LAMPIRAN A REAKSI ESTERIFIKASI

Transkripsi

1 LAMPIRAN A REAKSI ESTERIFIKASI Fungsi : Tempat Berlangsungnya reaksi antara minyak jarak dan Metanol dengan katalis Natrium Hidroksida (NaOH) Jenis : Reaktor Tangki Alir Berpengaduk (RATB) dengan jaket pendingin Kondisi Operasi : Isothermal T = 60 oc P = atm A. Menghitung Kecepatan Volumetris Umpan Persamaan reaksi : A-

2 A- Diketahui : Komponen C, kmol/jam m, kg/jam Densitas (ρ) (kg/l) Fv (L/Jam) Trigliserida, ,6879 0,98 883,0 CH3OH 5, ,0858 0,79 079,7545 NaOH 0,608 4,430,3,4699 R-COOCH3 0,0449 3,333 0,88 5,88 HO,94 34,639 34,639 TOTAL 56, ,498 5, ,0873. Menghitung Konsentrasi Umpan Reaktan pembatas pada reaksi transesterifikasi ini adalah R-COOH, maka R- COOH adalah senyawa A dan CH3OH adalah senyawa B. CAo = mol A ΣFv = kmol/l. Menghitung Harga Konstanta Kecepatan Reaksi Asumsi : Reaksi Orde I, Reaksi reversible, Pengadukan sempurna sehingga konsentrasi keluar reaktor samadengan konsentrasi didalam reaktor, Kecepatan alir volumetrik (Fv) masuk reaktor sama dengan kecepatan alir volumetrik keluar reaktor.

3 A-3 Dimana : k : Konstanta kecepatan reaksi esterifikasi, L/mol.jam CAo t : Konsentrasi reaktan A mula-mula = 0,0006 kmol/l : Waktu reaksi = 0,7087 jam xa : Konversi reaksi = 0.95 % Maka : k = / min

4 A-4 B. OPTIMASI REAKTOR. Menghitung Jumlah Reaktor Volume untuk reaktor dengan rumus : Dengan cara Trial konversi masing-masing reaktor untuk mendapatkan volume reaktor paralel diperoleh dengan menggunakan excel : Untuk buah reaktor V = 940,66 gallons τ = 0,7087 jam xa= 0.95 Untuk buah reaktor V = 470,306 gallons τ = 0,7087 jam xa= 0.95

5 A-5 Untuk 3 buah reaktor V = 33,5344 gallons τ = 0,7087 jam xa= 0.95 Untuk 4 buah reaktor V = 35,508 gallons τ = 0,0787 jam xa= 0.95 Untuk 5 buah reaktor V = 88,07 gallons τ = 0,7087 jam xa= Menghitung Harga Reaktor Kondisi Operasi : T = 60 oc P = atm Bahan konstruksi reaktor dipilih Carbon Steel SA-83 Grade C, maka basis harga reaktor pada volume 3000 gallon = $ (Timmerhaus,Fig. 6-35, P.73). E b = E a x ( C 0.6 b ) C a Dimana : Ea : Harga reaktor basis Eb : Harga reaktor perancangan Ca : Kapasitas reaktor basis

6 A-6 Cb : Kapasitas reaktor perancangan Untuk buah reaktor gallons E b = $70000x ( ) 3000 gallons E b = $ 34904, Untuk buah reaktor ,306 gallons E b = $70000x ( 3000 gallons ) E b = $ 46055,4655 Untuk 3 buah reaktor ,5344 gallons E b = $70000x ( 3000 gallons ) E b = $ 5464,8668 Untuk 4 buah reaktor ,508 gallons E b = $70000x ( 3000 gallons ) E b = $ 60770,550 Untuk 5 buah reaktor ,07 gallons E b = $70000x ( 3000 gallons ) E b = $ 66444,57

7 A-7 3. Penentuan Jumlah Reaktor yang Optimum Jumlah Reaktor Volume (Liter) Volume (Gallon) Cost/Unit Cost (dollar) 3560, , , , , , , , , , , , ,47 35,508 59, , ,4 88,07 388, ,57 Harga Reaktor Total ($) Jumlah Reaktor Pertimbangan volume : V > V > V3 > V4 > V5 Pertimbangan harga reaktor : R < R < R3 < R4 < R5 Maka jumlah reaktor yang optimum sebanyak buah untuk mendapatkan harga perancangan reactor yang minimum.

8 A-8 C. PERANCANGAN REAKTOR Volume cairan dalam reaktor V cairan = 940,66 gallons = 780,854 liter =,7803 m3 = 6,870 ft3 Volume reaktor, overdesign 0% V reaktor = 36,344 liter =,363 m3 = 75,444 ft3. Menetukan Diameter dan Tinggi Tangki Reaktor Dipilih RATB berbentuk silinder tegak dengan perbandingan D : H = :3 (Brownell & Young, table 3.3, P.43) Vreaktor = 75,444 ft3

9 A-9 Maka, D = 3,740 ft =,405 m = 44,9034 in H = 5,69 ft =,708 m = 67,355 in. Menentukan Tebal Dinding (Shell) Reaktor Digunakan persamaan: t s = P. r i f. E. (0.6)P + C Dimana : ts = tebal dinding shell, in P = tekanan design (Poperasi x,) = 7.64 psi ri = jari-jari reaktor =,457 in E = effisiensi sambungan las = 0,85 f = tekanan maksimal yang diizinkan = 650 psi C = korosi yang diizinkan = 0,7677 in Maka, ts = in Digunakan tebal shell standart = 7/8 in (Brownell&Young, table 5.7) = 0,8750 in

10 A-0 3. Menentukan Tebal Head Tebal head dihitung dengan persamaan berikut : t = P.d f.e 0.P + C (Eq.3-, P.5Brownell&Young) Dimana : d = Diameter Reaktor Maka : t head = 0,8046 in t head standar = 7/8 in = 0,8750 in Volume Reaktor V V * V R SHELL HEAD V R * D 4 * 3 * * D D * 4 D * 6 Tinggi Cairan dalam Head (Hh) = 0,90 m TinggiCair andalamtangki H H h VolumeCairan Vbottom H * VolumeTangki * Vbottom H S Sehingga didapat Tinggi cairan dalam tangki =,554 m

11 A- 5. Perancang Pengaduk Reaktor Reaktor Komponen μ (Cp) jumlah, kg/jam Fraksi massa, xi x.lnμ Trigliserida 6,64 5,9338 Gliserol 60 57,454 CH3OH 0,73 376,3885 NaOH 0 4,430 R-COOCH3 9,55 604,9973 HO 0,467 34,639 FFA 6,64 3,333 0,0 0,030 0,0590 0,994 0,345-0,066 0, ,5969,38 0,0079-0,0060 0,003 0,0058 TOTAL 83, ,498,0000,5437 Tugas pengaduk Tipe Pengaduk : untuk mencampur. : flat blade turbin impeller, 6 buah blade dengan 4 buah baffle (Fig. 8.4, P-34, HF. Rase) Diketahui : Dt =,405 m D t Di = 3 Di = D t 3 = m j Dt = / j = / X m = m

12 A- W Di = /5 W = /5 X 0,380 m = m L Di = /4 L = /4 X m = m Ringkasan Ukuran Reaktor Diameter dalam reaktor (Dt) =,405 m Tinggi reaktor (ZR) =,090 m Lebar buffle (J) = 0,0950 m Diameter pengaduk (Di) = 0,380 m Lebar pengaduk (L) = 0,0950 m Lebar blade pengaduk (W) = 0,0760 m Tinggi cairan dalam silinder (ZL) =,554 m 6. Menghitung Kecepatan Pengaduk Dalam Reaktor WELH d I Dimana : = [ H D i N 600 ] (Eq. 8-8, P-345, HF. Rase) WELH Di N H : Water Equipment Liquid Height : Diameter pengaduk (ft) : Kecepatan putaran pengaduk (rpm) : Tinggi pengaduk (ft)

