PERHITUNGAN NERACA MASSA
Pembuatan pabrik formaldehid dengan bahan baku methanol dan udara direncanakan dengan kapasitas 70.000 ton/tahun. Skema perhitungan neraca massa digambarkan dalam blok diagram. Basis waktu operasi
= 1 jam operasi
Hari kerja dalam setahun
= 330 hari
Jam kerja dalam sehari
= 24 jam
Kapasitas produksi formaldehid = 70.000 ton/tahun Flow massa
=
70000
ton tahun
x1000
kg ton ton
x
1 tahun 330 hari
x
1 hari 24 jam
= 8838,38 kg/jam a. Spesifikasi Bahan Baku Baku Udara :
Komponen
BM
% volume
O2
32
20,94
H2O
18
1,06
N2
28
78,00 (Kirk-Othmer Vol 17)
Humidity udara rata-rata di Indonesia = 80%
Dari grafik, Absolute Humidity
b. Spesifikasi Bahan Baku Methanol :
Komponen
BM
% berat
CH3OH
32
99,9
H2O
18
0,1 (http://kaltimmethanol.com/home.html)
c. Spesifikasi Produk Keluar Absorber :
Komponen
BM
% berat
CH2O
30
37
CH3OH
32
0,5
H2O
18
62,5 (http://www.topsoe.com/site.nsf/all/BBNN-5PQHCZ?OpenDocument)
d. Efisiensi Absorber
CH2O terserap absorber = 99 % (Mc. Ketta, 1984; vol. 23 : 364) e. Perbandingan mol CH3OH dengan O2 masuk reaktor
mol CH3OH : mol O 2 = 0,56 (Mc. Ketta, 1984; vol. 23 : 364) f. Konversi dan Yield :
Konversi CH 3OH
= 98,5 %
Yield overall overall = 91 % (Ullmann, 2005; Formaldehyde : 11) Selektivitas
= 91,76%
(91,76% membentuk CH 2O dan 8,24% membentuk CO)
g. Recycle :
Recycle gas dari absorber = 80 % vol
(Mc. Ketta, 1984; vol. 23 : 364) h. Komposisi CH3OH total masuk reaktor
CH3OH total masuk reaktor = 6 % berat dari feed masuk reaktor (Mc. Ketta, 1984; vol. 23 : 364) SPLITTER
(9)
(8)
(7)
MIXER
(1)
REAKTOR
(3)
(2)
ABSORBER
(4)
Blok Diagram Neraca Massa
(5)
(6)
Keterangan Arus : Arus
Komponen
1
O2, N2, H2O
2
CH3OH, H2O
3
CH3OH, H2O, O2, N2, CH2O, CO
4
CH3OH, H2O, O2, N2, CH2O, CO
5
H2O
6
CH3OH, H2O, CH2O
7
CH3OH, H2O, O2, N2, CH2O, CO
8
CH3OH, H2O, O2, N2, CH2O, CO
9
CH3OH, H2O, O2, N2, CH2O, CO
Reaksi yang terjadi di reaktor : 1.
CH 3 OH
2.
