PERANCANGAN PABRIK KIMIA
Oleh: Oleh: Murni Murni Yuniwa uniwati ti
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI IST AKP AKPRIND RIND YOGY YOGYAKA AKART RTA A
NERACA MASSA Pabrik merupakan
rrangkaian angkaian beberapa alat alat proses proses untuk mengolah bahan baku menjadi menjad i produk yang diinginkan Neraca massa dalam suatu pabrik terdiri atas neraca massa pada masing masing alat dan Teknik Kimia Di Matakuliah Asas Teknik
sudah dipelajari:
Neraca Massa Tanpa Reaksi Neraca Massa Atom Neraca aca Massa Massa Berdasarkan Berdasarkan Sto Stoichio ichiometri metri Ner Konsep Dasar Recycle
PERHITUNGAN NERACA MASSA DALAM PABRIK Neraca
massa dalam sebuah pabrik, dapat dihitung berd be rdas asar arka kan n ka kapa pasi sita tass dar darii pa pabr brik ik te terrse sebu but. t. Kapasitas pabrik adalah kecepatan massa produk yang ya ng dii diingi ngink nkan. an. sa er r a as a an ya yang ng n an an ro u impurities Komposisi produk harus disesuaikan dengan spec yang diinginkan konsumen (yang ada dalam perdagangan) Misalnya diinginkan 50.000 ton/tahun larutan asam sulf su lfa at 98 98%. %.
Bahan baku yang digunakan memiliki spesifikasi tertentu sesuai dengan asal dari bahan tersebut (dari alam atau merupakan produk dari suatu pabrik). e ec apapun an ungan a an a an a u ataupun produk harus diperhitungkan dalam neraca massa (tidak diabaikan)
Contoh: Pabrik pembuatan asam sulfat dari sulfur dan udara
O2 N2
H2O
S
O2 N2
SO2 O2 N2
A B S
SO2 O2 N2
SO3 SO2 O2 N2
R B E R
H2SO4 H2O
MENENTUKAN KAPASITAS PABRIK Untuk menentukan kapasitas pabrik dapat dilakukan antara lain dengan mempertim bangkan: . 2. Kapasitas pabrik yang sudah ada dengan kapasitas terkecil.
YIELD 1. Yield dalam suatu pabrik
Adalah perbandingan antara bahan baku yang bereaksi menjadi produk dengan bahan baku yang masuk ke dalam pabrik. Besarnya yield sangat tergantung kepada :
• Ada dan tidaknya recycle bahan belum bereaksi ke dalam reaktor • Ada dan tidaknya bahan bahan terbuang
2. Yield dalam reaktor • Adalah perbandingan antara limiting reaktan yang bereaksi menjadi suatu produk dengan bahan masuk reaktor •
a n er apa pa a rea or yang a amnya terjadi lebih dari satu reaksi terutama pada reaksi paralel atau reaksi seri
(lebih jelasnya kita review ke ATK I)
Reaksi Paralel Reaksi paralel terjadi apabila bahan baku bereaksi mengikuti beberapa jenis reaksi yang menghasilkan produk yang berbeda. Misalnya : Reaksi utama : (1) C4H10 + O2 C4H2O3 + H2O Reaksi samping : (2) C4H10 + O2 CO2 + H2O (3) C H + O CO + H O dalam reaksi paralel digunakan istilah : • Konversi untuk menyatakan bagian limiting reaktan yang bereaksi, misal limiting reaktan C4H10 maka :
XC4H
10
massa C 4 H 10 bereaksi 100% massa C 4 H 10 masuk reaktor
• Selektivitas untuk menyatakan bagian limiting yang bereaksi menjadi suatu produk, misalnya selektivitas untuk C4H2O3
S C 4 H2 O3
Massa C 4 H 10 yang bereaksi menjadiC 4 H2 O3 .100% Massa C 4 H 10 yang bereaksi
• Yield adalah perbandingan antara reaktan yang bereaksi .
YC 4 H2 O3
Massa C 4 H 10 yang bereaksi menjadiC 4 H2 O3 .100% Massa C 4 H 10 yang masuk reaktor
Yield= Konversi x Selektivitas
Contoh 1000 gmol/detik C4H2O3 diproduksi dengan mereaksikan bahan baku terdiri atas butane (C4H10) dan O2 dengan perbandingan mol 1 : 7 mengikuti reaksi sebagai berikut : Reaksi utama :(1) C4H10+ 3,5O2 C4H2O3 + 4H2O + + (3) C4H10 +4,5O2 4CO +5H2O Diketahui selektivitas C4H2O3 60% , CO2 30% dan CO 10% . Hitung kebutuhan bahan baku apabila diketahui yield C 4H2O3 50% Hitung komposisi produk
Reaksi Seri Suatu reaksi dimana produk yang diperoleh bereaksi lagi menjadi produk lain. Misalnya: reaksi pembuatan toluena, toluena yang terbentuk bereaksi dengan metan membentuk dimethyl benzene C6H6 + CH4
C6H5CH3 + H2
C6H5CH3 + CH4 C6H4(CH3)2 + H2 toluena methan dimetil benzen Yield adalah perbandingan antara reaktan yang bereaksi menjadi suatu produk dengan reaktan masuk reaktor.
