tahun BAB XIII KESIMPULAN

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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.

161

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

R-1

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun

(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)

R-2

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

1,0000

30,0592

Total

b. Menghitung harga Z umpan

Z=1+

BPc Pr . RTc Tr

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)

R-3

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun Daftar 3. Penentuan Nilai Koefisien Untuk Menghitung Z Komponen

Yi

Yi∙Pci

Yi∙Tci

Yi.ωi

O-xylene

0,0165

0,6164

10,4061

0,0052

M-xylene

0,0002

0,0058

0,1014

0,0001

0,0101

0,3526

1,3396

0,0006

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

Carbon monoxide Carbon dioxide

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

R-4


Z

= 1+

BPc Pr . RTc Tr

= 1 + (0,0495)∙(0,0351/4,4555) = 1,0004

c.

Menghitung densitas umpan

  =

P  BM Z  R T

(1,4 atm)(30,0571 gr / mol ) (1,0004 )(82,05 atm.cm 3 / molK )(623,15 K )

= 8,2272.10-4 gr/cm3 = 0,8227 kg/m3

d.

Menghitung viskositas umpan Viskositas campuran gas dapat diestimasi dengan persamaan Herning dan Zipperer : 𝜇𝑔 =

∑(𝑦𝑖 .𝐵𝑀𝑖 0,5 .𝜇𝑖 ) ∑(𝑦𝑖 .𝐵𝑀𝑖 0,5 )

Dimana : yi = fraksi mol masing-masing komponen; BMi= Berat molekul masing-masing komponen (gram/mol); µi = viskositas komponen (cp).

e. Konduktivitas thermal umpan (kG) Konduktivitas termal campuran gas dapat diestimasi dengan persamaan : ∑(𝑦𝑖 . 𝐵𝑀𝑖 1/3 . 𝑘𝑖 ) 𝑘𝑔 = ∑(𝑦𝑖 . 𝐵𝑀𝑖 ) Dimana : yi

= fraksi mol masing-masing komponen;

BMi= Berat molekul masing-masing komponen (gram/mol); ki

= konduktivitas termal masing-masing komponen (cp).

R-5


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

𝐼𝐷𝑏 =

𝑁𝑡 𝐶2 𝑂𝐷𝑡 ( 𝐶1 )

(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. 𝐼𝐷𝑠 = 𝐼𝐷𝑏 +

(28,571 𝐼𝐷𝑠 + 44,256) 100

R-6

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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 : 𝐼𝐷

ℎ𝑖𝑜 = ℎ𝑖 × 𝑂𝐷𝑡

𝑡

Untuk mengevaluasi nilai hi, digunakan persamaan : ℎ𝑖. 𝐼𝐷 = 0,027(𝑅𝑒𝑡 )0,8 (𝑃𝑟𝑡 )1/3 𝑘𝑔 Dengan, 𝑃𝑟𝑡 =

𝑐𝑝 . 𝜇𝑔 𝑘𝑔

𝑐𝑝𝑔 = 𝑦𝑖 × 𝑐𝑝𝑖 𝜋. 𝐼𝐷𝑡 2 𝑎𝑡 = 4 𝐹𝑚 𝐺= 𝑎𝑡 × 3600 Dimana : ℎ𝑖𝑜

= koefisien transfer panas di tube, kJ/m2.jam.K

𝑘𝑔

= konduktivitas panas gas, kJ/m.jam.K

𝐹𝑚

= kecepatan aliran massa gas, kg/jam

𝑎𝑡

= luas flow area tube, m2

𝑐𝑝𝑖

= kapasitas panas gas komponen, kJ/kmol/K

𝑐𝑝

= kapasitas panas gas campuran, kJ/kmol/K

𝑅𝑒𝑡

= bilangan Reynold tube = 500

𝑃𝑟𝑡

= bilangan Prandtl tube

𝑂𝑑𝑡

= diameter luar tube, m

2. Kecepatan transfer panas shell side (ho) Pada bagian shell akan dialirkan pendingin berupa molten salt dengan spesifikasi sebagai berikut :

R-7

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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 : ℎ𝑜. 𝐷𝑒 = 0,36(𝑅𝑒𝑠 )0,55 (𝑃𝑟𝑠 )1/3 𝑘𝑐 dengan, 𝐷𝑒 . 𝐺𝑐 𝜇𝑐 𝑐𝑝𝑐 . 𝜇𝑐 𝑃𝑟𝑠 = 𝑘𝑐

𝑅𝑒𝑠 =

𝐷𝑒 =

𝑎𝑠 =

𝐼𝐷𝑠 . 𝐶 ′ . 𝐵 𝑃𝑇

𝐺𝑐 =

𝑊𝑠 𝑎𝑠 × 3600

1 1 4 (2 . 0,866. 𝑃𝑇 2 − 8 . 𝜋. 𝑂𝐷2 ) 1 2 . 𝜋. 𝑂𝐷

ℎ𝑜

= koefisien transfer panas di shell, kJ/m2.jam.K

𝑘𝑐

= konduktivitas panas pendingin, kJ/m.jam.K

𝑊𝑠

= kecepatan aliran massa pendingin, kg/jam

𝐺𝑐

= fluks aliran massa pendingin, kg/m2.s

𝜇𝑐

= viskositas pendingin, kg/m.s

𝑘𝑐

= konduktivitas panas pendingin, kJ/m.jam.K

𝑎𝑡

= luasflow area shell, m2.

