Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Pupuk Amonium Sulfat Dari Gypsum Sintetik Hasil Pengolahan Unit Flue Gas Desulfurization Pltu Dengan Kapasitas Produksi 40.000 Ton / Tahun

  

LAMPIRAN A

PERHITUNGAN NERACA MASSA

  Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Pupuk Amonium Sulfat dari Gypsum Sintetik Hasil Pengolahan Unit Flue Gas Desulfurization PLTU kapasitas produksi sebesar 40.000 ton/tahun, dengan ketentuan sebagai berikut: 1 tahun operasi = 330 hari kerja

  1 hari kerja = 24 jam Basis = 1 jam operasi

  Maka kapasitas Amonium sulfat dalam bentuk kristal adalah:

  ton

  1 tahun 1 hari Kapasitas produksi = 40 . 000 x x

  tahun hari jam

  330

  24 = 5,0505051 ton/jam = 5050,505 kg/jam

  Kemurnian produk ((NH ) SO ) = 99 %

  4

  2

4 Air = 1 %

  Amonium sulfat ((NH ) SO ) = 99 % × 5050,505 kg/jam

  4

  2

  4

  = 5000 kg/jam Komposisi bahan baku :

  ) : 99,5 %  Amonia (NH

  3

   Karbon dioksida (CO ) : 99,9 %

  2 SO ) : 98 %

   Asam Sulfat (H

  2

  4 Berat Molekul masing-masing senyawa

  .2H O : 172 kg/kmol  CaSO

  4

  2

   NH : 17 kg/kmol

  3

  : 44 kg/kmol  CO

  2

  ) SO : 132 kg/kmol  (NH

  4

  2

  4

  : 100 kg/kmol  CaCO

  3

  ) CO : 96 kg/kmol  (NH

  4

  2

  3

   H O : 18 kg/kmol

2 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN

  NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  SO : 98 kg/kmol  H

  2

4 A.1 Neraca Massa Absorber (AB-101)

  17 NH ³ CO ₂

  15 H ^{2 O}

  19 H ^{2 O} (NH ) CO _{4 2 3}

  12 NH ₃

  14 CO ²

  18 H ^{2 O} (NH ^{4 ) 2 CO 3} Fungsi : mereaksikan NH , CO , dan H O menjadi (NH ) CO sebagai umpan

  3

  2

  2

  4

  2

  3

  reaktor Adapun umpan masuk dalam absorber berupa amonia (NH ), karbon dioksida (CO ),

  3

  2

  dan air (H O). Untuk menghasilkan 1 ton amonium sulfat dibutuhkan 292 kg amonia

  2 dan 374 kg karbon dioksida (Chou, 1995).

  Neraca Massa Total F + F + F + F = F + F

  12

  14

  15

  19

  17

18 Perhitungan :

  Umpan masuk Absorber : o Reaktan 1 (Alur 12), terdiri dari 100 % ammonia

  Umpan masuk Amonia = 1314,106 kg/jam

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA o Reaktan 2 (Alur 14), terdiri dari 100% karbon dioksida

  Umpan masuk CO = 1683,136 kg/jam

2 Reaksi :

  2NH + CO + H O ) CO

  3

  2 2 ↔ (NH

  

4

  

2

  3 Konversi reaksi = 98 % (Chou, 1995)

  a. Neraca Komponen CO

  2 CO yang masuk = 1683,136 kg/jam = 38,253 kmol/jam

  2 CO yang bereaksi = 98% × CO yang masuk

  2

  

2

  = 98% × 38,253 kmol/jam = 37,488 kmol/jam = 1649,473 kg/jam

  CO sisa = 1683,136

  2 – 1649,473 kg/jam

  = 33,663 kg/jam Neraca Komponen NH

  3 NH yang masuk = 1314,106 kg/jam = 77,300 kmol/jam

  3 NH yang bereaksi = 2 × mol CO yang bereaksi

  3

  2

  = 2 × 37,488 kmol/jam = 74,976 kmol/jam = 1274,593 kg/jam

  Amonia sisa = 1314,106

• – 1274,593 = 39,513 kg/jam

  b. Neraca Komponen H O

2 Pada absorber ditambah fresh water dalam jumlah besar karena produk yang

  diharapkan berupa amonium karbonat encer sebagai umpan absorber, untuk 170

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  )