CH 2 O
1 2
1 2
O2
O2
CH 2 O H 2 O
CO H 2 O
Produk (aru s 6) :
Kapasitas produksi = 8838,38 kg/jam
mCH 2 O 6 =
37 100
mCH 3OH 6 =
mH 2 O 6 =
6 x 8838,38 3270,2 kg / jam nCH 2 O 109,01 kmol / jam
0,5 100
62,5 100
6 x 8838,38 44,19 kg / jam nCH 3 OH 1,38 kmol / jam
x 8838,38 5523,991kg / jam
m6 8838,38 kg / jam
nH 2 O 6 306,89 kmol / jam
n6 417,28 kmol / jam
Yield overall = 91 %
nCH 2 O
6
nCH 3 OH 2
0,91 nCH 3 OH 2
109,01 kmol / jam 0,91
119,79 kmol / jam
mCH 3 OH 2 3833,20 kg / jam
Kemurnian
CH 3OH 2 = 99,9 % berat
mCH 3 OH 2 3833,20 kg / jam m2 . xCH 3OH 3833,20kg / jam
m2
3833,20 kg / jam 0,999
3837,04 kg / jam
mH 2 O 2 m2 mCH 3 OH 2 (3837,04 3833,20) kg / jam 3,84 kg / jam
nH 2 O 2 0,21 kmol / jam
Efisiensi absorber = 99 %
CH 2 O keluar reaktor terserap
mCH 2 O 6 99 % mCH 2 O 4 mCH 2 O
4
3270,2 kg / jam 0,99
3303,23 kg / jam
nCH 2 O 4 110,11kmol / jam mCH 2 O 7 mCH 2 O 4 mCH 2 O 6 (3303,23 3270,2) kg / jam 33,03kg / jam
Recycle
nCH 2 O 7 1,1 kmol / jam
gas dari absorber = 80 % volume ≈ 80 % mol
nCH 2 O 9 80 % nCH 2 O 7 0,8 . 1,1 kmol / jam 0,88 kmol / jam
mCH 2 O 9 26,43 kg / jam
mCH 2 O 3 mCH 2 O 9 26,43 kg / jam
nCH 2 O 3 0,88 kmol / jam
mCH 2 O 8 mCH 2 O 7 mCH 2 O 9 33,03 26,43 kg / jam 6,61kg / jam
nCH 2 O 8 0,22 kmol / jam
Reaksi di reaktor :
1
CH 3OH 1 O2 2
CH 2 O H 2 O
2
CH 2 O 1 O2 2
CO H 2 O
Konversi
CH 3OH
nCH 3OH 4
nCH 3OH yang tidak terkonversi
=
100 % 98,5 % . nCH 3OH 2 nCH 3 OH 3
nCH 3OH 4 =
nCH 3OH 4
mCH 3OH 7
=
1,5
=
100
. 119,79 kmol / jam nCH 3OH 3
1,5
.
32 kg
100 kmol
119,79 kmol / jam nCH OH 44,19 kg / jam 3
3
80 % nCH 3OH 7
=
1,5 32 kg 3 kmol jam nCH OH kg jam . 119 , 79 / 44 , 19 / 3 100 32 kg / kmol 100 kmol 80
(1)
mCH 3OH 4 mCH 3OH 6
=
=
nCH 3OH 9
= 98,5 %
.
1
(2)
nCH 3OH 9
=
80 1,5 . . 119,79 kmol / jam nCH 3OH 3 1,38 kmol / jam 100 100
mCH 3OH 3 mCH 3OH 9
nCH 3OH 3 nCH 3OH 9
(3)
(4)
4 3 nCH 3OH 3
=
nCH 3OH 3 nCH 3OH 4
1
80 1,5 . . 119,79 kmol / jam nCH 3OH 3 1,38 kmol / jam 100 100
=
=
mCH 3OH 4
=
0,34 kmol / jam
1,5 100
1,5 100 =
mCH 3OH 3
=
10,77 kg / jam
. 119,79 kmol / jam nCH 3OH 3
. 119,79 kmol / jam 0,34 kmol / jam = 1,8 kmol / jam
57,66 kg / jam
mCH 3OH 7 mCH 3OH 4 mCH 3OH 6 57,66 44,19 kg / jam 13,47 kg / jam
nCH 3 OH 7 0,42 kmol / jam
nCH 3OH 9 80 % nCH 3OH 7 nCH 3OH 3 0,34 kmol / jam
mCH 3OH 9 10,77kg / jam
mCH 3OH 8 mCH 3OH 7 mCH 3OH 9 13,47 10,77 kg / jam 2,69 kg / jam
nCH 3OH 8 0,08 kmol / jam
Selektivitas
= 91,76%
(91,76% nCH3OH membentuk CH2O dan 8,24% nCH3OH membentuk CO)
nCH3OH yang bereaksi
=
98,5 % nCH 3OH 2 nCH 3OH 3 =
98,5 100
119,79 0,34 kmol / jam 118,32 kmol /
nCH2O pada reaksi 1 = ( ) nCO pada reaksi 2
= ( )
jam
nCO4 nCO3 9,75kmol / jam nO2
4
nO2
3
1
1
2
2
(108,57) (9,75) nO2
3
59,16 kmol / jam
nCO4 nCO3 9,75 kmol / jam
(5)
mCO7 mCO4 28 kg / kmol (nCO3 9,75 kmol / jam)
(6)
nCO 9 80 % nCO 7
80
.
