LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA ENERGI

Transkripsi

1 B-1 LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA ENERGI Dari hasil perhitungan neraca massa selanjutnya dilakukan perhitungan neraca energi. Perhitungan neraca energi didasarkan pada : Basis : 1 jam operasi Satuan panas : kj Temperatur referensi : 5 o C (98,15 K) Neraca Energ i: {(Energi masuk ) (Energi keluar) + (Generasi energi) (Konsumsi energi)} = {Akumulasi energi} (Himmelblau,ed.6,1996) Entalpi bahan pada temperatur dan tekanan tertentu adalah : H = HT Hf Keterangan : H = Perubahan entalpi HT = Entalpi bahan pada suhu T Hf = Entalpi bahan pada suhu referensi (5 o C) (Himmelblau,ed.6,1996) Enthalpi bahan untuk campuran dapat di rumuskan sebagai berikut : H = Σ n Cp dt (Himmelblau,ed.6,1996)

2 B- Keterangan : H = Perubahan entalpi n = mol Cp = Kapasitas panas (J/mol.K) dt = Perbedaan termperatur (K) Kapasitas panas T T ref Cp dt T T ref (A BT CT DT 3 4 ET )dt T T ref Cp dt A(T T ret B ) (T T ref C ) (T 3 3 T 3 ref D ) (T 4 4 T 4 ref E ) (T 4 5 T 5 ref ) Keterangan : Cp = Kapasitas panas (J/mol K) A,B,C,D,E = Konstanta T = Temperatur referensi = 98,15 K = Temperatur operasi (K) Tabel B.1. Data Cp untuk gas Komponen A B C D E Asetat Anhidrid 9,5000E+00 3,445E-01-8,6736E-05-7,677E-08 3,671E-11 Metil Asetat -,87E+01 4,875E-01-4,6631E-04,39E-07-4,3094E-11 Water 9,5600-8,90000x ,81000x ,6000x ,86000x10-1 Carbonmonoxide 9, ,58000x10-03,01000x ,000x10-08,6000x10-1 sumber : Carl L yaws, appendix E vol 1-4 Tabel B.. Data Cp untuk cairan Komponen A B C D Asetat Anhidrid 71,831 8,8879E-01 -,6534E-03 3,3501E-06 Metil Asetat 76,19 4,377E-01-1,3694E-03,1850E-06 Water 9, , ,0000 5,34690E-07 Carbonmonoxide -19,3100,5070-0,0900-0,00013

3 B-3 Neraca Energi tiap-tiap Komponen 1. Heater (HE-101) Fungsi : Memanaskan metil asetat keluaran storage metil asetat dari 30 o C menjadi 130 o C sebagai umpan masukan Reaktor Kondisi Operasi : Tin : 30 o C = 303,15 K Tout : 130 o C = 403,15 K : 5 o C = 98,15 K Pop : 1 atm Hout Hs in Hs out Hin Gambar. Heater (HE-101) Keterangan : Hin = Aliran panas masuk dari ST-101 Hout = Aliran panas keluar dari HE-101 Neraca Energi: {( H1 + Hs in ) ( H+ Hs out) + (0) (0)} = {0} Panas aliran masuk HE-101 Tin = 30 o C = 303,15 K T ref = 5 o C = 98,15 K

4 B-4 Tabel. Panas aliran masuk HE-101 Komponen kg/jam kmol Cp.dt H (kj/jam) Metil Asetat.035,59 7, , ,83971 HO 6,1768 1, , ,5899 Total.61, , ,09870 Panas aliran keluar HE-101 Tout T ref = 130 o C = 403,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran keluar HE-101 Komponen kg/jam kmol Cp.dt H (kj/jam) Metil Asetat.035,59 7, , ,6467 HO 6,1768 1, , ,964 Total 61, , Menghitung kebutuhan steam H in+ H steam = H out H steam = H out - Hin H steam = , ,09870 = ,47381 kj/jam