  2 O yang bereaksi = 1 x mol CO

  4

  c. Neraca Komponen (NH

  2 O sisa = 7873,375

  H

  yang bereaksi = 37,488 kmol/jam = 674,784 kg/jam

  2

  H

  3

  = 7730,035 kg/jam + 143,340 kg/jam = 7873,375 kg/jam = 437,410 kmol/jam

  2 O arus 12

  2 O arus 15 + H

  2 O yang masuk = H

  diperlukan 1000 kg air (Gowariker, 2009). Fresh water yang ditambahkan (alur 15) sebesar 7730,035 kg/jam H

  3

  kg NH

• – 674,784 kg/jam = 7198,590 kg/jam

2 CO

  (NH

  3

  1683,136 33,663

  2

  1314,106 39,513 CO

  3

  18 NH

  17 F

  19 F

  15 F

  14 F

  12 F

  F

  Tabel A.1 Neraca massa absorber Komponen Input (kg/jam) Output (kg/jam)

  keluar absorber = 156,317 + 3598,850 kg/jam = 3755,168 kg/jam

  2 CO

  4

  )

  4

  (NH

  hasil reaksi = 37,488 kmol/jam = 3598,850 kg/jam

  3

  2 CO

  )

  4

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  yang masuk (alur 19) diperoleh dari hasil iterasi sebanyak 156,317 kg/jam .

  3

  2 CO

  )

  (NH H O 7730,035 143,340 7198,590

  2

  (NH ) CO 156,317 3755,168

  4

  2

3 Jumlah 1314,106 1683,136 7730,035 299,657 73,176 10953,758

  Jumlah total 11026,934 11026,934 A.2 Neraca Massa Mixer (M-101)

  13 H ^{2 O}

  1 CaSO ^{4 .2H 2 O} _M-101

  16 CaSO ^{4 .2H 2 O} H ^{2 O}

  Fungsi : mencampur bahan baku gypsum FGD dan air sebelum diumpankan ke reaktor.

  Neraca Massa Total F + F = F

  1

  13

16 Perhitungan :

  Gypsum FGD yang diperlukan untuk menghasilkan 1 ton amonium sulfat adalah 1325 kg (Chou, 1995), sehingga untuk menghasilkan kapasitas yang diinginkan diperlukan Gypsum FGD sebanyak 4472,236 kg/jam = 26,001 kmol/jam. Perbandingan mol antara CaSO .2H O dan H O dalam campuran umpan sebanyak

  4

  2

  2

  3:1 maka: Air yang ditambahkan = 3 × 34,668 kmol/jam × 18 kg/kmol

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  = 1872,099 kg/jam Tabel A.2 Neraca massa mixer

  Input (kg/jam ) Output (kg/jam ) Komponen

  F F F

  1

  13

  16 CaSO .2H O 5962,981 5962,981

  4

2 H O

  1872,099 1872,099

2 Jumlah 5962,981 1872,099 7835,080

  

Jumlah Total 7835,080 7835,080

A.3 Neraca Massa Reaktor

  16 CaSO ^{4 .2H 2 O} (R-201)

  H ^{2 O}

  22

  

18 CO

² (NH ^{4 ) 2 CO 3} ₂ NH ³ H O

  23 CaSO ^{4 .2H} ₂ ^{2 O} H O (NH ^{4 ) 2 CO 3} R-201 _{4 2 4} (NH ) SO

  CaCO ³ NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA Fungsi : Mereaksikan Amonium karbonat dari absorber dengan Gypsum FGD untuk menghasilkan produk amonium sulfat.

  Neraca Massa Total F + F = F + F

  16

  18

  22

23 Reaksi utama :

  (NH ) CO + CaSO

  2H O ) SO + CaCO + 2H O

  4

  2

  3 4. 2 → (NH

  4

  2

  4

  3

  2 Reaksi samping :

  (NH ) CO + CO + H O

  4

  2 3 ↔ 2NH

  3

  2

2 Konversi reaksi overall = 83 % ( Chou, 1995 )

  Selektifitas = 97 % Perhitungan: Amonium karbonat ((NH ) CO ) yang masuk dari unit absorber 3755,168 kg/jam =

