REAKTOR UNTUK PEMBENTUKAN
ETYLENE OXIDE
Reaksi
kimia
Reaksi
oksidasi ethylene menjadi ethylene oxide merupakan reaksi heteregon dimana
reaksi terjadi dalam fase gas dengan bantuan katalisator padat yang berupa
silver-alumina. Mekanisme reaksi yaitu reaktan harus teradsorpsi pada permukaan
katalisator, setelah reaksi terjadi di permukaan katalisator, maka zat-zat
terdesorpsi dari permukaan katalisator dan kembali ke aliran gas.
Reaksi
oksidasi ini sangat eksotermis, sebagai mana reaksi oksidasi lainnya maka untuk
menjaga suhu reaksi tidak naik tinggi sekali maka diperlukan pendinginan.
Pendingin yang digunakan adalah molten salt HITEC Heat Transfer Salt yang
dianggap lebih baik untuk mengambil panas yang besar di dalam reaksi kimia. Tentang HITEC dapat dilihat lebih lengkap di Coastal Hitec Heat Transfer Salt
Reaktor yang digunakan adalah
Reactor Fixedbed Multitubular dimana katalisator padat ditempatkan dalam
tube-tube dan pendingin mengalir di luar tube atau disebut shell.
Data-data :
☺ Kondisi operasi
Suhu :
200 – 350°C
Tekanan : 3 atm
Sifat reaksi :
eksotermis
Kondisi proses : non adiabatis-non isotermal
☺ Katalisator
Jenis : Silver on alumina
Bentuk : silinder
Ukuran : 1/8 in x 1/8 in
Bulk density, ρB: 1338 kg/m3
Particle density,ρp : 2230
kg/m3
Void space : 0.4
☺ Kinetika reaksi
Penyusunan Persamaan Diferensial (ODE)
Jika : x =
konversi Etilene membentuk Etilene oxide
Fao = jumlah mol Etilene umpan
Susunan massa
di reaktor pada suatu saat:
Komponen
|
Awal
|
Akhir
|
C2H4
|
Fao
|
Fa = Fao.(1 – x)
|
O2
|
Fbo
|
Fb = Fbo – 1.5 Nao.x
|
C2H4O
|
Fco
|
Fc = Fco + 0.6 Nao.x
|
CO2
|
Fdo
|
Fd = Fdo + 0.8 Nao.x
|
H2O
|
Feo
|
Fe = Fdo + 0.8 Nao.x
|
N2
|
Ffo
|
Ff = Ffo
|
C2H6
|
Fg
|
Fg = Fgo
|
Jumlah
|
Fto
|
Ft = Fto – 0.3 Fao.x
|
Fraksi
mol C2H4, yA
= Na/NT
Fraksi
mol O2 , yB
= Nb/NT
1. Mass balance of reactor
Neraca massa C2H4 di
reaktor dalam elemen volum :
Fa = Fao - Fao.x
Persamaan ini
didifferensialkan terhadap z : :
dengan rA adalah kecepatan reaksi berkurangnya C2H4
2. Heat balance of reactor
In a volume element:
Panas reaksi
Panas
pembentukan zat pada 25°C, ∆Hf 25
(Reid, R.C., 1977)
Component
|
ΔHf (kcal/mole)
|
C2H4
O2
C2H4O
CO2
H2O
|
12.50
0
-12.58
-94.05
-57.80
|
Reaksi
kimia
C2H4 + 1.5 O2 ----------> 0.6
C2H4O
+ 0.8 CO2 +
0.8 H2O
∆HR25 = ∑∆Hf produk - ∑∆Hf reaktan
=
0.6 (-12.58) + 0.8 (-94.05) + 0.8 (-57.80) – 12.5 - 0
=
-141.528 kkal/mol
=
-141528 kkal/kmol
Panas reaksi pada suhu T : (J.M.Smith, 1981)
∆cp = ∑ cp produk - ∑ cp reaktan
Kapasitas
panas sebagai fungsi suhu: kcal/kmole.K
:
Data from (Reid, R.C., 1977) cp = a’ + b’.T + c’.T2
+ d’.T3 ; diubah ke dalam
cp = a + b.T
Component
|
a
|
b
|
C2H4
|
4.0626
|
0.02189
|
O2
|
6.3585
|
0.00217
|
C2H4O
|
2.9694
|
0.02967
|
CO2
|
6.6090
|
0.00796
|
H2O
|
7.3625
|
0.00221
|
N2
|
6.6921
|
0.00081
|
C2H6
|
4.1689
|
0.02874
|
0.6 C2H4O+ 0.8 CO2 + 0.8 H2 O - C2H4 - 1.5
O2
|
ΔCp
|
|
ΔA
|
6.(2.9694) + 0.8 (6.6090) + 0.8
(7.3625) – 4.0626 –
1.5(6.3585)
|
-0.64151
|
ΔB
|
6.(0.02967) + 0.8 (0.00796) + 0.8 (0.00221) -0.02189-1.5(0.00217)
|
7.93E-04
|
3. Heat balance for the cooling
4.
