B-1 LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA ENERGI Dari hasil perhitungan neraca massa selanjutnya dilakukan perhitungan neraca energi. Perhitungan neraca energi didasarkan pada : Basis : 1 jam operasi Satuan panas : kJ Temperatur referensi : 25 oC (298,15 K) Neraca Energ i: {(Energi masuk ) – (Energi keluar) + (Generasi energi) – (Konsumsi energi)} = {Akumulasi energi} (Himmelblau,ed.6,1996) Entalpi bahan pada temperatur dan tekanan tertentu adalah : ∆H = ∆HT – ∆Hf (Himmelblau,ed.6,1996) Keterangan : ∆H = Perubahan entalpi ∆HT = Entalpi bahan pada suhu T ∆Hf = Entalpi bahan pada suhu referensi (25 oC) Enthalpi bahan untuk campuran dapat di rumuskan sebagai berikut : ∆H = Σ n Cp dT (Himmelblau,ed.6,1996) B-2 Keterangan : ∆H = Perubahan entalpi n = mol Cp = Kapasitas panas (J/mol.K) dT = Perbedaan termperatur (K) Kapasitas panas T T Cp dT (A BT CT Tref 2 DT 3 ET 4 ) dT Tref T Cp dT A(T T ret ) Tref B 2 C D E 2 3 4 5 (T Tref ) (T 3 Tref ) (T 4 Tref ) (T 5 Tref ) 2 3 4 4 Keterangan : Cp = Kapasitas panas (J/mol K) A,B,C,D,E = Konstanta Tref = Temperatur referensi = 298,15 K T = Temperatur operasi (K) Tabel B.1. Data Cp untuk gas Komponen A B C D E Asetat Anhidrid 9,5000E+00 3,4425E-01 -8,6736E-05 -7,677E-08 3,6721E-11 Metil Asetat -2,2287E+01 4,8275E-01 -4,6631E-04 2,329E-07 -4,3094E-11 Water 29,52600 -8,90000x10-03 3,81000x10-05 -3,26000x10-08 8,86000x10-12 Carbonmonoxide 29,55600 -6,58000x10-03 2,01000x10-05 -1,22000x10-08 2,26000x10-12 sumber : Carl L yaws, appendix E vol 1-4 Tabel B.2. Data Cp untuk cairan Komponen A B C D Asetat Anhidrid 71,831 8,8879E-01 -2,6534E-03 3,3501E-06 Metil Asetat 76,129 4,3277E-01 -1,3694E-03 2,1850E-06 Water 92,05300 -0,03990 -0,00020 5,34690E-07 Carbonmonoxide -19,31200 2,50720 -0,02900 -0,00013 B-3 Neraca Energi tiap-tiap Komponen 1. Heater (HE-101) Fungsi : Memanaskan metil asetat keluaran storage metil asetat dari 30 oC menjadi 130 oC sebagai umpan masukan Reaktor Kondisi Operasi : Tin : 30 oC = 303,15 K Tout : 130 oC = 403,15 K Tref : 25 oC = 298,15 K Pop : 1 atm ∆Hout ∆Hs in ∆Hs out ∆Hin Gambar. Heater (HE-101) Keterangan : ∆Hin = Aliran panas masuk dari ST-101 ∆Hout = Aliran panas keluar dari HE-101 Neraca Energi: {(∆H1 + ∆Hs in ) – (∆H2+ ∆Hs out) + (0) – (0)} = {0} Panas aliran masuk HE-101 Tin = 30 oC = 303,15 K T ref = 25 oC = 298,15 K B-4 Tabel. Panas aliran masuk HE-101 Komponen kg/jam kmol ∫Cp.dt ∆H (kJ/jam) Metil Asetat 2.035,592 27,5080 709,20604 19.508,83971 H2O 226,1768 12,565378 377,48638 4.743,25899 Total 2.261,7688 40,0734 24.252,09870 Panas aliran keluar HE-101 Tout = 130 oC = 403,15 K T ref = 25 oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran keluar HE-101 Komponen kg/jam kmol ∫Cp.dt ∆H (kJ/jam) Metil