  4

  2

  3

  39,116 kmol/jam. Gypsum FGD (CaSO .2H O) yang masuk dari unit mixer

  4

  2

  5962,981 kg/jam = 34,668 kmol/jam. CaSO .2H O yang bereaksi 34,668 kmol/jam

  4

  2

  × 83% × 97 % = 27,912 kmol/jam. Sehingga diperoleh (NH ) SO yang terbentuk

  4

  2

  4

  sebanyak 27,912 kmol/jam, CaCO yang terbentuk sebanyak 27,912 kmol/jam, dan

  3 H O yang terbentuk sebanyak 2 x 27,912 = 55,823 kmol/jam.

  2 Massa (NH ) SO yang terbentuk = 27,912 kmol/jam × 132 kg/kmol

  4

  2

  4

  = 3684,332 kg/jam Massa CaCO yang terbentuk = 27,912 kmol/jam × 100 kg/kmol

  3

  = 2791,160 kg/jam Massa H O yang terbentuk = 55,823 kmol/jam × 18 kg/kmol

  2

  = 1004,818 kg/jam Reaksi samping :

  (NH ) CO

  2NH + CO + H O

  4

  2 3 ↔

  3

  2

  2 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  (NH ) CO yang terdekomposisi sebanyak 34,668 × 83% × 3% = 0,863 kmol/jam.

  4

  2

  3 Dengan asumsi reaksi berjalan sempurna, maka NH yang terbentuk sebanyak 2 ×

  3

  0,863 = 1,726 kmol/jam, CO yang terbentuk sebanyak 0,863 kmol/jam, dan H O

  2 2 yang terbentuk sebanyak 0,863 kmol/jam.

  Massa NH yang terbentuk = 1,726 kmol/jam × 17 kg/kmol

  3

  = 29,350 kg/jam Massa CO yang terbentuk = 0,863 kmol/jam × 44 kg/kmol

  2

  = 37,983 kg/jam Massa H O yang terbentuk = 0,863 kmol/jam × 18 kg/kmol

  2

  = 15,538 kg/jam Jumlah total air keluar (alur 16) = 7198,590 + 1872,099 + 1004,818 + 15,538

  = 10091,045 kg/jam Tabel A.3 Neraca Massa reaktor

  Komponen Input (kg/jam ) Output (kg/jam ) F F F F

  16

  18

  22

  23

  (NH ) CO 3755,168 992,782

  4

  2

  3 CaSO .2H O 5962,981 1162,185

  4

  2 H O 1872,099 10091,045

  2

  (NH ) SO 7189,590 3684,332

  4

  2

  4 CaCO

  2791,160

  3 NH

  29,350

  3 CO

  37,983

  2 Jumlah 10953,758 7835,758 67,333 18721,504 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  Jumlah Total 18788,838 18788,838 A.4 Neraca Massa Filter (FL-201)

24 H

  ^{2 O}

  25 CaSO ^{4 .2H 2 O} H ^{2 O} (NH ^{4 ) 2 CO 3} (NH ) SO _{4 2 4}

  23 CaCO ³ CaSO .2H O _{4 2} H ^{2 O}

  27 (NH ^{4 ) 2 CO 3} H ^{2 O} (NH ^{4 ) 2 SO 4} (NH ) CO _{4 2 3} CaCO ³ (NH ^{4 ) 2 SO 4} Fungsi : Memisahkan CaCO dan gypsum yang tidak bereaksi dari larutan

  3

  amonium sulfat Neraca Massa Total F + F = F + F

  23

  24

  25

27 Dalam hal ini diasumsikan jumlah air pencuci untuk proses filtrasi sebanyak 20%

  dari jumlah massa total arus 20. Amonium sulfat yang terikut dalam cake sebanyak 0,6 % dari amonium sulfat yang masuk filter, amonium karbonat yang terikut cake sebanyak 2%, dan air yang terikut cake 5%.

  Tabel A.4 Neraca massa filter Input (kg/jam) Output (kg/jam)

  Komponen F F F F

  23 24 25 (Cake) 27 (Filtrat)

  (NH ) CO 992,782 19,856 972,927

  4

  2

3 CaSO .2H O 1162,185 1162,185

  4

  2 H O 10091,045 3744,301 691,767 13143,579

  2 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  (NH ) SO 3684,332 22,106 3662,226

  4

  2

  4 CaCO 2791,160 2791,160

  3 Jumlah 18721,504 3744,301 4687,074 17778,731 Jumlah Total 22465,805 22465,805 A.5 Neraca Massa Tanki Netralisasi (R-202) _{(NH (NH ) SO H 27 4 4 ) 2 O 2 CO 2 4 3 CO}

  26 _{2 H H 2 SO 4 2 O 4 R-202 (NH H 4 )}

  28 _{2 O 2 SO 4} Fungsi : meningkatkan konversi amonium sulfat dengan mereaksikan ammonium carbonat yang ada dengan asam sulfat

  Neraca Massa Total F + F = F + F

  4

  27

  26

28 Reaksi :

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  H SO + (NH ) CO ) SO + CO + H O

  2

  4

  4

  2 3 → (NH

  4

  

2

  4

  2

  2 Dari perhitungan neraca massa di filter diperoleh:

  Amonium karbonat mula-mula = 972,927 kg/jam : 96 kg/kmol = 10,135 kmol/jam Larutan asam sulfat yang ditambahkan mempunyai komposisi 98 % berat asam sulfat dan 2% berat air.

