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)
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 9,5600-8,90000x10-03 3,81000x10-05 -3,6000x10-08 8,86000x10-1 Carbonmonoxide 9,55600-6,58000x10-03,01000x10-05 -1,000x10-08,6000x10-1 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 9,05300-0,03990-0,0000 5,34690E-07 Carbonmonoxide -19,3100,5070-0,0900-0,00013
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
B-4 Tabel. Panas aliran masuk HE-101 Komponen kg/jam kmol Cp.dt H (kj/jam) Metil Asetat.035,59 7,5080 709,0604 19.508,83971 HO 6,1768 1,565378 377,48638 4.743,5899 Total.61,7688 40,0734 4.5,09870 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 7,5080 16.9,1048 446.430,6467 HO 6,1768 1,565378 7.94,54696 99.574,964 Total 61,7688 40,0734 546.005.5751 Menghitung kebutuhan steam H in+ H steam = H out H steam = H out - Hin H steam = 546.005,5751 4.5,09870 = 51.753,47381 kj/jam
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 = = 51.753,47381 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 = 677.184,10011 kj/jam Panas steam keluar : = m x HL = 46,7158 kg/jam x 630 kj/kg = 155.430,6630 kj/jam
B-6 Neraca Energi Total HE-101 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar Hin 4.5,09870 Hout 546.005,5751 Hs in 677.184,10011 Hs out 155.430,6630 Total 701.436,19881 701.436,19881. 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
B-7 Tabel. Panas aliran masuk dari ST-10 Komponen (kg/jam) (kmol/jam) Cp.dt H (kj/jam) CO 770,4 7,5080 145,4165 4.000,1161 Total 770,4 7,5080 4.000,1161 Menentukan suhu keluar EV-101 Tabel. Data Komponen EV Komponen kmol Xi Cp(f) CO 7,5080 1,0000 8.674,3811 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)
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 7,5080 139,5619 3.839,0674 Total 770,4 7,5080 3.839,0674 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 3.839,0674 - Hev 161,0487 Total 4.000,1161 4.000,1161
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
B-10 Tabel. Panas aliran masuk dari EV-101 Komponen Kmol Cp.dT H CO 4,756534 145,416 3.600,104487 Total 4,756534 3.600,104487 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,739 145,41646 400,01161 Total,739 400,01161 Panas aliran keluar dari MP-101 Tout = 30 o C = 333,15 K = 5 o C = 98,15 K
B-11 Tabel. Panas aliran keluar dari MP-101 Komponen kmol Cp.dT H CO 7,47983 145,41646 4.000,11610 Total 7,47983 4.000,11610 Neraca Energi Total MP-101 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar Hin 3.600,104487 Hout 4.000,11610 Hrec 400,01161 - Total 4.000,11610 4.000,11610 4. 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
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 7,508 139,561853 3.839,06743 Total 7,508 3.839,06743 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 7,508 3.070,07585 8.4451,64637 Total 7,508 8.4451,64637
B-13 Menghitung kebutuhan steam H in+ H steam = H out H steam = H out - H in H steam = 8.4451,64637-3.839,06743 = 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 114.800 kj / kg = 38,118 kg/jam Panas steam masuk : = m x Hv = 38,118 kg/jam x.744,8 kj/kg = 104.67,10737 kj/jam Panas steam keluar : = m x HL
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 8.4451,64637 Hs in 104.67,10737 Hs out 4.014,5843 Total 108.466,17480 108.466,17480 5. 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 :
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 7,50800-16.9,1048-446.430,6467 HO 6,17680 1,56538-7.94,54696-99.574,964 Total.61,77 40,07338-4.153,66744-546.005,5751 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 7,50800-3.070,07585-84.451,64637 Total 770,400 7,50800-3.070,07585-84.451,64637 Sehingga panas aliran keluar totalnya adalah 630.457,189 Kj/jam
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 4,7574 1.59,6194 56.33,555 Metil Asetat 03,559,7508 16.9,105 44.643,0646 HO 6,1769 1,5654 7.94,5470 99.574,96 CO 77,04,7508 3.070,0758 8.445,1646 Total 3.03,0115 4,844 48.483,367 678.995,6810 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 -575.70 Metil Asetat -419.7300 CO -110.500 Panas pembentukan standar masing-masing komponen pada suhu 98,15 K ΔHf98 o ΔHf 98 o = ΔHF produk - ΔHF reaktan = -3.895 kj/kmol Karena bernilai negatif sehingga reaksi bersifat eksotermis
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: 98.15 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 3 4 5 4 dt 5 1 ) Sehingga 403,15 98,15 Cp dt A( T B T1 ) ( T = 1.960,43 kj/kmol C T1 ) ( T 3 3 3 D T1 ) ( T 4 4 4 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 = -3.895 kj/kmol + 1.960,43 kj/kmol = -30.934,577 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 = -30.934,577 x 7,508 x 0,90 = -765.853,5097 kj/jam
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 = 630.457,189 678.995,6810 + 765.853,5097 = 717.315,0476 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
B-19 = 717.315,0476 kj/jam 63,085 kj/kg = 11.371,065 kg/jam Q cw masuk = F cw H (30 o C) = 11.371,065 kg/jam 4,1915 kj/kg = 38.309,045 kj/jam Q cw keluar = F cw H (45 o C) = 11.371,065 kg/jam x 4,00 kj/kg = 955.64,095 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 0,0000 56.33,555 Anhidrid Metil 446.430,6467 44.643,0646 Asetat 765.853,5097 Water 99.574,964 99.574,96 CO 84.451,64637 8.445,1646 Air Pendingin Total 38.309,045 955.64,095 Panas Konsumsi (kj/jam) Panas Akumulasi (kj/jam) 0,0000 0,0000 868.766,614 765.853,5097 1.634.619,773 0,0000 0,0000 1.634.619,771 1.634.619,771 0,0000
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
B-1 Tabel. Panas aliran masuk dari RE-01 Komponen n (kmol) Cp dt (kj/kmol) Hin (kj) Asetat Anhidrid 4,7573835 1.59,61937 56.33,5545 Metil Asetat,7508 16.9,1048 44.643,06463 HO 1,56537778 7.94,54696 99.574,964 CO,7508 3.070,07585 8.445,16464 Total 4,844 678.995,68096 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 4,7573835 951,35 3.550,0063 Metil Asetat,7508 709,0604 1.950,88397 HO 1,56537778 377,48638 4.743,5899 CO,7508 145,41646 400,01161 Total 4,844 30.644,1750 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) = 678.995,68096-30.644,1750 = 648.351,5058 kj/jam
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 = 648.351,5058 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 678.995,68096 Hout 30.644,1750 H cwin 10.013,308 H cwout 857.945,5938 Total 889.008,989 889.008,989 7. 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
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 4,7574 951,33 1.950,8840 Metil Asetat,7508 709,060 4.743,590 Air 1,5654 377,4864 3.550,006 Total 40,0736 15.7,4935 Menentukan suhu keluar EV-10 Tabel. Data Komponen EV-10 Komponen kmol Xi Cp 98 (J/mol) Cp Campuran Asetat Anhidrid 4,7574 0,6178 44.096,8340 7.4,9546 Metil Asetat,7508 0,0686 34.151,556.344,914 Air 1,5654 0,3136 4.861,7583 7.795,5985 Total 40,0736 1,0000 37.38,8445 Data : Cp campuran = 37.38,8445 kj/kmol.k R = 8,3140 kj/kmol.k
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
B-5 Tabel. Panas aliran keluar EV-10 Komponen n (kmol) Cp dt (kj/kmol) Hout (kj) Asetat Anhidrid 4,7574 940,8851 3.93,853 Metil Asetat,7508 701,4846 1.99,6439 Air 1,5654 373,3939 4.691,835 Total 40,0736 9.915,333 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 30.44,1636