Asetat 2.035,592 27,5080 16.229,12048 446.430,64627 H2O 226,1768 12,565378 7.924,54696 99.574,92624 Total 2261,7688 40,0734 Menghitung kebutuhan steam ∆H in+ ∆H steam = ∆H out ∆H steam = ∆H out -∆Hin ∆H steam = 546.005,57251 – 24.252,09870 = 521.753,47381 kJ/jam 546.005.57251 B-5 Oleh karena itu membutuhkan fluida panas yang berfungsi sebagai pemanas yaitu saturated steam pada steam tabel dengan kondisi : Temperatur (T) = 149,5 oC Tekanan (P) = 4,696 bar Hl = 630 kJ/kg Hv = 2.744,8 kJ/kg λ steam = Hv - H l = 2.744,8 – 630 = 2.114,800 kJ/kg Menghitung massa steam (m) : msteam = = 521.753,47 381 kJ / jam 2.114,800 kJ / kg = 246,71528 kg/jam Panas steam masuk : = m x Hv = 246,71528 kg/jam x 2744,8 kJ/kg = 677.184,10011 kJ/jam Panas steam keluar : = m x HL = 246,71528 kg/jam x 630 kJ/kg = 155.430,62630 kJ/jam B-6 Neraca Energi Total HE-101 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar ∆Hin 24.252,09870 ∆Hout ∆Hs in 677.184,10011 ∆Hs out Total 701.436,19881 546.005,57251 155.430,62630 701.436,19881 2. Expander Valve (EV-101) Fungsi : Menurunkan tekanan gas karbon monoksida 20 atm menjadi 5 atm dari tangki penyimpanan Kondisi operasi : Pin = 20 atm Pout = 5 atm Tin = 30 oC = 303,15 K ∆H in ∆H out Gambar. Expander Valve Keterangan : ∆H in = Aliran masuk dari ST-102 ∆H out = Aliran keluar expander valve HE-102 Panas aliran masuk dari ST-102 Tin = 30 oC = 303,15K Tref = 25 oC = 298,15 K B-7 Tabel. Panas aliran masuk dari ST-102 Komponen (kg/jam) (kmol/jam) ∫Cp.dt ∆H (kJ/jam) CO 770,224 27,5080 145,4165 4.000,1161 Total 770,224 27,5080 4.000,1161 Menentukan suhu keluar EV-101 Tabel. Data Komponen EV Komponen kmol Xi Cp(Treff) CO 27,5080 1,0000 8.674,3811 Total 27,5080 1,0000 Data : Cp campuran = 8.674,3811 kJ/kmol.K = 8,3140 kJ/kmol.K2 R k Cp Cp Cv (C p R) = 1,001 = 0,001 P H C p T1 1 2 P1 ( K 1) K 0,5 (Rules of Thumb for Chemical Engineers Third Edition Hal 129) ΔH = 1.745,8405 kJ/kmol P T2 T1 2 P1 ( K 1) K H Cp (Rules of Thumb for Chemical Engineers Third Edition Hal 129) B-8 T2 = 302,94874 K = 29,7987 oC = 30 oC Panas aliran keluar EV-101 Tout = 30 oC = 303,15 K Tref = 25oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran keluar EV-101 Komponen (kg/jam) (kmol/jam) ∫Cp.dt ∆H (kJ/jam) CO 770,224 27,5080 139,5619 3.839,0674 Total 770,224 27,5080 3.839,0674 Untuk menurunkan tekanan dari 20 atm menjadi 5 atm, kerja expander valve menghasilkan panas, sehingga perlu di hitung panas expander valve : ∆Hev = ∆Hin - ∆Hout = 4.000,1161 kJ/jam – 3.839,0674 kJ/jam = 161,0487 kJ/jam Neraca Energi Total EV-102 Tabel. Neraca energi EV-102 Aliran Panas Masuk ∆Hin 4.000,1161 - Total 4.000,1161 Aliran Panas Keluar ∆Hout 3.839,0674 ∆Hev 161,0487 4.000,1161 B-9 3. Mix Point (MP-101) Fungsi : Mencampurkan fresh feed CO dan recyle CO sebelum masuk ke Reaktor Kondisi Operasi :T = 30 oC = 303,15 K P = 5 atm Tref = 25 oC = 298,15 K ∆H out ∆H in MP ∆H rec Gambar. Mixed Point Keterangan : Fin = Aliran masuk dari EV-101 Frec = Aliran masuk recycle dari EV-102 Fout = Aliran keluar dari menuju HE-102 Panas aliran masuk dari EV-101 Tin = 30 oC = 303,15 K Tref = 25oC = 298,15 K B-10 Tabel. Panas aliran masuk dari EV-101 Komponen Kmol Cp.dT ∆H CO 24,756534 145,416 3.600,104487 Total 24,756534 3.600,104487 Panas aliran masuk dari EV-102 Tin = 30 oC = 303,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran masuk dari HE-102 Komponen kmol Cp.dT ∆H CO 2,72329 145,41646 400,01161 Total 2,72329 Panas aliran keluar dari MP-101 Tout = 30 oC = 333,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K 400,01161 B-11 Tabel. Panas aliran keluar dari MP-101 Komponen kmol Cp.dT ∆H CO 27,47983 145,41646 4.000,11610 Total 27,47983 4.000,11610 Neraca Energi Total MP-101 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar ∆Hin 3.600,104487 ∆Hout ∆Hrec 400,01161 - Total 4.000,11610 4.000,11610 4.000,11610 4. Heater (HE-102) Fungsi : Memanaskan CO umpan dari 30 oC menjadi 130 oC Kondisi operasi : Tin = 30 oC = 303,15 K Tout = 130 oC = 403,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K ∆H out ∆Hs in ∆Hs out ∆H in Gambar. Unit Heater (HE-102) Keterangan : ∆H in = Aliran masuk dari EV-101 ∆H out = Aliran keluar HE-102 B-12 Neraca Energi: {(∆Hin + ∆Hs in ) – (∆Hout+ ∆Hs out) + (0) – (0)} = {0} Panas aliran masuk HE-102 Tin = 30 oC = 303,15 K T ref = 25 oC = 298,15 K ) Tabel. Panas aliran masuk HE-102 Komponen Kmol Cp.dT ∆H CO 27,508 139,5618523 3.839,067432 Total 27,508 3.839,067432 Panas aliran keluar HE-102 Tout = 130 oC = 403,15 K T ref = 25 oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran keluar HE-102 Komponen Kmol Cp.dT ∆H CO 27,508 3.070,07585 8.4451,64637 Total 27,508 8.4451,64637 B-13 Menghitung kebutuhan steam ∆H in+ ∆H steam = ∆H out ∆H steam = ∆H out - ∆H in ∆H steam = 8.4451,64637 - 3.839,067432 = 80.612,57894 kJ/jam Oleh karena itu membutuhkan fluida panas yang berfungsi sebagai pemanas, yaitu saturated steam pada steam tabel dengan kondisi kondisi : Temperatur (T) = 149,5 oC Tekanan (P) = 4,696 bar Hl = 630 kJ/kg Hv = 2.744,8 kJ/kg λ steam = Hv - H l = 2.744,8 – 630 = 2.114,800 kJ/kg Menghitung massa steam (m) : msteam = = 80.612,578 94 kJ / jam 2114.800 kJ / kg = 38,118 kg/jam Panas steam masuk : = m x Hv = 38,118 kg/jam x 2.744,8 kJ/kg = 104.627,10737 kJ/jam Panas steam keluar : = m x HL B-14 = 38,118 kg/jam x 630 kJ/kg = 24.014,52843 kJ/jam Neraca Energi Total HE-102 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar ∆Hin 3.839,067432 ∆Hout 8.4451,64637 ∆Hs