5 B-5 Oleh karena itu membutuhkan fluida panas yang berfungsi sebagai pemanas yaitu saturated steam pada steam tabel dengan kondisi : Temperatur (T) = 149,5 o C Tekanan (P) = 4,696 bar Hl Hv = 630 kj/kg =.744,8 kj/kg λ steam = Hv - Hl =.744,8 630 =.114,800 kj/kg Menghitung massa steam (m) : msteam = = ,47381 kj / jam.114,800 kj / kg = 46,7158 kg/jam Panas steam masuk : = m x Hv = 46,7158 kg/jam x 744,8 kj/kg = ,10011 kj/jam Panas steam keluar : = m x HL = 46,7158 kg/jam x 630 kj/kg = ,6630 kj/jam

6 B-6 Neraca Energi Total HE-101 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar Hin 4.5,09870 Hout ,5751 Hs in ,10011 Hs out ,6630 Total , , Expander Valve (EV-101) Fungsi : Menurunkan tekanan gas karbon monoksida 0 atm menjadi 5 atm dari tangki penyimpanan Kondisi operasi : Pin = 0 atm Pout = 5 atm Tin = 30 o C = 303,15 K H in H out Gambar. Expander Valve Keterangan : H in H out = Aliran masuk dari ST-10 = Aliran keluar expander valve HE-10 Panas aliran masuk dari ST-10 Tin = 30 o C = 303,15K = 5 o C = 98,15 K

7 B-7 Tabel. Panas aliran masuk dari ST-10 Komponen (kg/jam) (kmol/jam) Cp.dt H (kj/jam) CO 770,4 7, , ,1161 Total 770,4 7, ,1161 Menentukan suhu keluar EV-101 Tabel. Data Komponen EV Komponen kmol Xi Cp(f) CO 7,5080 1, ,3811 Total 7,5080 1,0000 Data : Cp campuran = 8.674,3811 kj/kmol.k R = 8,3140 kj/kmol.k Cp Cp k = 1,001 C ( C R) v p = 0,001 H C p ( K 1) P K T1 1 0,5 P1 (Rules of Thumb for Chemical Engineers Third Edition Hal 19) ΔH = 1.745,8405 kj/kmol T T 1 P P1 ( K 1) K H Cp (Rules of Thumb for Chemical Engineers Third Edition Hal 19)

8 B-8 T = 30,94874 K = 9,7987 o C = 30 o C Panas aliran keluar EV-101 Tout = 30 o C = 303,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran keluar EV-101 Komponen (kg/jam) (kmol/jam) Cp.dt H (kj/jam) CO 770,4 7, , ,0674 Total 770,4 7, ,0674 Untuk menurunkan tekanan dari 0 atm menjadi 5 atm, kerja expander valve menghasilkan panas, sehingga perlu di hitung panas expander valve : Hev = Hin - Hout = 4.000,1161 kj/jam 3.839,0674 kj/jam = 161,0487 kj/jam Neraca Energi Total EV-10 Tabel. Neraca energi EV-10 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar Hin 4.000,1161 Hout 3.839, Hev 161,0487 Total 4.000, ,1161

9 B-9 3. Mix Point (MP-101) Fungsi : Mencampurkan fresh feed CO dan recyle CO sebelum masuk ke Reaktor Kondisi Operasi : T = 30 o C = 303,15 K P = 5 atm = 5 o C = 98,15 K H out H in MP H rec Gambar. Mixed Point Keterangan : Fin Frec Fout = Aliran masuk dari EV-101 = Aliran masuk recycle dari EV-10 = Aliran keluar dari menuju HE-10 Panas aliran masuk dari EV-101 Tin = 30 o C = 303,15 K = 5 o C = 98,15 K

10 B-10 Tabel. Panas aliran masuk dari EV-101 Komponen Kmol Cp.dT H CO 4, , , Total 4, , Panas aliran masuk dari EV-10 Tin = 30 o C = 303,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran masuk dari HE-10 Komponen kmol Cp.dT H CO, , ,01161 Total, ,01161 Panas aliran keluar dari MP-101 Tout = 30 o C = 333,15 K = 5 o C = 98,15 K

