8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
1/19
UNIVERSITAS INDONESIA
SIMULASI SINTESIS AMMONIA
GROUP 01
GROUP PERSONNEL:
ADINDA SOFURA AZHARIYAH (1306370505)
AKWILA EKA MELIANI (1306413725)
DANIA ALFIS FIRDAUSYAH (1306370511)
PANGIASTIKA PUTRI WULANDARI (1306370493)
YOLLA MIRANDA (1306414841)
CHEMICAL ENGINEERING DEPARTMENT
ENGINEERING FACULTY
UNIVERSITAS INDONESIA
MARCH, 2016
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
2/19
Simulasi Sintesis Ammonia
REAKSI SINTESIS AMMONIA
+ ⇌ PROGRAM HYSYS
Gambar 1. Program HYSYS
DATA YANG DIDAPAT
Integration Information
Number of segment : 5
Min Step Fraction :
1.0×10
Min Step Length : 9.7×10 BasisBasis :Particle Pressure
Base Component :Nitrogen
Rxn Phase :Vapour Phase
Min, Temp :-273 oC
Max, Temp :3000 oC
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
3/19
Basis Units :atm
Rate Units :Kg mol m 3/s
Data Katalis
Particle Diameter :0.001 mm
Particle Sphericity :1000
Solid Dencity :2500 Kg mol/m 3
Bulk Density :1250 Kg mol/m 3
Solid Head Capacity :250 Kj/Kg oC
Forward Reaction
A :10000
E :91000
β :empty
Reverse Reaction
A’ : 1.3×10. E’ : 1.41×10. β’ : empty
Equation Help
=
= − ′ = ′− Tube Dimension
Total Volume :6.851 m 3
Length :0.969 m
Diameter :3.00 m
Number of tube :1Wall Thickness :0.005 m
Stoichiometry and Rate Information
Component Mole WL Stoich Coeff Fwd order Rev Order
Nitrogen 28.013 -0.5 0.5 0
Hydrogen 2.016 -1.5 1.5 0
Ammonia 17.030 1 1 1
BalanceBalance error : 0.000
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
4/19
Reaction heat (25 oC) : 9.1×10 kJ/kg molTube Packing
Void fraction : 0.5
Void volume : 3.426
Komposisi Reaktan dan Produk (fraksi mol)
H2 : 0.5148
N2 : 0.1833
NH 3 : 0.0141
Ar : 0.0574
CH 4 : 0.2304
DATA TAMBAHAN
∅ =0.5 = 2.4644 / = 39.477 / = 0.00328 = 0.001 = 1.993×10− = 0.0482 ℎ = 0.07175 ℎ = 2.718 / = 978℃ = 543.15°
= 4.17×10 ℎ = 78 = 1250 / = 8.314 = 270℃ JAWAB
1. Kinetika dan Termodinamika
Kinetika: 12 +32 ⇌ =
= 2[− (
/ /) ′
− ]3600/
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
5/19
Laju reaksi ke kanan
= 10000
= 91000 / Laju reaksi ke kiri ′ = 1.3×10 ′ = 1.41×10 / Laju alir molar= 5×10 = 1.102×10 /ℎ
= 5×10 ×0.1833 = 9165
∆25℃ = 3.9×10 = 9.142×10/ Termodinamika: Secara termodinamika, konstanta kesetimbangan berdasarkan tekanan
parsial masing-masing pereaksi
= ′ = / / Saat keadaan setimbang, -r
N2=0. Maka,
27.135461 2.8085 31 0.3666 = ′0.0769 +1 0.3666 = ′ = 127.13546 1 0.36661 2.8085 31 0.3660.0769+2 Untuk menemukan persamaan diatas, digunakan Solver
