Prarancangan Pabrik Asam Nitrat Dari Asam Sulfat Dan ...eprints.ums.ac.id/39724/10/11. Lampiran.pdf · Reaksi: H2SO4 + NaNO3 -----> HNO3 + NaHSO4 Reaksi antara asam sulfat dan natrium

107 Prarancangan Pabrik Asam Nitrat Dari Asam Sulfat Dan Natrium Nitrat

Kapasitas 90.000 Ton/Tahun

Anang Baharuddin Sahaq D 500 100 032 Universitas Muhammadiyah Surakarta

LAMPIRAN

R e a k t o r (R-01)

Fungsi : mereaksikan asam sulfat dan natrium nitrat membentuk asam nitrat dan

natrium bisulfat

Kondisi operasi:

1.Tekanan 1 atm

2.Suhu 150⁰C kec reaksi

3.Konversi 90%

Reaksi:

H2SO4 + NaNO3 ---------------------> HNO3 + NaHSO4

Reaksi antara asam sulfat dan natrium nitrat merupakan reaksi cair-padat.

(heterogen).

Asumsi :

Campuran diaduk secara sempurna, sehingga konsentrasi masing-masing

komponen didalam reaktor sama

Padatan masuk reaktor dianggap sama atau seragam, sehingga waktu

tinggal didalam reaktor dihitung dari waktu yang dibutuhkan oleh

padatan untuk bereaksi

Menurut Levenspiel, (1976), untuk reaksi padat-cair waktu reaksi diperhitungan

berdasarkan waktu mendifusi dari cair asam sulfat ke padatan natrium nitrat

karena waktu reaksi dianggap cepat sehingga diabaikan.

Visualisasi :




Dari hal 578 Levenspiel asumsi bahan baku ukuran butiran kecil ukuran butiran 50-

200 mm, Levenspiel hal 592. Untuk padatan berukuran kecil dapat menggunakan

persamaan shrinking sebagai berikut :

Small Particles :




= b . ks . CAS

Dimana :

Dikombinasikan kedua persamaan dan diintegrasikan

R = Ro t = 0

R = R t = t




Jika reaksi sempurna :

Dimana :

Ro = Jari-jari padatan kalsium karbonat awal

rB = Densitas padatan (solid), kg/m3

b = Koefisien reaksi

D = Diffusivitas padatan ke film, m/dt

CAS = Konsentrasi liquid di film, kg/m3




sehingga diperoleh persamaan

Neraca Massa Reaktor (R-01)

Komponen Arus 1 Arus 2 Arus 16 Arus 3 Arus 4

NaNO3 29959,2559 6815,9109 6815,9109

H2O 241,6069 705,2173 35,0276 911,7966

H2SO4 34555,6479 3823,5296 3823,5296 14,3882

HNO3 2,0228 22203,0727

NaHSO4 42295,4200

Subtotal 30200,8628 35260,8652 10639,4404 52971,9109 23129,2575

Total 76101,1684 76101,1684

Arus 1

Komponen kg frak BM kmol frak µ,kg/m3 µ,x

NaNO3 29959,26 0,9920 85 352,4618 0,9633 2016,730 2000,596

H2O 241,61 0,0080 18 13,4226 0,0367 956,166 7,649

30200,86 1,0000 365,8844 1,0000 2008,245

Arus 2

komponen kg fraksi BM kmol fraksi µ,kg/m3 µ,x

H2SO4 34.555,6479 0,9800 98 352,6087 0,9000 1674,38 1640,892

H2O 705,2173 0,0200 18 39,1787 0,1000 956,17 19,123

35.260,8652 1,0000 391,7874 1,0000 1660,016

Massa umpan :

komponen kg fraksi ƿ,kg/m3 ƿ,x Fv =m/ƿ µ, cP µx

NaNO3 36.775,17 0,4832 2016,73 974,57 18,2350 7,7721 3,7558




H2O 946,82 0,0124 956,166 11,90 0,9902 0,1792 0,0022

H2SO4 38.379,18 0,5043 1674,38 844,42 22,9214 3,2567 1,6424

76.101,17 1,0000 1830,88 42,1467 5,4004

Fv = 42,1467 m3/jam

Digunakan tekanan 1 atm

Menghitung waktu reaksi :

ukuran butiran 50-200 µm, Levenspiel hal 592

Diambil ukuran rata-rata 100 µm

Ro = 100 µm

= 0,0001 m

µB = 2008,25 kg/m3

b = 1

Menghitung difusifitas :