𝑃𝑇 , 𝐶 ′ , 𝐵

= lebar pitch, clearance, dan baffle size, m

𝐷𝑒 , 𝐼𝐷𝑠

= diameter ekivalen dan diameter dalam shell, m.

l. Menghitung koefisien transfer panas overall (Ud) Koefisien transfer panas pipa bersih:

R-8


𝑈𝑐 =

ℎ𝑖𝑜. ℎ𝑜 ℎ𝑖𝑜 + ℎ𝑜

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 𝑈𝑑 =

1 1 𝑅𝑑 + 𝑈𝑐

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 : 27000 𝑘 = exp (− ( ) + 19,837) 𝑅𝑇 Dimana : T

= suhu (K)

R

= konstanta gas = 1,987 kal/gmol K R-9

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun Nilai POX dan PO2 dapat divelauasi menggunakan persamaan: 𝑃𝑂𝑋 = 𝑦𝑂𝑋 × 𝑃 𝑃𝑂2 = 𝑦𝑂2 × 𝑃 dengan, yOX

= fraksi mol o-xylene;

yO2

= fraksi mol oksigen;

P

= tekanan total, atm.

Untuk gas berlaku : Pi

=

Fi xPt Ft

Untuk menghitung Fi, disusun neraca massa berdasarkan data selektivitas yang telah diketahui pada Daftar selektivitas:

Daftar 4. Perhitungan Reaksi Komponen dalam Reaktor 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

82814,9495

60,5767

-1,2000

TOTAL Sehingga :

R-10


Pox =

=

Fox0(1  X ) P Fox0(60,5767  1,2000 X )

(1  X ) P (60,5767  1,2000 X ) 𝐹

0−8,5720.𝐹𝑜𝑥0.𝑋

𝑃𝑂2 = 𝐹𝑜𝑥0𝑂2(60,5767−1,2000 𝑋)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 + Z Xa + z

Fa Xa

ID

OD

Z=L

Z=0 z

Gambar 11. Penampang Aliran dalam Tube Neraca massa pada elemen volume ∆V : 𝑅𝑎𝑡𝑒 𝑜𝑓𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 − 𝑅𝑎𝑡𝑒 𝑜𝑓 𝑚𝑎𝑠𝑠 𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 + 𝑅𝑎𝑡𝑒 𝑜𝑓 𝑟𝑒𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑅𝑎𝑡𝑒 𝑜𝑓𝑎𝑐𝑐𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛 Pada steady state, akumulasi = 0, maka : Fox-z = Fox-Z+∆Z - (-rox). Nt. ∆V. (1- ε). ρB

R-11


Fox  Foxz  z  (rox )  B .N t . / 4.( ID )2 .Z .(1   ) z Z FoxZ  FoxZ  Z Z

  (rox ). B .Nt. / 4.( ID)2.(1   )

dFox  (rox ). B .Nt. / 4.(ID)2.(1   ) dZ

lim = ∆Z→0

Dimana : Fox

= Fox0 (1 - X)

dFox = -Fox0 . d X

Maka :

 Fox0.dX  (rox ). B .Nt. / 4.(ID)2 .(1   ) dZ

dX dZ



(rox ). B .Nt. / 4.(ID)2 .(1   ) Fox0

(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;

ε

= porositas katalis dalam bed, ε = 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: 𝑄𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 − 𝑄𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 + 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 = 𝑄𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖

R-12

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun ∑ 𝐹𝑖 𝐶𝑝𝑖 (𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)|𝑧 − ∑ 𝐹𝑖 𝐶𝑝𝑖 (𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)|𝑧+∆𝑧 + ∑(−∆𝐻𝑅𝑖 ). 𝑟𝑖 . 𝜌𝑏. 𝐴. ∆𝑧 − 𝑈𝐷 . 𝜋. 𝑂𝐷. 𝑁𝑡. ∆𝑧(𝑇 − 𝑇𝑐) = 0 (𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)|𝑧+∆𝑧 − (𝑇 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)|𝑧 lim ∑ 𝐹𝑖 𝐶𝑝𝑖 ( ) ∆𝑧→0 ∆𝑧 = ∑(−∆𝐻𝑅𝑖 ). 𝑟𝑖 . 𝜌𝑏. 𝐴 − 𝑈𝐷 . 𝜋. 𝑂𝐷. 𝑁𝑡(𝑇 − 𝑇𝑐) 𝑑𝑇 = ∑(−∆𝐻𝑅𝑖 ). 𝑟𝑖 . 𝜌𝑏. 𝐴 − 𝑈𝐷 . 𝜋. 𝑂𝐷. 𝑁𝑡(𝑇 − 𝑇𝑐) 𝑑𝑧 𝑑𝑇 ∑(−∆𝐻𝑅𝑖 ). 𝑟𝑜𝑥 . 𝜌𝑏. 𝐴 − 𝑈𝐷 . 𝜋. 𝑂𝐷. 𝑁𝑡(𝑇 − 𝑇𝑐) = ∑ 𝐹𝑖 𝐶𝑝𝑖 𝑑𝑧