Pressure
drop
Pressure drop is calculated using equation (5-196) Perry 1984:
Agar satuan menjadi atm/m maka akan diperoleh:
Pemilihan Pipa atau Tube
Dengan adanya butir-butir
katalisator akan menambah besar koefisien
transfer panas dalam fixed
bed beberapa kali dibandingkan dengan
pipa kosong dengan kecepatan massa yang sama. Colburn memberikan hubungan antara koefisien perpindahan
panas konveksi di dalam pipa yang berisi katalisator (hw)
dengan pipa kosong (hi) sebagai fungsi Dp/Dt. ( .J.M., Smith, 1981).
Dipakai ukuran
standar: Pipa baja ukuran : NPS = 3 in
Schedule number = 40
Do = 3.50 in = 0.0889 m
Di = 3.068 in =
0.0779 m
Akan diperoleh
koreksi hw / hi = 5.4
Susunan Tube
Dalam Reaktor
Dipilih susunan
tube square pitch
Menentukan
UD (design overall coefficient)
1. hi (inside
convection coefficient) :
Untuk aliran
turbulent dalam pipa tanpa katalis, digunakan
persamaan.Sieder-Tate
(eq.6.2, D.Q., Kern,1965)
(eq.6.2, D.Q., Kern,1965)
2. ho (outside
convection coefficient):
Untuk aliran turbulent dalam shell
(persamaan hal 137, Kern)1965)
3. Uc (Clean overall heat transfer coefficient)
4. Rd (dirt factor):
Rd = 0.003 1/(Btu/j.ft².°F) (Kern, 1965)
5. Ud (design
overall coefficient)
Perhitungan Tebal Tumpukan Katalisator di Reaktor
Untuk
menghitung tinggi tumpukan katalisator di dalam reaktor sehingga sesuai dengan konversi yang diinginkan digunakan
persamaan-persamaan sebagai berikut:
Untuk
mendapatkan konversi yang diinginkan maka ke 4 persamaan differensial tersebut
di atas diselesaikan secara simultan dengan menggunakan metode matematika yang
ada dan dibuat program komputernya.
Langkah-langkah perhitungan :
1. Tentukan
kondisi awal masuk reaktor pada z = 0 m:
x, T, Ta, P, Δz
2. Dihitung harga
panas reaksi dan kecepatan reaksi.