11 B-11 Tabel. Panas aliran keluar dari MP-101 Komponen kmol Cp.dT H CO 7, , ,11610 Total 7, ,11610 Neraca Energi Total MP-101 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar Hin 3.600, Hout 4.000,11610 Hrec 400, Total 4.000, , Heater (HE-10) Fungsi : Memanaskan CO umpan dari 30 o C menjadi 130 o C Kondisi operasi : Tin = 30 o C = 303,15 K Tout = 130 o C = 403,15 K = 5 o C = 98,15 K H out Hs in Hs out H in Gambar. Unit Heater (HE-10) Keterangan : H in = Aliran masuk dari EV-101 H out = Aliran keluar HE-10

12 B-1 Neraca Energi: {( Hin + Hs in ) ( Hout+ Hs out) + (0) (0)} = {0} Panas aliran masuk HE-10 Tin T ref = 30 o C = 303,15 K = 5 o C = 98,15 K ) Tabel. Panas aliran masuk HE-10 Komponen Kmol Cp.dT H CO 7, , ,06743 Total 7, ,06743 Panas aliran keluar HE-10 Tout T ref = 130 o C = 403,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran keluar HE-10 Komponen Kmol Cp.dT H CO 7, , ,64637 Total 7, ,64637

13 B-13 Menghitung kebutuhan steam H in+ H steam = H out H steam = H out - H in H steam = , ,06743 = 80.61,57894 kj/jam Oleh karena itu membutuhkan fluida panas yang berfungsi sebagai pemanas, yaitu saturated steam pada steam tabel dengan kondisi kondisi : Temperatur (T) = 149,5 o C Tekanan (P) = 4,696 bar Hl Hv = 630 kj/kg =.744,8 kj/kg λ steam = Hv - Hl =.744,8 630 =.114,800 kj/kg Menghitung massa steam (m) : msteam = = 80.61,57894 kj / jam kj / kg = 38,118 kg/jam Panas steam masuk : = m x Hv = 38,118 kg/jam x.744,8 kj/kg = ,10737 kj/jam Panas steam keluar : = m x HL

14 PC V-37 B-14 = 38,118 kg/jam x 630 kj/kg = 4.014,5843 kj/jam Neraca Energi Total HE-10 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar Hin 3.839,06743 Hout ,64637 Hs in ,10737 Hs out 4.014,5843 Total , , Reaktor (RE-01) Fungsi : Tempat terjadinya reaksi pembentukan Asetat Anhidrid 7 Qout Qpendingin in R-01 Qpendingin out Qin Gambar. Reaktor (RE-01) Kondisi operasi : Temperatur Tekanan = 130 o C = 5 atm Dalam menghitung neraca energi di reaktor digunakan langkah perhitungan seperti pada gambar berikut :

15 B-15 T in ΔH total T out ΔH produk ΔH umpan ΔH R 98 Menghitung panas masuk Reaktor (RE-01) Panas aliran masuk Metil Asetat T = 130 o C = 403,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran masuk dari HE-101 Komponen m (kg) n (kmol) Cp dt ( kj /Kmol) Htf (kj) Metil Asetat.035,5900 7, , ,6467 HO 6, , , ,964 Total.61,77 40, , ,5751 Panas aliran masuk CO T = 130 o C = 403,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran masuk dari HE-10 Komponen m (kg) n (kmol) Cp dt ( kj /Kmol) Htf (kj) CO 770,400 7, , ,64637 Total 770,400 7, , ,64637 Sehingga panas aliran keluar totalnya adalah ,189 Kj/jam

16 B-16 Panas aliran produk keluar dari RE-01 T = 130 o C = 403,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran produk keluar dari RE-01 Komponen (kg/jam) (kmol/jam) Cp.dt Hout (kj/jam) Asetat Anhidrid.55,530 4, , ,555 Metil Asetat 03,559, , ,0646 HO 6,1769 1, , ,96 CO 77,04, , ,1646 Total 3.03,0115 4, , ,6810 Menghitung Panas Reaksi Reaksi : CH3C(=O)OCH3(l) + CO(g) CH3C(=O)O(O=)CCH3(l) a. Menghitung entalpi pada keadaan standar ( H o R 98 K) Data H⁰f masing-masing komponen pada keadaan standar (98,15 K) Tabel. Entalpi standar masing-masing komponen Komponen HF (kj/kmol) Asetat Anhidrid Metil Asetat CO Panas pembentukan standar masing-masing komponen pada suhu 98,15 K ΔHf98 o ΔHf 98 o = ΔHF produk - ΔHF reaktan = kj/kmol Karena bernilai negatif sehingga reaksi bersifat eksotermis