∑ 𝐹𝑖 𝐶𝑝𝑖

Keterangan : Z

= tebal tumpukan katalis, m

𝑈𝐷

= koefisien transfer panas overall, kJ/m2 K.jam

−∆𝐻𝑅𝑖

= 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: 𝑄𝑖𝑛𝑝𝑢𝑡 − 𝑄𝑜𝑢𝑡𝑝𝑢𝑡 + 𝑄𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖 = 𝑄𝑎𝑘𝑢𝑚𝑢𝑙𝑎𝑠𝑖 𝑊𝑠 𝐶𝑝𝑐 (𝑇𝑐 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)|𝑧+∆𝑧 − 𝑊𝑠 𝐶𝑝𝑐 (𝑇𝑐 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)|𝑧 + 𝑈𝐷 . 𝜋. 𝑂𝐷𝑡. 𝑁𝑡. ∆𝑧(𝑇 − 𝑇𝑐) = 0 (𝑇𝑐 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)|𝑧+∆𝑧 − (𝑇𝑐 − 𝑇𝑟𝑒𝑓)|𝑧 lim 𝑊𝑠 𝐶𝑝𝑐 ( ) ∆𝑧→0 ∆𝑧 = − 𝑈𝐷 . 𝜋. 𝑂𝐷𝑡. 𝑁𝑡(𝑇 − 𝑇𝑐) 𝑊𝑠 𝐶𝑝𝑐

𝑑𝑇𝑐 = −𝑈𝐷 . 𝜋. 𝑂𝐷𝑡. 𝑁𝑡(𝑇 − 𝑇𝑐) 𝑑𝑧

R-13

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 𝑑𝑇𝑐 −𝑈𝐷 . 𝜋. 𝑂𝐷𝑡. 𝑁𝑡(𝑇 − 𝑇𝑐) = 𝑑𝑧 𝑊𝑠 𝐶𝑝𝑐

(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) 𝑑𝑃 𝐺(1 − 𝜀) 150(1 − 𝜀)𝜇𝑔 = −9,8692. 10−6 [ + 1,75𝐺] 𝑑𝑧 𝜌. 𝐷𝑝. 𝜀 3 𝐷𝑝

(38)

dengan, 𝐺

= fluks aliran massa gas dalam reaktor, kg/m2.s

𝜀

= porositas katalis

𝐷𝑝

= diameter partikel katalis, m

𝜇𝑔

= 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;

R-14

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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')

R-15

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

R-16

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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 fprintf('suhu masuk fprintf('suhu keluar

= %8.4f\n',x(end)) = %8.4f K\n',T0) = %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);

R-17

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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;

R-18

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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;

R-19

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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;

R-20

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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)

R-21

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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+2.3212E11*T^4;

R-22

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun cpmx=-1.6725E+01+5.6424E-01*T-2.6465E-04*T^2+1.3381E08*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-06T^4*5.5647E-10; cpta=5.8310E+00+T*3.2470E-01+T^2*4.8726E-04-T^3*8.7808E07+T^4*3.7290E-10; cppd=1.9986E+01+T*7.7860E-01+T^2*2.9980E-04+T^3*1.7486E08+T^4*5.6823E-11; cpba=1.6158E+01+T*2.8234E-01+T^2*1.7811E-04-T^3*3.2176E07+T^4*1.0752E-10; cpca=-4.4280E+01+T*9.7863E-01-T^2*1.3251E-03+T^3*9.3278E-07T^4*2.5668E-10; cpco=2.9556E+01-T*6.5807E-03+T^2*2.0130E-05-T^3*1.2227E08+T^4*2.2617E-12; cpco2=2.7437E+01+T*4.2315E-02-T^2*1.9555E-05+T^3*3.9968E-09T^4*2.9872E-13; cpo2=2.9526E+01-T*8.8889E-03+T^2*3.8083E-05-T^3*3.2629E08+T^4*8.8607E-12; cpn2=2.9342E+01-T*3.5395E-03+T^2*1.0076E-05-T^3*4.3116E09+T^4*2.5935E-13; cph2o=3.3933E+01-T*8.8146E-03+T^2*2.9906E-05-T^3*1.7825E08+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;

R-23

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

R-24

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

R-25


%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*(1eps)*miugas/Dp)+1.75*Gt); dY=[dxdz dTdz dTcdz dPdz]'; end ========================================================== ======== Grafik hasil run MATLAB :

1 0.9 0.8

conversion

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

0

2

4

6 z,m

8

10

12

Gambar 1. Grafik Konversi Total o-xylene Terhadap Tinggi Bed

R-26


636

634

suhu,K

632

630

628

626

624

622 0

2

4

6 z,m

8

10

12

Gambar 2. Grafik Temperatur dalam Tube Terhadap Tinggi Bed 604

suhu pendingin, K

603

602

601

600

599

598

0

2

4

6 z,m

8

10

12

Gambar 3. Grafik Temperatur Pendingin dalam Shell terhadap Tinggi Bed

R-27


6 5.5 5

tekanan,atm

4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5

0

2

4

6 z,m

8

10

12

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)

R-28

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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 = =

P.Ri  0,125 f .E  0,6 P (111,16 psi)(101,59in)  0,125in (16250 psi)(0,8)  0,6(111,16 psi)

= 0,998 in untuk perancangan digunakan tebal shell standar 1 inch.

