PERANCANGAN PROSES INDUSTRI KIMIA

PERANCANGAN PROSES INDUSTRI KIMIA Disusun oleh : Supranto Supranto Departemen Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Gadjah Mada

DESIGN ENGINEER

OPERATING / PROCESS ENGINEER

29/03/2017

[email protected]

1

PERANCANGAN PROSES INDUSTRI KIMIA

DESIGN ENGINEER

RESEARCH ENGINEER

OPERATING / PROCESS ENGINEER

https://www.youtube.com/watch?v=yp_RJxz6pvs 29/03/2017

[email protected]

2

DATA PENELITIAN UNTUK PERANCANGAN DAN OPERASI PROSES KIMIA 1. Riset proses kimia 2. Perancangan proses kimia

3. Pengoperasian proses kimia

1. Persamaan reaksi, tekanan (P), suhu (T), Fase (padat/cair/gas), rasio pereaksi, konsentrasi rw, spesifikasi produk, katalisator, panas reaksi, konversi, digunakan untuk Perancangan Proses kimia (Flow Diagram Proses, FDP blok, FDP simbolik, PEFD) 2. Pengoperasian proses kimia : bagaimana pengaruh perubahan parameter proses kimia: tekanan, suhu, rasio pereaksi, aktifitas katalisator dan konsentrasi reaktan terhadap konversi proses kimia. 29/03/2017

[email protected]

3

CAKUPAN MATERI PROSES INDUSTRI KIMIA Topik Bahasan Kuliah Proses Industri Kimia I. 10 DATA RISET PROSES KIMIA II. DASAR DASAR PROSES KIMIA a. b. c. d.

Dasar dasar perancangan proses kimia. Unit proses produksi, persiapan bahan baku, sintesis, dan finishing. Flow Diagram Proses (FDP blok, FDP simbolik dan PEFD). Dasar dasar proses pemisahan dan pencampuran.

III. DASAR DASAR PENGENDALIAN PROSES KIMIA a. Pengendalian konversi proses kimia dengan mengubah nilai parameter proses kimia : tekanan, perbandingan pereaksi, konsentrasi bahan baku dan suhu proses kimia. b. Perhitungan panas reaksi kimia, dan energi aktifasi. c. Studi kasus Proses Kimia : Nitrasi, Aminasi, Halogenasi dan Sulfonasi.

29/03/2017

[email protected]

4

10 DATA RISET PROSES KIMIA untuk PERANCANGAN PROSES KIMIA 1. PERSAMAAN REAKSI KIMIA 2. TEMPERATUR (T) 3. TEKANAN (P) 4. FASA : PADAT, CAIR, GAS 5. KONSENTRASI REAKTAN (C)

6. PERBANDINGAN PEREAKSI (RASIO REAKTAN) 7. KATALISATOR

8. KONVERSI 9. PANAS REAKSI

10. KAPASITAS PRODUKSI 29/03/2017

[email protected]

5

PERANCANGANPROSES INDUSTRI KIMIA Dasar dasar perancangan proses kimia: memberikan rincian urutan pemrosesan / treatment fisik dan kemis terhadap bahan baku sampai menjadi produk proses kimia

P

A C

PROSES KIMIA di unit sintesa

Q

B R

29/03/2017

[email protected]

6

PERANCAGAN PROSES INDUSTRI KIMIA • Apabila kondisi BAHAN BAKU: belum memiliki kondisi konsentrasi (C), suhu(T), tekanan (P), fasa (F), sesuai yang diperlukan pada proses kimia di unit sintesa, berakibat diperlukan adanya UNIT PERSIAPAN BAHAN BAKU yang bertugas menyesuaikan kondisi bahan baku menjadi sesuai dengan kondisi yang diperlukan untuk terjadinya proses kimia di unit sintesa.

• Apabila kondisi PRODUK yang diinginkan : tidak sesuai dengan kondisi proses kimia di unit sintesa, berakibat diperlukan adanya UNIT FINISHING yang bertugas menyesuaikan kondisi produk sintesa kimia di unit sintesa menjadi produk akhir yang kondisi fisik-kemisnya sesuai dengan produk akhir yang diinginkan.

29/03/2017

[email protected]

7

PERANCANGAN PROSES INDUSTRI KIMIA Persamaan reaksi kimia : memberikan data hubungan jumlah massa dan molekul bahan baku dengan jumlah massa dan molekul produk reaksi

P

A C B

1. A+ B  E + F 2. A+ E  P + S 3. C+ S  Q + T 4. F+ T  R

Q

R

A ,B,C 29/03/2017

P,Q,R [email protected]

8

PERANCAGAN PROSES INDUSTRI KIMIA Dasar dasar proses kimia. P

A C

Q

PROSES KIMIA

B

A ,B,C

P,Q,R

R

TEKANAN ? SUHU ? RASIO PEREAKSI ? (1) [A],[B]; (2) [A],[E]; (3) [C],[S]; (4) [F],[T] 29/03/2017

[email protected]

9

PERSAMAAN PROSES KIMIA A ,B

E,F

TEKANAN ? SUHU ? RASIO PEREAKSI ? [A],[B] ?

A ,B

PBB

SINTESIS

FINISHING

E,F

BAGAIMANA PERSAMAAN REAKSI KIMIA INI ? 1. Pembentukan gas sintesis : CH4 + H2O  CO + H2 2. Pembentukan gas CO2 : CO + O2  CO2 CO + H2O  CO2 + H2 3. Pembentukan NH3 : N2 + H2  NH3 4. Pembentukan Urea : NH3 + CO2  CO(NH2)2 + H2O

29/03/2017

[email protected]

10 10

PERSAMAAN REAKSI PROSES KIMIA BAGAIMANA PERSAMAAN REAKSI KIMIA INI, apakah sudah benar ? Dimana kesalahannya? Benarnya bagaimana ? 1. Pembentukan gas sintesis : CH4 + H2O  CO + H2 2. Pembentukan gas CO2 : CO + O2  CO2 CO + H2O  CO2 + H2 3. Pembentukan NH3 : N2 + H2  NH3 4. Pembentukan Urea : NH3 + CO2  CO(NH2)2 + H2O 1. CH4 + H2O  CO + H2 a CH4 + b H2O  c CO + d H2 Dibagian kiri: Unsur C ada = a Dibagian kanan: Unsur C ada=c Jadi c=a

a CH4 + b H2O  c CO + d H2 Dibagian kiri: Unsur H ada = 4 a + 2 b Dibagian kanan: Unsur H ada = 2 d Jadi 4 a + 2 b = 2 d

a CH4 + b H2O  c CO + d H2 Dibagian kiri: Unsur O ada = b Dibagian kanan: Unsur O ada=c Jadi b=c

c=a b=c=a 4 a + 2 a = 2d d= 3a

29/03/2017

[email protected]

1. aCH4 + b H2O  c CO + d H2 1. aCH4 + a H2O  a CO + 3a H2 1. CH4 + H2O  CO + 3 H2 11 11

PERSAMAAN REAKSI PROSES KIMIA BAGAIMANA PERSAMAAN REAKSI KIMIA INI, apakah sudah benar ? Dimana kesalahannya? Benarnya bagaimana ? 1. Pembentukan gas sintesis : CH4 + H2O  CO + H2 2. Pembentukan gas CO2 : CO + O2  CO2 CO + H2O  CO2 + H2 3. Pembentukan NH3 : N2 + H2  NH3 4. Pembentukan Urea : NH3 + CO2  CO(NH2)2 + H2O PERSAMAAN REAKSI KIMIA YANG BENAR ADALAH 1. Pembentukan gas sintesis : CH4 + H2O  CO + 3 H2 2. Pembentukan gas CO2 : 2 CO + O2  2 CO2 CO + H2O  CO2 + H2 3. Pembentukan NH3 : N2 + 3 H2  2 NH3 4. Pembentukan Urea : 2 NH3 + CO2  CO(NH2)2 + H2O

29/03/2017

[email protected]

12 12

PERSAMAAN PROSES KIMIA A ,B

E,F

TEKANAN ? SUHU ? RASIO PEREAKSI ? [A],[B] ?

