LEVEL - 3: RECYCLE STRUCTURE. Teknik Kimia Unila

LEVEL - 3: RECYCLE STRUCTURE

Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

Keputusan untuk Menentukan Stuktur Recycle 1. Berapa banyak sistem reaktor yang diperlukan? Apakah terdapat pemisahan diantara sistem reaktor tsb? 2. Berapa banyak aliran recycle yang diperlukan? 3. Apakah kita akan menggunakan salah satu reaktan berlebih pada masukan reaktor? 4. Apakah memerlukan kompresor gas? Berapa biayanya? 5. Haruskah reaktor dioperasikan secara adiabatis, dengan pemanasan atau pendinginan langsung atau memerlukan penukar panas? 6. Apakah kita ingin mendorong konversi kesetimbangan? Bagaimana? 7. Bagaimana biaya reaktor mempengaruhi potensi ekonomi? Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

2

Jumlah Sistem Reaktor Jika sejumlah reaksi berlangsung pada temperatur dan tekanan berbeda, atau jika reaksi memerlukan katalis, kita menggunkan sistem reaktor yang berbeda untuk reaksi tsb. Contoh1. Proses HDA Toluen + H2 2 Benzen

Benzen + CH4 Difenil + H2

1150-1300oF 500 psia

Jumlah reaktor yang dibutuhkan: satu


3

Contoh 2. Acetone  Ketene  CH 4 1 C 2 H 4 , 700 C and 1 atm 2 Ketene  Acetic Acid  Acetic Anhydride, 80 C and 1 atm Ketene  CO 

Remark: dua reaktor dibutuhkan ntk sistem ini. 4

Jumlah Aliran Recycle • Untuk menentukan jumlah aliran kita dapat mendaftar komponen yg keluar reaktor berdasarkan titik didih normalnya. • Selanjutnya kita mengelompokkan komponen recycle yang memiliki titik didih yg berdekatan jika dalam reaktor yg sama. • Selanjutnya jumlah aliran recycle didasarkan jumlah kelompok. • Aliran gas dan cair dibedakan, karena aliran recycle gas memerlukan kompressor, yg selalu mahal. • Dianggap aliran recycle gas jika komponen tsb mendidih pada temperatur dibawah -48oC. • Aliran recycle cairan hanya memerlukan pompa. Dalam perhitungan awal biaya pompa tidak dimasukkan karena nilainya kecil dibandingkan dengan kompressor, furnace, distilasi, dll.


5

“Jangan Jangan memisahkan dua komponen dan kemudian mencampurnya kembali pada masukan reaktor” reaktor”


6

Contoh. Proses HDA Komponen H2 CH4 Benzen Toluen Difenil

NBP,oC -253 -161 80 111 255

Kode Recycle+ purge-gas Recycle +purge-gas Primary produk Recycle- liquid Fuel-byproduct

• Ada tiga aliran produk : purge, benzen dan difenil • Ada dua liran recycle , H2 + CH4 (gas) dan toluen (cairan), sehinga: • Struktur recycle seperti gambar 3.2.


7

Gas recycle

compresor

Umpan H2 Umpan toluen

purge

separator

reactor

Toluen recycle

Gambar 3.2 Struktur recycle HDA


8

benzen difenil

Contoh. Proses Asetat anhidrat Komponen CO CH4 C 2 H4 Keton Aseton Asam Asetat Asetat anhidrida

NBP,oC -312,6 -161 -154,8 -42,1 133,2 244,3 281,9

Kode Fuel-byproduct Fuel byproduct Fuel byproduct reaktan terkonversi Recycle-R-1- liquid Recycle R-2 –liquid Produk Utama

• Ada dua aliran produk : (CO + CH4 + C2H6) dan asetat anhidrida • Ada dua aliran recycle cairan yang dikembailak ke raktor yang berbeda: aseton ke R1 dan asam asetat ke R2 • Struktur recycle sperti gambar 3.3. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

9

Acetone  Ketene  CH 4 1 C 2 H 4 , 700 C and 1 atm 2 Ketene  Acetic Acid  Acetic Anhydride, 80 C and 1 atm Ketene  CO 

Umpan Asam asetat

Umpan Aseton

Reactor R1

CO, CH4 , C2H4

Reactor R2

separator

As. Asetat recycle Aseton recycle Gambar 3.3 Struktur recycle Asetat Anhidrid Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

10

As. anhidr

Reaktan Berlebih Dalam beberapa kasus kegunaan reaktan berlebih: • Dapat mendorong distribusi produk/selektivitas (1) • Mendorong komponen lain mendekati konversi total (2) • Mendorong konversi kesetimbangan (3) Sebagai contoh, 1. produksi isooktana dengan alkilasi butana (isobutan berlebih) (1) Butana + isobutana isooktan butan + isooktan C12 2. Produksi posgen (CO berlebih) (2) CO + Cl2 COCl2 3. Produksi sikloheksan (H2 berlebih) (3) Benzen + 3H2 sikloheksan Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

11

“Tidak ada aturan baku untuk membuat pilihan jumlah excess optimum, dan karena itu kita perlu melakukan analisis ekonomi terhadap variabel desain ini”.


