PERHITUNGAN NERACA PANAS

Transkripsi

1 PERHITUNGAN NERACA PANAS Data-data yang dibutuhkan: 1. Kapasitas panas masing-masing komponen gas Cp = A + BT + CT 2 + DT 3 Sehingga Cp dt = Keterangan: Cp B AT T 2 2 C T 3 = kapasitas panas (kj/kmol.k) A, B, C, D = konstanta T = suhu (K) 3 D T 4 A B C D E CH 3 OH H 2 O O N Ar CO CH 2 O CO Kapasitas panas masing-masing komponen cair Cp = C1 + C2T + C3T 2 + C4T 3 + C5T 4 (satuan dalam J/kmol.K) Sehingga Cp dt = C C2 2 C3 3 C4 4 C T T T T T C1 C2 C3 C4 C5 CH 3 OH 105, H 2 O 276,370-2, CH 2 O 61, (Yaws, 1999) (Perry, 1934)

2 3. Konstanta Antoine A B C CH 3 OH , H 2 O , Rumus: log P sat = A [B/(T + C)] K = P sat /P total Keterangan: P sat = tekanan uap murni (Torr) T = suhu operasi ( o C) P total = tekanan operasi (Torr) 4. Data menghitung panas penguapan Tn (K) Tc (K) Hn CH 3 OH H 2 O ,526 9,717 (Perry, 1934) (Yaws, 1999) Rumus: 0,38 Tc T Hv. Hn Tc Tn Keterangan: Tn = titik didih normal (K) Tc = titik kritis (K) T = suhu operasi (K) Hn = panas penguapan pada TD normal (kal/mol) Hv = panas penguapan pada suhu operasi (kal/mol)

3 Perhitungan Neraca Panas Basis perhitungan : 1 jam operasi Suhu referensi : K Satuan panas : kkal/jam Satuan Cp : kkal/kmol Satuan Tekanan : atm Neraca panas masing-masing alat 1. Vaporizer (V-01) Fungsi : Merubah fase fresh feed methanol cair menjadi fase gas Tujuan : a. Menghitung kebutuhan panas untuk mengubah fase metanol b. Menghitung kebutuhan pemanas Q in Tin = 303 K P 1 = 1.4 atm V - 01 Q kondensat Q out Tout =? P 2 =1.5 atm Q steam a. Menghitung kebutuhan panas untuk mengubah fase fresh feed methanol 1) Menentukan titik didih log P sat = A [B / (T + C)] K = P sat / P total P total Y = 1.4 atm = 1064 Torr = K.X Laju Molar (kmol/jam) Xi P sat Ki Yi CH 3 OH , H 2 O Total

4 Dari data diperoleh T bubble = K = C 2) Menentukan panas masuk vaporizer Umpan masuk pada suhu 303 K = 30 o C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (J/kmol) (Kkal/Kmol) (Kkal/jam) CH 3 OH , , H 2 O , Total , ) Menentukan panas sensible cairan T awal = 303 K = 30 0 C T akhir = K = C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (J/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH ,785, , H 2 O ,267, Total , ) Menentukan panas laten penguapan T awal = 303 K = 30 0 C T akhir = K = C Massa Hv Q (kmol/jam) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O Total ) Menghitung panas yang harus disediakan Q = Q sensible cairan + Q penguapan Q input = 93, , = 944, kkal/jam

5 b. Menghitung kebutuhan pemanas Untuk pemanas digunakan saturated steam dengan suhu 100 o C dan tekanan 1 atm yang mempunyai panas penguapan = kkal/kg. (Smith & Van Ness, 1949) Sehingga massa steam yang dibutuhkan: 944, kkal/jam kkal/ kg kg/ jam Neraca Panas Overall di Vaporizer (V-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O Q penguapan Q pemanas 944, Total 954, , Mixer (M-01) Fungsi Tujuan : Mencampurkan udara lingkungan dengan recycle gas dari absorber : Menghitung panas udara keluar Mixer-01 Q 1 T1 = 303 K P 1 = 1 atm M-01 Q 2 T2 = 303 K P 2 = 1 atm Q 3 T3 = 303 K P 3 = 1 atm 1) Menghitung panas masuk mixer Panas udara fresh feed: T = 303 K = 30 0 C Massa Cp.dT Cp.dT Q

6 (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) H 2 O O , N , Total , Panas gas recycle absorber: T = 303 K = 30 0 C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O , O , N , CO , CH 2 O Total ) Menghitung panas udara keluar mixer T = 303 K = 30 0 C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O , O , N , CO , CH 2 O Total