YC6H5CH3
MassaC6H6yangbereaksi menjadiC6H5CH3 .100% MassaC6H6yang masukreaktor
Contoh Suatu reaktor memproduksi 100 gmol/menit toluena (C6H5CH3), dengan mereaksikan benzene dan methane dengan perbandingan mol 1:1,5 reaksi yang terjadi: (1) C6H6 + CH4 C6H5CH3 + H2 dengan konversi 80% 6 5 3+ 4 6 4 3 2+ 2 Apabila diketahu yield toluena 60%,hitung kebutuhan bahan baku dan komposisi produk.
PERHITUNGAN BAHAN BAKU Dapat dihitung dengan cara antara lain: Dari
belakang melalui neraca massa pada berbagai alat sampai ke alat yang paling depan
Dari
de an den an men unakan basis perhitungan bahan baku, melalui berbagai alat sampai alat yang paling belakang, kemudian dikalikan dengan faktor pembanding yaitu perbandingan antara produk yang diinginkan dengan produk hasil perhitungan
Bahan
baku dihitung berdasarkan Yield.
PERHITUNGAN NERACA MASSA SETIAP ALAT
• Setelah diketahui massa produk maupun massa bahan baku, maka perhitungan neraca massa tiap alat dapat dihitung dengan berbagai ketentuan yang sudah diketahui • Komposisi yang belum diketahui bisa dimisalkan dengan suatu notasi • Notasi dapat dihitung dengan persamaan neraca massa dengan perhitungan dari depan maupun dari belakang
PERHITUNGAN NERACA MASSA KESELURUHAN
• Neraca massa keseluruhan menunjukkan bahwa massa bahan masuk ke dalam pabrik akan sama dengan massa bahan keluar pabrik. • Massa bahan masuk meliputi semua bahan an masuk ke abrik, antara lain: bahan baku, bahan tambahan untuk menetralkan,untuk mengabsorbsi, dsb • Massa bahan keluar meliputi semua bahan keluar pabrik antara lain: produk utama,produk samping, limbah cair/padat, gas buang
HASIL PERHITUNGAN NERACA MASSA Dengan perhitungan neraca massa akan diketahui komposisi komponen pada setiap tempat dalam pabrik (masuk dan keluar tiap alat), Hasil perhi tungan disajikan dalam :
Diagram alir kuantitatif
Tabel Neraca Massa Tiap Alat
Tabel Neraca Massa Overall
Tabel Arus Bahan dalam pabrik
Contoh 1000kg/jam larutan asam sulfat dengan kadar 98% diproduksi melalui proses sbb: Sulfur dibakar dengan udara 10% berlebihan bereaksi dengan konversi 100% membentuk SO2. Gas hasil pembakaran dimasukkan ke dalam reaktor ditambahkan udara sebanyak udara mauk burner. Terjadi reaksi SO2 dengan oksigen menjadi SO3 dengan konversi 80%. Gas hail , menyerap SO3 menjadi H2SO4, dianggap semua SO3 terserap sempurna. Hasil bawah absorber berupa larutan asam sulfat 98% dan hasil atas adalah sisa gas SO2, O2 dan N2. (BM S=32, O=16, N=14, H=1) A. Susun neraca massanya B Bila SO3 terserap tapi tidak sempurna dan diketahui yield 75%, susun neraca massanya
Diagram alir proses 7 O2 N2 S
4
1
6 3
O2 N2
H2O
SO2 O2 N2 2
Reaksi di Burner : S+O2 SO2 Converter: SO2+0,5O2SO3 Absorber: SO3+H2O H2SO4
5
A B S
SO3 SO2 O2 N2
R B E R
8
SO2 O2 N2
H2SO4 H2O
PERANCANGAN PABRIK KIMIA
Oleh: Murni Yuniwati
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI IST AKPRIND YOGYAKARTA
NERACA MASSA DENGAN RECYCLE Recycle adalah pengembalian bahan bahan belum bereaksi ke dalam reaktor. Apabila konversi tidak seratus persen maka ada bahan baku yang tidak bereaksi, keluar bersama produknya. Apabila bahan tersebut dikembalikan ke dalam reaktor, maka akan dapat memperbesar overall conversion nya atau yield nya
Overall conversion
• Perbandingan antara limiting reaktan yang bereaksi, dengan limiting reaktan masuk pabrik. Yield
• Perbandin an antara limitin reaktan an bereaksi menjadi produk yang diinginkan dengan bahan baku masuk pabrik. Apabila hanya satu produk yang dihasilkan maka overall conversion sama dengan yield
Semakin
besar bahan yang dikembalikan ke dalam reaktor, maka akan semakin besar overall conversionnya maupun yieldnya.
