0,14582 kJ/jam.m.K




f.          Menentukan kapasitas panas campuran gas umpan
Tabel 7 Data Kapasitas Panas Umpan Reaktor 1
Komponen
A
B
C
D
E
C3H8O3
9.656
4.2826E-01
-2.6797E-04
3.1794E-08
2.7745E-11
H2O
33.933
-8.4186E-03
2.9906E-05
-1.7825E-08
3.6934E-12
 (Chemical properties handbook,Mc Graw-hill Carl L.yaws)
Tabel 8 Perhitungan Kapasitas Panas Campuran Gas Reaktor 1
Komponen
Cpi , Joule/mol . K
Cpi * yi reaktan
cpi,
kjoule/kg . K
Cpi.yi
C3H8O3
174.3159521
13.48363714
1.8928E+00
1.4641E-01
H2O
35.86438358
33.09021215
1.9908E+00
1.8368E+00

Cp campuran                    =          46,57385 kJ/kmol.K
                                         =          1,9832 kJ/kg.K
g.         Menentukan panas reaksi
Reaksi yang terjadi  bersifat eksotermis, panas yang dikeluarkan adalah sebagai berikut:
 




(Chemical properties handbook,Mc Graw-hill Carl L.yaws)
 Tabel 9 Data Panas Reaksi Reaktor 1
Komponen
A
B
C
D
E
C3H8O3
9.656
4.2826E-01
-2.6797E-04
3.1794E-08
2.7745E-11
H2O
33.933
-8.4186E-03
2.9906E-05
-1.7825E-08
3.6934E-12
C3H4O
7.755
2.9386E-01
-2.0878E-04
7.1591E-08
-9.0960E-12
C3H6O2
-0.97
3.8307E-01
-3.0872E-04
1.3886E-07
-2.6720E-11
 (Chemical properties handbook,Mc Graw-hill Carl L.yaws)
Tabel 10 Perhitungan Panas Reaksi Reaktor 1
Komponen
ΔHf (kj/mol )
ΔHf
 (kJ/kmol )
ΔH
(J/mol )
ΔH
(kJ/kmol )
C3H8O3
-582.91
-582912.6836
38902.4394
38902.4394
H2O
-240.56
-240560
9179.8199
9179.8199
C3H4O
-336.31
-336308.9715
26578.1092
26578.1092
C3H6O2
-453.57
-453569.2837
30748.9013
30748.9013
Total
-1613.35
-1613350.94
105409.27
105409.27
Dari data didapat:
DHRtotal           =   -338671,2968 kJ/kmol
                               =   -80890,28455 kkal/kmol
h.      Data sifat katalis (Nium dioxide)
Jenis                : ZrO2
Ukuran            : D=0,35 cm
Density           : 5,68 gr/cm³
Bulk density   : 4,6 gr/cm³
4.        Dimensi reaktor
a.         Menentukan ukuran dan jumlah tube
Diameter pipa reaktor dipilih berdasarkan pertimbangan agar perpindahan panas berjalan dengan baik. Mengingat reaksi yang terjadi eksotermis, untuk itu dipilih aliran gas dalam pipa turbulen agar koefisien perpindahan panas lebih panas lebih besar.
Pengaruh ratio Dp / Dt terhadap koefisien perpindahan panas dalam pipa yang berisi butir-butir katalisator dibandingkan dengan pipa kosong yaitu hw/h telah diteliti oleh Colburn’s (smith hal 571) yaitu :
Dp/Dt            0,05     0,1       0,15     0,2       0,25     0,3
hw/h              5,5       7,0       7,8       7,5       7,0       6,6
dipilih  Dp/Dt = 0,15
dimana
hw  =   koefisien perpindahan panas dalam pipa berisi katalis
h     =   koefisien perpindahan panas dalam pipa kosong
Dp  =   diameter katalisator
Dt   =   diameter tube
Sehingga :
Dp/Dt  =   0,15
Dp       =   0,35 cm
Dt        =   0,35 / 0,15 = 2,3333 cm = 0,9186 in
Dari hasil perhitungan tersebut, maka diambil ukuran pipa standar agar koefisien perpindahan panasnnya baik.
Dari table 11 Kern dipilih pipa dengan spesifikasi sebagai berikut :
Nominal pipe size     =   4 in
Outside diameter     =   4,5 in = 11,43 cm
Schedule number     = 40 
Inside diameter        = 4,026 in = 10,2260 cm
Flow area per pipe    = 12,700 in2
Surface per in ft       = 1,178 ft2/ft
Aliran dalam pipa turbule dipilih NRe = 3100
 
Dalam hubungan ini:
mg      = viskositas umpan      = 0,000019 g/cm.det
Dt      = Diameter tube          = 10,2260 cm
Digunakan 1 buah reaktor :
Fm    = 6175,5460 gr/s
At =  = 1521941,1734 cm2
Luas penampang pipa   = =
= 82,0889 cm2
Jumlah pipa dalam reaktor =  = 18540,1496 buah = 18541 buah





b.         Menghitung diameter dalam reaktor
Direncanakan tube disusun dengan pola triangular pitch.