7 Neraca Panas Overall di Mixer (M-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) umpan udara gas recycle udara CH 3 OH H 2 O , , O , , N , , CO 1, , CH 2 O Total Blower (B-01) Fungsi : Menaikkan tekanan udara dari 1 atm menjadi 1.4 atm Tujuan : a. Menentukan suhu keluar blower b. Menghitung panas yang dihasilkan akibat kompresi Q 1 T1 = 303 K P 1 = 1 atm B-01 Q 2 T2=? P 1 = 1.4 atm Q yang dihasilkan Untuk mencari suhu keluar dari blower, diasumsikan kenaikan tekanan secara adiabatis. Sehingga memenuhi persamaan: Cpcampuran Di mana, γ = Cvcampuran T 2 P 2 T1 P 1 1 Cvcampuran = Cpcampuran R Dengan, T 2 = Suhu keluar blower (T akibat kompresi) R = kkal/kmol. K (Smith & Van Ness, 1949)

8 a. Menentukan suhu keluar Blower T = 303 K = 30 o C Massa y i Cp i.dt Cp i.dt y i.cp i.dt (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/kmol) CH 3 OH H 2 O O N CO CH 2 O Total Cp campuran = kkal / kmol. K Cv campuran = ,987 = kkal / kmol. K γ Cpcampuran = Cvcampuran m P2 T 2 = T1 P = 303= K = o C 1 b. Panas yang dihasilkan akibat kompresi T masuk = 30 o C = 303 K T keluar = o C = K Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O O N CO

9 CH 2 O Total Neraca Panas Overall di Blower (B-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O 9, O 2 6, N 2 50, CO 1, CH 2 O Panas dihasilkan Total 144, , Preheater (HE-01) Fungsi : Menaikkan suhu udara dengan memanfaatkan panas reaksi Tujuan : a. Menghitung panas udara masuk preheater b. Menghitung panas udara keluar preheater c. Menghitung kebutuhan dowtherm Q 4 (dowtherm A) T4 = 448 K Q 1 T1 = K P 1 = 1.4 atm M-02 Q 2 T2 =? P 2 = 1.4 atm Q 3 (dowtherm A) T3 = 478 K

10 a. Menghitung panas udara masuk preheater T masuk = T keluar B-01 = K = o C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O O N CO CH 2 O Total b. Menghitung panas udara keluar preheater T keluar = K = C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O , O , N , CO , CH 2 O , Total Q yang harus ditambahkan = 144, ,070, = -2,925, kkal/jam c. Menghitung kebutuhan dowtherm Untuk pemanas digunakan Dowtherm A cair dengan suhu masuk 205 o C dan suhu keluar 175 o C yang mempunyai kapasitas panas Cp = kj/kg.k. Sehingga massa Dowtherm A yang dibutuhkan:

11 2,925, kkal/ jam = kkal/ kg. K ( ) K = 188, kg/jam Neraca Panas Overall di Preheater (HE-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O O N CO CH 2 O Panas ditambahkan 2,925, Total Mixer (M-02) Fungsi Tujuan : Mencampurkan udara dari preheater dengan gas metanol dari vaporizer : a. Menghitung panas gas keluar mixer b. Menghitung suhu udara masuk mixer Q 1 T1 =? P 1 = 1.4 atm M-02 Q 3 T3 =508 P 3 = 1.4 atm Q 2 T2 = K P 2 = 1.4 atm a. Menghitung panas gas keluar mixer T keluar = 508 K=235ºC

12 Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O , O , N , CO , CH 2 O , Total b. Menghitung suhu udara masuk mixer T metanol masuk = K = 73.4ºC Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O Total Q1 = Q3 Q2 = = kkal/jam Suhu masuk di trial sehingga didapat panas kkal/jam. Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O , O , N , CO , CH 2 O , Total Diperoleh T keluar = K = o C

13 Neraca Panas Overall di Mixer (M-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) udara metanol gas CH 3 OH , H 2 O , O , N ,138, CO , CH 2 O Total 3,125, ,125, Reactor (R-01) Fungsi : Tempat berlangsungnya reaksi oksidasi katalitik antara metanol dengan oksigen Tujuan : a. Menghitung panas umpan reaktor b. Menghitung panas yang ditimbulkan oleh reaksi c. Menghitung panas produk keluar reaktor d. Menghitung kebutuhan pendingin Q 1 T1 = 508 K P 1 = 1.4 atm R-01 H reaksi Q 2 T1 = 563 K P 1 = 1.4 atm Q 4 (dowtherm A) Q 3 (dowtherm A) a. Menghitung panas umpan reaktor Q1 = 3,125, kkal/mol b. Menghitung panas yang ditimbulkan oleh reaksi Data panas pembentukan standar pada K:

14 o Kompnen H f (kj/kmol) CH 3 OH H 2 O CH 2 O CO Reaksi utama : CH 3 OH O 2 CH 2 O H 2 O 2 1 Reaksi samping : CH 2 O O 2 CO H 2 O 2 o o o H reaksi utama = (H f CH 2 O + H f H 2 O) - H f CH 3 OH = ( ) = kj/kmol = kkal/kmol = kkal/kmol.( kmol/jam) = kkal/jam o o o H reaksi samping = (H f CO + H f H 2 O) - H f CH 2 O = ( ) = kj/kmol = kkal/kmol = kkal/kmol.(0.41 kmol/jam) = kkal/jam H reaksi total = ( ) = kkal/jam

15 c. Menghitung panas produk keluar reaktor T keluar reaktor = 563 K = 290 o C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O , O , N , CO , CH 2 O , Total d. Menghitung kebutuhan pendingin Panas yang diserap pendingin: = Q reaksi + Q input Q output = ( ,125, ) kkal/jam = kkal/jam T Dowtherm A masuk = 478 K = 205 o C T Dowtherm A keluar = 508 K = 235 o C Cp Dowtherm A = kj/kg.k Cp.dT = kj/kg.k. ( ) K = kj/kg = 15.5 kkal/kg Massa Dowtherm A = = kg/jam

16 Neraca Panas Overall di Reactor (R-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O O N CO CH 2 O Panas Reaksi Panas Pendingin Total Oil Tank (T-03) Fungsi : Tempat pendinginan dowtherm dari reaktor dan preheater Tujuan : a. Menghitung panas masuk tangki b. Menghitung panas keluar tangki c. Menghitung kebutuhan pendingin Dari preheater 448 K Dari reaktor 508 K T-03 Cooling Water 303 K 313 K Ke preheater Ke reaktor 478 K Suhu campuran Dowtherm A dalam tangki dijaga pada 205⁰C (478 K) Kebutuhan air pendingin:

17 8. Waste Heat Boiler (WHB-01) Fungsi : Memanfaatkan panas produk reaktor untuk membuat steam dan menurunkan suhu produk reaktor Tujuan : Menghitung kebutuhan air demin untuk membuat steam Q steam T= 373 K Q 1 T1 = 563 K P 1 = 1.4 atm WHB-01 Q kondensat T= 373 K Q 2 T1 = 363 K P 1 = 1.2 atm 1) Menghitung panas yang digunakan untuk membuat steam Panas produk reaktor masuk (Q1) = kkal/jam T keluar = 363 K = 110 o C Massa Cp.dT Cp.dT Q

18 (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH , , H 2 O , , O , , N , , CO , , CH 2 O , , Total Q yang diserap = ( ) kkal/jam = kkal/jam 2) Menghitung kebutuhan air kondensat untuk membuat steam Diinginkan untuk membuat saturated steam dengan suhu 373 K dengan panas penguapan sebesar = kkal/kg. Jumlah steam yang dihasilkan: Q m kkal / jam m kkal/ kg m kg/ jam Neraca Panas Overall di Waste Heat Boiler (WHB-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) CH 3 OH 5, , H 2 O 716, , O 2 257, , N 2 2,706, , CO 78, , CH 2 O 242, , Panas diserap Total 4,006, ,006, Cooler (HE-02)

19 Fungsi : Mendinginkan gas dari waste heat boiler masuk ke absorber Tujuan : a. Menghitung panas keluar cooler b. Menghitung kebutuhan pendingin Q 4 (cooling water) T4 = 313 K Q 1 T1 = 383 K P 1 = 1.2 atm M-02 Q 2 T2 = 323 P 2 = 1.2 atm Q 3 (cooling water) T3 = 303 K a. Menghitung panas keluar cooler T keluar = 323 K = 50 o C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O , O , N , CO , CH 2 O , Total b. Menghitung kebutuhan pendingin T cooling water masuk = 303 K = 30 o C T cooling water keluar = 313 K = 40 o C Q1 = kkal/jam Q yang harus diserap = Q2 Q1 = = kkal/jam Kebutuhan air pendingin:

20 Neraca Panas Overall di Cooler (HE-02) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) CH 3 OH 1, H 2 O 224, , O 2 80, , N 2 861, , CO 24, , CH 2 O 71, , Panas diserap Total 1,264, ,264, Absorber (AB-01) Fungsi : Menyerap produk formaldehid dengan pelarut air demin dan membebaskan gas yang tidak terserap ke atas absorber Tujuan : a. Menghitung panas masuk absorber b. Menghitung panas keluar absorber