12

Neraca Massa Recycle Reaktan Pembatas Pertamakali kita membuat neraca massa reaktan pembatas. Untuk proses HDA, laju alir toluen masuk reaktor adalah FT.

purge

Umpan H2

reactor FFT

FT (1-x)

separator

FT

Umpan toluen

FT (1-x)

Umpan Toluen ke reaktor = umpan segar toluen + recycle toluen FT = FFT + FT (1-x) FT = FFT/x Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

13

benzen difenil

Reaktan Lainnya Setelah kita menghitung laju alir reaktan pembatas, kita menggunkan rasio molar pada masukan reaktor u menghitung laju alir recycle komponen lain.

RG, yPH

5% CH4 95%H2 FG

FFT

FH

PG, (H2, CH4)

Benzen, PB separator

reaktor

difenil

FT

Umpan toluen

FH /FT = MR = rasio molar hidrogen terhadap toluen yH2FG + yPHRG = MR(FFT/x) Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

14

• Neraca massa Recycle

For x  0.75, PB  265 and FFT  273 and given molar ratio (MR). Toluene: FFT PB 273    365 x Sx 0.75 Recycle Gas: FT 

PB  MR y FH     Sy PH  x y FH  y PH  265 0.95   5      3376 0.9694(0.4)  0.75 0.95  0.4 

RG 

(from balabces: y FH FG  y PH RG  M R FG 


15

PB ) S ( y FH  y PH )

FFT x

Design Heuristic Tidak tersedia aturan memilih x untuk kasus reaksi yg komplek. Tidak tersedia aturan memilih komposisi purging, yPH atau rasio molar, MR.  Untuk kasus reaksi tunggal tebakan awal yang memungkinkan adalah x =0,96 atau x = 0,98 xeq ByProduk Reversibel Jika kita me-recycle by produk yg terbentuk oleh reaksi reversibel, dan komponen membentuk ke kesetimbangannya, seperti difenil dalam proses HDA. 2 Benzen

Difenil + H2

Pada keluaran reaktor: Keq = [Difenil][H2]/[benzen]2 Laju H2 dan benzen telah ditentukan dengan menggunakan reaksi pertama dan perhitungan purging, shg kita dpt menggunakan kesetimbangan untuk menghitung laju difenil pada keluaran reaktor. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

16

Effek Panas Reaktor Beban Panas Reaktor Untuk reaksi tunggal yg seluruh reaktan pembatas terkonversi dalam proses, beban panas reaktor : Beban Panas reaktor = panas reaksi x laju umpan segar QR = ΔHR FFT Contoh. Proses HAD

For x  0.75, PB  265 and FFT  273. QR  H R  FFT  ( 21530)(273)  5.878  10 6 But / hr


17

Perubahan temperatur adiabatis Sekali kita telah menentukan beban panas reaktor dan laju alir yg melewati reaktor sebagai fungsi variabel desain, kita dapat memperkirakan perubahan temperatur adiabatis dari persamaan: QR = F Cp (TR,in – TR,out)


18


19

• Heuristics Since the availability of the hear transfer area is limited. The heat load is limited to 6-8 million Btu/hr. For a heat load of 1  10 6 Btu/hr, Q 1  10 6 A   1000 ft 2 UT ( 20 )(50 ) The maximum heat trans fer area that fits into the shell of a floating - head heat exchanger is in the range of 6000 to 8000 ft 2 .

Heat carrier • Since heat load depends on fresh feed flow rate and Tout is also a function of recycle flow rate. • We can moderate the temperature change by increasing recycle flow rate. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

20

Heuristic Untuk proses endotermis dg beban panas kurang dari 6-8 x 106 Btu/jam, kita menggunakan reaktor isotermal dg pemanasan langsung. Untuk beban panas yg lebih besar kita harus menambahkan diluent dan heat carrier. Untuk reaksi eksotermis kita menggunkan reaktor adiabatis jika kenaikan temperatur adiabatis kurang dari 10-15% dari temperatur masuk. Jika kenaikan temperatur adiabatis melebihi nilai ini, kita menggunakan pendinginan langsung, jika beban panas reaktor kurang dari 6-8 x 106 Btu/jam. Di luar itu kita menggunakan diluent atau heat carrier. Diluent/heat carrier : zat atau komponen lain yg tidak bereaksi yg ditambahkan ke reaktan untuk mendorong konversi atau menyerap panas atau meredam kenaikan suhu. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

21

Batasan Kesetimbangan exothermic


22

Ptot ↑ MR (H2/C6H6)↑ T↓


23

• Reactor/Separator


24

•Compressor Design And Costs • Kapanpun terdapat recycle gas, kita memerlukan kompresor. • Persamaan desain untuk horsepower teoritis untuk kompresor sentrifugal adalah:  3,03 x10 hp    

5

 P   Pin Qin  out  Pin 

   



  1 



(C p / Cv )  1 C p / Cv

Tout  Pout     Tin  Pin 

Pin = lbf/ft2 , Qin = ft3/min Sebagai perhitungan awal efisiensi (eff) kompresor diasumsikan 90%. Biaya kompresor = (M & S) 280