1
28 kg / kmol nCO 9,75 kmol / jam 3
100 28 kg / kmol
nCO 9 0,8 nCO 3 9,75 kmol / jam
mCO 9 mCO 3
8 7
nCO 9 nCO 3
(7) (8)
nCO3 0,8 nCO3 9,75 kmol / jam
nCO3 39,00 kmol / jam
mCO3 1091,97 kg / jam
5 nCO4 nCO3 9,75kmol / jam (39,00 9,75) kmol / jam 48,75 kmol / jam mCO4 1364,97 kg / jam
mCO7 mCO4 1364,97 kg / jam nCO7 48,75 kmol / jam
nCO9 80 % nCO7 nCO3 39,00 kmol / jam mCO9 1091,97 kg / jam
mCO8 mCO7 mCO9 1364,97 1091,97 kg / jam 272,99 kg / jam nCO 8 9,75 kmol / jam
Perbandingan mol feed masuk reaktor =
CH 3OH : O2 = 0,56
nCH OH nCH OH 0,56 nO 120,13 kmol / jam 214,51 kmol / jam 2
3
3
3
3
nO2
3
2
nO2
4
mO2
mO2
7
9
mO2
1
1
4
4971,09 kg / jam
9
7
80 100
. 155,35 kmol / jam 124,28 kmol / jam
3976,87 kg / jam
8
7
mO2
9
4971,09 3976,87 kg / jam 994,22 kg / jam
31,07 kmol / jam
1
3
mO2
9
6864,25 3976,87 kg / jam 2887,38 kg / jam
90,23 kmol / jam
90,23 kmol / jam
n1 . xO 1 90,23 kmol / jam 2
nN 2
6864,25 kg / jam
155,35 kmol / jam
mO2
nO2
3
4971,09 kg / jam
mO2
nO2
mO2
59,16 kmol / jam 214,51 59,16 kmol / jam 155,35kmol / jam
80 % nO2
8
nO2
7
mO2
mO2
4
3
mO2
nO2
nO2
nO2
0,56
1
x N . n1 1
2
mN 2
1
78,00 100
n1
90,23 kmol / jam 20,94 / 100
430,90 kmol / jam
. 430,90 kmol / jam 336,10 kmol / jam
9410,86 kg / jam
BM udara kering = (0,78 x 28) + (0,2094 x 32) + (0,0106 x 18) = 28,7316 nH2O(1) =
=
mH 2O 1 28,48 kg / jam
1
1
mN 2 mH 2 O 1 2887,38 9410,86 28,48 kg / jam 12326,71 kg / jam
m1 mO2
mN 2
3
mN 2 mN 2
9
9410,86 kg / jam mN 2
mN 2
7
mN 2
4
3
9410,86 kg / jam mN 2
9
80 % nN 2
nN 2
1
mN 2 7
mN 2
9
9
9
80 % mN 2
(9)
7
(10)
(11)
10 11 nN 2
9
80
.
100 9
nN 2
mN 2
9410,86 kg / jam mN 2
9
28 kg / kmol
80 100
. 336,102 nN 2
9
1344,41 kmol / jam
9
37643,45 kg / jam
9 mN 2 3 9410,86 kg / jam mN 2 9 9410,86 37643,45 kg / jam 47054,31 kg / jam mN 2
nN 2
7
mN 2
8
mN 2 nN 2
3
nN 2
8
4
7
mN 2
1680,51 kmol / jam mN 2
nN 2
7
3
4
mN 2
47054,31 kg / jam
1680,51 kmol / jam
9
47054,31 37643,45 kg / jam 9410,86 kg / jam
336,10 kmol / jam
Komposisi methanol total masuk reaktor = 6 % berat total feed
mCH OH mCH OH 2
3
6
3
3
3843,98 kg / jam
100
6 100
. m2 m3
. 3837,04 kg / jam m3
m3 60229,26 kg / jam
mH 2 O 3 m3 mCH 3OH 3 mO2
3
mN 2
3
mCH 2 O 3 mCO3
60229,26 10,77 6864,25 47054,31 26,43 1091,97 kg / jam 5181,53 kg / jam
nH 2O 3 287,86 kmol / jam
n3 nCH 3OH 3 nH 2 O 3 nO2
2223,10 kmol / jam
3
nN 2
3
nCH 2O 3 nCO 3
nH 2 O 4
nH 2 O 2 nH 2 O 3 nH 2 O _ reaksi1 nH 2 O _ reaksi2
0,21 287,86 108,57 9,75 kmol / jam