in 104.627,10737 ∆Hs out 24.014,52843 Total 108.466,17480 108.466,17480 5. Reaktor (RE-201) Fungsi : Tempat terjadinya reaksi pembentukan Asetat Anhidrid 7 Qout Qpendingin in PC R-201 V-37 Qpendingin out Qin Gambar. Reaktor (RE-201) Kondisi operasi : Temperatur = 130 oC Tekanan = 5 atm Dalam menghitung neraca energi di reaktor digunakan langkah perhitungan seperti pada gambar berikut : B-15 ΔHtotal T in T out ΔHproduk ΔHumpan ΔHR 298 Menghitung panas masuk Reaktor (RE-201) Panas aliran masuk Metil Asetat T = 130 oC = 403,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran masuk dari HE-101 Komponen m (kg) n (kmol) ∫Cp dT (kJ/Kmol) Htf (kJ) Metil Asetat 2.035,59200 27,50800 -16.229,12048 -446.430,64627 H2O 226,17680 12,56538 -7.924,54696 -99.574,92624 Total 2.261,77 40,07338 -24.153,66744 -546.005,57251 Panas aliran masuk CO T = 130 oC = 403,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran masuk dari HE-102 Komponen m (kg) n (kmol) ∫Cp dT (kJ/Kmol) Htf (kJ) CO 770,22400 27,50800 -3.070,07585 -84.451,64637 Total 770,22400 27,50800 -3.070,07585 -84.451,64637 Sehingga panas aliran keluar totalnya adalah 630.457,2189 Kj/jam B-16 Panas aliran produk keluar dari RE-201 T = 130 oC = 403,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran produk keluar dari RE-201 Komponen (kg/jam) (kmol/jam) ∫Cp.dt ∆Hout (kJ/jam) Asetat Anhidrid 2.525,2530 24,7574 21.259,6194 526.332,5255 Metil Asetat 203,5592 2,7508 16.229,1205 44.643,0646 H2O 226,1769 12,5654 7.924,5470 99.574,9262 CO 77,0224 2,7508 3.070,0758 8.445,1646 Total 3.032,0115 42,8244 48.483,3627 678.995,6810 Menghitung Panas Reaksi Reaksi : CH3C(=O)OCH3(l) + CO(g) CH3C(=O)O(O=)CCH3(l) a. Menghitung entalpi pada keadaan standar (∆HoR 298 K) Data ∆H⁰f masing-masing komponen pada keadaan standar (298,15 K) Tabel. Entalpi standar masing-masing komponen Komponen ∆HF (kJ/kmol) Asetat Anhidrid -575.720 Metil Asetat -419.7300 CO -110.500 Panas pembentukan standar masing-masing komponen pada suhu 298,15 K ΔHf298o = ΔHF produk - ΔHF reaktan ΔHf 298o = -32.895 kJ/kmol Karena bernilai negatif sehingga reaksi bersifat eksotermis B-17 b. Menghitung entalpi pada kondisi operasi (∆HR) Perubahan entalphi reaktan dari 298,15 K ke 403,15 K dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut T2 ΔH R ΔHR CPi dT T1 403,15 ΔHR (403,15K) ΔHR (298,15K) C dT 298,15 Pi dengan 403,15 Cp dT : 298.15 A BT CT T2 2 T1 A(T2 T1 ) DT 3 CT 4 dT B 2 C 3 D 4 E 5 (T2 T12 ) (T2 T13 ) (T2 T14 ) (T2 T15 ) 2 3 4 5 Sehingga 403,15 Cp dT A(T 2 T1 ) 298,15 B 2 2 C 3 3 D 4 4 E 5 5 (T2 T1 ) (T2 T1 ) (T2 T1 ) (T2 T1 ) 2 3 4 5 = 1.960,423 kJ/kmol Sehingga entalpi pada keadaan operasi adalah 403,15 ΔHR (403,15K) ΔHR (298,15K) C dT 298,15 Pi = -32.895 kJ/kmol + 1.960,423 