A ,B

PBB

SINTESIS

FINISHING

E,F

PERSAMAAN REAKSI KIMIA PABRIK UREA 1. CH4 + H2O  CO + 3 H2 2. 2CO + O2 (4 N2)  CO2 + 4 N2 CO + H2O  CO2 + H2 3. N2 + 3 H2  2 NH3 4. 2 NH3 + CO2  CO(NH2)2 + H2O

29/03/2017

[email protected]

13 13

PROSES INDUSTRI KIMIA PABRIK UREA TUGAS 1_PIK_FDP PABRIK UREA__KLAS A/B/C 1. CH4 + H2O  CO + 3 H2 2. 2 CO + O2 (4 N2)  2 CO2 + 4 N2 / CO + H2O  CO2 + H2 3. N2 + 3 H2  2 NH3 4. 2 NH3 + CO2  CO(NH2)2 + H2O UREA Sumber informasi : Pabrik Urea Indonesia (Pabrik Pupuk PUSRI; Pabrik Pupuk KALTIM; Pabrik Pupuk KUJANG; Pabrik Pupuk Iskandar Muda; Pabrik Pupuk Petrokimia Gresik)

PBB PBB

1

2 3

4

C P T 29/03/2017

[email protected] [email protected]

14 14

PROSES INDUSTRI KIMIA PABRIK UREA TUGAS 1_PIK_FDP PABRIK UREA__KLAS A/B/C 1. CH4 + H2O  CO + 3 H2 2. 2 CO + O2 (4 N2)  2 CO2 + 4 N2 / CO + H2O  CO2 + H2 3. N2 + 3 H2  2 NH3 4. 2 NH3 + CO2  CO(NH2)2 + H2O UREA PBB PBB

C

2

1

3

P

T

4

KONDISI RM DENGAN C, P,T SESUAI SINTESA

INERT 29/03/2017


15 15

PROSES INDUSTRI KIMIA PABRIK UREA TUGAS 1_PIK_FDP PABRIK UREA__KLAS A/B/C 1. CH4 + H2O  CO + 3 H2 2. 2 CO + O2 (4 N2)  2 CO2 + N2 / CO + H2O  CO2 + H2 3. N2 + 3 H2  2 NH3 4. 2 NH3 + CO2  CO(NH2)2 + H2O UREA

PBB PBB

6 3 RM STORAGE CH4 H2O O2 (N2) 29/03/2017

2

1

1

3

3 3

1

3

1

3

INTERMEDIATE P-STORAGE CO, H2 CO2, N2 [email protected] [email protected] NH3

4

3

1

3

3

2 P- STORAGE UREA H2O 16 16

FLOW DIAGRAM PROSES PABRIK UREA Simbol alat dan Flow Diagram Proses. URUTAN PROSES KIMIA digambarkan sebagai :

✓FDP--BLOK ✓FDP --SIMBOLIK ✓PEFD --ENGINEERING

29/03/2017


17 17

FLOW DIAGRAM PROSES PABRIK UREA

PBB PBB

6

3 RM STORAGE CH4 H2O O2 (N2) 29/03/2017

2

1

1

3

3 3

1

3

1

3

INTERMEDIATE P-STORAGE CO, H2 CO2, N2 NH3 [email protected]

4

3

1

3

3 2 P- STORAGE UREA H2O

18 18

PERANCANGAN DAN PENGENDALIAN PROSES KIMIA Pengendalian konversi proses kimia Dengan mengendalikan kondisi operasi P (tekanan), R(Rasio pereaksi), C(konsentrasi reaktan) dan T(suhu)

CH4 + H2O  CO + 3 H2 Bagaimana pengaruh perubaan nilai parameter tekanan (P), rasio pereaksi (R), konsentrasi (C) dan suhu (T) pada konversi proses kimia ? Pengaruh perubahan nilai parameter P, R, C dan T terhadap konversi reaksi kimia dapat digunakan untuk memilih kondisi proses kimia yang optimal pada tahapan perancangan proses kimia dan digunakan untuk mengendalikan proses kimia di unit sintesa. 29/03/2017

[email protected]

19 19

PERANCANGAN DAN PENGENDALIAN PROSES KIMIA

PENGARUH P, R, C DAN T

CH4 + H2O KECEPATAN REAKSI KE KANAN

CO + 3 H2

-d(CH4)/dt = k1 [CH4].[H2O]

(1)

3 KECEPATAN REAKSI KE KIRI

29/03/2017

+d(CH4)/dt = k2 [CO].[H2] [email protected]