Diameter luar

= IDS + 2.ts = 205,1811 in = 5,2116 m

R-29

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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: = 1/2 IDS

a

= 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-

BC2  AB2

= 39,9872 in

Tebal head (th) dihitung dengan persamaan : 𝑡ℎ =

0,885. 𝑃. 𝐼𝐷𝑆 +𝐶 𝑓. 𝐸 − 0,1. 𝑃

R-30

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun Bahan head diambil sama dengan bahan shell 0,885x27,6931 psi 𝑥 (122,92 𝑖𝑛)

1

𝑡ℎ = 14.900 𝑝𝑠𝑖 𝑥 0,8 − 0,1 𝑥 27,6391 psi + 8 𝑖𝑛 = 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 = B∙Nt∙/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 R-31

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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) = π/4.L.IDS2 + 2 (0,000049. IDS3) = π/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

Berat molekul campuran gas umpan 𝜌=

= 23,0042 kg/s = 30,0592 kg/kgmol

1,55 𝑎𝑡𝑚. 101,325 (30,0592 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙) 𝑘𝑔 = 0,9112 3 8,314. (623.15 𝐾) 𝑚

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

𝑘𝑔 -0.35 𝑚3

)

= 1.119,8077 mm = 41,0869 in

Diambil ukuran pipa dengan spesifikasi sebagai berikut : NPS

= 42 in

OD

= 42 in

R-32

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun Tipe

= Standard

ID

= 41,25 in

(Kern Table 11,1950)

11. Pipa Pengeluaran Gas Hasil Reaksi Jumlah gas keluar

= 82.814,9495 kg/jam

BM campuran gas keluar reaktor 𝜌=

= 23,0042 kg/s = 29,0671 kg/kgmol

1,31.101,325(29,0671) 𝑘𝑔 = 0,7438 3 8,314. (623,9373 𝐾) 𝑚

Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran gas dipakai persamaan Coulson berikut: = 226 (G)0.50 ()-0.35

Dopt

= 226 (23,0042 kg/s)0.50 (0,7438 kg/m3)-0.35 = 1.202,2876 mm = 61,3342 in


= 42 in

OD

= 42 in

Tipe

= Standard

ID

= 41,25 in


12. Pipa pemasukan pendingin Molten salt masuk shell reaktor pada suhu 325.83 oC = 598,9819 K, adapun densitas molten salt adalah: ρs

= 340,2329 kg/m3

Jumlah molten salt masuk

= 0,3402 g/L = 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

R-33

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun Diambil ukuran pipa dengan spesifikasi sebagai berikut : NPS

= 6 in

OD

= 6,625 in

Tipe

= 40

ID

= 6,065 in


13. Pipa pengeluaran pendingin Molten salt keluar shell reaktor pada suhu 330 oC = 603,15 K, adapun densitas molten salt adalah: ρs

= 340,2329 kg/m3

Jumlah molten salt keluar

= 0,3402 g/L = 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


= 6 in

OD

= 6,625 in

Tipe

= 40

ID

= 6,065 in


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 :

R-34

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun  Perpindahan panas pada keadaan steady state sehingga q1 = q2 = q3 = q4  Suhu pada permukaan shell sebelah dalam (T1) adalah sama dengan ratarata suhu pendingin dalam shell. Untuk menghitung T1 digunakan persamaan: 𝑆𝑢ℎ𝑢 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 + 𝑠𝑢ℎ𝑢 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 2 (603,15 − 273,15)℃ + (598,9819 − 273,15)℃ 𝑇1 = 2

𝑇1 =

𝑇1 = 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 sifatsifat berikut (Holman, 1986): Densitas bahan

: 7817 kg/m3

Kapasitas panas

: 0,46 kJ/kgoC R-35

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun : 16,3 W/m0C (200 0C)

Konduktivitas panas (ks)

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: 𝑇 − 200℃ 𝑘𝑠 − 16,3 = 600℃ − 200℃ 22 − 16,3 327,9160 ℃ − 200 ℃ 𝑥(22 − 16,3) 600℃ − 200 ℃ 𝑊 𝑘𝑠 = 18,1228 𝑚. 𝐾 𝑘𝑠 = 16,3 +

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: 𝑇3 + 𝑇𝑎 2 30℃ + 50℃ 𝑇𝐹 = 2 𝑇𝐹 =

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 (β)

= 3,1949. 10-3 K-1

 Konduktivitas termal gas (k)

= 0,0272 W/(m.K)

 Densitas gas (ρ)

= 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 𝑅𝑎 =

𝑔. 𝛽. (𝑇3 − 𝑇𝑎 ). 𝐿3 𝑥𝑃𝑟 𝑣2

R-36

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun : g = percepatan gravitasi (9,8 m2/s)

dengan

L= panjang pipa over design reaktor (m)

9,8 𝑅𝑎 =

𝑚 𝑥10−3 1 𝑥 3,1949 𝑥 (323,15 − 303,15)𝐾𝑥(11 𝑚)3 𝐾 𝑠2 𝑥0,7051 (1,7 𝑥10−5 𝑚2 /𝑠)2

𝑅𝑎 = 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): ℎ𝑐 = 0,1

ℎ𝑐 = 0,1

𝑊 0,0272 𝑚 𝐾

11 𝑚 𝑊 ℎ𝑐 = 3,5197 2 𝑚 𝐾

𝑘 (Gr. Pr)1/3 𝐿

(2,884𝑥1012 )1/3

b. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Radiasi (hr) Untuk menentukan koefisien perpindahan panas radiasi (hr) digunakan persamaan: ℎ𝑟. (𝑇3 − 𝑇𝑎 ) = ℰ. . (T3 4 − Ta 4 )

(Holman, 1986)

dengan: 

= Konstanta Boltzman

ℰ

= emisivitas dinding isolator = 0,93

ℎ𝑟 =

= 5,669.10-8W/m2K4

0,93 𝑥 5,669𝑥10−8 𝑥 ((323,15 𝐾)4 − (303,15 𝐾)4 ) (323,15 𝐾 − 303,15 𝐾) ℎ𝑟 = 6,4733

