343188213-310444736-Bubble-Column-Reactor-Design-and-Calculation-1.doc

Balina Da!ami A"rah# $T.# MT.# M.Eng

BUBBLE COLUMN REACTOR  1. Perhitungan Perhitungan Desain Desain Bubble Bubble Colum Colum Reaktor Reaktor

Dalam perhitungan perhitungan spesifikas spesifikasii bubble column reaktor pada proses oksidasi oksidasi  paraxylene menjadi terephthalic acid, terskema sebagai berikut : T = 112 ° = !"# °$  % = # atm = #&'((2# bar 

1.1. 1.1. Desa Desain in Bub Bubble ble Colum Column n Reak Reaktor tor

)kema perhitungan yang diperlukan antara lain : Diketahuni:  *ilai k : ',+( s

-.esarchgate/

0aktu aktu reak reaksi si :  jam jam = !(' !(' men menit it

-) -) %at %aten ents ts//

3enentukan Diffusi4itas 5as

-oulson, hal !!1/ $et : = 1(,(

= 1+2,( Dv = T=

Difusivity

m2/s

Temperature

3 85

K

Mr O2 =

Berat molekul

31.998

K/kmol

Mr !9"12 =

Berat molekul

12#.195

K/kmol

$=

te teka%a%

5.1

16"

Ba Bar

Dv =

2.#2111&'#(

m2/s

3enentuka 7ilangan 8atta

"a = #.#11#519#)

166

1.1.1. Desain %essel a. Menghitung %olume Reaktor# %R 

ntuk menentukan 4olume reaktor plug flo9 -%./ digunakan persamaan :  *eraca massa %. : ;nput

=
><

= > 



.eaksi

-?r>/  @ 

Dalam keadaan steady state,



>ccumulasi

dC  A

dC  A dt 

dt 

='

)ehingga : ><

=

>  -?r >/ @

Dimana :

> = >< -1 A B>/

3aka, @ =



=

 



 



 F  AO  X  A

 r  A V  vo



V  C  Ao  F  Ao



C  Ao &  X  A

 r  A

V  vo V  Q

ntuk densitas konstan,

 =

t

-
 = massadensitas  = 2&11#!12+ m!jam

3aka : @

=  &  =t& = "&#(#" -m!/

2''

aktor keamanan, f

= 2' E

@olume total, @total

= -1''E  2'E/ x @ = 1'&2+"6+#'1 -m!/

b. Menghitung Ukuran &olom Reaktor

%erbandingan tinggi kolom terhadap diameter kolom -8D/ berada pada range  ?12 -%erryFs ed +, hal : 2! ? 6/& ntuk 7ubble olumn terdiri dari silinder shell dengan dua tutup ellipsoidal, ditentukan dimensi :  H   D R



h  

 D R

-Tabel !& 0alas, hal (2#/



Dengan : 8 = Tinggi silinder h = Tinggi ellipsoidal D.   = Diameter reaktor 

a& Diameter reaktor, D.  @. 

= @silinder   @ellipsoidal

@. 

= = =

D. 

=

 

  



2

 D R

1! 12

!

    !   D R   2  

 D R  H   2  2

  D R  

   D R

 

12

 D R

!

12 V  R 16  

= 1,#+2('6 m

2'1

!

= &+!16#6"+ ft

 b& Tinggi silinder, 8  H   D R

8

 =  & D.  = #&+"26'!(2 -m/ = 1"&6(+62(!1 ft

c& Tinggi ellipsoidal, h h  

 D R 

= '&!(1!1#2! -m/

d& Tinggi reaktor, 8.  8. = 8  2 h = (&#'#+(+'+ -m/

e& 3enghitung ketebalan dinding reaktor, t9 untuk silinder

:

tw

2'2

=

 P  r  S   E - ' ,(   P 

 C 

3enentukan tekanan design %total = %operasi  %hidrostatis = +!&+6+# psi  = +!&+6+# psi  11.5*2*5 = 85.#525# psi = 5.*8*)82*3) atm $ =

85.#525

& =

#.85

r

=

2.3*1598

s =

18*##



=

#.#125

 =

).*)319(

$0  psi +$eters, -al 551

T9 = '&1!++!1'# in 3aka dipilih tebal !1( in

-7ronell, hal 6/

7ahan yang dipakai : 8igh?alloy steel for cladding and corrosion resistance )tainless !' -)>?2'/

untuk ellipsoidal head

:

t 

=

 P   D 2 S   E - ' ,2   P 

 C 

= '&1!+(6(6+ in -%eters, Tabel  hal ##'/

'. Menghitung Desain Per"orate( Plate

7erdasarkan literatur Treyball

hal& 1', digunakan sparger yang berbentuk 

lingkaran dengan diameter orifice yang memiliki range 1&# mm A ! mm& a/ Diameter bubble, d7

2'!

d7

  (&d O & &q c      g &        

=

1 !

-%ers&(&1&

Treyball/

Dengan : d<   

= ',! -cm/ = 98.9)2*88) -dynecm/

g

= 6"' -cms2/

Gc

 gr & cm ,  s 2 = 1 dyne

   =

   !

  

= 1&+ -gcm!/ Tea%a% $ermukaa% 4ormula



T

!9"12 !9"12O2

ima +y%e/m

(3.8

(31.15

1.3#5(

18.((#2*(9)

53.18)

))2.*

1.1)#(

5.2#5#58)35

((

(1*.1*

1.2(8

19.1#52522(

132.(*)

()*.13

#.955

55.9*22##*(

!8"1# "2O

%

Total

98.9)2*88)

maka : d7

=

  (&d O & &q c      g &        

1 !