  Massa asam sulfat = 10,135 kmol/jam x 98 kg/kmol = 993,196 kg/jam

  100 Massa air yang ada = 993,196   2 % = 20,269 kg/jam

  98 Dengan asumsi reaksi berjalan sempurna, dihasilkan (NH ) SO , CO , H O masing-

  4

  2

  4

  2

  2 masing sebanyak 10,135 kmol/jam.

  Massa (NH ) SO = 10,135 kmol/jam x 132 kg/kmol

  4

  2

  4

  = 1337,774 kg/jam Massa CO = 10,135 kmol/jam x 44 kg/kmol

  2

  = 445,925 kg/jam Massa H O hasil reaksi = 10,135 kmol/jam x 18 kg/kmol

  2

  = 182,424 kg/jam Tabel A.5 Neraca Massa Tanki Netralisasi

  Input ( kg/jam ) Output ( kg/jam ) Komponen

  F F F F

  4

  27

  28

  26

  (NH ) SO 3662,226 5000,000

  4

  2

  4

  (NH )CO 972,927

  4

3 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN

  NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  H O 20,269 13143,579 13346,272

2 H SO 993,196

  2

4 CO

  445,925

2 Jumlah 1013,465 17778,731 445,925 18346,271

  Jumlah Total 18792,196 18792,196 A.6 Neraca Massa Absorber (AB-102) _{NH 21 3 H}

  20 _{2 O CO NH CO 22}

  17 _{2 2 3 NH 3 (NH ) CO H O}

  19 _{4 2 2 3} Fungsi : mereaksikan reaktan sisa dari reaktor dengan fresh water untuk

  menghasilkan produk amonium sulfate encer sebagai umpan absorber Neraca Massa Total

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  F + F + F = F + F

  17

  20

  22

  21

19 Perhitungan :

  2NH + CO + H O ) CO

  3

  2 2 ↔ (NH

  4

  2

  3 Dari neraca massa di absorber dan reaktor diperoleh:

  Mol amonia mula-mula = (39,513 + 29,350) kg/jam : 17 kg/kmol = 4,051 kmol/jam

  Mol CO mula-mula = (33,663 + 37,983) kg/jam : 44 kg/kmol

  2

  = 1,628 kmol/jam Pada reaksi ini karbon dioksida sebagai reaktan pembatas sehingga: (NH ) CO yang terbentuk = mol CO mula-mula x BM (NH ) CO

  4

  2

  3

  2

  4

  2

  3

  = 1,628 kmol/jam x 96 kg/kmol = 156,317 kg/jam Kebutuhan H O untuk reaksi = mol CO mula-mula x BM air

  2

  2

  = 1,628 kmol/jam x 18 kg/kmol = 29,310 kg/jam Namun dalam scrubber ditambah fresh water dalam jumlah besar karena produk yang diharapkan berupa amonium karbonat encer sebagai umpan absorber, untuk 170 kg NH diperlukan 1000 kg air (Gowariker, 2009). Fresh water yang ditambahkan

  3 pada scrubber sebesar 172,649 kg/jam.

  Massa NH sisa = (4,051

  3 –2(1,628)) kmol/jam x 17 kg/kmol

  = 13,501 kg/jam Massa H O sisa = (172,649

  2 – 29,310) kg/jam

  = 143,340 kg/jam Tabel A.6 Neraca massa scrubber

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

2 O 172,649 143,340

  )CO

  29 H ₂ O

  30 H ₂ O (NH ₄ ) ₂ SO ₄

  28 H ₂ O (NH ₄ ) ₂ SO ₄

  30

  29

  = F

  28

  Neraca Massa Total F

  Jumlah Total 313,158 313,158 A.7 Neraca Massa Evaporator (EV-201) Fungsi : memekatkan larutan amonium sulfat.

