dimetil eter kapasitas 50000 ton/tahun

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun

REAKTOR (R-01)

Tugas

: Mereaksikan 10929,03 kg/jam methanol menjadi 6293,34 kg/jam
dimethyl ether dengan bantuan katalis silika alumina

Jenis

:

Reaktor Katalitik Fixed Bed

Menurut studi dari Heide Ambruster berjudul “Methanol (MeOH) /
Dimethyl ether (DME) as an Alternative Fuel for Diesel Engines” yang diperoleh
dari www.che.cemr.wvu.edu yang juga mengutip dari jurnal dengan judul
“Catalytic Dehydration of methanol to Dimethyl ether. Kinetic Investigation and
Reactor Simulation” oleh G. Bercic et al., yang dimuat dalam majalah Industrial
and Engineering Chemistry, vol. 32, 1993, dan juga didapat dari situs

http://www.patentstorm.us/patents/5750799/fulltext.html yaitu tentang US Patent
nomor 5750799 – “Dimethyl ether production and recovery from methanol”
diketahui bahwa kondisi operasi pembuatan dimethyl ether dari methanol adalah:

Fasa

: Gas

Tekanan

: di atas 14 atm

Suhu

: di atas 250oC

Katalis

: Silika-Alumina (SiO2.Al2O3.MgO)

Diameter katalis : 3 mm (Amorf-spherical)
Suhu deaktivasi

: 400oC

Kondisi reaksi

: Eksotermis

URAIAN PROSES
Dimethyl ether dapat diperoleh dengan reaksi dehidrasi methanol
melewati katalis alumina amorf yang di-coating dengan 10,2 % silika. Reaksi
yang terjadi adalah reaksi reversible dan reaktan masuk reaktor pada fase gas.
Reaksi dehidrasi methanol menjadi dimethyl ether merupakan reaksi eksotermis
dengan ∆Hr (25oC) = -11.770 kJ/kmol (jurnal” Production of Dimethyl Ether”)
sehingga suhu keluar reaktor lebih tinggi dari 250oC.

68
Arian Reza Suwondo
Riszki Maretha

04/177287/TK/29938
04/181178/TK/30166

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun

Reaktor dijalankan pada kondisi adiabatis karena panas reaksi yang
tidak terlalu besar, sehingga tidak memerlukan media pendingin. Reaksi dibatasi
oleh konversi kesetimbangan dan diinginkan konversi methanol menjadi dimethyl
ether sebesar 80%. Didasari oleh katalis dan kinetika reaksi maka reaktor harus
dioperasikan pada tekanan di atas 14 atm.
Tidak ada reaksi samping yang signifikan pada suhu di bawah 400oC,
sedangkan pada suhu di atas 400oC akan terjadi deaktivasi katalis sehingga reaktor
dirancang agar tidak terjadi suhu yang melebihi 400oC di bagian manapun dari
reaktor. Desain reaktor menggunakan single bed catalytic packed bed reactor
dengan katalis amorphous alumina yang di-coating dengan 10,2 % silika. Kondisi
eksotermis suhu keluar reaktor 346,79oC (cukup jauh dari angka batas 400oC yang
dapat mendeaktifasi katalis dan konversi sebesar 80% serta konsentrasi reaktan
yang rendah di bagian ujung reaktor mencegah kemungkinan terjadinya run away.

REAKSI KIMIA
Reaksi kimia yang terjadi pada dehidrasi methanol menjadi dimethyl
ether adalah sebagai berikut :
2 CH3OH
methanol

↔

CH3-O-CH3 + H2O

. . . . . . . . . . . . . (1)

dimethylether

Konversi pembentukan dimethyl ether mencapai 95% pada kesetimbangan.

Persamaan kecepatan reaksi didapat dari data jurnal, pada suhu reaksi di atas
250oC maka oleh Bondiera dan Naccache dinyatakan sebagai berikut:
⎛ − Ea ⎞
− rmethanol = k 0 exp⎜

⎟ Pmethanol
⎝ RT ⎠

. . . . . . . . . . . . . . . . . . (2)

dimana :
-r methanol

= kecepatan reaksi pengurangan methanol

k0

= faktor tumbukan = 1,21x106 kmol/m3 reaktor.jam.kPa

Ea

= energi aktivasi = 80,48 kJ/mol

Pmethanol = tekanan parsial methanol (kPa)
R

= 8,3144 J/mol.K

T

= suhu (K)
69

Arian Reza Suwondo
Riszki Maretha

04/177287/TK/29938
04/181178/TK/30166

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun

Sedangkan konstanta kecepatan reaksi (k1) adalah :
⎛ − Ea ⎞
k1 = k 0 exp⎜
⎟

⎝ RT ⎠

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3)

sehingga nilai konstanta kecepatan reaksi (k1) adalah sebagai berikut:

⎛
⎞
⎜ − 80480 j
⎟
mol ⎟ kmol
k1 = 1,21x10 6. exp⎜
m 3 reaktor. jam.kPa
⎞⎟T ⎟
⎜ ⎛⎜ 8,3144 j
⎜
⎟
mol.K ⎠ ⎠
⎝⎝
⎛ − 9679,59 ⎞ kmol

. . . . . . (4)
k1 = 1,21x10 6. exp⎜
⎟
m 3 reaktor. jam.kPa
T
⎠
⎝

Maka persamaan kecepatan reaksi menjadi :
⎛ − 9679,59 ⎞
. . . (5)
− rmethanol = 1,21x10 6. exp⎜
⎟ Pmethanol kmol 3
m reaktor. jam
T
⎝
⎠

KESETIMBANGAN

Konstanta kesetimbangan reaksi diperoleh dari persamaan :
⎛ − ΔG ⎞
Kp = exp⎜
⎟
⎝ RT ⎠

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (6)
(Smith and Van Ness,1959)

dengan nilai -∆G diperoleh dari persamaan :
⎛ − ΔG ⎞ ⎛ − ΔH
⎟=⎜
⎜
⎝ RT ⎠ ⎝ RT

⎞ ΔS
⎟+
⎠ R

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (7)

(Smith and Van Ness,1959)

70
Arian Reza Suwondo
Riszki Maretha

04/177287/TK/29938
04/181178/TK/30166

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun

Persamaan (7) dan (8):
⎡⎛ − ΔH ⎞ ΔS ⎤
Kp = exp ⎢⎜
⎟+
⎥
⎣⎝ RT ⎠ R ⎦
⎡A
⎤
Kp = exp ⎢ + B ⎥

⎣T
⎦

dimana :

A=

− ΔH
R

B=

ΔS
R

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (8)

dengan ∆S = perubahan entropi reaksi
Dari data jurnal diketahui nilai konstanta kesetimbangan (Kp) untuk masingmasing suhu pada kisaran reaksi, yaitu:
Tabel 1. Nilai Kp pada Reaksi Dehidrasi Metanol menjadi Dimetil Eter
T (oC)

T (K)

Kp

200

473

34,1

300

573

12,4

400

673

6,21

Dengan menyelesaikan tiga data di atas sebagai hubungan linier antara 1/T (1/K)
terhadap ln(Kp) maka akan diperoleh konstanta-konstanta persamaan Kp sebagai
fungsi suhu.
Mencari Harga Kp = f (T )

Linierisasi persamaan (9) :
⎡A
⎤
Kp = exp ⎢ + B ⎥
⎣T
⎦

ln (Kp ) =

A
+B
T

y = A.x + B

dimana :

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (9)
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (10)

y = ln(Kp )
x=

1
T

71
Arian Reza Suwondo
Riszki Maretha

04/177287/TK/29938
04/181178/TK/30166

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun

Konstanta Kesetimbangan
4.0
3.5

y = 2712.8816x - 2.2093

ln Kp

3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
0

0.0005

0.001

0.0015

0.002

0.0025

0.003

1/T (1/K)

Gambar 1. Hubungan antara ln (Kp) versus 1/T

Dari plot hubungan antara ln Kp versus 1/T dapat diperoleh nilai konstanta A dan
B sehingga diperoleh persamaan Kp = f (T ) sebagai berikut :
⎡ 2712,8816
⎤
Kp = exp ⎢
− 2,2093⎥
T
⎣
⎦

. . . . . . . . . . . . . . . . (11)

Kinetika Reaksi

Laju reaksi dehidrasi methanol menjadi dimethyl ether dan air :
CH 3OH
A

k1
k2
k1
k2

1
1
CH 3 − O − CH 3 + H 2 O
2
2
1
1
B+ C
2
2

Karena reaksi bolak-balik maka laju reaksi dikoreksi menjadi :

(− rA ) = k1 PA − k 2 PB 0,5 PC 0,5
Kp =

⎞
⎛ kmol
⎟ . . . . . . . . (12)
⎜
.
jam
kg
katalis
⎠
⎝

k1
k2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (13)

Masukkan persamaan (14) ke dalam persamaan (13), maka diperoleh :

(− rA ) = k1 PA − ⎛⎜⎜ k1

⎞ 0, 5 0, 5
⎟⎟ PB PC
⎝ Kp ⎠

⎞
⎛ kmol
. . . . . . (14)
⎜
jam.kg katalis ⎟⎠
⎝

72
Arian Reza Suwondo
Riszki Maretha

04/177287/TK/29938
04/181178/TK/30166

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun

Stoikiometri

Untuk menentukan tekanan parsial gas di sepanjang reaktor maka perlu dihitung
terlebih dahulu stoikiometri reaksinya.