𝑊 𝑚2 𝐾

c. Menghitung Panas Tiap Lapisan Perpindahan panas di tiap lapisan dianggap steady state, sehingga q1= q2 = q3 = q4. Nilai q4 dihitung dengan persamaan:

R-37

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun q4 = (hc + hr). 2.π.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: 𝑞3 =

𝑞3 =

2. 𝜋. 𝐿(𝑇2 − 𝑇3 ) 𝑅 ln(𝑅3 ) 2 𝑘𝑖𝑠

2(0,0883) 𝜋. 𝐿. (𝑇2 − 323,15) 𝑅3 ln( ) 2,6058 𝑚

Nilai q2 dihitung dengan persamaan: 𝑞2 =

2. 𝜋. 𝐿(𝑇1 − 𝑇2 ) 2. 𝜋. 𝐿(𝑇1 − 𝑇2 ) = 𝑅 2,6058 𝑚 ln (𝑅2 ) ln ( ) 2,5804 𝑚 1 𝑊 𝑘𝑠 18,1228 𝑚 𝐾

𝑞2 = 3700,3042. 𝜋. 𝐿. (601,0660 𝐾 − 𝑇2 ) 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. 𝜋. 𝐿. (601,0660 𝐾 − 𝑇2 ) 𝑇2 = 601,0660 − 0,1080𝑅3 e. Menghitung Nilai Jari-jari Reaktor Setelah Diisolasi (R3) Nilai R3 dapat dihitung dengan persamaan: q3 = q4 𝑞3 =

2(0,0883) 𝜋. 𝐿. (𝑇2 − 323,15) = 399,7206 . R3. L 𝑅3 ln( ) 2,6058 𝑚 𝑇2 = 323,15 + 2407,9552 𝑅3 . ln (

𝑅3 ) 2,6058 𝑚

R-38


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: 𝑇2 = 601,0660 − 0,1080 𝑅3 𝑇2 = 600,7723 𝐾 = 327,6223 𝑜𝐶 f. Mengitung Jumlah Panas yang Hilang ke Lingkungan Untuk mencari besarnya nilai panas yang hilang ke lingkungan digunakan persamaan: Qloss = (hc + hr).2.π.R3.L.(T3 – Ta) 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 = (3,5197 + 6,4733)

𝑊 . 2. . 2,7187 m. 11 m(323,15 − 303.15 K) 𝑚2 𝐾 𝑄𝑙𝑜𝑠𝑠 = 37554,1273 𝑊𝑎𝑡𝑡

RESUME Kode

: R-01

Fungsi

: mereaksikan o-xylene dan udara menjadi phthalic

anhydride dengan

kapasitas 165629,90 kg/jam R-39

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

R-40

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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).

SC-1

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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 =

 / 4 ( IDs  1, 080)2  0,9   PT ( IDs  1, 080)(0, 69n  0,8) 1, 223PT 2

(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 : 𝑄 = 𝐹. 𝐶𝑝. (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑜𝑢𝑡) (2) 𝑄 = 𝐹𝑠. 𝐶𝑝𝑠. (𝑇𝑠𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑢𝑡) (3)

SC-2


(𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑢𝑡) − (𝑇𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑠𝑖𝑛) 𝑄 = 𝑈𝑑. 𝐴. ( ) (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑢𝑡) 𝑙𝑛 (𝑇𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑠𝑖𝑛) 𝐴 = 𝜋. 𝑂𝐷𝑡𝑢𝑏𝑒. 𝑧. 𝑛𝑡𝑢𝑏𝑒 (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

SC-3

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

M-xylene

96,10 106,17

0,91

0,00265

340,44

0,99722

Water

6133,44

Total

6234,37

18,02

18,26

341,39

Daftar 2. Daftar Sifat Fisis (Kapasitas Panas) Komponen A Komponen

Fraksi

T rata rata

Cp

mol i

(K)

(J/molK)

O-xylene

0,00013

M-xylene

0,00265

Water

0,99722

Cp gabungan

221,01 553,65

218,31

36,05

35,54

Komponen B Daftar 3. Daftar Sifat Fisis Komponen B Komponen

mi (kg)

BM

10410,14

148,12

70,28

0,9358

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

Phthalic anhydride Maleic anhydride

10916,57

ni (kmol)

Fraksi mol i

BM gabungan

145,36

75,10

SC-4

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun Daftar 4. Daftar Sifat Fisis Komponen B Komponen

Fraksi mol i

Cp (J/molK)

0,9358

188,54

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

Cp gabungan

Phthalic anhydride Maleic 188,08

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

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

1,56 39,95

0,04

7,546.10-06

Argon

148478,96

28,71

5170,97

Daftar 6. Daftar Sifat Fisis (Kapasitas Panas) Komponen C Komponen

Fraksi mol i

Cp (J/molK)

monoxide

0,0230

30,22

Carbon dioxide

0,0126

45,52

Oxygen

0,1251

31,57

Nitrogen

0,8393

29,76

7,546.10-06

20,79

Cp gabungan

Carbon

Argon

30,33

SC-5

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

Fraksi

T rata

Cp gabungan

BM gabungan

n

mol

rata (K)

(J/mol.K)

(kg/kmol)

A

0,0611

B

0,0134

553,65

32,78

29,64

C

0,9255

Dari Persamaan 2 maka didapatkan nilai : mol Joule . 32,82 . (350 − 211)𝐾 sekon mol. K Joule 𝑄 = 7080912,626 sekon

𝑄 = 1552,06

Dari Persamaan 2 maka didapatkan nilai : 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑚 𝑇𝑠𝑖𝑛 = + (140 + 273,15)𝐾 𝑘𝑔 𝐽 32,82 . 1988 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 𝑘𝑔. 𝐾 7080912,626

𝑇𝑠𝑖𝑛 = 220,5 C = 493,64 K Dari Persamaan 3 maka didapatkan nilai : 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 𝑧= (350 − 220,5) − (211 − 140) 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 94,34 𝑚2. 𝐾 . 2.3,14.0,018375 𝑚. 3876. 350 − 220,5 𝑙𝑛 211 − 140 7080912,62

𝑧 = 3,44 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 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 : SC-6

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 𝑄 = (𝑚𝑎. ∆𝐻𝑣𝑎) + (𝑚𝑏. ∆𝐻𝑣𝑏) + (0,8. 𝑚𝑎. ∆𝐻𝑠𝑎) + 𝐹𝑐. 𝐶𝑝𝑐. (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑜𝑢𝑡) (5) 𝑄 = 𝐹𝑠. 𝐶𝑝𝑠. (𝑇𝑠𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑢𝑡) (6) (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑢𝑡) − (𝑇𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑠𝑖𝑛) 𝑄 = 𝑈𝑑. 𝐴. ( ) (𝑇𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑢𝑡) 𝑙𝑛 (𝑇𝑜𝑢𝑡 − 𝑇𝑠𝑖𝑛) 𝐴 = 𝜋. 𝑂𝐷𝑡𝑢𝑏𝑒. 𝑧. 𝑛𝑡𝑢𝑏𝑒 (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)


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

SC-7

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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)

A B

431,15

C

Cpv (J/mol.K)

Cpl (J/mol.K)

34,79397633

78,82458417

151,5327478

252,5324306

29,65969773

Perhitungan nilai panas pengembunan komponen A dan B Daftar 9. Perhitungan Panas Pengembunan Komponen A dan B Komponen

O-xylene

M-xylene

Tc

A

n

Hvi

Fraksi

630,3

0,3

32,1

0,000

7

8

5

3

617,0

0,4

29,8

0,005

5

6

1

6

791,0

0,0

53,5

0,607

0

4

3

0

721,0

0,2

46,8

0,020

0

2

4

8

751,0

0,3

61,2

0,001

0

9

1

4

710,0

0,0

43,6

0,001

0

4

1

4

751,0

0,3

53,6

0,005

79,55

0

8

9

2

121,1

829,0

0,3

86,5

0,000

9

0

8

4

7

647,1

0,3

33,4

0,357

3

2

4

6

(K)

55,61

60,22

Phthalic anhydride

Maleic anhydride

Toluic acid

Phthalide

Benzoic acid

Citraconic acid

Water

55,50

59,57

91,44

45,55

52,05

Hv

Hv parsial (kJ/mol)

0,01

0,17

32,49

0,97

0,09

0,06

0,28

0,06

11,96 46,09

SC-8


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 : 𝑄 = 11,61

𝑚𝑜𝑙 𝐽 𝑚𝑜𝑙 𝐽 . 46088,75 + 0,8.20,86 . 2815,40 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑙 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑜𝑙 𝐽 + 144,21 . 29,65 . (211 − 105)𝐾 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 𝑚𝑜𝑙. 𝐾 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑄 = 9894987,20 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛

Dari Persamaan 6 didapatkan nilai : 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑚 𝑇𝑠𝑖𝑛 = (140 + 273,15)𝐾 − 𝑘𝑔 𝐽 44,4 . 1988 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 𝑘𝑔. 𝐾 9894987,20

𝑇𝑠𝑖𝑛 = 301,15 𝐾 = 28 C Dari Persamaan 7 maka didapatkan nilai : 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 𝑧= (211 − 140) − (105 − 28) 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 94,34 𝑚2. 𝐾 . 2.3,14.0,018375 𝑚. 3876. 211 − 140 𝑙𝑛 105 − 28 9894987,2

𝑧 = 6,34 𝑚𝑒𝑡𝑒𝑟 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

SC-9

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡

93,124

= 10 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡

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 : 𝑄𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝑚𝑏. ∆𝐻𝑠𝑏) (10) 𝑄 = 𝐹𝑠. 𝐶𝑝𝑠. (𝑇𝑠𝑖𝑛 − 𝑇𝑠𝑜𝑢𝑡) (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)


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

SC-10

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 

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 : 𝑄 = 20027,09 𝑚𝑜𝑙. 2815,40

𝐽 𝑚𝑜𝑙

𝑄 = 56384331,36 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 Dari persamaan 11 didapatkan nilai : 𝑄𝑠 = 0,7161

𝑘𝑔 𝐽 . 1988 . (130 − 100)𝐾 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛 𝑘𝑔. 𝐾

𝑄𝑠 = 46986,967

𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛

Maka didapatkan waktu melting total adalah sebagai berikut : 𝑡=

56384331,36 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 = 1,99 𝑚𝑒𝑛𝑖𝑡 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒 46986,967 𝑠𝑒𝑘𝑜𝑛

Maka waktu total 1 siklus operasi Switch Condenser adalah = 12 menit Gann Chart untuk proses batch didalam Switch Condenser adalah sebagai berikut :