3. Dihitung
harga-harga
Perhitungan-perhitungan
di atas dilakukan dengan mencoba (trial-
error) harga yang dapat divariasikan
yaitu: N, M, To dan Tao
Persamaan lain yang dibutuhkan adalah sifat-sifat fisis
sebagai fungsi suhu: (Carl L. Yaws,
1999)
Menentukan Jumlah Tube yang Diperlukan
Berdasarkan Rase, 1977
Chemical Reactor Design For Process
Plants
digunakan jumlah tube = 500 tube
Feed composition into
the reactor by mass
balance calculation is as follows:
Component
|
Kg/h
|
Kmol/h
|
C2H4
|
3384.1
|
120.627
|
O2
|
16212.2
|
506.632
|
H2O
|
1252.4
|
69.516
|
N2
|
53365.2
|
1905.900
|
C2H6
|
34.2
|
1.137
|
Total
|
74248.0
|
2603.811
|
Program
dibuat menggunakan Scilab sehingga akan diperoleh grafik hubungan tebal
tumpukan katalisator terhadap konversi,
suhu reaksi, suhu pendingin, penurunan tekanan dan perubahan komposisi
komponen.
Penyelesaian Persamaan Diferensial Biasa
(ODE) dapat diselesaikan dengan menggunakan metode:
1.Metode Euler
(Eksplisit), disebut juga metoda integrasi nilai awal
2.Metode Euler Modifikasi (Implisit) disebut dengan Metode Prediktor
Korektor atau Metode Heun
3.Metode Runge-Kutta dengan orde (pangkat) empat
HASIL RUN PROGRAM
HASIL RUN PROGRAM
Jumlah tube =
900
Diameter =
3.76 m
----------------------------------------------------------------------------------------------------
z(m) X FA
FB FC FD FE T(°C)
Ta(°C) P(atm)
-----------------------------------------------------------------------------------------------------
0.00 0.0000
120.63 506.63 0.00
0.00 69.52 220.0
190.0 3.00
0.02 0.0011
120.49 506.43 0.08
0.11 69.63 220.3
190.2 2.99
0.04 0.0023
120.35 506.22 0.16
0.22 69.74 220.5
190.4 2.98
0.06 0.0034
120.22 506.01 0.25
0.33 69.85 220.8
190.6 2.96
0.08 0.0046
120.08 505.80 0.33
0.44 69.96 221.1
190.7 2.95
0.10 0.0057
119.94 505.59 0.41
0.55 70.07 221.4
190.9 2.94
0.12 0.0069
119.80 505.38 0.50
0.67 70.18 221.7
191.1 2.93
0.14 0.0081
119.65 505.17 0.58
0.78 70.30 222.0
191.3 2.92
0.16 0.0093
119.51 504.96 0.67
0.89 70.41 222.3
191.5 2.90
0.19 0.0105
119.37 504.74 0.76
1.01 70.52 222.6
191.7 2.89
0.21 0.0117
119.22 504.52 0.84
1.12 70.64 222.9
191.9 2.88
0.23 0.0129
119.08 504.30 0.93
1.24 70.76 223.2
192.1 2.87
0.25 0.0141
118.93 504.08 1.02
1.36 70.88 223.5
192.2 2.85
0.27 0.0153
118.78 503.86 1.11
1.48 70.99 223.8
192.4 2.84
0.29 0.0165
118.63 503.64 1.20
1.60 71.11
224.1 192.6 2.83
0.31 0.0178
118.48 503.41 1.29
1.72 71.23 224.5
192.8 2.82
0.33 0.0190
118.33 503.18 1.38
1.84 71.35 224.8
193.0 2.80
0.35 0.0203
118.18 502.96 1.47
1.96 71.48 225.1
193.2 2.79
0.37 0.0216