17 B-17 b. Menghitung entalpi pada kondisi operasi ( HR) Perubahan entalphi reaktan dari 98,15 K ke 403,15 K dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut T ΔH R ΔHR C T Pi dt 1 ΔH dengan 403,15 R (403,15K) ΔHR (98,15K) C 98,15 403,15 Cp dt: T T 1 A BT CT DT 3 Pi CT dt B C 3 3 D 4 4 E 5 A( T T1 ) ( T T1 ) ( T T1 ) ( T T1 ) ( T T dt 5 1 ) Sehingga 403,15 98,15 Cp dt A( T B T1 ) ( T = 1.960,43 kj/kmol C T1 ) ( T D T1 ) ( T E T1 ) ( T 5 5 T 5 1 ) Sehingga entalpi pada keadaan operasi adalah ΔH R (403,15K) ΔH 403,15 R (98,15K) C 98,15 dt = kj/kmol ,43 kj/kmol = ,577 kj/kmol Pi c. Menghitung panas reaksi Jumlah Metil Asetat mula-mula (FA0) = 7,508 kmol C3H6O/jam Konversi = 90 % = 0,9 Maka, panas reaksi Qreaksi = ΔHR (403,15 K). FAo. X = ,577 x 7,508 x 0,90 = ,5097 kj/jam

18 B-18 d. Menghitung panas dan massa air pendingin Neraca Energi: Qin Qout + Qgen Qkon = Qacc {(Q0 +QCW in ) (Q1+ QCW out) - (0) +Qgen} = {0} Q cw = Qin Qout + Qgen = , , ,5097 = ,0476 kj/jam Cooling water (cw) yang digunakan pada pabrik Asetat Anhidrid masuk ke cooler pada temperatur 30 o C dan keluar pada temperatur 45 o C, Dari data kapasitas panas (Cp) air diperoleh : (Geankoplis, C,J,, 1997) Cp air pada 30 o C = 4,1915 kj/kg,k, dan Cp air pada 45 o C = 4,00 kj/kg,k H = Cp T Sehingga: H = H (45 o C) H (30 o C) = (4,00 (318 98)) (4,1915 (303 98)) = 63,085 kj/kg Maka kebutuhan air pendingin : F cw = Q cw H

19 B-19 = ,0476 kj/jam 63,085 kj/kg = ,065 kg/jam Q cw masuk = F cw H (30 o C) = ,065 kg/jam 4,1915 kj/kg = ,045 kj/jam Q cw keluar = F cw H (45 o C) = ,065 kg/jam x 4,00 kj/kg = ,095 kj/jam Tabel. Neraca panas Reaktor (RE-01) Komponen Panas Masuk (kj/jam) Panas Generasi (kj/jam) Panas Keluar (kj/jam) ΔHin ΔHreaksi ΔHout Asetat 0, ,555 Anhidrid Metil , ,0646 Asetat ,5097 Water , ,96 CO , ,1646 Air Pendingin Total , ,095 Panas Konsumsi (kj/jam) Panas Akumulasi (kj/jam) 0,0000 0, , , ,773 0,0000 0, , ,771 0,0000

20 B-0 6. Cooler (CO-01) Fungsi : Mendinginkan campuran keluaran Reaktor dari 130 o C menjadi 30 o C untuk menuju ke Separator Kondisi operasi : Pin Tin Tout : 5 atm : 130 o C = 403,15 K : 30 o C = 303,15 K H out H cw in H cwout H in Gambar. Cooler (CO-01) Keterangan : Hin : Panas aliran masuk dari RE-01 Hout : Panas aliran keluar dari CO-01 Neraca Energi: {( Hin+ Hcwin) ( Hout + Hcwout) + (0) (0)} = {0} Panas aliran masuk dari RE-01 T = 130 o C = 403,15 K T ref = 5 o C = 98,15 K