Tahap Receiving

Tahap Melting

10 menit

10 menit

10 menit

2

2

2

2

menit

menit

menit

menit

SC-01 SC02

Gambar 2. Gannt Chart Proses di dalam Switch Condenser SC-11

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

=2m

Panjang zona 2 = 6,34 m Jumlah tube

= 3876

𝜌 padatan

= 1231 kg/m3

Volume padatan = 𝜌 padatan.m padatan = 1,18 m3 Volume ruang kosong tanpa padatan =

3,14 4

. 𝐼𝐷𝑠 2 . 𝑧 −

3,14 4

. 𝑂𝐷𝑡 2 . 𝑧. 𝑁𝑡𝑢𝑏𝑒

= 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 𝑚3

Luas padatan tiap tube = 0,00030 m3/6,34 m = 4,8.10-5 m2 Diameter luar tube + tebal padatan = √4,8.10−5 .

3,14 4

+ 0,0183752 = 0,019 𝑚

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

SC-12


𝑇𝑎𝑣𝑔 =

350 − 105 = 227,5 𝐶 = 441,5 𝐹 2

𝜇𝑢𝑎𝑝 = 0,0135 𝑐𝑝 = 0,0327

𝑙𝑏

dari figure 15 Kern

𝑓𝑡.ℎ𝑟

Persamaan 7.5 Kern 𝑑𝑒 =

4. (0,5. 𝑃𝑡. 0,86. 𝑃𝑡 − 0,5. 𝜋. 0,5. 𝜋. 𝑂𝐷𝑡𝑢𝑏𝑒

𝑂𝐷𝑡𝑢𝑏𝑒 2 ) 4 = 0,7094 𝑖𝑛 = 0,0591 𝑓𝑡

𝑚𝑖 27605,0 𝑊 0,454 0,454 𝐺𝑠 = = = 39,21 𝑎𝑠 𝐼𝐷𝑠. (𝑃𝑡 − 𝑂𝐷𝑡). 𝐵 39,21. (0,75 − 1). 144.1 ! 44. 𝑃𝑡 = 22780,4

𝑅𝑒 =

𝑙𝑏 𝑓𝑡 2 . ℎ𝑟

𝑑𝑒. 𝐺𝑠 = 41221 𝜇𝑢𝑎𝑝

𝑓 = 0,001

𝑓𝑡 2

figure 29 Kern

𝑖𝑛2

Jumalah cross = N+1 = 12.

𝑧𝑡𝑢𝑏𝑒 𝐵

=

12.32,09 39,21

= 9,82

BM uap = 29,64 𝜌 𝑢𝑎𝑝 = 0,0451 s=

𝜌𝑢𝑎𝑝 12

𝑙𝑏 𝑓𝑡 3

= 0,00072

𝐷𝑠 =

𝐼𝐷𝑠 39,21 = = 3,27 𝑓𝑡 12 12

∆𝑃 =

0,5. 𝑓. 𝐺𝑠 2 . 𝐷𝑠. (𝑁 + 1) = 3,74 𝑝𝑠𝑖 = 0,254 𝑎𝑡𝑚 5,22. 1010 . 𝑑𝑒. 𝑠

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

SC-13


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 =

pd c 2 f  E

(Persamaan 3.16, Brownell, hal. 45)

Tekanan dalam dinding dengan persamaan : p=

L H  1 144

(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 ρL = densitas airan, lb/ft Gabungan dari dua persamaan tersebut menghasilkan : t =

t =

L H  1  12 D 144  2  f  E

c

54   H  1 12 D  0, 07874 288  12650  0,80

t = 2,09∙10-4 (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

SC-14

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun vertikal (allowance vertical welded joint) dan lebar plate 6 ft. Panjang plate dapat dicari dengan menggunakan persamaan sebagai berikut : L =

  d  weld length 12 n

Dimana : L = panjang plate, ft d = diameter dalam tangki + tebal shell, in n = jumlah course Weld length = 2 × allowable weld joint Course 1

t1  2, 209.104  32,1  1 3, 26   0, 07874  0,121 in Digunakan tebal shell 0,1875 in :

L1 

3,14  78,74  0,1875  10  5 / 32   3, 42 ft 12  6

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 1 2 3 4 5 6

H (ft) 32,100 26,100 20,100 14,100 8,100 2,100

t (in) t standard (in) 0,121 0,1875 0,113 0,1875 0,105 0,1875 0,097 0,1875 0,088 0,1875 0,080 0,1875

D (in) L plate (ft) 78,740 3,420 78,740 3,420 78,740 3,420 78,740 3,420 78,740 3,420 78,740 3,420

A.5.2. Menghitung Diameter Pipa Pengisian dan Pengeluaran 

Pipa Pemasukan Gas

Jumlah gas masuk (G)

= 165629,9 kg/jam

Berat molekul campuran gas umpan 𝜌=

= 46,00 kg/s = 28,175 kg/kgmol

1,3 𝑎𝑡𝑚. 101,325 (28,175 𝑘𝑔/𝑘𝑚𝑜𝑙) 𝑘𝑔 = 0,716 3 8,314. (350 + 273,15 𝐾) 𝑚

SC-15

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran gas dipakai persamaan Coulson berikut: = 226 (G)0.50 ()-0.35