(2) 20 20

PERANCANGAN DAN PENGENDALIAN PROSES KIMIA Pada kesetimbangan reaksi kimia

CH4 + H2O

CO + 3 H2

Reaksi kekanan = reaksi kekiri -d(CH4)/dt = k1 [CH4].[H2O]

(1)

3

+d(CH4)/dt = k2 [CO].[H2] 29/03/2017

[email protected]

(2) 21 21


Pada kesetimbangan reaksi kimia

CH4 + H2O

CO + 3 H2

Reaksi kekanan = reaksi kekiri k1 [CH4].[H2O] 3

= k2 [CO].[H2] K = k1/k2 .........K = f([CH4],[H2O],[CO],[H2] ) 29/03/2017

[email protected]

22 22


Pada kesetimbangan reaksi kimia K = k1/k2 .........K = f([CH4],[H2O],[CO],[H2] ) Tekanan =P [CH4] = y(CH4). P ........ y(CH4) = nCH4/ntotal [H2O] = y(H2O). P ........ y(H20) = nH2O/ntotal [CO] = y(CO). P ........ y(CO) = nCO/ntotal [H2] = y(H2). P ........ y(H2) = nH2/ntotal K = Ky. Kp = (y(CO). P ) (y(H2). P )^3/ (y(CH4). P) (y(H2O). P ) K = {(y(CO) y(H2)^3)/ (y(CH4) y(H2O) )}. P^2 29/03/2017

[email protected]

23 23

PERANCANGAN DAN PENGENDALIAN PROSES KIMIA TUGAS 2_PIK_KENDALI PROSES RASIO DAN TEKANAN__ KLAS A/B/C 1. CH4 + H2O  CO + 3 H2

K= K = {(y(CO) y(H2)^3)/ (y(CH4) y(H2O) )}. P^2 29/03/2017

[email protected]

24 24


CH4 + H2O

CO + 3 H2

CH4 H2O

CO + 3 H2

PROSES KIMIA

1000K 5 ATM CH4: H2O = 1:1 [CH4]=100%; [H2O]=100% KONVERSI CH4 = 29% 29/03/2017

[email protected]

CH4 + H2O

PRODUK SISA

Menghitung konstanta kesetimbangan / pada kondisi akhir

25


CH4 + H2O

CO + 3 H2

CH4 H2O

Awal CH4 = 1 H2O = 1 CO = 0 H2 = 0 29/03/2017

CO + 3 H2

PROSES KIMIA

1000K 5 ATM CH4: H2O = 1:1 KONVERSI CH4 = 29% Menghitung konstanta kesetimbangan / pada [email protected] kondisi akhir

CH4 + H2O

PRODUK SISA

Akhir CH4= 1-0,29 H2O= 1-0,29 CO = 0 + 0,29 H2 = 0 + 3(0,29) ntotal= 2+2(0,29)

26


CH4 + H2O

CO + 3 H2

CH4 H2O

Awal CH4 = 3 H2O = 1

Dengan 29/03/2017

CO + 3 H2

PROSES KIMIA

1000K 5 ATM CH4: H2O = 3:1 KONVERSI CH4 = x mol

CH4 + H2O

PRODUK SISA

Akhir CH4= 3 - x H2O= 1- x CO = x H2 = 3(x) ntotal= 4+2(x)

memvariasikan CH4/H2O, konversi proses kimia dapat dikendalikan [email protected]

27


CH4 + H2O

CO + 3 H2

70 60

CH4

50

CO + 3 H2

40

PRODUK

Series1

H2O

PROSES KIMIA

30

Series2

CH4 + H2O

20

SISA

10 0 0


Dengan 29/03/2017

1

2

3

4

5

1000K 5 ATM CH4: H2O = 3:1 KONVERSI CH4 = x mol

6

Akhir CH4= 3 - x H2O= 1- x CO = x H2 = 3(x) ntotal= 4+2(x)

memvariasikan CH4/H2O, konversi proses kimia dapat dikendalikan [email protected]

28

PERANCANGAN DAN PENGENDALIAN PROSES KIMIA TUGAS 2_PIK_KENDALI PROSES RASIO DAN TEKANAN__ KLAS A/B/C 1. CH4 + H2O  CO + 3 H2

29/03/2017

[email protected]

29


CH4 + H2O

CO + 3 H2

CH4

CO + 3 H2

PROSES KIMIA

H2O


Dengan 29/03/2017

1000K 5 ATM CH4: H2O = 1:1 KONVERSI CH4 = 29%

CH4 + H2O

PRODUK SISA

Akhir CH4= 1-0,29 H2O= 1-0,29 CO = 0,29 H2 = 3(0,29) ntotal= 2+2(0,29)

memvariasikan tekanan, konversi proses kimia dapat dikendalikan [email protected]

30


29/03/2017

[email protected]

31


29/03/2017

[email protected]

32


29/03/2017

[email protected]

33


29/03/2017

[email protected]

34


29/03/2017

[email protected]

35


29/03/2017

[email protected]

36


29/03/2017

[email protected]

37


29/03/2017

[email protected]

38


29/03/2017

[email protected]

39


29/03/2017

[email protected]

40

PERANCANGAN DAN PENGENDALIAN PROSES KIMIA TUGAS 3_PIK_KENDALI PROSES SUHU DAN RASIO__ KLAS A/B/C 1. CH4 + H2O  CO + 3 H2

29/03/2017

[email protected]

41 41

TUGAS 4_PIK_PERHITUNGAN PANAS REAKSI KIMIA __ KLAS A/B/C (1) CH4 + H2O  CO + H2 , Perhitungan panas reaksi; metode : Panas Pembentukan (2) C3H8 + X2  C3H7X + HX , Perhitungan panas reaksi; metode : tenaga ikat atom

4.1.Panas pembentukan senyawa kimia

29/03/2017

[email protected]

42

Panas pembentukan senyawa kimia

29/03/2017

[email protected]

43

Panas pembentukan senyawa kimia

29/03/2017

[email protected]

44

TUGAS 4_PIK_PERHITUNGAN PANAS REAKSI __ KLAS A/B/C (1) CH4 + H2O  CO + H2 , Perhitungan panas reaksi; metode : Panas Pembentukan (2) C3H8 + X2  C3H7X + HX , Perhitungan panas reaksi; metode : tenaga ikat atom

4.2

29/03/2017


45 45

TUGAS 5_PIK_SINTESA AMONIAK__ KLAS A/B/C 3 H2 + N2  2 NH3

29/03/2017

[email protected]

46

TUGAS 5_PIK_SINTTESA AMONIAK__ KLAS A/B/C PERSAMAAN REAKSI : 3 H2 + N2  2 NH3 P= 15 kg/cm2 T= 420 --- 500 C Konversi = 12 ---- 13% DH = -3903 Kkal/mol Rasio H2/N2 = 2,98/1 ---- 3,1/1

PERSAMAAN REAKSI : 3 H2 + N2  2 NH3 P= 15 kg/cm2 T= 460 C Rasio H2/N2 = 3/1 Konversi = 12,5% DH = -3903 Kkal/mol (1). Bila tekanan diubah menjadi: 5, 10, 15, 20 atm (2). Rasio diubah menjadi: 1/1, 2/1, 3/1, 4/1 (3). Suhu diubah menjadi 400, 430, 460, 490 C Bagaimana perubahan konversinya 29/03/2017

[email protected]

47

TUGAS 6_PIK_FDP BLOK PABRIK NITROBENZENA__ KLAS A/B/C

C6H6 + HNO3  C6H5NO2 + H2O REAKSI KIMIA FASA CAIR; P= 3 atm; T= 80 C Rasio mol HNO3/C6H6 = 2/1 KATALISATOR : H2SO4 (Rasio mol H2SO4/HNO3 = 2/1) Konversi C6H6 = 60 %; DH = 100 Kkal/mol Raw materials pada 1 atm, 30 C [C6H6 100%, HNO3 95% (5% H2O),H2SO4 98% (2% H2O)] Products pada 1 atm, 30 C, [C6H5NO2 95% (terdapat 5% C6H6), H2O 99% (terdapat HNO3 0,5% dan H2SO4 0,5%)]. 6.1. RANCANGKAN FDP-BLOK PABRIK NITOBENZENA KAPASITAS 10 TON/JAM DILENGKAPI DENGAN NOMOR ARUS DAN KUANTITAS ALIRAN MASSA-NYA 6.2. Hitung kuantitas aliran massa untuk pabrik nitrobenzene kapasisitas 1000000 ton/th yang beroperasi 300 hari/th, 24 jam/hari. BA : H=1; C=12; N=14; O=16; S=32 29/03/2017