                                   C’
                                   Pt
Pt      = 1,25 x ODt
            = 1,25 x 4,5 = 5,625 in
C’      = PT – OD
= 5,625 – 4,5 = 1,125 in
IDs                = 671,1125 cm
Jadi diameter dalam reaktor = 671,1125 cm = 264,2175 in
c.         Menghitung tebal dinding reaktor
Tebal dinding reaktor (shell) dihitung dengan persamaan :
Dimana :
ts       =  tebal shell, in
E       =  efisiensi pengelasan
f        =  maksimum allowable stress bahan yang digunakan
              (Brownell,tabel 13-1, p.251)
r        =  jari-jari dalam shell, in
C       =  faktor korosi, in
P       =  tekanan design, Psi
Bahan yang digunakan Carbon Steel SA 283 Grade C
E       =  0,85
f        =  12650 psi
C       =  0,125
R       =  ID/2 = (264,2175/2) in
P       =  29,40 psi      
Jadi P = (120/100)*P = 35,28 psi
maka ts  =
= 0,5593 in
dipilih tebal dinding reaktor standar 1 in
Diameter luar reaktor = ID + 2*ts
= 264,2175 + (2*0,5593)
= 266,2175 in
Sehingga dipilih diameter luar reaktor 192 in.
5.        Menghitung head reaktor
a.         Menghitung tebal head reaktor
Bentuk head : Elipstical Dished Head


Bahan yang digunakan: Carbon Steel SA 283 Grade C







Keterangan gambar :
ID       =   diameter dalam head
OD      =   diameter luar head
a          =   jari-jari dalam head
t           =   tebal head
r           =   jari-jari luar dish
icr        =   jari-jari dalam sudut icr
b          =   tinggi head
sf         =   straight flange
OA      =   tinggi total head
Tebal head dihitung berdasarkan persamaan :
                                (Brownell, 1979)
P          =   tekanan design, psi = 35,28 psi
IDs      =   diameter dalam reactor, in = 264,2175 in
F          =   maksimum allowable stress, psi = 12650 psi
E         =   efisiensi pengelasan = 0,85
C         =   faktor korosi, in = 0,125
maka th =
             = 0,5586 in
dipilih tebal head reaktor standar 1 in
b.         Menghitung tinggi head reaktor
ODs    =   192 in
ts         =   1 in
didapat           :         irc =      11,5 in
                        r        =   170 in
                        a        =   IDs/2        =   132,1088 in
                        AB    =   a – irc       =   120,6088 in
                        BC    =   r – irc       =   158,5000 in
                        AC    =   (BC2 - AB2)1/2      =   102,8386 in
                        b        =   r – AC      =   67,1614  in
Dari tabel 5.6 Brownell p.88 dengan th 1 in didapat sf  = 1,5 – 4 in perancangan digunakan sf = 4 in
Tinggi head reaktor dapat dihitung dengan persamaan :
hH       =   th + b + sf
            =   (1 + 67,1614 + 4) in
            =   72,1614 in
            =   1,8329  m
c.         Menghitung tinggi reaktor
Tinggi reaktor total =   panjang tube + tinggi head top
HR                           =  188,9765 in + 72,1614 in
                                 =   261,1379  in
                                 =   6,6329 m
6.        Tebal isolasi reaktor
Asumsi :

a.       Suhu dalam reaktor = suhu permukaan dinding dalam shell
= suhu pendingin rata-rata

b. Keadaan steady state QA=QB=QC=(QD+QR)
c. Suhu dinding luar isolasi isotermal


                                               Tu
                  


`


Keterangan :
r1     =   jari-jari dalam reaktor
r2     =   jari-jari luar reaktor
r3     =   jari-jari isolator luar
QA =   Perp. Konveksi dari gas ke dinding dalam reaktor
QB  =   Perp. Konduksi melalui dinding reaktor
QC  =   Perp. Konduksi melalui isolator
QD =   Perp. konveksi dari permukaan luar isolator
QR  =   Perp. Panas radiasi
T1   =   Suhu dinding dalam reaktor
T2   =   Suhu dinding luar reaktor
T3   =   Suhu isolator luar 
Tu   =   Suhu udara luar  
-      sifat-sifat fisis bahan
       *   bahan isolasi : asbestos, dengan sifat-sifat fisis (kern) :
Kis  =   0,17134 W/m.oC
ε    =   0,96
*   carbon steel :   ks   = 41,5519 W/m.oC
*   sifat-sifat fisis udara pada suhu Tf  (Holman,1988. Daftar A-5)
Tf   =   313
υ     =   0,000017
k     =   0,027225 W/m.oC
Pr    =   0,70489
β     =   0,0032 K-1
µ     =   0,00001906 kg/m.s
g     =   9,8 m/s2
r3     =   r2 + x
r1      =   0,2903 m
r2      =   0,3048 m
L     =   2,4 m
a.     Perpindahan panas konduksi
                                                                                                                      …….(a)