Dopt

= 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 𝜌 𝑐𝑎𝑖𝑟

= 1239,60 kg/m3

BM campuran gas keluar Switch Condenser

= 28,71 kg/kgmol

𝜌 𝑔𝑎𝑠 =

1,1.101,325(28,71) 𝑘𝑔 = 0,92 3 8,314. (105 + 273,15 𝐾) 𝑚

𝜌 𝑔𝑎𝑏𝑢𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑐𝑎𝑖𝑟 𝑑𝑎𝑛 𝑔𝑎𝑠

= 2,36 kg/m3

Untuk menghitung diameter optimal pipa saluran gas dipakai persamaan Coulson berikut: = 226 (G)0.50 ()-0.35

Dopt

= 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 ratarata suhu pendingin dalam shell. Untuk menghitung T1 digunakan persamaan: 𝑇1 =

𝑆𝑢ℎ𝑢 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 + 𝑠𝑢ℎ𝑢 𝑝𝑒𝑛𝑑𝑖𝑛𝑔𝑖𝑛 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 2

SC-16


𝑇1 =

(28 − 228)℃ 2

𝑇1 = 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: 𝑇 − 200℃ 𝑘𝑠 − 16,3 = 600℃ − 200℃ 22 − 16,3 SC-17


1247 ℃ − 200 ℃ 𝑥(22 − 16,3) 600℃ − 200 ℃ 𝑊 𝑘𝑠 = 15,21 𝑚. 𝐾 𝑘𝑠 = 16,3 +

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: 𝑇3 + 𝑇𝑎 2 30℃ + 50℃ 𝑇𝐹 = 2 𝑇𝐹 =

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 (β)

= 3,1949. 10-3 K-1

 Konduktivitas termal gas (k)

= 0,0272 W/(m.K)

 Densitas gas (ρ)

= 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 𝑅𝑎 = dengan

𝑔. 𝛽. (𝑇3 − 𝑇𝑎 ). 𝐿3 𝑥𝑃𝑟 𝑣2

: g = percepatan gravitasi (9,8 m2/s) L= panjang pipa switch condenser (m)

9,8 𝑅𝑎 =

𝑚 𝑥10−3 1 𝑥 3,1949 𝑥 (323,15 − 303,15)𝐾𝑥(9,78 𝑚)3 𝐾 𝑠2 𝑥0,7051 (1,7 𝑥10−5 𝑚2 /𝑠)2

𝑅𝑎 = 2,02 𝑥1012

SC-18


Ra lebih besar dari 109, maka aliran udara adalah turbulen. Untuk menghitung koefisien transfer panas konveksi aliran turbulen digunakan persamaan (Holman, 1986): ℎ𝑐 = 0,1

ℎ𝑐 = 0,1

𝑊 0,0272 𝑚 𝐾 9,78 𝑚

ℎ𝑐 = 3,487

𝑘 (Gr. Pr)1/3 𝐿

(2,02 𝑥1012 )1/3

𝑊 𝑚2 𝐾

b. Menentukan Koefisien Perpindahan Panas Radiasi (hr) Untuk menentukan koefisien perpindahan panas radiasi (hr) digunakan persamaan: ℎ𝑟. (𝑇3 − 𝑇𝑎 ) = ℰ. . (T3 4 − Ta 4 )

(Holman, 1986)

dengan: 

= Konstanta Boltzman

ℰ

= emisivitas dinding isolator

= 5,669.10-8W/m2K4

0,93 𝑥 5,669𝑥10−8 𝑥 ((323,15 𝐾)4 − (303,15 𝐾)4 ) ℎ𝑟 = (323,15 𝐾 − 303,15 𝐾) ℎ𝑟 = 6,4733

𝑊 𝑚2 𝐾

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.π.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:

SC-19


𝑞3 =

𝑞3 =

2. 𝜋. 𝐿(𝑇2 − 𝑇3 ) 𝑅 ln(𝑅3 ) 2 𝑘𝑖𝑠

2(0,0883) 𝜋. 𝐿. (𝑇2 − 323,15) 𝑅3 ln(1 𝑚 )

Nilai q2 dihitung dengan persamaan: 𝑞2 =

2. 𝜋. 𝐿(𝑇1 − 𝑇2 ) 2. 𝜋. 𝐿(𝑇1 − 𝑇2 ) = 1,8492 𝑚 1,8492 𝑚 ln ( 𝑅 ) ln ( 1 𝑚 ) 1 𝑊 𝑘𝑠 15,21 𝑚 𝐾

𝑞2 = 7140,8271. 𝜋. 𝐿. (600,0657 𝐾 − 𝑇2 ) 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. 𝜋. 𝐿. (600,0657 𝐾 − 𝑇2 ) 𝑇2 = 600,0657 − 0,0538𝑅3 e. Menghitung Nilai Jari-jari Switch Condenser Setelah Diisolasi (R3) Nilai R3 dapat dihitung dengan persamaan: q3 = q4 2(0,0883) 𝜋. 𝐿. (𝑇2 − 323,15) = 384,2416 . R3. L 𝑅3 ln( ) 1,569 𝑚 𝑇2 = 323,15 + 2175,7735 𝑅3 . ln (

𝑅3 ) 1,5690 𝑚

Dari hasil trial diperoleh: R3

= 1,1186 m

Tebal isolasi

= R3 - R2 = (1,7186 – 1,5690) m = 0,181 m SC-20

Prarancangan Pabrik Phthalic Anhydride dari o-Xylene dan Udara dengan Kapasitas 80.000 ton/tahun 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

SC-21




-

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

SC-22

tahun BAB XIII KESIMPULAN

Recommend Documents