  156,317 Jumlah 73,176 172,649 67,333 299,657 13,501

  3

  4

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  (NH

  33,663 37,983 H

  2

  39,513 29,350 13,501 CO

  3

  21 NH

  19 F

  22 F

  20 F

  17 F

  F

  Komponen Input (kg/jam) Output (kg/jam)

• F

o

  Diketahui pada suhu 85 C kelarutan amonium sulfat 95,3% (Perry, 1999). Jumlah air yang masuk dari neraca netralisasi (alur 28) 13346,272 kg/jam. Jumlah amonium sulfat yang masuk dari neraca netralisasi (alur 28) 5000 kg/jam.

  5000

  H O dalam cairan keluar evaporator = kg/jam

  2 95 ,

  3

  = 5246,589 kg/jam H O dalam uap keluar evaporator = 13346,272

  2

• – 5246,589 kg/jam = 8099,682 kg/jam

  Tabel A.7 Neraca massa evaporator Input (kg/jam) Output (kg/jam)

  Komponen F F F

  28 29 (Gas) 30 (Cairan)

  (NH )SO 5000,000 5000,000

  4

  4 H O 13346,272 8099,682 5246,589

  2 Jumlah 18346,271 8099,682 10246,589 Jumlah Total 18346,271 18346,271 A.8 Neraca Massa cristalizer (CR-301)

  33 H O ₂ CR-301

31 H O

  ₂ (NH ) SO _{4 2 4 (l)}

  34 H O ₂ (NH ) SO _{4 2 4 (l)} (NH ) SO _{4 2 4 (s)} Fungsi : menjenuhkan dan mengkristalkan larutan amonium sulfat.

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  Neraca Massa Total F = F + F

  31

  33

  34 o

  Diketahui kelarutan amonium sulfat pada suhu 65 C adalah 88% (Perry, 1999). Jumlah amonium sulfat dari neraca evaporator (alur 30) = 5000 kg/jam Jumlah amonium sulfat dari neraca centrifuge (alur 32) = 53893,472 kg/jam Jumlah air yang masuk dari neraca evaporator (alur 30) = 5246,589 kg/jam Jumlah air dari neraca centrifuge (alur 32) = 59711,246 kg/jam Jumlah total amonium sulfat dan air yang masuk (alur 31) = 123851,061 kg/jam Asumsi air yang teruapkan = 3% × 123851,061 kg/jam

  = 3715,532 kg/jam Air dalam cairan = (5246,589 + 59711,246 - 3715,532) kg/jam

  = 61242,303 kg/jam (NH ) SO yang terlarut = kelarutan dalam air × jumlah massa air

  4

  2

  4

  = 88 % × 61242,303 kg/jam = 53893,227 kg/jam

  (NH ) SO kristal = (5000 + 53893,227 - 53893,227) kg/jam

  4

  2

  4

  = 5000 kg/jam Tabel A.8 Neraca massa kristalizer

  Input (kg/jam) Output (kg/jam) Komponen F F F

  31 33 (Gas) 34 (Cairan)

  (NH ) SO 58893,226 53893,226

  4 2 4 (l)

  (NH ) SO 3715,532 5000,000

  4 2 4 (s) NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA H O 64957,835 61242,303

2 Jumlah 123851,061 3715,532 120135,530

  Jumlah total 123851,061 123851,061 A.9 Neraca Massa Centrifuge (CF-301)

  35 H O ₂ (NH ) SO _{4 2 4 (s)}

  32 H O ₂ (NH ) SO _{4 2 4 (l)}

34 H O

  ₂ (NH ) SO _{4 2 4 (l)} Fungsi : memisahkan amonium sulfat kristal yang terbentuk dengan larutannya.

  Neraca Massa Total F = F + F

  34

  32

35 Asumsi air yang menjadi mother liquour 97,5% dan pada produk kristal 2,5%. Dari

  neraca massa kristalizer diketahui jumlah air 61242,303 kg/jam sehingga jumlah air pada produk 2,5% × 61242,303 kg/jam = 1531,058 kg/jam.

  Tabel A.9 Neraca massa centrifuge Input (kg/jam) Output (kg/jam)

  Komponen F F F

  34 32 (mother liquor) 35 (produk)

  (NH ) SO 53893,227 53893,227

  4 2 4 (l)

  (NH ) SO 5000,000 5000,000

  4 2 4 (s)

  H O 61242,303 59711,246 1531,058

2 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN

  NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  Jumlah 120135,530 113604,472 6531,057

  Jumlah total 120135,530 120135,530 A.10 Neraca Massa Rotary Dryer (RD-301)

36 H O

  ₂

  37 H ^{2 O}

  35 _R

_D

(NH ) SO _{4 2 4 (s)} H ^{2 O} (NH ) SO _{4 2 4 (s) RD-301} Fungsi : mengurangi kadar air dalam kristal amonium sulfat menjadi 1%.