(517,5)(bhp)0,82(2,11+Fc)

bhp = hp/eff , M &S = indeks inflasi Marshall & Swift


25



• Sensitivitas

Remarks: 1.This is an expensive equipment and normally we do not have spares. 2. Heuristic for multistage compressor: P2/P1=P3/P2=... Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

26

Pemilihan Reaktor • Decisions - type - concentration - temperature

27

- pressure - phase - catalyst

• Reaction Path Path 1

C 2 H 2  HCl   C 2 H 3Cl

EP  -$11 kmolVCM

Path 2

C 2 H 2  Cl 2   C 2 H 4 Cl 2

EP  $8.89 kmolVCM

C 2 H 4 Cl 2   C 2 H 3Cl  HCl Path 3

C 2 H 4  1 / 2O2  2 HCl   C 2 H 4 Cl 2  H 2 O EP  -$1.4 kmolVCM C 2 H 4 Cl 2 heat  C 2 H 3Cl  HCl

Remark: EP = values of products-raw materials costs Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

• Types of reaction systems Single Reaction : k A  R

(irreversible)

k A B   R (irreversible)

A  R (reversible) k1 f ,k1b

Parallel Recations : k A  R (desired) 1

k A  S (waste) 2

k A B   R (desired) 1

k A  B  S (waste) 2

Consecutive Recations : k A  R (desired) 1

k R  S (waste) 2

Remark: There are a lot of more reaction systems, e.g., mixed parallel and consecutive reactions. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

28

• Reactor concentration and temperature The objectives to design the reactor concentration and temperature profiles are: O1. to improve selectivity (minimize the generation of byproducts) O2. to increase economic potential (minimize reactor cost) O3. to facilitate downstream separation (decrease separation cost) O4. to possess operability (handle production rate changes) Remark: Certainly, there are cases which are important to ensure complete conversion of hazardous or corrosive material.


29

• Reactor concentration - single reaction Single Reaction : k A  R

- use PFR (O2) Single Reaction : k A B   R

- A/B=50/50 is most economic but with little operability - if R is HK, make LK excess (Cheng and Yu) - if B is HK and R is IK, make B excess (Cheng and Yu) - degree of excess depends on the relative reactor/separator costs (Cheng and Yu, AIChE J, 2003, 49, 682.) Remark: Note that: Total reaction rate : k (T )C A C B VR


30

• Reactor concentration - parallel reactions For the followings reactions orders of reactions become important. Parallel Recations : k A B   R (desired)

r1  k1C Aa C Bb 1

1

k A  B  S (waste)

1

r2  k 2 C Aa C Bb 2

2

2

The selectivity is related to r1 / r2 which we want to maximize. r1 k1 a a b b  C A CB r2 k 2 a1>a2 & b1>b2: keep both CA and CB high a1>a2 & b1b2: keep CA low and CB high 1

2

1

2

Ref: Ward et al. (IEC&R 2004, 43, 3957) discuss operating policies for parallel reactions in planwide control. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

31

• Reactor type - parallel reactions

Pola kontak untuk variasi kombinasi reaktan konsentrasi tinggi dan rendah pad operasi non-kontinyu

Pola kontak untuk variasi kombinasi reaktan konsentrasi tinggi dan rendah pad operasi aliran kontinyu Remark : Normally we set the temperature at the highest and yet acceptable level (Levenspiel, 1999) Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

32

• Reactor type - parallel reactions


33

• Reactor temperature - reversible reaction k ,k A   R (reversible) f

1- x

r  k f (1  x)  k b x

b

x

k f k f 0  E RTE x K eq    e 1  x kb kb0 f

b

endothermic (Ef>Eb): - high temperature favors equilibrium conversion and also gives higher reaction rate - set the temperature as high as possible exothermic (Ef<Eb): - low temperature favors equilibrium conversion but high temperature gives higher reaction rate - set the temperature high initially and decrease the temperature as equilibrium approaches


34

• Reversible reaction- remember physical chemistry

A ↔ B + heat

A + heat ↔ B


35

• Implication in reactor design - reversible and exothermic Design: series of reactors with cold shot or intermediate heat exchangers

with cold shot


36

• Reactor heat removal


37

• More reactor heat removal


38

• Reactor pressure- vapor phase reaction Irreversible single reactions: - high pressure increases vapor density and thus gives higher reaction rate (smaller reactor volume if given conversion) Reversible single reactions: 2A↔B - an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating the pressure increase (RHS) and thus increases the equilibrium conversion (Le Chatelier’s principle). A ↔ 2B - an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating the pressure increase (LHS) and thus decreases the equilibrium conversion.

39

• Summary - heat removal

40

• Summary - reactor design

AB A↔B A R A S A+B  R A+B  S A R S (More detail see : Levenspile, 1999 and Smith, 2005) 41

Recycle Economics input/output: favors zero conversion and no purge recycle: favor large conversion and purge

42

Terima kasih 43


LEVEL - 3: RECYCLE STRUCTURE. Teknik Kimia Unila

Recommend Documents