Upload
phungquynh
View
235
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
Keputusan untuk MenentukanStuktur Recycle
1. Berapa banyak sistem reaktor yang diperlukan? Apakah terdapatpemisahan diantara sistem reaktor tsb?
2. Berapa banyak aliran recycle yang diperlukan?3. Apakah kita akan menggunakan salah satu reaktan berlebih pada
masukan reaktor?
2
masukan reaktor?4. Apakah memerlukan kompresor gas? Berapa biayanya?5. Haruskah reaktor dioperasikan secara adiabatis, dengan
pemanasan atau pendinginan langsung atau memerlukan penukarpanas?
6. Apakah kita ingin mendorong konversi kesetimbangan?Bagaimana?
7. Bagaimana biaya reaktor mempengaruhi potensi ekonomi?
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Jumlah Sistem Reaktor
Jika sejumlah reaksi berlangsung pada temperatur dan tekananberbeda, atau jika reaksi memerlukan katalis, kita menggunkansistem reaktor yang berbeda untuk reaksi tsb.
Contoh1. Proses HDA
3
Toluen + H2 Benzen + CH4 1150-1300oF2 Benzen Difenil + H2 500 psia
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Jumlah reaktor yang dibutuhkan: satu
atm1andC80Anhydride,AceticAcidAceticKetene
atm1andC700,HC2
1COKetene
CHKeteneAcetone
42
4
Contoh 2.
4
Remark: dua reaktor dibutuhkan ntk sistem ini.
Jumlah Aliran Recycle
• Untuk menentukan jumlah aliran kita dapat mendaftarkomponen yg keluar reaktor berdasarkan titik didih normalnya.
• Selanjutnya kita mengelompokkan komponen recycle yangmemiliki titik didih yg berdekatan jika dalam reaktor yg sama.
• Selanjutnya jumlah aliran recycle didasarkan jumlah kelompok.• Aliran gas dan cair dibedakan, karena aliran recycle gas
memerlukan kompressor, yg selalu mahal.
5
Aliran gas dan cair dibedakan, karena aliran recycle gasmemerlukan kompressor, yg selalu mahal.
• Dianggap aliran recycle gas jika komponen tsb mendidih padatemperatur dibawah -48oC.
• Aliran recycle cairan hanya memerlukan pompa. Dalamperhitungan awal biaya pompa tidak dimasukkan karena nilainyakecil dibandingkan dengan kompressor, furnace, distilasi, dll.
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
“JanganJangan memisahkanmemisahkan duaduakomponenkomponen dandan kemudiankemudian
mencampurnyamencampurnya kembalikembali padapada
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 6
komponenkomponen dandan kemudiankemudianmencampurnyamencampurnya kembalikembali padapada
masukanmasukan reaktorreaktor””
Komponen NBP,oC KodeH2 -253 Recycle+ purge-gasCH4 -161 Recycle +purge-gasBenzen 80 Primary produkToluen 111 Recycle- liquidDifenil 255 Fuel-byproduct
Contoh. Proses HDA
7Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Ada tiga aliran produk : purge, benzen dan difenil• Ada dua liran recycle , H2 + CH4 (gas) dan toluen (cairan),
sehinga:• Struktur recycle seperti gambar 3.2.
reactor separator
compresor
difenil
benzen
purgeGas recycle
Umpan H2
Umpantoluen
8
Toluen recycle
toluen
Gambar 3.2 Struktur recycle HDA
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Komponen NBP,oC KodeCO -312,6 Fuel-byproductCH4 -161 Fuel byproductC2H4 -154,8 Fuel byproductKeton -42,1 reaktan terkonversiAseton 133,2 Recycle-R-1- liquidAsam Asetat 244,3 Recycle R-2 –liquidAsetat anhidrida 281,9 Produk Utama
Contoh. Proses Asetat anhidrat
9
Asetat anhidrida 281,9 Produk Utama
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Ada dua aliran produk : (CO + CH4 + C2H6) dan asetatanhidrida
• Ada dua aliran recycle cairan yang dikembailak ke raktor yangberbeda: aseton ke R1 dan asam asetat ke R2
• Struktur recycle sperti gambar 3.3.