118.02 502.73 1.56
2.08 71.60 225.5
193.4 2.78
0.39 0.0229
117.87 502.49 1.66
2.21 71.72 225.8
193.6 2.76
0.41 0.0242
117.71 502.26 1.75
2.33 71.85 226.2
193.8 2.75
0.43 0.0255
117.56 502.02 1.84
2.46 71.97 226.6
194.0 2.74
0.45 0.0268
117.40 501.78 1.94
2.59 72.10 226.9
194.2 2.72
0.47 0.0281
117.24 501.54 2.04
2.71 72.23 227.3
194.4 2.71
0.49 0.0295
117.07 501.30 2.13
2.84 72.36 227.7
194.6 2.70
0.52 0.0308
116.91 501.06 2.23
2.97 72.49 228.1
194.8 2.68
0.54 0.0322
116.75 500.81 2.33
3.11 72.62 228.5
195.0 2.67
0.56 0.0336
116.58 500.56 2.43
3.24 72.75 228.8
195.2 2.66
0.58 0.0349
116.41 500.31 2.53
3.37 72.89 229.2
195.4 2.64
0.60 0.0363
116.24 500.05 2.63
3.51 73.02 229.7
195.6 2.63
0.62 0.0378
116.07 499.80 2.73
3.64 73.16 230.1
195.8 2.62
0.64 0.0392
115.90 499.54 2.84
3.78 73.30 230.5
196.0 2.60
0.66 0.0406
115.73 499.28 2.94
3.92 73.44 230.9
196.3 2.59
0.68 0.0421
115.55 499.01 3.05
4.06 73.58 231.4
196.5 2.57
0.70 0.0436
115.37 498.75 3.15
4.21 73.72 231.8
196.7 2.56
0.72 0.0451
115.19 498.48 3.26
4.35 73.87 232.3
196.9 2.54
0.74 0.0466
115.01 498.20 3.37
4.49 74.01 232.7
197.1 2.53
0.76 0.0481
114.83 497.93 3.48
4.64 74.16 233.2
197.3 2.52
0.78 0.0496
114.64 497.65 3.59
4.79 74.31 233.7
197.6 2.50
0.80 0.0512
114.45 497.37 3.71
4.94 74.46 234.2
197.8 2.49
0.82 0.0528
114.26 497.08 3.82
5.09 74.61 234.7
198.0 2.47
0.84 0.0544
114.07 496.79 3.93
5.25 74.76 235.2
198.2 2.46
0.87 0.0560
113.88 496.50 4.05
5.40 74.92 235.7
198.5 2.44
0.89 0.0576
113.68 496.21 4.17
5.56 75.08 236.2
198.7 2.43
0.91 0.0593
113.48 495.91 4.29
5.72 75.24 236.7
198.9 2.41
0.93 0.0609
113.28 495.60 4.41
5.88 75.40 237.3
199.2 2.40
0.95 0.0626
113.07 495.30 4.53
6.04 75.56 237.8
199.4 2.38
0.97 0.0644
112.86 494.99 4.66
6.21 75.73 238.4
199.6 2.36
0.99 0.0661
112.65 494.67 4.78
6.38 75.89 239.0
199.9 2.35
1.01 0.0679
112.44 494.35 4.91
6.55 76.07 239.6
200.1 2.33
1.03 0.0697
112.23 494.03 5.04
6.72 76.24 240.2
200.3 2.32
1.05 0.0715
112.01 493.70 5.17
6.90 76.41 240.8
200.6 2.30
1.07 0.0733
111.78 493.36 5.31
7.08 76.59 241.4
200.8 2.28
1.09 0.0752
111.56 493.03 5.44
7.26 76.77 242.1
201.1 2.27
1.11 0.0771
111.33 492.68 5.58
7.44 76.96 242.8
201.3 2.25
1.13 0.0790
111.10 492.33 5.72
7.63 77.14 243.4
201.6 2.24
1.15 0.0810
110.86 491.98 5.86
7.82 77.33 244.1
201.9 2.22
1.17 0.0830
110.62 491.62 6.01
8.01 77.52 244.8
202.1 2.20
1.19 0.0850
110.37 491.25 6.15
8.20 77.72 245.6
202.4 2.18
1.22 0.0871
110.12 490.88 6.30
8.40 77.92 246.3
202.7 2.17
1.24 0.0892
109.87 490.50 6.45
8.61 78.12 247.1
202.9 2.15
1.26 0.0913
109.61 490.11 6.61