406,40 kmol / jam
mH 2O 4 7315,17 kg / jam
m4 mCH 3OH 4 mH 2 O 4 mO2
4
mN 2
4
mCH 2 O 4 mCO 4
64066,43 kg / jam n4 nCH 3OH 4 nH 2 O 4 nO2
4
nN 2
4
nCH 2 O 4 nCO 4
2402,91 kmol / jam mH 2O 9 mH 2O 1 mH 2O 3 mH 2O 9 5153,05 kg / jam
nH 2 O 9 286,28 kmol / jam
m9 mCH 3OH 9 mH 2 O 9 mO2
9
mN 2
9
mCH 2 O 9 mCO 9
47902,55 kg / jam n9 nCH 3OH 9 nH 2 O 9 nO2
9
nN 2 nCH 2 O 9 nCO 9 9
1795,18 kmol / jam nH 2 O 9 80 % nH 2 O 7
nH 2 O 7
286,28 80 / 100
357,85 kmol / jam
mH 2O 7 6441,32 kg / jam
m7 mCH 3OH 7 mH 2 O 7 mO2
7
mN 2
7
mCH 2 O 7 mCO 7
59878,18 kg / jam n7 nCH 3OH 7 nH 2 O 7 nO2
7
nN 2
7
nCH 2 O 7 nCO 7
2243,98 kmol / jam mH 2O 8 mH 2O 7 mH 2O 9 6441,32 5153,05 kg / jam 1288,26 kg / jam
nH 2O 8 71,57 kmol / jam
m8 mCH 3OH 8 mH 2 O 8 mO2
8
mN 2
8
mCH 2 O 8 mCO 8
11975,64 kg / jam n8 nCH 3OH 8 nH 2O 8 nO2
8
nN 2
8
nCH 2 O 8 nCO 8
448,80 kmol / jam m5 m6 m7 m4 8838,38 59878,18 64066,43 kg / jam 4650,14 kg / jam
n5 258,34 kmol / jam Tabel 1. Neraca Massa di Sekitar Flow Mixer
Input (kg/jam) Arus 1 CH3OH H2O O2
Arus 9
Output (kg/jam) Arus 3
10,77
10,77
28,48
5153,05
5181,53
2887,38
3976,87
6864,25
N2
9410,86
37643,45
47054,31
26,43
26,43
1091,97
1091,97
47902,55
60229,26
CH2O CO Jumlah
12326,71
Total
60229,26
60229,26
Tabel 2. Neraca Massa di Sekitar Reaktor
Output
Input (kg/jam) Arus 2 CH3OH
(kg/jam)
Arus 3
Arus 4
3833,20
10,77
57,66
3,84
5181,53
7315,17
O2
6864,25
4971,09
N2
47054,31
47054,31
26,43
3303,23
1091,97
1364,97
60229,26
64066,43
H2O
CH2O CO Jumlah
3837,04
Total
64066,30
64066,43
Tabel 3. Neraca Massa di Sekitar Absorber
Input (kg/jam) Arus 4 CH3OH
Input (kg/jam)
Arus 5
Arus 6
57,66
44,19192
13,47
5523,99
6441,32
H2O
7315,17
O2
4971,09
4971,09
N2
47054,31
47054,31
CH2O
3303,23
CO
1364,97
Jumlah
64066,43
Total
4650,14
Arus 7
3270,202
33,03 1364,97
4650,14
8838,38
68716,57
59878,18
68716,57
Tabel 4. Neraca Massa di Sekitar Splitter
Input (kg/jam) Arus 7 CH3OH
Output (kg/jam) Arus 8
Arus 9
13,47
2,69
10,77
H2O
6441,32
1288,26
5153,05
O2
4971,09
994,22
3976,87
N2
47054,31
9410,86
37643,45
33,03
6,61
26,43
CO
1364,97
272,99
1091,97
Jumlah
59878,18
11975,64
47902,55
CH2O
Total
59878,18
59878,18
Tabel 5. Neraca Massa Overall
Input (kg/jam) Arus 1 CH3OH H2O
Arus 2
Output (kg/jam) Arus 5
3833,20 28,48
3,84
4650,14
Arus 6
Arus 8
44,19
2,69
5523,99
1288,26
O2
2887,38
994,22
N2
9410,86
9410,86
CH2O
3270,20
6,61
CO Jumlah Total
272,99 12326,71
3837,04 20813,89
4650,14
8838,38
11975,64
20814,02