 


                                                                                                                      …….(b)

b.    Perpindahan panas konveksi
 


                                                                                                                     …….(c)
Karena GrL.Pr > 109, sehingga :


c.         Panas radiasi
           
                                                                                                          …….(d)
σ = 5,669 x 10-8 w/m2.k4
kemudian persamaan a, b, c dan d ditrial menggunakan excel dan didapat :
T2                         =   401,3385 K
Tebal isolasi (x)    =   6 cm



Tabel 11 Perhitungan Hasil Simulasi Panjang Reaktor Menggunakan Metode Range Kutta Stage 1
∆z
0.1000
z (m)
x
T (K)
Ts (K)
0
0
563.1500
367
0.10
0.05752
563.1354
368.4952
0.20
0.11171
563.1207
369.9828
0.30
0.16277
563.1058
371.4627
0.40
0.21088
563.0909
372.9349
0.50
0.25620
563.0759
374.3993
0.60
0.29891
563.0609
375.8561
0.70
0.33915
563.0458
377.3051
0.80
0.37707
563.0306
378.7463
0.90
0.41280
563.0154
380.1797
1.00
0.44647
563.0002
381.6053
1.10
0.47819
562.9850
383.0230
1.20
0.50809
562.9698
384.4329
1.30
0.53626
562.9546
385.8349
1.40
0.56281
562.9393
387.2291
1.50
0.58784
562.9241
388.6154
1.60
0.61142
562.9090
389.9937
1.70
0.63364
562.8938
391.3642
1.80
0.65458
562.8787
392.7267
1.90
0.67432
562.8636
394.0813
2.00
0.69293
562.8486
395.4279
2.10
0.71047
562.8336
396.7666
2.20
0.72699
562.8186
398.0974
2.30
0.74257
562.8038
399.4202
2.40
0.75726
562.7889
400.7350
2.50
0.77110
562.7742
402.0419
2.60
0.78415
562.7595
403.3408
2.70
0.79645
562.7449
404.6317
2.80
0.80805
562.7303
405.9147
2.90
0.81898
562.7158
407.1897
3.00
0.82928
562.7014
408.4567
3.10
0.83900
562.6871
409.7158
3.20
0.84816
562.6728
410.9670
3.30
0.85679
562.6587
412.2101
3.40
0.86493
562.6446
413.4454
3.50
0.87261
562.6306
414.6726
3.60
0.87985
562.6167
415.8920
3.70
0.88667
562.6029
417.1034
3.80
0.89311
562.5891
418.3069
3.90
0.89917
562.5755
419.5025
4.00
0.90489
562.5619
420.6902
4.10
0.91029
562.5485
421.8700
4.20
0.91537
562.5351
423.0420
4.30
0.92017
562.5218
424.2061
4.40
0.92470
562.5086
425.3623
4.50
0.92896
562.4956
426.5107
4.60
0.93298
562.4826
427.6513
4.70
0.93678
562.4697
428.7840
4.80
0.94036
562.4568
429.9090
4.90
0.94373
562.4441
431.0263

7.      Volume reactor
V head                        =          903,8180 in3                 = 0,01481 m
V shell             =          10356200,7874 in3      = 169,7081 m3
V reaktor         =          10357104,6054 in3      = 169,7081 m3
8.      Spesifikasi Nozzle
Jenis Pipa : Carbon Steel
(Harga yang murah dan komponen yang melewati tidak bersifat korosif)
a.       Diameter saluran gas umpan
 


                          (Coulson and Richardson vol.6, 1983, P.221, Eq 5.14)
                                                 G = 8,9569 kg/s
                                                 ρ = 1,0040 kg/m3
                        D opt   = 36,8163 in
dari apendix K,  , P.390, brownell, 1959, dipilih ukuran standart :
                        ID        = 42 in
                        OD      = 41,2520 in



b.      Diameter saluran gas keluar
Komposisi keluar reactor (gas)
Komponen
kmol/jam
yi
BM
BM.Yi
kg/jam
C3H8O3
6.3024
0.0041
92
0.3780
580
H2O
1430.6366
0.9316
18
16.7830
25773
C3H4O
78.9898
0.0514
56
2.8835
4428
C3H6O2
19.7475
0.0129
74
0.9526
1463
total
1535.6762
1.0000

20.9971
32245
Diameter optimum            = 38,1717 in
Dari Tabel.11, P.844, Kern 1980, dipilih ukuran standart (Sch 20) :
ID        = 41 in
OD      = 41,2520 in

c.       Diameter pendingin masuk
D opt         = 23,2005 in
Dari Tabel.11, P.844, Kern 1980, dipilih ukuran standart (Sch 40) :
ID        = 23,25 in
OD      = 24 in
d.      Diameter pendingin keluar
D opt         = 23,7605
Dari Tabel.11, P.844, Kern 1980, dipilih ukuran standart (Sch 20) :
ID        = 23,25 in

OD      = 24 in

Komentar

Postingan Populer