[email protected]

48


29/03/2017

[email protected]

49


29/03/2017

[email protected]

50

TUGAS 7_PIK_FDP SIMBOLIK PABRIK NITROBENZENA__ KLAS A/B/C

C6H6 + HNO3  C6H5NO2 + H2O REAKSI KIMIA FASA CAIR; P= 3 atm; T= 80 C Rasio mol HNO3/C6H6 = 2/1 KATALISATOR : H2SO4 (Rasio mol H2SO4/HNO3 = 2/1) Konversi C6H6 = 60 %; DH = 100 Kkal/mol Raw materials pada 1 atm, 30 C [C6H6 100%, HNO3 95% (5% H2O),H2SO4 98% (1% H2O)] Products pada 1 atm, 30 C, [C6H5NO2 95% (terdapat 5% C6H6), H2O 99% (terdapat HNO3 0,5% dan H2SO4 0,5%)]. RANCANGKAN FDP-SIMBOLIK PABRIK NITOBENZENA KAPASITAS 1000000 TON/TH DILENGKAPI DENGAN NOMOR ARUS DAN KUANTITAS ALIRAN MASSA-NYA BA : H=1; C=12; N=14; O=16; S=32

29/03/2017

[email protected]

51

29/03/2017

[email protected]

52

TUGAS 7_PIK_FDP SIMBOLIK PABRIK NITROBENZENA__ KLAS A/B/C UNIT PERSIAPAN BAHAN BAKU DAN UNIT SINTESA NITROBENZENA

TANGKI BENZENA

HNO3+H2SO4+H2O RECYCLE

29/03/2017

[email protected]

53

TUGAS 7_PIK_FDP SIMBOLIK PABRIK NITROBENZENA__ KLAS A/B/C UNIT FINISHING DAN RECYCLE ASAM CAMPURAN

BENZENA RECYCLE

Ke TANGKI H2O

TANGKI NITRO BENZENA


29/03/2017

[email protected]

54

TUGAS 7_PIK_FDP SIMBOLIK PABRIK NITROBENZENA__ KLAS A/B/C UNIT FINISHING PRODUK NITROBENZENA DAN RECYCLE BENZENA

BENZENA RECYCLE


29/03/2017

[email protected]

55

FDP SIMBOLIK PABRIK NITROBENZENA

BENZENA RECYCLE


TAN GKI BENZ ENA BEN ZEN A REC YCL E

Ke TANGKI H2O

TAN GKI NIT RO BEN ZEN A


29/03/2017


[email protected]

56

TUGAS 8_PIK_PEFD PABRIK NITROBENZENA__ KLAS A/B/C

C6H6 + HNO3  C6H5NO2 + H2O REAKSI KIMIA FASA CAIR; P= 3 atm; T= 80 C Rasio mol HNO3/C6H6 = 2/1 KATALISATOR : H2SO4 (Rasio mol H2SO4/HNO3 = 2/1) Konversi C6H6 = 60 %; DH = 100 Kkal/mol Raw materials pada 1 atm, 30 C [C6H6 100%, HNO3 95% (5% H2O),H2SO4 98% (1% H2O)] Products pada 1 atm, 30 C, [C6H5NO2 95% (terdapat 5% C6H6), H2O 99% (terdapat HNO3 0,5% dan H2SO4 0,5%)]. RANCANGKAN PEFD PABRIK NITOBENZENA KAPASITAS 1000000 TON/TH DILENGKAPI DENGAN NOMOR ARUS DAN KUANTITAS ALIRAN MASSA-NYA BA : H=1; C=12; N=14; O=16; S=32

29/03/2017

[email protected]

57

PEFD PABRIK NITROGLISERIN

29/03/2017

[email protected]

PEFD PABRIK AMMONIUM SULFAT

29/03/2017

[email protected]

59

PEFD PABRIK HEKSAKHLOROBUTADIEN

29/03/2017

[email protected]

60

PEFD PABRIK AMIL ALKOHOL

29/03/2017

[email protected]

61

PERANCANGAN PROSES INDUSTRI KIMIA

Recommend Documents