Data kapasitas kalor (Cp) untuk setiap komponen:
Cp = 28.84+0.00765 ×10−T+0.3288×10− Cp = 29+0.2199 ×10−T+0.5723 ×10− Cp = 35.25+2.954×10−T+0.4421×10− Cp = 34.31+5.469×10−T+0.3661×10− Cp = 220.7945
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
6/19
2. Neraca Mol Persamaan untuk reaktor PFR
= ′ Rate Law:- ′ = 5.76 Stoikiometri:
+3 ⇌ 2 o
= 2 1 3 = 2
o
= 2×0.1833 = 0.3 = = +1+ o = 148.0385×0.183 = o = .. = 1.257 o = .. = 1.257 o
= .. = 1.257
o = .. = 1.257 = = 5.76 = = 5.76 11 0.3666
/ 2.8085 31 0.3666 / 0.0769 1 0.366
= 5.76 1 1 0.3666 /
2.8085 31 0.3666 / 0.07691 0.366
= 5.761 2.8085 3/1 0.3666 0.0769 21 0.3666 = 5.76 1 2.8085 3/1 0.3666 0.0769 21 0.3666 = 5.76×27.134569651 148.038527.13456 148.03851 2.8085 3/1 0.3666 0.07691 0.36
= 1.0981×104 0.18331 2.8085 3/1 0.3666 0.07691 0.366
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
7/19
= 24 1.0981×104 0.18331 2.8085 3/1 0.3666 0.0769 1 0.36 3. Neraca Energi
= 4 + ∆ΣΘCp + ∆ Mencari nilai ∆ ∆ = ∆+∆ +∆2 ( )+∆3 ( ) Reaksi: + ⇌ ∆ = = 35.1532×28.8412×29 = 22 ∆ = = 2.954×10− 32×0.00765 ×10− 12×0.2199−
= 0.028326
∆ = = 0.4421×10− 32×0.3288×10− 12×0.5723−= 3.3725×10− Maka,
∆ = 9.142×10− 22.61
25 +0.0283262 25
3.3725×10−3 25
Mencari nilai ΣΘCp ΣΘCp = ΘCp +ΘCp +ΘCp +ΘCp +ΘCp = 2.8085×28.84+0.00765×1−T+0.3288×1− +1×29+0.2199 ×10−T+0.5723×1− +0.076×35.25+2.954×10−T+0.4421 ×− +1.257×34.31+5.469×10−T+0.3661 ×− +0.313×20.7945
= 162.342+0.0734T+−
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
8/19
Mencari nilai
4 = = 4×2.7181250×3
= 2.8992×10− ℃
= 10.437 ℎ
Mencari nilai W
= 4 4 = 1250 34 = 8835.73 /
Persamaan Akhir
= + ∆
ΣΘCp + ∆
4 = + ∆ΣΘCp + ∆
= 4 + ∆ΣΘCp + ∆ 4. Neraca Momentum
Persamaan Ergun
= 1 1 ∅1501 +1.756 Mencari nilai G
= Σ = 0.5148×2.016+ 0.1833×28 ×1.1−76.0853 = 17963.0257 /ℎ
Maka,
= 1 1 ∅1501 +1.756
= 0.17965221 0.3666
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
9/19
5. Hasil Simulasi
a. Simulasi Model Reaktor Adiabatis
Gambar 2. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic
Pada simulasi sintesis ammonia dengan reaktor adiabatic didapatkan konversi
sebesar 45.6%. Nilai konversi ini cukup rendah dikarena pada panjang reaktor sekitar
8 m, reaksi sudah hampir mencapai kesetimbangan sehingga konversi tidak dapat
meningkat lebih besar lagi. Pada kurva pertama, terlihat bahwa terjadi penurunan
tekanan. Hal tersebut diakibatkan oleh gesekan antara reaktan dengan katalis yang
akan meningkatkan pressure drop .