kJ/kmol = -30.934,577 kJ/kmol c. Menghitung panas reaksi Jumlah Metil Asetat mula-mula (FA0) = 27,508 kmol C3H6O2/jam Konversi = 90 % = 0,9 Maka, panas reaksi Qreaksi = ΔHR (403,15 K) . FAo . X = -30.934,577 x 27,508 x 0,90 = -765.853,5097 kJ/jam B-18 d. Menghitung panas dan massa air pendingin Neraca Energi: Qin – Qout + Qgen – Qkon = Qacc {(Q20 +QCW in ) – (Q21+ QCW out) - (0) +Qgen} = {0} Qin – Qout + Qgen Q cw = = 630.457,2189 – 678.995,6810 + 765.853,5097 = 717.315,0476 kJ/jam Cooling water (cw) yang digunakan pada pabrik Asetat Anhidrid masuk ke cooler pada temperatur 30oC dan keluar pada temperatur 45oC, Dari data kapasitas panas (Cp) air diperoleh : (Geankoplis, C,J,, 1997) Cp air pada 30oC = 4,1915 kJ/kg,K, dan Cp air pada 45oC = 4,2020 kJ/kg,K H = Cp T Sehingga: H = H (45oC) – H (30oC) = (4,2020 (318 – 298)) – (4,1915 (303 – 298)) = 63,0825 kJ/kg Maka kebutuhan air pendingin : F cw = Q cw H B-19 = 717.315,04 76 kJ/jam 63,0825 kJ/kg = 11.371,0625 kg/jam Q cw masuk = F cw H (30oC) = 11.371,0625 kg/jam 4,1915 kJ/kg = 238.309,0425 kJ/jam Q cw keluar = F cw H (45oC) = 11.371,0625 kg/jam x 4,2020 kJ/kg = 955.624,0925 kJ/jam Tabel. Neraca panas Reaktor (RE-201) Komponen Panas Masuk (kJ/jam) ΔHin Asetat Anhidrid Metil Asetat Water CO Air Pendingin Total Panas Generasi (kJ/jam) ΔHreaksi Panas Keluar Panas (kJ/jam) Konsumsi (kJ/jam) ΔHout 0,0000 526.332,5255 446.430,64627 44.643,0646 0,0000 0,0000 238.309,0425 955.624,0925 868.766,2614 765.853,5097 1.634.619,771 1.634.619,773 0,0000 1.634.619,771 0,0000 0,0000 99.574,92624 84.451,64637 765.853,5097 Panas Akumulasi (kJ/jam) 99.574,9262 8.445,1646 B-20 6. Cooler (CO-201) Fungsi : Mendinginkan campuran keluaran Reaktor dari 130 oC menjadi 30 oC untuk menuju ke Separator Kondisi operasi : Pin : 5 atm Tin : 130 oC = 403,15 K Tout : 30 oC = 303,15 K ∆H out ∆H cw in ∆H cwout ∆H in Gambar. Cooler (CO-201) Keterangan : ∆Hin : Panas aliran masuk dari RE-201 ∆Hout : Panas aliran keluar dari CO-201 Neraca Energi: {(∆Hin+ ∆Hcwin) – (∆Hout + ∆Hcwout) + (0) – (0)} = {0} Panas aliran masuk dari RE-201 T = 130 oC = 403,15 K T ref = 25 oC = 298,15 K B-21 Tabel. Panas aliran masuk dari RE-201 Komponen n (kmol) ∫Cp dT (kJ/kmol) ∆Hin (kJ) Asetat Anhidrid 24,75738235 21.259,61937 526.332,52545 Metil Asetat 2,7508 16.229,12048 44.643,06463 H2O 12,56537778 7.924,54696 99.574,92624 CO 2,7508 3.070,07585 8.445,16464 Total 42,8244 678.995,68096 Panas aliran keluar dari CO-201 T = 30 oC = 303,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran keluar dari CO-201 Komponen n (kmol) ∫Cp dT (kJ/kmol) ∆Hout (kJ) Asetat Anhidrid 24,75738235 951,23225 23.550,02063 Metil Asetat 2,7508 709,20604 1.950,88397 H2O 12,56537778 377,48638 4.743,25899 CO 2,7508 145,41646 