= '&6+((#'(+ -cm/

 b/ Cuas tiap lubang orifice, >< >< =

d O

2

 



= '&'+'(# -cm2/

2'

c/ @olume tiap bubble, @7 !

@7 =

d  " &  (

= '&'(#'+" -cm!/

d/ Caju 4olumetrik gas pada tiap lubang,  ! 7

d

= 1,!+"

(Q  

(

 g 

#

!

-%ers& 1"&!1& #

%erry/



=

(

!

#

!

d  " & &g  #

1,!+" ( 

= 2&'6+(!6( -cm!det/

e/ $ecepatan gas masuk pada tiap lubang, g g =

Q  AO

= !&##'2(+# -cmdet/

f/ $ecepatan terminal bubble, t t =

  2     -'&#& d " & g /    d  " &  g      

Deck9er/

= 2!"&'1#22'+ -cmdet/

g/ 5as hold up,

  g

2'#

-%ers& +&&

  g 



'&'((1&#  g 

'&(6

-%ers& +&2# b&

1  '&'((1&#  g 

Deck9er/ = '&2!16!1#(

= 2!,16!1#( -E/

h/ $ecepatan superfacial gas, s -laju aliran udara pada kolom yang kosong/ s =  t &

1     

n 1

-%ers& +&1#&

 g 

Deck9er/

Dengan : n = fungsi .eynold *umber di bubble = 2,!6

-8al 1("& Deck9er/

maka, s = t 1    g  

1,&!6

= 1(&6!1(2 -cmdet/

i/ ;nterfacial area bubble per unit 4olume liGuid, a a =

( &  g 

d  "

= 2&+6(2!(+++ -cm?1 H m?1/

 j/ Diameter perforated plate, D pp >sumsi : jarak antara dinding reaktor dengan lubang orifice terluar ditentukan ! inchi = +,(2 cm& D.  = D pp  2 -+,(2 cm/ D pp = D.  A 2 -+,(2 cm/ = 126&!!2('6 -cm/

2'(

k/ Cuas perforated plate, > pp > pp =

& D $$

  

2



= 1&!1!'(!#1# -m2/

l/ Iumlah lubang orifice, *or   *or ',26

 d O & D R 2     =   ',''"!    ! $  

', 26

  g 

Dengan : C p = jarak pitch   g 

= '&''!# -m/

= gas hold up

= 2!&16!1#('! -E/

do = diameter orifice = '&''! -m/ D.  = diameter reaktor

= 1&#+2('6 -m/

maka, ', 26

 *or ',26

 d O & D R 2     = ',''"!    ! $  

 *or

= !!'6&1#+(( -hole/

  g 

2'+

 j& 3enghitung %endingin .eaktor  Dipilih pendingin coil dengan media pendingin air  )uhu masuk

= !'o

)uhu keluar

= #'o

Dengan : 

: jumlah panas yang harus diserap

= 2'662#2&!2( btujam

p

: panas jenis pendingin

= &16!"6#(# $j$g

Dt

: beda suhu pendingin

= 2'o

3aka diperoleh : 0a = !""'6&2"2'# lbjam Dipilih diameter pipa coil 2 inch, ' sch Dari tabel 11& $ern:

'


= 2,'(+ in

>t

= !,!# in2

>tF

= ',(22 sGftft

3enghitung luas transfer panas

luas perpindahan panas yang diperlukan :

2'"

3aka diperoleh :

= 2("&!1'2"6

3aka luas perpindahan panas :

= 1#(&(1# ft2 Diameter lilitan = !&6!+''" ft = 1&2 m Cuas perpindahan panas per coil : >F

= >tF& &Dc = +&("6261#"# sGft

Iumlah lilitan :  *t

= >o>F = 2'&!+6+(#!

Diambil jumlah lilitan -*t/ = 21 lilitan %anjang total coil : C

= >o>tF = 2#1&##"#6+ft

2'6

Tinggi lilitan coil minimum yaitu jika coil disusun tanpa jarak, yaitu : 8min = *t&
= 8min  -*t ?1/&pt12 = #(&((((((+ in = 1&!""2#!!! m

Iadi, tinggi cairan lebih tinggi dari tinggi coil&

21'

211

212

21!

1.1.). Desain *aket Pen(ingin id

OD

H

&eterangan Data +ang Diketahui


=
= -m/

8

= Tinggi silinder

= -m/

id

= Diameter reaktor beserta jaket bagian dalam

lo9rate cooling 9ater -m/

= -kgjam/

Densitas air !' o -/

= -kgm!/

.esidence time

= -jam/

@olumetric flo9rate air pendingin

=

m   

= -m!jam/

@olume jaket air pendingin

= @olumetric flo9rate x .esidence time

21

= -m!/

@ Iaket

= -@olume .eaktor  Iaket/ A -@olume .eaktor/

@ .eaktor  Iaket

= @olume )ilinder  @olume head ellipsoidal -2:1/ =

@ .eaktor

1

  



-%d / 2  H  

1

  

2

-%d / !

= @olume )ilinder  @olume head ellipsoidal -2:1/ =

1 

  

-OD / 2  H  

1

  

2

-OD / !

3aka : @ Iaket 1  1 2     -%d /  H   2   

=

  

@ Iaket

1    1 2    -OD /  H   2     

! -%d /   

=

  

   

! -OD / 

1 1 2 2 ! !    H   %d   OD      %d   OD   2

Iika disubstitusikan data yang diketahui dari persamaan ini akan didapat harga %d  ,

dalam - m /

Tebal jaket pendingin

= %d  A OD =-m/

21#