Untuk menghitung diffusivitas cairan digunakan persamaan wilke chang

(Coulson, hal 291)

Dimana :

DL = diffusivitas cairan, m2/dt

= factor asosiasi untuk pelarut, 1 (Coulson hal 191)

M = berat molekul pelarut, 98 kg/kmol

µ= viskositas pelarut, kg/m dt

= 0,003257 kg/m dt




Vm = volume molar pelarut pada keadaan boiling point

H2SO4 = 0,0626 m3/kmol

T = temperatur, K

T = 423,1500 K

DL = 117,3x10 -18 x(1 x 98)0,5x423,15

0,003257x0,06260,6

DL = 7,9557E-10 m2/dt

Menghitung konsentrasi padatan CAS :

CAS = 352,4618 kmol/jam

42,1467 m3/jam

= 8,3627 kmol/m3

= 0,0084 mol/cm3

Menghitung waktu reaksi :

= 2,0082E-05 (1 - (1 - 0,9)2/3)

6,6532E-09

= 2368,1735 dt

= 0,6578 jam

Menghitung volume :

Volume reaktor : kecepatan laju alir volumetrik x waktu reaksi sempurna

V = 42,1467 m3/jam x 0,6578 jam




V = 27,7252 m3

over design 20%

Menghitung volume :

= 1,2 x 27,7252

= 33,2702 m3

Menurut Walas diameter : tinggi cairan = 1 : 1

agar hasil pengadukan lebih homogen

Sehingga dirancang diameter dan tinggi shell 1 : 1

Volume tangki =

= 3,4865 m

= 137,2656 in

Digunakan diameter standart :

= 144 in (Brownell page 86)

= 3,6576 m

Vdish = 0,000049xDs3 (Brownell, hal 88)

Dimana :

Ds = diameter shell, in

Vdish = volume, ft3




sf = 2 in ???

Vsf =

Vhead = 2x (Vtangki + Vsf)

= 2x (0,000049 x D3) +

= 330,3064 ft3

= 9,3543 m3

Volume reaktor = Volume shell + Volume head

= 33,2702 + 9,3543

= 42,6245 m3

Dengan spesifikasi reaktor sebagai berikut :

Diameter shell = 3,6576 m

Tinggi shell = 3,6576 m

Volume shell = 33,2702 m3

Volume head = 9,3543 m3

Volume reaktor = 42,6245 m3

Volume cairan dalam shell

Volume bottom : 0,5 x Volume head

= 4,6771 m3

Volume cairan = volume shell - volume bottom

= 28,5931 m3

Tinggi cairan dalam shell :

= 2,7227 m

= 8,9327 ft

Jenis pengaduk

Densitas campuran dan viskositas




r = 1830,8816 kg/m3

m = 5,40044 cP

Penentuan berdasar :

T = 423,15 °C

m = 5,40044 cP

r = 1830,8816 kg/m3

V reaktor = 33,2702 m3

Berdasarkan fig 10.57 hal 419 Coulson. µL = 5,40044 Ns/m2

dan volume = 33,2702 m3 dapat digunakan pengaduk propeler atau turbin

Dari tabel 8.3 Rase, 1977 :

Sistem : reaction in solution : Turbine (max : 20.000 gal)

Propeller (max : 11000 gal (± 9.5 m3))

Paddle (max : 500 gal)