8.81 78.33 247.9
203.2 2.13
1.28 0.0935
109.35 489.71 6.77
9.02 78.54 248.7
203.5 2.11
1.30 0.0957
109.08 489.31 6.93
9.24 78.75 249.5
203.7 2.10
1.32 0.0980
108.81 488.90 7.09
9.46 78.97 250.4
204.0 2.08
1.34 0.1003
108.53 488.48 7.26
9.68 79.20 251.3
204.3 2.06
1.36 0.1027
108.24 488.06 7.43
9.91 79.42 252.2
204.6 2.04
1.38 0.1051
107.95 487.62 7.61
10.14 79.66 253.1
204.9 2.02
1.40 0.1075
107.65 487.17 7.78
10.38 79.89 254.1
205.2 2.00
1.42 0.1101
107.35 486.71 7.97
10.62 80.14 255.1
205.5 1.98
1.44 0.1127
107.04 486.25 8.15
10.87 80.39 256.2
205.8 1.96
1.46 0.1153
106.72 485.77 8.35
11.13 80.64 257.2
206.1 1.95
1.48 0.1180
106.39 485.27 8.54
11.39 80.91 258.4
206.4 1.93
1.50 0.1208
106.05 484.77 8.75
11.66 81.18 259.5
206.8 1.91
1.52 0.1237
105.71 484.25 8.95
11.94 81.45 260.7
207.1 1.88
1.54 0.1267
105.35 483.71 9.17
12.22 81.74 262.0
207.4 1.86
1.57 0.1297
104.98 483.16 9.39
12.52 82.03 263.3
207.8 1.84
1.59 0.1328
104.60 482.59 9.61
12.82 82.34 264.7
208.1 1.82
1.61 0.1361
104.21 482.01 9.85
13.13 82.65 266.1
208.5 1.80
1.63 0.1394
103.81 481.40 10.09
13.46 82.97 267.6
208.8 1.78
1.65 0.1429
103.39 480.77 10.34
13.79 83.31 269.2
209.2 1.76
1.67 0.1465
102.95 480.12 10.61
14.14 83.66 270.9
209.6 1.73
1.69 0.1503
102.50 479.44 10.88
14.50 84.02 272.6
209.9 1.71
1.71 0.1542
102.03 478.73 11.16
14.88 84.40 274.5
210.3 1.69
1.73 0.1583
101.53 477.99 11.46
15.28 84.79 276.5
210.7 1.66
1.75 0.1626
101.01 477.21 11.77
15.69 85.21 278.6
211.1 1.64
1.77 0.1671
100.47 476.40 12.09
16.13 85.64 280.8
211.5 1.61
1.79 0.1719
99.90 475.54 12.44
16.58 86.10 283.2
212.0 1.59
1.81 0.1769
99.29 474.62 12.80
17.07 86.59 285.8
212.4 1.56
1.83 0.1822
98.64 473.66 13.19
17.59 87.10 288.6
212.9 1.54
1.85 0.1880
97.95 472.62 13.60
18.14 87.65 291.7
213.4 1.51
1.87 0.1941
97.21 471.51 14.05
18.73 88.25 295.1
213.8 1.48
1.90 0.2008
96.41 470.30 14.53
19.38 88.89 298.8
214.3 1.46
1.92 0.2080
95.53 468.99 15.06
20.08 89.59 303.0
214.9 1.43
1.94 0.2161
94.56 467.54 15.64
20.85 90.37 307.7
215.4 1.40
1.96 0.2250
93.48 465.91 16.29
21.72 91.23 313.1
216.0 1.37
1.98 0.2352
92.26 464.08 17.02
22.70 92.21 319.4
216.6 1.34
2.00 0.2469
90.84 461.95 17.87
23.83 93.35 326.9
217.3 1.30
2.02 0.2609
89.16 459.43 18.88
25.18 94.69 336.1
217.9 1.27
2.04 0.2781
87.09 456.32 20.12
26.83 96.35 347.7
218.7 1.23
2.06 0.3003
87.06 456.29 20.14
26.85 96.37 363.3
219.5 1.20
---------------------------------------------------------------------------------------------------
☺Terimakasih, semoga bermanfaat..!
Tidak ada komentar:
Posting Komentar