21 Q4 (produk atas) T4 = 303 K Q3 (air) T3 = 303 AB-01 Q2 (recycle) T2 = 303 K Q6 (produk utama) Q1 T1 = 323 K Q pelarutan cooler T6 = 303 K a. Menghitung panas masuk absorber Q1 = kkal/jam Panas air: T masuk = 303 K = 30 o C Massa air = kmol/jam Q3 = 303 m. Cp. dt = kmol/jam kkal/kmol = kkal/jam Panas pelarutan: H pelarutan = kj/kmol = kkal/kmol Massa CH 2 O yang terserap = kmol/jam Qs = m. H s = kmol/jam kkal/kmol = kkal/jam b. Menghitung panas keluar absorber 1) Panas produk atas T keluar = 303 K = 30 o C Q5 (produk bawah) T5 = 308 K Massa Cp.dT Cp.dT Q

22 (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O , O , N , CO , CH 2 O Total ) Panas produk utama T keluar = 303 K = 30 o C Massa Cp.dT Cp.dT Q (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O , CH 2 O , Total ) Panas recycle T produk bawah (T5) = 308 K = 35 o C T recycle (T2) = T produk utama (T6) = 303 K = 30 o C Massa produk bawah yang di recycle dapat dihitung dengan neraca energi pada absorber: m 5. Cpi. dt m2. Cpi. dt ( m 2 m6). Cpi. dt m2. Cpi. dt

23 m 6. m Cpi. dt m2.( Cpi. dt m2.( Cpi. dt Cpi. dt m 6. Cp. dt m2. Cp. dt Cpi. dt) Cpi. dt) m2 = Nilai Q1 Q3 Qs Q4 m m 6. Cpi. dt : Cpi. dt 308 Cpi. dt Massa (kmol/jam) Cp.dT (kj/kmol) Cp.dT (kkal/kmol) Q (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O , CH 2 O , Total Nilai xi. Cpi. dt : 303 Massa (kmol/jam) xi Cp.dT (kj/kmol) Cp.dT (kkal/kmol) Cp.dT (kkal/kmol) CH 3 OH H 2 O CH 2 O m2 = Total m2 = kmol/jam

24 Panas recycle: Massa Cp.dT Cp.dT (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) Q (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O ,207, CH 2 O , Total ) Panas produk bawah T produk bawah (T5) = 308 K = 35 o C Massa produk bawah (m5) = m2 + m6 = = kmol/jam Massa Cp.dT Cp.dT (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) Q (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O ,437, CH 2 O , Total Neraca Panas Overall di Absorber (AB-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) gas air recycle produk atas produk bawah CH 3 OH , , H 2 O 65, , ,207, , ,437, O 2 23, , N 2 252, , CO 7, , CH 2 O 20, , , Qpelarutan Total 3,446, ,446,862.30

25 11. Absorber Cooler (HE-03) Fungsi : Mendinginkan produk bawah absorber untuk produk utama dan recycle Tujuan : a. Menghitung panas keluar cooler b. Menghitung kebutuhan pendingin Q 4 (cooling water) T4 = 313 K Q 1 T1 = 308 K P 1 = 1 atm M-02 Q 2 T2 = 303 P 2 = 1 atm Q 3 (cooling water) T3 = 303 K a. Menghitung panas keluar cooler T keluar = 303 K = 30 o C Massa Cp.dT Cp.dT (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) Q (kkal/jam) CH 3 OH , H 2 O ,218, CH 2 O , Total b. Menghitung kebutuhan pendingin T cooling water masuk = 303 K = 30 o C T cooling water keluar = 313 K = 40 o C Q1 = kkal/jam Q2 = kkal/jam Q yang harus diserap = Q2 Q1 = = kkal/jam Kebutuhan air pendingin:

26 Neraca Panas Overall di Absorber Cooler (HE-03) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) CH 3 OH 14, H 2 O 2,437, CH 2 O 926, Panas diserap Total 3,378, ,378, Flow Splitter (FS-01) Fungsi : Mengembalikan gas produk atas absorber yang akan recycle ke fresh feed udara dan membuang sisanya ke atmosfer. Tujuan : Menghitung panas keluar flow splitter Q1 T1 = 303 K P 1 = 1 atm Q 2 T2 = 303 K P 2 = 1 atm M-01 Q 3 T3 = 303 K P 3 = 1 atm Q1 = kkal/jam Q2 = kkal/jam Panas gas yang di-purging: T = 303 K = 30 0 C Massa Cp.dT Cp.dT Q

27 (kmol/jam) (kj/kmol) (kkal/kmol) (kkal/jam) CH 3 OH H 2 O , O N , CO CH 2 O Total Neraca Panas Overall di Flow Splitter (FS-01) Input (kkal/jam) Output (kkal/jam) produk atas absorber recycle purging CH 3 OH H 2 O 11, , , O 2 4, , N 2 50, , , CO 1, , CH 2 O Total 67, ,977.15