UmpanAseton Reactor separator As. anhidr
Umpan Asam asetatCO, CH4 , C2H4
Reactor
atm1andC80Anhydride,AceticAcidAceticKetene
atm1andC700,HC2
1COKetene
CHKeteneAcetone
42
4
10
Aseton
Gambar 3.3 Struktur recycle Asetat Anhidrid
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
ReactorR1
separator
As. Asetat recycle
As. anhidrReactorR2
Aseton recycle
Reaktan Berlebih
Dalam beberapa kasus kegunaan reaktan berlebih:• Dapat mendorong distribusi produk/selektivitas (1)• Mendorong komponen lain mendekati konversi total (2)• Mendorong konversi kesetimbangan (3)
Sebagai contoh,1. produksi isooktana dengan alkilasi butana (isobutan berlebih) (1)
Butana + isobutana isooktan
11
1. produksi isooktana dengan alkilasi butana (isobutan berlebih) (1)Butana + isobutana isooktanbutan + isooktan C12
2. Produksi posgen (CO berlebih) (2)CO + Cl2 COCl2
3. Produksi sikloheksan (H2 berlebih) (3)Benzen + 3H2 sikloheksan
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
“Tidak ada aturan baku untukmembuat pilihan jumlah
excess optimum, dan karena
12
excess optimum, dan karenaitu kita perlu melakukan
analisis ekonomi terhadapvariabel desain ini”.
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Neraca Massa RecycleReaktan PembatasPertamakali kita membuat neraca massa reaktan pembatas. Untuk proses HDA,laju alir toluen masuk reaktor adalah FT.
separatorbenzen
purgeUmpanH2
F (1-x)
13
reactor separator
FT (1-x)
difenil
benzenFT (1-x)
Umpantoluen
FTFFT
UmpanToluen ke reaktor = umpan segar toluen + recycle toluenFT = FFT + FT (1-x)FT = FFT/x
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Reaktan LainnyaSetelah kita menghitung laju alir reaktan pembatas, kita menggunkan rasio molarpada masukan reaktor u menghitung laju alir recycle komponen lain.
reaktor separator
RG, yPH
Benzen, PB
5% CH4
95%H2
PG, (H2, CH4)
FH
FG
14
reaktor separator
difenil
Umpantoluen
FTFFT
FH /FT = MR = rasio molar hidrogen terhadap toluenyH2FG + yPHRG = MR(FFT/x)
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Neraca massa RecycleB FT
B FH
PH FH PH
Toluene:
Recycle Gas:
For x 0.75, P 265 and F 273
and given molar ratio ( ).
273365
0.75
P MR y
Sy x y y
RM
FT BT
G
FF
P
x Sx
R
15
FH PH(from balabces: y y
)( )
FTG G
BG
FH PH
MF
F Rx
PF
y
R
S y
265 5 0.953376
0.9694(0.4) 0.75 0.95 0.4
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Design HeuristicTidak tersedia aturan memilih x untuk kasus reaksi yg
komplek.Tidak tersedia aturan memilih komposisi purging, yPH atau
rasio molar, MR. Untuk kasus reaksi tunggal tebakan awal yang memungkinkan adalah x =0,96
atau x = 0,98 xeq
ByProduk ReversibelJika kita me-recycle by produk yg terbentuk oleh reaksi reversibel, dan komponenmembentuk ke kesetimbangannya, seperti difenil dalam proses HDA.
16
membentuk ke kesetimbangannya, seperti difenil dalam proses HDA.
2 Benzen Difenil + H2
Pada keluaran reaktor:Keq = [Difenil][H2]/[benzen]2
Laju H2 dan benzen telah ditentukan dengan menggunakan reaksi pertama danperhitungan purging, shg kita dpt menggunakan kesetimbangan untuk menghitunglaju difenil pada keluaran reaktor.
