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
---------------------------------------------------------------------------------------------------
(http://simoehch.blogspot.com/2012/06/pbr-packed-bed-reactorsmultitubular.html)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar