LEVEL - 3: RECYCLE STRUCTURE. Teknik Kimia Unila

Transkripsi

1 LEVEL - 3: RECYCLE STRUCTURE Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

2 Keputusan untuk Menentukan Stuktur Recycle 1. Berapa banyak sistem reaktor yang diperlukan? Apakah terdapat pemisahan diantara sistem reaktor tsb?. 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?

3 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 + H Benzen + CH o F Benzen Difenil + H 500 psia Jumlah reaktor yang dibutuhkan: satu 3

4 Contoh. Acetone Ketene CH 1 Ketene CO C H4, 700 C and1atm Ketene Acetic Acid Acetic Anhydride, 4 80 C and1atm Remark: dua reaktor dibutuhkan ntk sistem ini. 4

5 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 -48 o C. Aliran recycle cairan hanya memerlukan pompa. Dalam perhitungan awal biaya pompa tidak dimasukkan karena nilainya kecil dibandingkan dengan kompressor, furnace, distilasi, dll. 5

6 Jangan memisahkan dua komponen dan kemudian mencampurnya kembali pada masukan reaktor 6

7 Contoh. Proses HDA Komponen NBP, o C Kode H -53 Recycle+ purge-gas CH Recycle +purge-gas Benzen 80 Primary produk Toluen 111 Recycle- liquid Difenil 55 Fuel-byproduct Ada tiga aliran produk : purge, benzen dan difenil Ada dua liran recycle, H + CH 4 (gas) dan toluen (cairan), sehinga: Struktur recycle seperti gambar 3.. 7

8 Gas recycle compresor purge Umpan H Umpan toluen reactor separator benzen difenil Toluen recycle Gambar 3. Struktur recycle HDA 8

9 Contoh. Proses Asetat anhidrat Komponen NBP, o C Kode CO -31,6 Fuel-byproduct CH Fuel byproduct C H 4-154,8 Fuel byproduct Keton -4,1 reaktan terkonversi Aseton 133, Recycle-R-1- liquid Asam Asetat 44,3 Recycle R- liquid Asetat anhidrida 81,9 Produk Utama Ada dua aliran produk : (CO + CH 4 + C H 6 ) dan asetat anhidrida Ada dua aliran recycle cairan yang dikembailak ke raktor yang berbeda: aseton ke R1 dan asam asetat ke R Struktur recycle sperti gambar

10 Acetone Ketene CH 1 Ketene CO C H4, 700 C and1atm Ketene Acetic Acid Acetic Anhydride, 4 80 C and1atm Umpan Asam asetat CO, CH 4, C H 4 Umpan Aseton Reactor R1 Reactor R separator As. anhidr As. Asetat recycle Aseton recycle Gambar 3.3 Struktur recycle Asetat Anhidrid 10

11 Reaktan Berlebih Dalam beberapa kasus kegunaan reaktan berlebih: Dapat mendorong distribusi produk/selektivitas (1) Mendorong komponen lain mendekati konversi total () Mendorong konversi kesetimbangan (3) Sebagai contoh, 1. produksi isooktana dengan alkilasi butana (isobutan berlebih) (1) Butana + isobutana isooktan butan + isooktan C 1. Produksi posgen (CO berlebih) () CO + Cl COCl 3. Produksi sikloheksan (H berlebih) (3) Benzen + 3H sikloheksan 11

12 Tidak ada aturan baku untuk membuat pilihan jumlah excess optimum, dan karena itu kita perlu melakukan analisis ekonomi terhadap variabel desain ini. 1

13 Neraca Massa Recycle Reaktan Pembatas Pertamakali kita membuat neraca massa reaktan pembatas. Untuk proses HDA, laju alir toluen masuk reaktor adalah F T. Umpan H purge reactor F T (1-x) separator benzen difenil FFT Umpan toluen F T F T (1-x) UmpanToluen ke reaktor = umpan segar toluen + recycle toluen F T = F FT + F T (1-x) F T = F FT /x 13

14 Reaktan Lainnya Setelah kita menghitung laju alir reaktan pembatas, kita menggunkan rasio molar pada masukan reaktor u menghitung laju alir recycle komponen lain. R G, y PH 5% CH P G, (H, CH 4 ) 4 95%H F G F H F T reaktor separator Benzen, P B difenil F FT Umpan toluen F H /F T = MR = rasio molar hidrogen terhadap toluen y H F G + y PH R G = MR(F FT /x) 14

15 Neraca massa Recycle For x 0.75, P 65 and F 73 and given molar ratio ( MR). Toluene: FFT PB 73 FT 365 x Sx 0.75 Recycle Gas: R G B P B MR y FH SyPH x yfh yph (0.4) FT (from balabces: y F FH G F G y PH G PB ) S( y y ) FH R MR PH F x FT 15

16 Design Heuristic Tidak tersedia aturan memilih x untuk kasus reaksi yg komplek. Tidak tersedia aturan memilih komposisi purging, y PH atau rasio molar, MR. Untuk kasus reaksi tunggal tebakan awal yang memungkinkan adalah x =0,96 atau x = 0,98 x eq ByProduk Reversibel Jika kita me-recycle by produk yg terbentuk oleh reaksi reversibel, dan komponen membentuk ke kesetimbangannya, seperti difenil dalam proses HDA. Benzen Difenil + H Pada keluaran reaktor: K eq = [Difenil][H ]/[benzen] Laju H dan benzen telah ditentukan dengan menggunakan reaksi pertama dan perhitungan purging, shg kita dpt menggunakan kesetimbangan untuk menghitung laju difenil pada keluaran reaktor. 16

17 Beban Panas Reaktor Effek Panas Reaktor Untuk reaksi tunggal yg seluruh reaktan pembatas terkonversi dalam proses, beban panas reaktor : Beban Panas reaktor = panas reaksi x laju umpan segar Q R = ΔH R F FT Contoh. Proses HAD For x 0.75, P 65 and F 73. Q R B FT 6 H R FFT ( 1530)(73) But / hr 17

18 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: Q R = F C p (T R,in T R,out ) 18

19 19

20 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 Btu/hr, 6 Q 110 A UT (0)(50) 1000 ft 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. Heat carrier Since heat load depends on fresh feed flow rate and T out is also a function of recycle flow rate. We can moderate the temperature change by increasing recycle flow rate. 0

21 Heuristic Untuk proses endotermis dg beban panas kurang dari 6-8 x 10 6 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 10 6 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. 1

22 Batasan Kesetimbangan exothermic

23 P tot MR (H /C 6 H 6 ) T 3

24 Reactor/Separator 4

25 Compressor Design And Costs Kapanpun terdapat recycle gas, kita memerlukan kompresor. Persamaan desain untuk horsepower teoritis untuk kompresor sentrifugal adalah: hp 3,03x10 5 P in Q in P P out in 1 ( C / C ) 1 p C p v / C v T T out in P P out in P in = lbf/ft, Q in = ft 3 /min Sebagai perhitungan awal efisiensi (eff) kompresor diasumsikan 90%. Biaya kompresor = (M & S) (517,5)(bhp) 0,8 (,11+F c ) 80 bhp = hp/eff, M &S = indeks inflasi Marshall & Swift 5

26 Sensitivitas Remarks: 1.This is an expensive equipment and normally we do not have spares.. Heuristic for multistage compressor: P /P 1 =P 3 /P =... 6

27 Pemilihan Reaktor Decisions - type - pressure - concentration - phase - temperature - catalyst 7 Reaction Path Path 1 Path Path 3 C C C C C H H H H H HCl Cl Cl 1/ O Cl C H HCl heat C C C 3 Cl HCl H H H Cl Cl C Cl HCl H 4 Cl H O EP -$11kmolVCM EP $8.89 kmolvcm EP -$1.4 kmolvcm Remark: EP = values of products-raw materials costs

28 Types of reaction systems Single Reaction : k A R (irreversible) k A B R (irreversible) k1 f, k1 b A R (reversible) Parallel Recations : k1 A R (desired) k A S (waste) k1 A B R (desired) k A B S (waste) Consecutive Recations : k1 A R (desired) k R S (waste) Remark: There are a lot of more reaction systems, e.g., mixed parallel and consecutive reactions. 8

29 Reactor concentration and temperature The objectives to design the reactor concentration and temperature profiles are: O1. to improve selectivity (minimize the generation of byproducts) O. 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. 9

30 Reactor concentration - single reaction Single Reaction : A - use PFR (O) k R Single Reaction : A B k 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, 003, 49, 68.) Remark: Note that: Total reaction rate : k ( T ) C A C B V R 30

31 Reactor concentration - parallel reactions For the followings reactions orders of reactions become important. Parallel Recations : A B A B to maximize. k1 k R (desired) (waste) The selectivity is related to r r 1 k k S 1 a1 a b1 b C A CB r 1 / r r 1 r k 1 k C a1 A C C a A b1 B C b B which we want a 1 >a & b 1 >b : keep both C A and C B high a 1 >a & b 1 <b : keep C A high and C B low a 1 <a & b 1 <b : keep both C A and C B low a 1 <a & b 1 >b : keep C A low and C B high Ref: Ward et al. (IEC&R 004, 43, 3957) discuss operating policies for parallel reactions in planwide control. 31

32 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) 3

33 Reactor type - parallel reactions 33

34 Reactor temperature - reversible reaction A k f, kb R 1- x x x K eq 1 x (reversible) r k k f b k k f 0 b0 e E f Eb RT k f (1 x) k b x endothermic (E f >E b ): - high temperature favors equilibrium conversion and also gives higher reaction rate - set the temperature as high as possible exothermic (E f <E b ): - 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

35 Reversible reaction- remember physical chemistry A B + heat A + heat B 35

36 Implication in reactor design - reversible and exothermic Design: series of reactors with cold shot or intermediate heat exchangers with cold shot 36

37 Reactor heat removal 37

38 More reactor heat removal 38

39 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: A 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 B - an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating the pressure increase (LHS) and thus decreases the equilibrium conversion. 39

40 Summary - heat removal 40

41 Summary - reactor design AB A B A R A S A+B R A+B S A R S (More detail see : Levenspile, 1999 and Smith, 005) 41

42 Recycle Economics input/output: favors zero conversion and no purge recycle: favor large conversion and purge 4

43 Terima kasih 43