Pada kurva 2 yaitu profil X dan Xe terhadap T, dapat dilihat bahwa terjadi
kenaikan konversi seiring peningkatan temperature. Hal tersebut terjadi karena reaksi
sintesis amonia ini merupakan reaksi eksotermis yang akan menghasilkan panas
selama reaksi berlangsung. Reaksi dalam telah mencapai kesetimbangan pada
temperature 304.2 oC. Selain itu, dapat dilihat bahwa nilai konversi kesetimbangannya
menurun seiring dengan meningkatnya suhu yang dikarenakan terjadinya reaksi balik
yang merupakan reaksi endotermis. Pada reaksi endotermis panas cenderung diserap
sehingga suhu akhir reaktor akan menurun. Hasil produksi dari proses ini adalah 1709
ton ammonia/hari untuk setiap tabung.
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
10/19
b. Simulasi Model Reaktor Adiabatis-Interstage Cooler
Gambar 3. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic
+interstage cooler
Pada simulasi sintesis ammonia, dapat digunakan interstage cooler untuk
meningkatkan konversi. Ternyata konversi yang didapatkan benar lebih besar dari
pada hanya menggunakan reaktor adiabatis yaitu sebesar 54.6 % . Pada kurva 1, dapat
dilihat bahwa pada jarak ±11 m konversi mengalami keadaan konstan sehingga
reaktan akan melewati interstage cooler yang kemudian didinginkan hingga
temperatur awal umpan. Kemudian umpan dimasukkan kembali ke bed 2 dan reaksi
kembali berjalan dan konversi mengalami peningkatan hingga jarak ±27 m di mana
terjadi kesetimbangan. Suhu akhir dari proses ini adalah 276.8 oC.
Pada kurva 2 yaitu profil X, Xe terhadap T dapat dilihat saat konversi
mencapai kondisi kesetimbangan maka temperatur akan diturunkan ke temperatur
awal umpan dengan cara melewatkan pada interstage cooler . Pada suhu ± 305 oC,
reaksi mengalami kesetimbangan yang pertama. Namun reaktan dilewatkan ke
interstage cooler sehingga didinginkan dan reaksi berjalan lagi dan konversi pun
ditingkatkan hingga mencapai kesetimbangannya. Tekanan keluaran reaktor adalah
139.2 atm. Kapasitas produksi NH3 untuk proses adiabatis dan interstage ini adalah
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
11/19
2044 ton/hari (1 tube). Jadi, dengan menggunakan interstage cooler konversi
meningkat dari 45.6% (adiabatis) menjadi 54.6 % (adiabatis + interstage cooler ) dan
hasil produksi akan meningkat 1709 ton/hari menjadi 2044 ton/hari.
c. Simulasi Model Reaktor Non-Adiabatis
Gambar 4. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor non-adiabatic
Pada simulasi sintesis ammonia dengan reaktor non-adiabatic didapatkan
konversi sebesar 53% dengan panjang reaktor 30 m. Nilai konversi tersebut lebih
kecil dari pada konversi reaktor adiabatis yang menggunakan interstage cooler
(54.6%) namun lebih besar dari reaktor adiabatis tanpa interstage cooler (45.6%).
Pada kurva 1 yaitu profil X, T, P/Po terlihat bahwa konversi terus meningkat
walaupun tidak signifikan dan temperatur awalnya meningkat kemudian terus turun,temperatur sengaja diturunkan agar konversi meningkat. Temperatur keluaran reaktor
adalah 278,84 C. Temperatur diturunkan dengan mengontakkan reaktan dengan air
pendingin sehingga akan terjadi perpindahan kalor melalui dinding reaktor dengan
UA sebesar 10,44 kW/m2 hr dan Ta = 270 C. Ketika melewati posisi awal reaktor,
reaksi berlangsung sangat cepat sehingga panas yang diserap air pendingin tidak dapat
mengimbangi panas reaksi yang dihasilkan sehingga temperatur awal reaktor menjadi
naik. Pada grafik juga dapat dilihat terjadi penurunan pada tekanan. Hal ini
disebabkan terjadi friksi antara reaktan dan katalis yang akan meningkatkan pressure
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
12/19
drop . Tekanan keluaran reaktor sebesar 139 atm dengan kapasitas produksi
NH 3sebesar 1986 ton/hari (1 tube).