400,01161 Total 42,8244 30.644,17520 Menghitung kebutuhan cooling water ∆H in = ∆H out, dimana : ∆H out = ∆H liquid keluar + ∆H cooling water ∆H in = ∆H liquid keluar + ∆H cooling water ∆H cooling water = ∆Hin - ∆H liquid keluar ∆H cooling water (∆Hcw) = 678.995,68096 - 30.644,17520 = 648.351,5058 kJ/jam B-22 Untuk menyerap panas tersebut maka dibutuhkan cooling water dengan kondisi : T in = 30 oC (303,15 K) T out = 45 oC (318,15 K) maka Cp H2O dT = 1.129,7051 kJ/kmol m cooling water = = 648.351,50 58 kJ/jam 1.129,7051 kJ/kmol = 573,5411 kmol/jam = 10.323,7399 kg/jam Neraca Energi Total CO-201 Tabel. Neraca Energi CO-201 Aliran Panas Masuk Aliran Panas Keluar ∆Hin 678.995,68096 ∆Hout 30.644,17520 ∆H cwin 210.013,3082 ∆H cwout 857.945,5938 Total 889.008,9892 889.008,9892 7. Expander Valve (EV-102) Fungsi : Menurunkan tekanan produk keluran reaktor dari 5 atm menjadi 1 atm Kondisi operasi : Pin = 5 atm Pout = 1 atm Tin = 30 oC = 303,15 K ∆H in ∆H out Gambar. Expander Valve B-23 Keterangan : ∆H in = Aliran masuk dari EV-102 ∆H out = Aliran keluar dari EV-103 Panas aliran masuk dari EV-102 Tin = 30 oC = 303,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K Tabel. Panas aliran masuk dari EV-102 Komponen (kmol/jam) ∫Cp.dt ∆H (kJ/jam) Asetat Anhidrid 24,7574 951,2323 1.950,8840 Metil Asetat 2,7508 709,2060 4.743,2590 Air 12,5654 377,4864 23.550,0206 Total 40,0736 215.722,4935 Menentukan suhu keluar EV-102 Tabel. Data Komponen EV-102 Komponen kmol Xi Cp 298 (J/mol) Cp Campuran Asetat Anhidrid 24,7574 0,6178 44.096,8340 27.242,9546 Metil Asetat 2,7508 0,0686 34.151,5562 2.344,2914 Air 12,5654 0,3136 24.861,7583 7.795,5985 Total 40,0736 1,0000 Data : Cp campuran = 37.382,8445 kJ/kmol.K R = 8,3140 kJ/kmol.K2 37.382,8445 B-24 k Cp Cp Cv (C p R) = 1,0002 = 0,0002 ( K 1) K P 2 0,5 H C p T1 1 P1 (Rules of Thumb for Chemical Engineers Third Edition Hal 129) ΔH = 2.027,8419 kJ/kmol P T2 T1 2 P1 ( K 1) K H Cp (Rules of Thumb for Chemical Engineers Third Edition Hal 129) T2 = 303,09575 K = 29,9458 oC ≈ 30 oC Panas aliran keluar EV-102 Tout = 30 oC = 303,15 K Tref = 25 oC = 298,15 K B-25 Tabel. Panas aliran keluar EV-102 Komponen n (kmol) ∫Cp dT (kJ/kmol) ∆Hout (kJ) Asetat Anhidrid 24,7574 940,8851 23.293,8532 Metil Asetat 2,7508 701,4846 1.929,6439 Air 12,5654 373,3939 4.691,8352 Total 40,0736 29.915,3323 Untuk menurunkan tekanan dari 5 atm menjadi 1 atm, kerja expander valve menghasilkan panas, sehingga perlu di hitung panas expander valve : ∆Hev = ∆Hin - ∆Hout = 30.244,1636 kJ/jam – 29.915,3323 kJ/jam = 328,8313 kJ/jam Neraca Energi Total EV-102 Tabel. Neraca energi EV-102 Aliran Panas Masuk ∆Hin Total Aliran Panas Keluar 30.244,1636 ∆Hout 29.915,3323 - ∆Hev 328,8313 30.244,1636 30.244,1636