alkylation reactor design
TRANSCRIPT
ALKYLATION REAKTOR
Fungsi : Tempat terjadinya reaksi alkilasi benzen menjadi ethylbenzen,
diethylbenzen, dan triethylbenzen.
Tipe : Fixed bed multi bed ( adiabatic non isotermal )
Tujuan :
Menentukan dimensi reaktor meliputi diameter, tinggi, dan
jumlah bed.
Menentukan tebal shell dan tebal isolasi reaktor.
Kondisi operasi
Tekanan : 17 atm
Suhu : 400 – 500oC
Fase : gas
Diameter : 3,4 m
Katalisator : - Jenis : ZSM-5
- Diameter : 3 mm
- Bentuk : spherical
- Porositas : 0,32
- Bulk density : 450 kg/m3
Reaksi yang terjadi:
C2H4 (g) + C6H6 (g) C6H5C2H5 (g) ..............1)
2 C2H4 (g) + C6H6 (g) C6H4(C2H5)2 (g) ..............2)
3 C2H4 (g) + C6H6 (g) C6H3(C2H5)3 (g) ..............3)
Harga konstanta kecepatan reaksi :
k1 = 5161,772 exp (-3181,285/T) m3/kmol.jam6
A. Menghitung tinggi katalis pada pembentukan ethylbenzen ini dilakukan
dengan menggunakan persamaan-persamaan sebagai berikut:
FA XA T
Z
FA+FA XA+XA, T+T
Dimana :
FA = laju alir komponen A (etilen) dalam kmol/jam
XA= konversi komponen A
T = suhu
1. Neraca Massa
Neraca massa etilen pada kondisi steady state dalam pipa setebal Z dan
telah bereaksi sepanjang Z satuan dan sebesar XA bagian membentuk
etilbenzen.
Etilene masuk = etilene keluar + etilene bereaksi
............................................1)
2. Kecepatan reaksi
Kecepatan reaksi total (-rA) adalah :
-rA = (-rA)1 + (-rA)2 + (-rA)3
= k1 CA CB + k2 CA CB + k3 CA CB
Besarnya (-rA)2 dapat ditentukan sebagai berikut :
rA2 = 0,186 rA1
Analog dengan penentuan (-rA2) maka (-rA3) = 0,021 (-rA1), sehingga :
-rA 1,207 k1.CA.CB = k.CA.CB........................................2)
3. Stoikiometri
Pada perbandingan CB0/CA0 = 5 dan V = V0 serta selektifitas reaksi
pembentukan etilbenzen = 0,828 maka :
CA = CA0(1-0,828XA) ................................3)
CB = CA0(5-0,828XA) ................................4)
4. Neraca Panas
Neraca panas untuk keadaan steady state dan adiabatis pada pipa setebal
Z dan telah bereaksi sebesar XA.
Panas input = Panas output – Panas reaksi.
(Fi.Cpi)dT = (-Hr)T0.FA0.dXA
(Fi.Cpi)dT =
.........................5)
5. Pressure Drop
Pressure drop ditentukan dengan menggunakan persamaan Ergun.
..................7)
Dimana : ε = porositas katalis
ρ = massa jenis fluida, kg.m-3
v0= kecepatan superficial, m.jam-1
gc= 1,3164.1012 kg.atm-1.m-1.jam-2
Dp= diameter katalis, m
μ = viskositas fluida, kg.m-1.jam-1
Mole balance ;
= fx(XA,T) ................................8)
Heat Balance:
= fT(XA,T) ...................................9)
Pressure Drop:
= fP(P,T) ..............................10)
Dengan menggunakan metode Runge-Kutta-Gill:
XA(i+1) = ..........................11)
T(i+1) = .........................12)
P(i+1) = ........................13)
Dimana :
k1x = fX(Xi,Ti)
k2X = fX(X2i,T2i)
= fX(Xi + k1X ,Ti + k1T )
k3X = fX(X3i,T3i)
= fX(Xi + k1X + k2X
Ti + k1T + k2T )
k4X = fX(X4i,T4i)
= fX
Untuk harga-harga k1T,P, k2T,P, k3T,P, k4T,P dihitung dengan cara yang sama dengan
yang di atas.
Langkah-langkah penyelesaian untuk menentukan XA, T, dan P adalah sebagai
berikut dengan menentukan increment Z sebesar Z:
1. Pada Z = 0 maka XA=0, T=T Input, P= P Input
2. Hitung harga k (f(T))
3. Hitung harga k1X, k1T, dan k1P
4. Hitung harga X2i, T2i, dan P2i
5. Hitung harga k2X, k2T, dan k2P
6. Hitung harga X3i, T3i, dan P3i
7. Hitung harga k3X, k3T, dan k3P
8. Hitung harga X4i, T4i, dan P4i
9. Hitung harga k4X, k4T, dan k4P
10. Hitung harga XA(i+1) (persamaan 11); T(i+1) (persamaan 12); dan P(i+1)
(persamaan 13).