d. Simulasi Model Reaktor Adiabatis dengan Absorber NH 3 dan Suplai N 2 dan H 2
Gambar 5. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic dengan absorber
NH 3 dan suplai N 2 dan H 2
Simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic dengan menambah suplai
tekanan N 2 dan H 2 masing-masing sebesar 5 atm dan mengabsorbsi tekanan NH 3
sebesar 5 atm, konversi pada reaktor adiabatis meningkat menjadi 52.2 %. Temperatur
keluaran sebesar 310 oC dan tekanan keluaran 138.5 atm. Kapasitas produksi NH 3
sebesar 1957 ton/hari (1 tube). Hal ini berarti apabila tekanan dinaikkan lebih besar
lagi maka konversi akan semakin lebih besar lagi sehingga akan menghasilkan produkkeluaran yang lebih banyak lagi.
e. Simulasi Model Reaktor Adiabatis+Interstage Cooler dengan Absorber NH 3 dan
Suplai N 2 dan H 2
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
13/19
Gambar 6. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatis+interstage cooler
dengan absorber NH 3 dan suplai N 2 dan H 2
Pada simulasi sintesis ammonia ini, digunakan reaktor adiabatic dan interstage
cooler untuk meningkatkan konversi. Selain itu, untuk meningkatkan konversi
ditambahkan suplai tekanan H 2dan N 2 sebanyak masing-masing 10 atm dan
ammonia (NH3) sebagai produk akan diabsorbsi dengan absorben air murni pada
jumlah yang sama yaitu sebesar 10 atm. Dengan metode tersebut, dihasilkan
konversi sebesar 68.8%.
Penambahan reaktan akan menyebabkan reaksi reversibel ini bergeser
kesetimbangannya ke arah produk, sehingga konversi meningkat. Pada kurva,
terlihat bahwa konversinya melewati kurva konversi kesetimbangan. Hal tersebut
terjadi karena adanya absorben yang menyerap produk sehingga produk dapat
terbentuk kembali. Proses ini menghasilkan kapasitas produksi sebesar 2577 ton
ammonia/hari untuk satu tabung, melampaui semua proses yang ada di atas.
Tekanan keluaran proses ini yaitu 139.5 atm pada temperature 278.5 oC.
f. Simulasi Model Reaktor Non-Adiabatis dengan Absorber NH 3 dan Suplai N 2 dan
H 2
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
14/19
Gambar 7. Hasil simulasi sintesis ammonia pada reaktor adiabatic+interstage cooler
Pada simulasi sintesis ammonia ini, digunakan reaktor non-adiabatik yang
kemudian ditambahkan suplai tekanan H 2dan N 2 sebanyak masing-masing 10 atm dan
ammonia (NH3) sebagai produk akan diabsorbsi dengan absorben air murni pada
jumlah yang sama yaitu sebesar 10 atm untuk meningkatkan konversi. Metode inimenghasilkan konversi sebesar 67.1%. Nilai ini lebih besar daripada hasil dari proses
pada reaktor non-adiabatis yang tidak terdapat proses penambahan komposisi pereaksi
dan proses absorpsi produk, namun lebih kecil dari hasil proses yang menggunakan
reaktor adiabatis + interstage cooler . Hal ini dikarenakan pada reaktor adiabatik +
interstage cooler bekerja lebih efisien memanfaatkan pereaksi yang masuk ke kolom.
Pereaksi ini akan didinginkan di setiap tahap dalam kolom sehingga konversi
perubahan menjadi produknya menjadi lebih besar.