21 B-1 Tabel. Panas aliran masuk dari RE-01 Komponen n (kmol) Cp dt (kj/kmol) Hin (kj) Asetat Anhidrid 4, , ,5545 Metil Asetat, , ,06463 HO 1, , ,964 CO, , ,16464 Total 4, ,68096 Panas aliran keluar dari CO-01 T = 30 o C = 303,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran keluar dari CO-01 Komponen n (kmol) Cp dt (kj/kmol) Hout (kj) Asetat Anhidrid 4, , ,0063 Metil Asetat, , ,88397 HO 1, , ,5899 CO, , ,01161 Total 4, ,1750 Menghitung kebutuhan cooling water H in = H out, dimana : H out = H liquid keluar + H cooling water H in = H liquid keluar + H cooling water H cooling water = Hin - H liquid keluar H cooling water ( Hcw) = , ,1750 = ,5058 kj/jam

22 B- Untuk menyerap panas tersebut maka dibutuhkan cooling water dengan kondisi : T in = 30 o C (303,15 K) T out = 45 o C (318,15 K) maka Cp HO dt m cooling water = = 1.19,7051 kj/kmol = ,5058 kj/jam 1.19,7051 kj/kmol = 573,5411 kmol/jam = 10.33,7399 kg/jam Neraca Energi Total CO-01 Tabel. Neraca Energi CO-01 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar Hin ,68096 Hout ,1750 H cwin ,308 H cwout ,5938 Total , , Expander Valve (EV-10) Fungsi : Menurunkan tekanan produk keluran reaktor dari 5 atm menjadi 1 atm Kondisi operasi : Pin = 5 atm Pout = 1 atm Tin = 30 o C = 303,15 K H in H out Gambar. Expander Valve

23 B-3 Keterangan : H in H out = Aliran masuk dari EV-10 = Aliran keluar dari EV-103 Panas aliran masuk dari EV-10 Tin = 30 o C = 303,15 K = 5 o C = 98,15 K Tabel. Panas aliran masuk dari EV-10 Komponen (kmol/jam) Cp.dt H (kj/jam) Asetat Anhidrid 4, , ,8840 Metil Asetat, , ,590 Air 1, , ,006 Total 40, ,4935 Menentukan suhu keluar EV-10 Tabel. Data Komponen EV-10 Komponen kmol Xi Cp 98 (J/mol) Cp Campuran Asetat Anhidrid 4,7574 0, , ,9546 Metil Asetat,7508 0, , ,914 Air 1,5654 0, , ,5985 Total 40,0736 1, ,8445 Data : Cp campuran = 37.38,8445 kj/kmol.k R = 8,3140 kj/kmol.k

24 B-4 Cp Cp k = 1,000 C ( C R) v p = 0,000 H C p ( K 1) P K T1 1 0,5 P1 (Rules of Thumb for Chemical Engineers Third Edition Hal 19) ΔH =.07,8419 kj/kmol T T 1 P P1 ( K 1) K H Cp (Rules of Thumb for Chemical Engineers Third Edition Hal 19) T = 303,09575 K = 9,9458 o C 30 o C Panas aliran keluar EV-10 Tout = 30 o C = 303,15 K = 5 o C = 98,15 K

25 B-5 Tabel. Panas aliran keluar EV-10 Komponen n (kmol) Cp dt (kj/kmol) Hout (kj) Asetat Anhidrid 4, , ,853 Metil Asetat, , ,6439 Air 1, , ,835 Total 40, ,333 Untuk menurunkan tekanan dari 5 atm menjadi 1 atm, kerja expander valve menghasilkan panas, sehingga perlu di hitung panas expander valve : Hev = Hin - Hout = 30.44,1636 kj/jam 9.915,333 kj/jam = 38,8313 kj/jam Neraca Energi Total EV-10 Tabel. Neraca energi EV-10 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar Hin 30.44,1636 Hout 9.915,333 - Hev 38,8313 Total 30.44, ,1636