1
1
CH 3 − O − CH 3 + H 2 O
2
2

Reaksi :

CH 3OH ↔

Penyederhanaan :

A

Mula-mula

:

FA0

FB0

FC0

Reaksi

:

FA0.XA

0,5 FA0.XA

0,5 FA0.XA

Sisa

:

FA0(1-XA)

FB0 + 0,5 FA0.XA FC0 + 0,5 FA0.XA

Mol total

: FT = FA + FB + FC

1
B
2

↔

+

1
C
2

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (15)

FT = [FA0 (1 − X A )] + [FB 0 + 0,5FA0 X A ]+ [FC 0 + 0,5FA0 X A ]
FT = FA0 + FB 0 + FC 0

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (16)

Kemudian dikalkulasi fraksi mol gas di sepanjang reaktor :
yi =

Fi
FT

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (17)

Dengan yi = fraksi mol komponen i
Fi = mol flowrate komponen i (kmol/jam)
FT = mol flowrate total (kmol/jam)

Jadi, tekanan parsial komponen i di sepanjang reaktor adalah :
Pi = y i .PT

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (18)

Dengan Pi = tekanan parsial komponen i (kPa)
yi = fraksi mol komponen i
PT = tekanan total sistem (kPa)

73
Arian Reza Suwondo
Riszki Maretha

04/177287/TK/29938
04/181178/TK/30166

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun

NERACA MASSA

Perhitungan neraca massa dipakai untuk mencari konversi di sepanjang reaktor.
Adapun asumsi-asumsi yang diambil :
1. Aliran plug flow, dimana tidak terjadi gradien konsentrasi ke arah radial
2. Dispersi aksial diabaikan
3. steady state

Pemodelan neraca massa dilakukan pada pipa berisi tumpukan katalisator pada
elemen volum sebesar A.∆z.

D

FA - ∆FA
XA + ∆XA

FA
XA
∆z

Neraca Massa Komponen A (Metanol Fase Gas) pada Elemen Volum A.∆z :

(rate of input) – (rate of output + rate of reaction) = (rate of accumulation)
F A| Z −[F A| Z + ΔZ +(− rA ')A.ρ B .Δz ] = 0
Lim

[F A| Z + ΔZ

Δz →0

− F A| Z ]
= − A.ρ B .(− rA ')
Δz

dF A
= − A.ρ B .(− rA ') , karena ρ B .(− rA ') = (− rA ) , maka :
dz
− F A0

dXa
= − A(− rA )
dz

dX A (− rA )A
=
dz
F A0

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (19)

atau
dX A (− rA )πD 2
=
dz
4 FA 0

Dengan : Fa0

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (20)

= Kecepatan aliran masuk komponen A (kmol/jam)

A

= Luas penampang reaktor alir pipa (m2)

ρB

= densitas bulk katalis dalam reaktor (kg/m3)
74

Arian Reza Suwondo
Riszki Maretha

04/177287/TK/29938
04/181178/TK/30166

Prarancangan Pabrik Dimethyl Ether dari Methanol dengan Kapasitas 50.000 ton/tahun

Penentuan Porositas dan Densitas Bulk Partikel Katalis

Fraksi ruang kosong dalam bed diberikan oleh persamaan berikut :
2
⎤
⎡ ⎛D
⎞
⎢ ⎜⎝ dp − 2 ⎟⎠ ⎥
ε = 0,38 + 0,073⎢1 +
⎥
2
⎢
⎛⎜ D ⎞⎟ ⎥
⎢⎣
⎝ dp ⎠ ⎥⎦

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . (21)

(Froment and Bischoff, 1990)
Dengan : ε

= Void fraction / porositas katalis dalam bed

D = Diameter bed (m)
dp = Diameter katalis (m)

Densitas bulk partikel katalis ditentukan dari neraca massa bed :

Bed
Partikel Katalis

Ruang Kosong

Massa bed = massa fluida + massa padatan

ρ B .Vbed = ρ f .V f + ρ P .VP

. . . . . . . . . . . . . . . . . . (22)

Karena fluida dalam kasus ini adalah gas ( ρ f .V f