Pada kurva 1 yaitu profil X, T, P/Po (grafik sebelah kiri), dapat dilihat bahwa
konversi terus meningkat dan profil temperatur pada awalnya meningkat kemudian
terus turun. Temperatur sengaja diturunkan agar konversi tetap meningkat.
Temperatur keluaran reaktor adalah 282,6 oC. Temperatur diturunkan dengan cara
mengontakkan reaktan dengan air pendingin sehingga akan terjadi perpindahan kalor
melalui dinding reaktor dengan UA sebesar 10,44 kW/m 2 hr dan Ta = 270 C. Ketika
melewati posisi awal reaktor, reaksi berlangsung sangat cepat sehingga panas yang
diserap air pendingin tidak dapat mengimbangi panas reaksi yang dihasilkan sehingga
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
15/19
temperatur awal reaktor menjadi naik. Pada grafik juga dapat dilihat terjadi penurunan
pada tekanan. Hal ini disebabkan terjadi friksi antara reaktan dan katalis yang akan
meningkatkan pressure drop . Tekanan keluaran reaktor sebesar 139.3 atm dengan
kapasitas produksi NH3 sebesar 2512 ton/hari (1 tube).
g. Simulasi Model Temperatur Umpan Optimum pada Reaktor Adiabatis
T0 (oC) T ( oC) X Xe
200 209.388 0.123 0.78
210 225.898 0.2077 0.763
220 246.078 0.3383 0.726
240 279.349 0.5078 0.608
260 295.157 0.4588 0.5
270 302.805 0.4306 0.471
280 310.496 0.4026 0.443
300 326.041 0.3476 0.391
320 341.856 0.2949 0.34
330 349.883 0.2697 0.306
350 366.209 0.2221 0.264
370 382.209 0.1789 0.212
400 408.777 0.1232 0.1555
Tabel di atas adalah variasi data dari temperatur umpan (To) yang masuk ke
reaktor adiabatis, untuk mengetahui pada temperatur berapa akan dicapai konversi
maksimum. Temperatur yang dicapai ini adalah temperatur umpan yang optimum.
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
16/19
Grafik 1. Konversi terhadap variasi temperature umpan pada reaktor adiabatis
Hasil dari simulasi ini, terlihat bahwa seiring dengan naiknya temperatur
umpan, akan menghasilkan konversi yang semakin besar. Pada grafik di atas, dapat
dilihat bahwa pada konversi maksimum sebesar 0.5078 dicapai pada temperatur
umpan 240 oC. Apabila temperature dinaikkan kembali konversi akan turun. Semakin
tinggi temperatur maka laju reaksi akan semakin cepat sehingga konversi bernilai
besar. Setelah suhu dinaikkan melewati 240 oC, reaksi kesetimbangan telah berjalan
stabil dan sudah dikenai adanya cooling yang bekerja sehingga konversi akan turun.
Untuk konversi kesetimbangan (Xe), dapat terlihat pada profil ini, yaitu pada reaksi
eksotermis, dengan meningkatnya temperatur umpan maka reaksi akan bergeser ke
arah endotermis, atau ke arah reaktan, sehingga nilai konversi kesetimbangan untuk
membentuk produk akan menurun.
h. Simulasi Model Temperatur Umpan Optimum pada Reaktor Non-AdiabatisTo ( oC) T ( oC) X Xe
200 275.129 0.46696 0.753
210 275.963 0.48734 0.737
220 276.343 0.50167 0.73
240 276.644 0.51438 0.716
260 277.757 0.51163 0.68
270 278.84 0.50668 0.66
200
250
300
350
400
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
200 250 300 350 400
T o u t
( o C )
X d
a n
X e
To ( oC)
Reaktor Adiabatis
X Xe T (oC)
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
17/19
280 280.217 0.50035 0.624
300 283.543 0.48543 0.557
320 287.289 0.46915 0.515
330 289.251 0.46078 0.5350 293.293 0.44381 0.469
370 297.446 0.42664 0.46
400 303.827 0.40067 0.433
Pada simulasi ini, ingin dilihat pada temperatur umpan (To) masuk reaktor
berapa kah yang akan menghasilkan konversi maksimum, pada reaktor yang non-
adiabatis.