Dipilih : Turbin, karena :

- Hp turbin tidak dipengaruhi Viskositas diatas reynold 500-1000

- Percampuran sangat baik, bahkan dalam sekala mikro

Dari Rase,hal 356 :

Dipilih : Di/DR = 1/3 L =Di/4

E =Di = 1 B =D/10

W = Di /5




Diameter reaktor (DR) = 3,6576 m

Diameter pengaduk (DI) = 1,2192 m

Pengaduk dari dasar (E) = 1,2192 m

Tinggi Pengaduk (W) = 0,2438 m

Lebar pengaduk (L) = 0,3048 m

Lebar baffle (B) = 0,3658 m

Menghitung jumlah impeler :

WELH = tinggi bahan x sg

= 2,7227 m x 1830,882/1000

= 4,9849 m

Impeller =

= 4,9849 / 3,6576

= 1,3629 »2

Putaran pengaduk :

(Rase, 1977, hal. 345)

= 68,3028 rpm

= 1,1384 rps




Jenis motor : Fixed speed belt (harga murah, mudah mengganti bagian-bagiannya)

dengan kecepatan putaran standar 104 rpm (Rase, 1977 tabel 8.9).

Bilangan Reynolds :

NRe = 52410,0239

Dari fig. 9.13 McCabe, Nre = 52410,024 .=====>

Np = Po

= 1

Power pengaduk :

P = 34,45 Hp

Efisiensi motor 0,88 (fig. 14.38, Peters, hal 521)

Daya motor :

39,1449 Hp

Dipakai motor dengan daya = 40 Hp Nema standard

Menentukan tebal shell (t)

Dirancang menggunakan Baja nirkarat

ts = (Brownell, hal 140)

Dalam hubungan ini :

ts = tebal shell, in

P = tekanan dalam vessel

Pcairan = density . h .g/gc

CPEf

rP

).6,0.(

.

m

2

Re.N.Di

N

cgP

.550

.Np..DiN

53

P motor Daya




= 1830,8816 kg/m3 x 1 lb/0,4536 kg x 1 m3/35,3134 ft3 x 2,7227

ft x 32,2 ft /s2 /32,2

= 311,2052 lb/ft2

= 2,1611 lb/in2

Pop = Pcairan + Preaktor

= 2,1611 + 14,7

= 16,9 psi

r = Jari-jari

= ½ .Diameter Reaktor

= 0,5 x 144

= 72 in

E = effisiensi pengelasan = 0,85

C = faktor korosi = 0,125

f = tegangan yang diijinkan pada tabel 13.2

Coulson hal 254 diperoleh allowable stress 130 N/mm2

f = 18854,906 psi

ts = 0,20080 in

digunakan tebal standar 0,2500 in

Menentukan tebal head (th)

Dari tabel 5-7 Brownell,

untuk OD = 144 in




ts = 0,2500 in

icr = 6,5 in

r = 102 in

w=

= 1,7403 in

th =

th = 0,2183 in (digunakan tebal standar 1/4 in)

Diambil sf = 2

a =

= 71,75 in

AB = - icr

= 65,25 in

icr

r3

4

1

CPEf

wrP

).2,0..2(

..

2

ID

2

ID

OA

sf

icrB

b

A

a

ID

OD

C

r

t




BC = r – irc

= 95,5000 in

AC = (BC2- AB2)1/2

= 69,733 in

b = r – AC

= 32,2670 in

Tinggi head = th + b + Sf

= 34,5170 in

= 0,8767 m

Tinggi reaktor = 2 x tinggi head + tinggi shell

= 1,7535 + 3,6576

= 5,4111 m

Documents

Prarancangan Pabrik Asam Nitrat Dari Asam Sulfat Dan ...eprints.ums.ac.id/39724/10/11. Lampiran.pdf · Reaksi: H2SO4 + NaNO3 -----> HNO3 + NaHSO4 Reaksi antara asam sulfat dan natrium