13 A-3 WELH = ZL ( ρcairan ρ air ) =,554 m X ( 0.86 ) =.390 m N = 600 π D i WELH D i = 600 π X 0,380 m,390 m X 0,380 m = 07,048 rpm = 3,4507 rps Kecepatan pengaduk (N) standar yang digunakan adalah 00 rpm (P-88, Wallas) 7. Menghitung Bilangan Reynold N re = N D i = 5,986 Dengan mempergunakan kurva fig 477 Brown 950 diperoleh Np = 6 8. Menghitung Power Pa = 3,087 HP Jika Effisiensi Pengaduk 80% μ ρ Maka :Power = Pa Eff = 3,087 80% = 3,8590 Hp Digunakan Hp standar = 4 HP (standar NEMA)

14 A-4 D. Menghitung Neraca Panas Reaktor H R o = (Σn i.. H f 0 ) Produk (Σn i.. H f 0 ) Reaktan Komponen Hf(kj/mol) TG -833,7500 R-COOCH3-633,764 CH3OH -0,7 Gliserol -58,8 H R o = 387,954 Kj/jam Panas umpan masuk reaktor Komponen Massa, kg/jam kmol Cp,kj/kmol H,kJ/jam TG 646,6879, , ,594 Methanol 645,0858 5, , ,843 NaOH 4, ,97 347,668 FFA 3,333 0, ,44 699,5794 HO 34, , ,9 Total 4347,8677 H = 4347,8677kJ/jam

15 A-5 Panas produk hasil reactor Komponen Massa, kg/jam kmol Cp,kj/kmol H,kJ/jam TG 5,9338 0, ,97 Methanol 376,3885 4, ,508 NaOH 4, ,433 R-COOCH3 604,9973 8, ,94 Gliserol 57,454, ,5 HO 34,639, ,9 FFA 3,333 0, ,0894 Total 9694,9533 H = 9694,9533 kj/jam Q = H - HR o - H Q = 7788,8668 kj/jam Kebutuhan air pendingin Suhu air pendingin masuk = 30 o C = 86 o F = 303 K Suhu air pendingin keluar = 50 o C = o F = 33 K ΔT = 0 o C = 68 o F = 93 K T rata-rata = 40 o C = 04 o F = 33 K Sifat fisis air pada 04 o F : Cp = 0,08 kcal/kmol.k (Mc.Cabe appendix 5, p.085) ρ = 99,5 kg/m3 (Perry)

16 A-6 Wt Q Cp. T W = 568,3485 kmol/jam = 9309,747 kg/jam = 58,6364 kg/detik E. Perancangan Jaket Pendingin Menghitung luas transfer panas Suhu masuk reaktor (T) = 60 o C = 40 o F Suhu keluar reaktor (T) = 60 o C = 40 o F Suhu pendingin masuk (t) = 30 o C = 86 o F Suhu pendingin keluar (t) = 40 o C = 04 o F T LMTD ( T t) ( T ( T t ln ( T t t ) ) ) ΔTLMTD= 44,3935 o F Untuk sistem heavy organic-water, UD = 5-75 (Tabel 8 p 840, Kern, 950) Dipilih harga UD = 5 btu/jam.ft.of Q A U D. T LMTD A = 33,070 ft

17 A-7 Menghitung ukuran jaket pendingin diambil = 6 in Jarak antara dinding luar tangki dan dinding bagian dalam jaket (jw) ID (diameter dalam jaket) = OD tangki +.jw = 3,405 in Menghitung tebal dinding jaket Pdesign = Poperasi x 0% = 7,64 psig Bahan jaket pendingin Carbon steel SA-83 grade C f C r P =.650 psi = 0,7677 in = 6,5703 in = 7,64 psi E = 0,85 t P.ri f.e - 0.6P C tmin = 0,7785 in t shell standar = 7/8 in = 0,8750 in Menentukan tebal head dan bottom Konstruksi head :Carbon steel SA-83 Grade C Bentuk head :elliptical dished head (ellipsoidal) Tebal head dihitung dengan persamaan : t h P. D C. f. E 0,. P

18 A-8 Dengan : P D f = 7.64 psi = 3,405 in = 650 psi E = 0.85 C = in Didapat th= 0,7785 in t bottom standar = 7/8 in = in Volume sebuah ellipsoidal head : Vh = 0, (ID 3 ), dengan ID dalam (in) dan Vh dalam (ft 3 ) Didapat Vh = 0,74 ft 3 = 0,0049 m 3 (Pers. 5.4, Brownell and Young, 959) Volume sebuah head = Volume head tanpa sf + volumen pada sf Vhead Vh πid sf 4 Didapat Vhead = 35,67 m 3 Bahan untuk reaktor sama dengan bahan dinding reaktor. Menentukan luas permukaan transfer panas jaket Luas permukaan tangki untuk tebal head < in : De OD OD 4.sf ic r 3 De = 30,4563 in =,5380 ft (Pers. 5-, Brownell and Young, 959) A total = A shell + ( x A tiap head)

19 A-9 A total = (π x D x H) + ( x (π/4 De )) A total = 588,769 in = 3,760 m = 40,4734 ft Menghitung Koefisien Perpindahan Panas antara Reaktor dan Jaket hi. Di L N 0,36 k dengan, sehingga Dimana : w 3 3 Cp. k w w 0,4 (Pers. 0., Kern, 965) Di hi = Diameter reaktor (ID shell) =,0950 ft = koefisien perpindahan panas, Btu/jam ft.f ρ = densitas campuran = 55,9064 lb/ft 3 Cp L N = kapasitas panas larutan, = Btu/lb. o F = Diameter pengaduk =,473 ft = Kecepatan rotasi pengaduk = 4,5075 rph k = Konduktivitas panas larutan = 0.35 Btu/jam ft μ = Viskositas larutan =,356 lb/ft jam Sehingga : hi = 38,555 Btu/jam ft. o F Menghitung hio hi hi 0 ID OD (Pers. 6.5, Kern, 965) Dimana : ID = Diameter dalam reaktor = 3,740 in OD = Diameter luar reaktor =,0950 in Sehingga : hio = 087,537 Btu/jam ft.f

20 A-0 Menghitung ho Diketahui : ρair = 99,50 kg/m3 = 6,940 lb/ft3 Μair = 0.86 cp = lb/ft.jam kair = btu/hr.ft.of cpair = btu/lb.of Gt = W/A = 5077,3096 lb/ft.jam v = Gt/ρ = 88,7876 ft/jam = 0,0693 m/s = 0,74 ft/s Jadi kecepatan pendingin yang digunakan masih dalam batasan. ID.Gt Ret μ Re = 496,8456 Dengan nilai Re tersebut, dari fig. 4 (Kern, 950) diperoleh jh = 300 h o j H k De 3 Cp k w 0,4 ho = 5,693 btu/ft.jam. o F Menghitung Clean Overall Coefficient (Uc) dan Design Overall Coefficient (UD) Uc hi0h0 hi h 0 0 (Pers. 6.38, Kern, 965) = 5,00 Btu/ ft.jam. o F Dari tabel, hal. 845 (Kern, 950) : Fouling factor (Rd) = 0,00 Rd (Pers. 6., Kern, 965) U D U C

21 A- h d Rd hd = 500 U D U U C. hd h C d Didapat harga UD = 3,9003 Btu/ ft.jam.o F Menghitung tebal Isolator Dari fig..4 Perry, 984 untuk range suhu 0 F- 300 F digunakan isolasi polyisocyanurate Pertimbangan lain digunakannya isolasi polyisocyanurate.. Bahan ini dapat digunakan untuk range suhu F.. Thermal conductivity relatif tetap pada suhu F. 3. Mudah didapat Diinginkan suhu dinding isolasi = 50 C = F Data-data fisis : k isolasi = 0.05 Btu/ft.jam. o F Ts = 50 o C = o F Tudara = 30 o C = 86 o F Tf = (Ts+Tud)/ = 04 o F δf = Ts - Tf = 8 F

22 A- β = / Tf = 0,0077/ F dengan : Tf = suhu film, F β = koefisien muai volume, / F Sifat-sifat udara pada Tf = 04 o F ( tabel 3., Perry, 984 ) ρf =.8 kg/m3 = lb/ft3 cpf =.0593 kj/kg C = 0.53 Btu/lb F μf = 0,0000 Pa.s = lb/ft.j kf = kj/kg C = Btu/j.lb F 3.ρ Gr f..gc μf.δδ Cpf.μ Ρr kf f dengan : Gr = bilangan Grashoff Pr = bilangan Prandtl Ra = bilangan Rayleigh(Holmann, 986) Raf = Gr * Pr Bila Raf Raf : 0E+4 0E+9, maka hc = 0.9 (Δt/)0.5 : 0E+9 0E+, maka hc = 0.9 (Δt)/3 Dimana hc adalah koefisien perpindahan panas konveksi Asumsi: l = L = tinggi silinder + tinggi bottom + tinggi head = Zr + ( b + sf ) = in =.0068 m = ft Maka, Gr = 8.67E+09

23 A-3 Cek harga l 0,47 0,5684 maka asumsi l = L dapat digunakan (Holman,986) Sehingga: Diperoleh : Gr ID L ID L 35 Pr = 0, Gr Raf = 6,43E+09 > E+09 hc = 0.9 (Δt) /3 4 hc = 0.5 Btu/ft.j. F Perpindahan panas karena radiasi dapat diabaikan karena suhu dinding reaktor kecil (50 o C) ID = 3,740 in = 0,38 ft OD =,0950 in = 0,09 ft T = 60 C = 40 F T = 50 C = F Perpindahan panas konveksi : q konveksi = hc*π*(od+*x isolasi)*l*δt = hc*π*od*l*δt = 6,79 = hc*π**l*δt = 370,69

24 A-4 q konveksi = 6, ,69 X isolasi () Perpindahan panas konduksi melalui dinding reaktor dan isolasi : q k OD ln kl ID ts OD is ln k L OD B () Dinding jaket berupa Stainless Steel, dari table 3 Kern, diperoleh k = 6 Btu/j.ft.F. Perpindahan panas konduksi sama dengan perpindahan panaskonveksi, sehingga dapat dituliskan persamaan () sama denganpersamaan ().Dari kedua persamaan tersebut didapatkan nilai X isolasi, qkonveksi, dan q konduksi. Dengan trial 'n error didapatkan hasil sebagaiberikut: X isolasi = ft = 0.64 cm q konduksi q konveksi = 4,670 Btu/jam = 4,670 Btu/jam Tebal isolasi agar dinding isolasi 50 C = 0,64 cm Menghitung Persentase panas yang hilang sesudah dan sebelum diisolasi Panas yang hilang sesudah dan sebelum di Isolasi Ts = 60 o C = 40 o F Tudara = 30 o C = 86 o F Tf = (Ts+Tud)/ = 3 o F δf = Ts - Tf = 7 F β = / Tf = 8.85E-03/ F

25 A-5 dengan : Tf = suhu film, F β = koefisien muai volume, / F Sifat-sifat udara pada Tf = 363 K ( tabel 3., Perry, 984 ) ρf =.0743 kg/m3 = lb/ft3 cpf =.0058 kj/kg C = Btu/lb F μf = E-05 Pa.s = lb/ft.j kf = kj/kg C = 0.06 Btu/j.lb F 3.ρ Gr f..gc μf.δδ Cpf.μ Ρr kf f dengan : Gr = bilangan Grashoff Pr = bilangan Prandtl Ra = bilangan Rayleigh(Holmann, 986) Raf = Gr * Pr Bila Raf Raf : 0E+4 0E+9, maka hc = 0.9 (Δt/)0.5 : 0E+9 0E+, maka hc = 0.9 (Δt)/3 Dimana hc adalah koefisien perpindahan panas konveksi Asumsi: l = L = tinggi silinder + tinggi bottom + tinggi head = Zr + ( b + sf ) = 79.0 in =.0 m = 6.59 ft Maka, Gr = 5.8E+0

26 A-6 Sehingga diperoleh : Pr = 0.70 Raf = 4.E+0 > E+09 Diperoleh : hc = 0.9 (Δt) /3 hc = 0.57 Btu/ft.j. F Perpindahan panas karena radiasi dapat diabaikan karena suhu dinding reaktor kecil (50 o C) Perpindahan panas konveksi : q konveksi = hc*π*(od+*x isolasi)*l*δt = hc*π*od*l*δt = 99,9 Btu/jam Sehingga didapatkan panas yang hilang sebelum dinding rekator diisolasi sebesar 99,9 Btu/jam Jadi, persentase panas yang hilang setelah diisolasi adalah = 4,67 X 00% 99,9 = 4,874 %

27 LAMPIRAN B GAMBAR REAKTOR Feed T-0 Feed M-0 M Air Pendingin 0,0760m BL 0,0950 m Blade,554 m,090 cm Product R-0 E-4,405 m J 0,380m m Is olator Keterangan BL = Blade J = Jaket R = Reaktor M = Motor pengaduk P = Pengaduk B-

28 PROCESS ENGINEERING FLOW DIAGRAM PABRIK BIODIESEL DARI MINYAK JARAK KAPASITAS TON/TAHUN 4 95 Uap Air 5 30 LI T-0 CH 3 OH 30 EV-0 T-05 Biodiesel LI P-0 M DC P-0 Steam TC 5 95 LI T-0 NaOH 30 P W-0 43 LC 43 P- CO-0 TC Air Pendingin P-04 HE P-09 UPL TC LI T-03 Minyak Jarak 4 30 P-03 TC Steam HE FFC 3 60 Steam Air Pendingin 5 40 DC LC P EV-0 Air Pendingin CD-0 TC 7 40 UPL PHC P- TC 6 30 R-0 TC P-05 CO Steam 6 95 T-06 Gliserol LI TC Air Pendingin N-0 P-07 P-3 CO-03 LI T-04 HCl 6 30 TC Air Pendingin P-06 Komponen Flow Rate (kg/jam) CH 3 OH H O NaOH Trigliserida FFA Metil Ester HCl NaCl Gliserol Total SIMBOL KETERANGAN Level Controller Level Indikator Temperature Controller Nomor Arus Suhu, o C Tekanan, Atm Control Valve Electric Connection Piping ALAT T M R N WT EV P HE CO CD DC KETERANGAN Tangki Mixer Reaktor Netralizer Washing Tower Evaporator Pompa Heater Cooler Condenser Decanter JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS ISLAM INDONESIA YOGYAKARTA PROCESS ENGINEERING FLOW DIAGRAM PABRIK BIODIESEL DARI MINYAK JARAK KAPASITAS TON/TAHUN Disusun Oleh:. Darmono (549). Noni Ayu Rizka (5004) Dosen Pembimbing:. Arif Hidayat, S.T.,M.T. Udara Tekan FFC Flow Fraction Controller PHC ph Controller