Grafik 2. Konversi terhadap variasi temperature umpan pada reaktor non-adiabatis
Hasil dari simulasi ini, terlihat bahwa seiring dengan naiknya temperatur
umpan, akan menghasilkan konversi yang semakin besar. Pada grafik di atas, dapatdilihat bahwa pada konversi maksimum sebesar 0.51438 dicapai pada temperatur
umpan 240 oC. Apabila temperature dinaikkan kembali konversi akan turun. Semakin
tinggi temperatur maka laju reaksi akan semakin cepat sehingga konversi bernilai
besar. Setelah suhu dinaikkan melewati 240 oC, reaksi kesetimbangan telah berjalan
stabil dan sudah dikenai adanya cooling yang bekerja sehingga konversi akan turun.
Untuk konversi kesetimbangan (Xe), dapat terlihat pada profil ini, yaitu pada reaksi
eksotermis, dengan meningkatnya temperatur umpan maka reaksi akan bergeser ke
275
280
285
290
295
300
305
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
200 250 300 350 400
T o u t
( o C
)
X d
a n
X e
To (oC)
Reaktor Non Adiabatis
X Xe T (oC)
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
18/19
arah endotermis, atau ke arah reaktan, sehingga nilai konversi kesetimbangan untuk
membentuk produk akan menurun.
i. Simulasi Model Temperatur Pendingin pada Reaktor Non-Adiabatis
TaX
To=240 C To=270 C
150 0.15163 0.38874
170 0.1986 0.44977
200 0.31249 0.53326
220 0.41624 0.56003
250 0.52245 0.54321270 0.51438 0.50668
300 0.45192 0.43604
320 0.40314 0.38614
350 0.3309 0.31386
Tabel di atas merupakan data variasi temperatur pendingin (Ta) pada reaktor
non-adiabatis yang akan dicari pada temperatur pendingin ke berapa yang optimum
akan dicapai konversi yang maksimum.
Grafik 3. Konversi terhadap variasi temperature pendingin pada reaktor reaktor non-
adiabatis
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
150 200 250 300 350
X
Ta (oC)
Pengaruh Temperatur pendingin
To=240 C
To=270 C
8/18/2019 Simulasi Sintesis Ammonia_Kelompok 1
19/19
Berdasarkan grafik hasil simulasi di atas, variasi kenaikan temperatur
pendingin dihubungkan dengan temperatur umpan masuk reaktor. Pada temperatur
umpan 240 oC, temperatur pendingin yang optimum untuk mencapai konversi
maksimumnya adalah pada 250 oC. Sedangkan pada temperatur umpan 270 oC,
temperatur pendingin yang optimum adalah pada 220 oC. Pada temperatur air
pendingin dibawah 250 oC, konversi untuk To = 270 oC lebih besar daripada konversi
untuk To = 240 oC. Hal ini dikarenakan pada bagian temperatur air pendingin dibawah
250 oC, konversi berkaitan dengan laju reaksi. Pada temperatur umpan 270C lebih
besar maka konversinya juga akan lebih besar (temperatur berbanding lurus dengan
konversi dalam hubungannya dengan laju reaksi). Akan tetapi saat temperatur air
pendingin diatas 250 oC, konversi untuk To = 240C dan To = 270C memberikan nilai
yang tidak jauh berbeda. Hal ini disebabkan saat temperatur air pendingin diatas
250 oC, konversi telah dibatasi oleh kesetimbangan termodinamis, sehingga konversi
untuk To = 240 oC dan To = 270 oC hampir sama. Dengan demikian untuk temperatur
air pendingin diatas 250 oC, variasi temperatur umpan kurang berpengaruh terhadap
nilai konversi akhir.