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Effek Panas Reaktor
Beban Panas Reaktor
Untuk reaksi tunggal yg seluruh reaktan pembatas terkonversidalam proses, beban panas reaktor :Beban Panas reaktor = panas reaksi x laju umpan segarQR = ΔHR FFT
17
Contoh. Proses HAD
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
B FT
6
For x 0.75, P 265 and F 273.
( 21530)(273) 5.878 10 /RR FTH F But hrQ
Perubahan temperatur adiabatis
Sekali kita telah menentukan beban panas reaktor dan laju alir yg melewatireaktor sebagai fungsi variabel desain, kita dapat memperkirakan perubahantemperatur adiabatis dari persamaan:
QR = F Cp (TR,in – TR,out)
18Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Heuristics
Since the availability of the hear transfer area is limited.The heat load is limited to 6-8 million Btu/hr.
ofrangein theisexchangerheathead-floatingaof
shelltheintofitsthatareaferheat transmaximumThe
1000)50)(20(
101
Btu/hr,101ofloadheataFor
26
6
ftTU
QA
20
Heat carrier• Since heat load depends on fresh feed flow rate and Tout is also a
function of recycle flow rate.• We can moderate the temperature change by increasing recycle
flow rate.
.8000to6000
ofrangein theisexchangerheathead-floatingaof2ft
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Heuristic
Untuk proses endotermis dg beban panas kurang dari 6-8 x 106 Btu/jam, kitamenggunakan reaktor isotermal dg pemanasan langsung. Untuk beban panas yg lebihbesar kita harus menambahkan diluent dan heat carrier.
Untuk reaksi eksotermis kita menggunkan reaktor adiabatis jika kenaikan temperaturadiabatis kurang dari 10-15% dari temperatur masuk. Jika kenaikan temperatur
21
adiabatis kurang dari 10-15% dari temperatur masuk. Jika kenaikan temperaturadiabatis melebihi nilai ini, kita menggunakan pendinginan langsung, jika beban panasreaktor kurang dari 6-8 x 106 Btu/jam. Di luar itu kita menggunakan diluent atauheat carrier.
Diluent/heat carrier : zat atau komponen lain yg tidak bereaksi yg ditambahkan kereaktan untuk mendorong konversi atau menyerap panas atau meredam kenaikansuhu.
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
vp
vp
CC
CC
/
1)/(
in
out
in
out
P
P
T
T
Pin = lbf/ft2 , Qin = ft3/min
Sebagai perhitungan awal efisiensi (eff) kompresor diasumsikan 90%.
11003,3 5
in
outinin
P
PQP
xhp
• Kapanpun terdapat recycle gas, kita memerlukan kompresor.• Persamaan desain untuk horsepower teoritis untuk kompresor sentrifugal adalah:
•Compressor Design And Costs
25
Sebagai perhitungan awal efisiensi (eff) kompresor diasumsikan 90%.
Biaya kompresor = (517,5)(bhp)0,82(2,11+Fc)(M & S)
280
bhp = hp/eff , M &S = indeks inflasi Marshall & Swift
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Sensitivitas
26
Remarks: 1.This is an expensive equipment and normallywe do not have spares.
2. Heuristic for multistage compressor:P2/P1=P3/P2=...
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Pemilihan Reaktor27• Decisions
- type - pressure- concentration - phase- temperature - catalyst
• Reaction Path
Remark: EP = values of products-raw materials costs
HClClHCClHC
OHClHCHClOHC
HClClHCClHC
ClHCClHC
ClHCHClHC
heat
32242
2242242
32242
242222
3222
kmolVCM-$1.4EP22/13Path
kmolVCM$8.89EP2Path
kmolVCM-$11EP1Path
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Types of reaction systems
(waste)
(desired)
:RecationsParallel
e)(reversibl
ble)(irreversi
ble)(irreversi
:ReactionSingle
2
1
11 ,
SA
RA
RA
RBA
RA
k
k
kk
k
k
bf
28
Remark: There are a lot of more reaction systems, e.g., mixed paralleland consecutive reactions.