Apabila
bahan belum bereaksi bisa dipisahkan sempurna dari produknya dan dapat dikembalikan seluruhnya ke dalam reaktor maka overall conversion mencapai 100%
Tidak semua bahan
belum bereaksi dapat dikembalikan seluruhnya ke dalam reaktor dikarenakan: • Adanya bahan terikut dalam produk. • Adanya bahan terikut dalam bahan terbuang. • Adanya inert dalam bahan.
Recycle dengan pemisahan sempurna RC
REAKTOR FF
RP
MF
FF MF RP P RC
SEPARATOR
=Fresh Feed =Mixed Feed =Reactor Product = Product = Recycle
=Umpan Segar =Umpan Campuran =Hasil Keluar Reaktor = Produk / Hasil = Daur Ulangulang
P
Recycle tanpa pemisahan RC
REAKTOR P
FF MF RP P RC
=Fresh Feed =Mixed Feed =Reactor Product = Product = Recycle
=Umpan Segar =Umpan Campuran =Hasil Keluar Reaktor = Produk / Hasil = Daur Ulangulang
Recycle dengan adanya inert RC
w SP
REAKTOR FF
RP
MF
FF MF RP P SP RC W
SEPARATOR
=Fresh Feed =Mixed Feed =Reactor Product = Product = Separator Product = Recycle = Waste
=Umpan Segar =Umpan Campuran =Hasil Keluar Reaktor = Produk / Hasil = Hasil Keluar Pemisah = Daur Ulang = Bahan Buangan
P
Recycle dengan pemisahan taksempurna tanpa inert C2H5 OH Etanol
CH3COOH + H2 asetaldehyd hidrogen
H2 Asetaldehyd Etanol
Asetaldehyd Etanol
R Etanol
Etanol
Asetaldehyd Etanol H2
Etanol
MD
Perhitungan Neraca Massa Neraca massa dalam pabrik dengan recycle dapat dilakukan dengan berbagai langkah: Basis perhitungan fresh feed Basis perhitungan bahan masuk reaktor (Mixed Feed) er asar an apas as pa r pro u Memisalkan bahan bahan yang belum diketahui Menyusun persamaan persamaan yang dapat digunakan antara lain:
Persamaan neraca massa overall Persamaan neraca masa setiap alat Persamaan neraca massa inert
Contoh 1: Recycle dengan pemisahan sempurna Etilen oksid (C2H4O) diproduksi dengan mereaksikan Etilen (C2H4) dengan oksigen (O2) dengan perbandingan stoichiometris. Mangikuti persamaan reaksi : C2H4 + 0,5O2 C2H4O Dengan konversi 50%. Produk dipisahkan dan bahan belum bereaksi direcycle. Hitung Overall Conversion.
Contoh 2: Recycle tanpa pemisahan Etilen oksid (C2H4O) diproduksi dengan mereaksikan Etilen (C2H4) dengan oksigen (O2) dengan perbandingan stoichiometris. Mengikuti persamaan C2H4 + 0,5 O2 C2H4O Dengan konversi 50%. Sebagian produk diambil dan sebagian direcycle. Berapa perbandingan Recycle dengan Produk supaya diperoleh Overall Conversion 75%
Contoh 3: Recycle dengan inert Etilen oksid (C2H4O) diproduksi dengan mereaksikan Etilen (C2H4) dengan oksigen (O2) dengan perbandingan stoichiometris. Oksigen yang digunakan adalah udara dengan perbandingan mol O2:N2 = 1:4 Mengikuti persamaan reaksi : C2H4 + 0,5O2 C2H4O Dengan konversi 50%. Produk dipisahkan, bahan belum bereaksi serta inert keluar separator sebagian dibuang dan sebagian direcycle. Hitung Overall Conversion apabila kadar N2 dalam mixed feed maksimal 80%mol.
Contoh 4. Pabrik yang di dalamnya menggunakan recycle dengan pemisahan tak sempurna Pabrik asetaldehyd dengan kapasitas 1000 kg/jam produk asetaldehyd 95% dengan impurities etanol. Um an reaktor beru a etanol den an katalis CuNO direaksikan dalam reaktor pada suhu 330OC Reaksi utama
: C2H5OHCH3CHO+H2
Reaksi samping: 2C2H5OH CH3COOC2H5 +2 H2 Konversi etanol 80% dengan selektivitas reaksi utama 84%. dengan uraian proses sbb.:
Etanol umpan segar dan etanol recycle masuk dalam reaktor. Produk keluar reakror dimasukkan pemisah I untuk memisahkan gas H2 secara sempurna, hasilnya dimasukkan ke pemisah II untuk memisahkan ethyl acetat secara sempurna dan yang terakhir dimasukkan ke dalam menara distilasi untuk memisahkan produk dari etanol. Hasil atas MD berupa produk asetaldehyd , yang semuanya dialirkan ke dalam reaktor sebagai recycle. Hitung Overall conversion Hitung Overall Yield Buat diagram alir kuantitatif untuk pabrik tersebut.
Kerjakan dengan basis
perhitungan 100kgmol
etanol masuk reaktor. Kerjakan berdasarkan kapasitas
pabrik.