11. Increment Z dan ulangi langkah 2 sampai 10 dengan XA=XA(i+1),
T=T(i+1), dan P=P(i+1) hingga T Tmax dan atau XA telah mencapai XA
yang diharapkan.
B. Perhitungan tinggi katalis tiap bed.
1. Perhitungan bed
Kondisi operasi:
- Temperatur feed : 400oC
- Tekanan feed : 21 atm
- (Hr)400 : -761.935,6 kJ/kmol
- Diameter reaktor :3,4 m
Komposisi sebelum reaksi :
Komponen Kmol inEtilene 425,224Benzen 2.126,120Etilbenzen 0,825Dietilbenzen 32,556Etana 0,855Metana 1,282Toluen 2,382Total 2.589,243
Perhitungan :
a. Pada Z=0 maka XA(0) = 0, T=400oC, P = 21 atm
b. k=5161,7244exp(3181,285/T) = 55,213 (m3/(kmol.kg kat.jam))
c. k1X =
= 0,3994
k1T =
= 61,415
k1P = -
= -0,00696
d. X2(i)=0,0100; T2(i)=674,69; P2(i)=20,9998
e. k2X=0,3998; k2T=61,314; k2P=-0,00696
f. X3(i)=0,0100; T3(i)=674,68; P3(i)=20,9998
g. k3X=0,3997; k3T=61,313; k3P=-0,00696
h. X4(i)=0,0141; T4(i)=675,32; P4(i)=20,9998
i. k4X=0,3999; k4T=61,266; k4P=-0,00696
j. XA(1) = 0 +
= 0,0400
T(1) = 673,15 +
= 679,27
P(1) = 21 +
= 20,9993
Dengan cara yang sama didapatkan nilai k2X,T,P, k3X,T,P, k4X,T,P sehingga dapat
dihitung nilai XA(i+1), T(i+1), P(i+1) menggunakan increment Z sebesar 0,1.
Hasil perhitungan dapat ditabelkan sebagai berikut:
Z (m) T (oK) K XA P (atm)0 673.15 55.2134 0 17
0,1 679.27 57.6155 0.0400 16.99930,2 685.34 60.0543 0.0800 16.99860,3 691.33 62.5214 0.1200 16.99790,4 697.24 65.0077 0.1599 16.99720,5 703.05 67.5039 0.1995 16.99650,6 708.74 70.0005 0.2387 16.99580,7 714.29 72.4881 0.2775 16.99510,8 719.71 74.9575 0.3158 16.99440,9 724.97 77.4000 0.3534 16.99371,0 730.06 79.8072 0.3904 16.99301,1 734.99 82.1716 0.4265 16.99231,2 739.73 84.4863 0.4619 16.99171,3 744.30 86.7452 0.4963 16.99101,4 748.68 88.9429 0.5297 16.99031,5 752.88 91.0752 0.5622 16.98961,6 756.89 93.1385 0.5937 16.98891,7 760.72 95.1300 0.6240 16.98821,8 764.37 97.0478 0.6534 16.98751,9 767.84 98.8905 0.6816 16.98682,0 771.14 100.6577 0.7087 16.98612,05 772.72 101.5129 0.7219 16.9857
C. Menghitung Space Time ()
Tinggi katalis total : ( 2,05 + 3,4 + 9,115 )m = 14,565 m
Dari persamaan 17 hal.109 Levenspiel, diperoleh :
Pada bed I: = jam
Pada bed II: = jam
Pada bed III: = jam
Total space time () = 0,0138 jam ≈ 0,83 menit ≈ 50 detik
D. Menghitung tebal shell reaktor
Bahan yang digunakan adalah stainless steel SA-240 grade C
Allowable working stress (f) = 12.500 psi
Efisiensi pengelasan (E) = 0,85
Faktor korosi (C) = 0,125
ID = 340 cm = 133,86 in
Tekanan operasi = 20 atm = 293,92 psi
Tekanan operasi perancangan (P) = 1,1 x 293,92 = 308,61 psi
Dari persamaan 14.34 Brownell :
in
Digunakan tebal shell standar 2,25 in
E. Menentukan tebal pembatas antar bed
Bahan dan ketebalan yang digunakan sama dengan bahan pada shell
reaktor, yaitu SA-240 grade C dengan ketebalan 2,25 in.
F. Menentukan tebal pembatas antar bed
Untuk diameter reaktor 3,05 – 3,66 m digunakan spacing 2 x 30 in
G. Menghitung tebal head standard
Bahan yang digunakan sama dengan yang digunakan pada shell. Untuk
tekanan lebih dari 200 psi dipilih head berbentuk elliptical dished head
dengan harga k = 2 (Brownell, 133).
V = 1/6. (2+k2) = 1
in
Digunakan tebal head standard 2 in
H. Menghitung tinggi head reaktor
OD = ID + 2. ts
= 133,86 + 2 x 2,25 = 138,36 in
Untuk OD 138,36 in dan ts = 2,25 in dari tabel 5.7 Brownell diperoleh:
r = 130 icr = 8,375
α = ID/2 = 66,93 in
AB = α – icr = 58,555 in
BC = r – icr = 121,625 in
AC = (BC2 – AB2)0,5 = 106,60 in
β = r – AC = 23,40 in
dari tabel 5.11 Brownell untuk harga th = 2 in diperoleh harga sf = 3 in.
OA ( tinggi head reaktor) = th + β + sf = 28,40 in
I. Menghitung tinggi reaktor
Tinggi reaktor = tinggi katalis + 2x tinggi head + 5x bed spacing + 2x
tebal pembatas
= 14,565 +{[(2 x 28,40)in + (5 x 30)in + (2 x
2,25)in]x0,0254}m
= 19,92 m
J. Menghitung volume reaktor
Untuk elliptical dished head digunakan persamaan 5.14 Brownell :
Vh = 0,000076 x ID3
= 0,000076 x (133,86)3 = 182,284 ft3 = 5,162 m3
Volume reaktor total (V):
V = (π/4) ID2 L + 2 Vh
= (π/4) x 3,42 x 17,74 + 2 x 5,162 = 171,307 m3
K. Menentukan tebal isolasi reaktor
Isolasi yang digunakan adalah asbes. Dari tabel 2 Peter (hal.637) :
Suhu udara sekitar = 30oC = 536oR
Suhu isolasi = 560oR = 86oF
E = 0,93
Dimana: T1 : suhu isolasi (oR)
T2 : suhu udara luar (oR)
= 1,0759 Btu/ft2.jam.oR
Dari persamaan 7 – 7a Mc Adam :
hc = 0,27. {(Ts – T1)/D}0,25
dimana: Ts : suhu reaktor = 830,82 oK = 1035,81oF
D : diameter reaktor = 3,4 m = 11,155 ft
Hc = 0,27 x {(1035,81 – 100)/ 11,155}0,25
= 0,8171 Btu/jam.ft2.oF
Panas yang hilang tiap jam :
qc = hc x A x (Ts – T1) , dimana: A = π.D.L = π (3,4) (17,74)
= 189,392 m2 = 2038,601 ft2
qc = 0,8171 x 2038,601 x (1035,81 – 86) = 1.582.203,21 Btu/jam
qr = hr x A x (T1 – T2)
= 1,0759 x 2038,601 x (560- 546) = 30.706,631 Btu.jam
q = qr + qc = 1.612.909,84 Btu/jam
Tebal isolasi:
q = k.A.dT/dX
Dari tabel 2 Kern, harga k untuk asbes pada suhu 100oF adalah 0,104
Btu/jam.ft2.(oF/ft).
X = k.A.(Ts – T1) / q
= 2 x 2038,601 x (1035,81 – 86) / 1.612.909,84
= 0,125 ft = 1,49 in
Digunakan tebal isolasi standard 1,5 in
RESUME
Kode R-01
Fungsi : Tempat terjadinya reaksi alkilasi benzen menjadi ethylbenzen,
diethylbenzen, dan triethylbenzen serta reaksi transalkilasi
diethylbenzen menjadi ethybenzen.
Tipe : Fixed bed multi bed
Jumlah : 2 buah
Kondisi Operasi
Tekanan operasi : 20 atm
Suhu operasi : 400 – 500oC
Fase reaksi : gas
Katalis
Jenis : ZSM – 5
Diameter : 0,003 m
Bentuk : Spherical
Bulk density : 450 kg/m3
Resume Alkylation Reactor :
Dimensi Reaktor
Inside Diameter : 3,4 m
Tebal shell : 0,0572 m
Tinggi : 19,92 m
Susunan : 6 bed
Pressure drop total 0,4740 atm
Volume total 171,307 m3
Head
Bentuk Elliptical Dished Head
Tebal 0,0508 m
Tinggi 0,721 m