(waste)
(desired)
:RecationseConsecutiv
(waste)
(desired)
2
1
2
1
SR
RA
SBA
RBA
k
k
k
k
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Reactor concentration and temperature
The objectives to design the reactor concentration and temperatureprofiles are:
O1. to improve selectivity (minimize the generation of byproducts)O2. to increase economic potential (minimize reactor cost)O3. to facilitate downstream separation (decrease separation cost)O4. to possess operability (handle production rate changes)
29
O4. to possess operability (handle production rate changes)
Remark: Certainly, there are cases which are important to ensurecomplete conversion of hazardous or corrosive material.
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Reactor concentration - single reaction
:ReactionSingle
RA k
- use PFR (O2)
:ReactionSingle
RBA k
30
RBA
- A/B=50/50 is most economic but with little operability- if R is HK, make LK excess (Cheng and Yu)- if B is HK and R is IK, make B excess (Cheng and Yu)- degree of excess depends on the relative reactor/separatorcosts (Cheng and Yu, AIChE J, 2003, 49, 682.)
Remark: Note that:RB
VC)(:ratereactionTotalA
CTk
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Reactor concentration - parallel reactions
For the followings reactions orders of reactions become important.
222
111
21
22
11
maximize.to
wantwhich we/torelatedisyselectivitThe
(waste)
(desired)
:RecationsParallel
b
B
a
A
k
b
B
a
A
k
rr
CCkrSBA
CCkrRBA
31
2121
2
1
2
1
maximize.to
bb
B
aa
A CCk
k
r
r
a1>a2 & b1>b2: keep both CA and CB higha1>a2 & b1<b2: keep CA high and CB lowa1<a2 & b1<b2: keep both CA and CB lowa1<a2 & b1>b2: keep CA low and CB high
Ref: Ward et al. (IEC&R 2004, 43, 3957) discuss operating policiesfor parallel reactions in planwide control.
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Reactor type - parallel reactions
Pola kontak untukvariasi kombinasireaktan konsentrasitinggi dan rendah padoperasi non-kontinyu
32
Remark : Normally we set the temperature at the highest and yet acceptable level (Levenspiel, 1999)
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
Pola kontak untukvariasi kombinasireaktan konsentrasitinggi dan rendah padoperasi aliran kontinyu
• Reactor temperature - reversible reaction
RT
EE
b
f
b
f
bf
kk
bf
bf
ek
k
k
k
x
x
xkxkrRA
0
0
eq
,
1K
xx-1
)1(e)(reversibl
endothermic (Ef>Eb): - high temperature favors equilibrium conversion
34
endothermic (Ef>Eb): - high temperature favors equilibrium conversionand also gives higher reaction rate
- set the temperature as high as possibleexothermic (Ef<Eb): - low temperature favors equilibrium conversion
but high temperature gives higher reaction rate- set the temperature high initially and decrease
the temperature as equilibrium approaches
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Reversible reaction- remember physical chemistry
A ↔ B + heat
35
A + heat ↔ B
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Implication in reactor design - reversible and exothermic
Design: series of reactors with cold shot or intermediate heat exchangers
with cold shot
36Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
• Reactor pressure- vapor phase reaction
Irreversible single reactions:- high pressure increases vapor density and thus gives higher
reaction rate (smaller reactor volume if given conversion)
Reversible single reactions:
2A↔B- an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating
39
- an increase in the pressure shifts the reaction toward compensatingthe pressure increase (RHS) and thus increases the equilibriumconversion (Le Chatelier’s principle).
A ↔ 2B- an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating
the pressure increase (LHS) and thus decreases the equilibriumconversion.
AB
A↔B
A RA S
• Summary - reactor design
41
A S
A+B RA+B S
A R S
(More detail see : Levenspile, 1999 and Smith, 2005)
Recycle Economics
input/output: favors zero conversion and no purge
recycle: favor large conversion and purge
42