  Neraca Massa Total F = F + F

  35

  36

  37 Tabel A.10 Neraca massa rotary dryer

  Input (kg/jam) Output (kg/jam) Komponen

  F F F

  35(produk) 36 (gas) 37 (Produk)

  (NH )SO 5000,000

  4 4(s)

  5000,000 H O

  1480,552 50,505

  2

  1531,058 Jumlah 1480,552 5050,505

  6531,057

  Jumlah Total 6531,057 6531,057

LAMPIRAN B

PERHITUNGAN NERACA ENERGI

  Basis perhitungan : 1 jam operasi Satuan operasi : kJ/jam Temperatur basis : 298,15 K

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  Neraca panas ini menggunakan rumus-rumus perhitungan sebagai berikut: Persamaan untuk menghitung kapasitas panas (Reklaitis, 1983) : _{2 3} Cp  a  bT  cT  dT

  Jika Cp adalah fungsi dari temperatur maka persamaan menjadi : _{T 2 2 2 3 3 4 4}

  b c d

  ;

  ( ) ( ) ( ) ( ) CpdT  a T  T  T  T  T  T  T  T _{2 1 2 1 2 1 2 1}

   _{T 1}

  2

  3

  

4

Untuk sistem yang melibatkan perubahan fasa persamaan yang digunakan adalah : _{T T T 2 b 2} CpdT  Cp dT   H  Cp dT _{l Vl v T T T}    _{1 1 b}

  Perhitungan energi untuk sistem yang melibatkan reaksi : _{T T 2 2}

  dQ  r  H ( T )  N CpdT  N CpdT _{r out in}

    dt _{T T 1 1} B.1 Data Perhitungan Cp Berikut ini rumus yang dapat digunakan untuk menghitung kapasitas panas gas.

  2

  3

  4 C = a + bT + cT + dT + eT [J/mol K] _{T 2} pg

  2

  2

  3

  3

  4

  4 Cp dT = [a(T ) + b/2(T ) + c/3(T ) + d/4(T )] g 2 –T

  1 2 –T

  1 2 –T

  1 2 –T

  1 _T  ₁ Tabel B.1 Nilai konstanta a, b, c, dan d untuk perhitungan Cp gas

  Komponen A B C D NH (g) 27,550 2,56278E-02 9,90042E-06 -6,68639E-09

  3 CO (g) 19,02230 7,96291E-02 -7,37067E-05 3,74572E-08

  2 H O (g) 34,047 -9,65E-03 3,30E-05 -2,04E-08

  2

  (Reklaitis,1983) Berikut ini rumus yang dapat digunakan untuk menghitung kapasitas panas cairan.

  2

  3 C = a + bT + cT + dT [J/mol K] _{T 2} pl

  2

  2

  3

  3

  4

  4 Cp dT = [a(T ) + b/2(T ) + c/3(T ) + d/4(T )] l

  2

  1

  2

  1

  2

  1

  2

  1

• – T – T – T – T
_T  ₁ Tabel B.2 Nilai konstanta a, b, c, dan d untuk perhitungan Cp cairan Komponen A B C D

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  NH (l) 2,01E+01 8,46E-01 -4,07E-03 6,61E-06

  3 CO (l) 1,10E+01 1,15955 -7,23E-03 1,55E-05

  2 H O (l) 1,83E+01 4,72E-01 -1,34E-03 1,31E-06

  2

  (Reklaitis, 1983) Tabel B.3 Kapasitas panas cairan H SO (98 %)

  2

  4 Komponen Suhu, T(K) Kapasitas panas, Cp (J/mol K)

  298,15 138,593 300 138,948 H SO (98 %)

  2

  4

  400 158,238 500 177,621 Tabel B.4 Kapasitas panas CaCO

3 Komponen Suhu, T(K) Kapasitas panas, Cp (J/mol K)

  298,15 83,741 300 83,817 CaCO

  3

  400 96,985 500 104,547 (Barin, 1995)

  B.2 Estimasi Cp dengan metode Hurst dan Harrison

  Perhitungan estimasi kapasitas panas padatan, Cp (J/mol.K), menggunakan metode

  s

  Hurst and Harrison dengan rumus: (Perry & Green, 1999)

  Keterangan: N = Jumlah unsur dalam senyawa n = Jumlah kemunculan unsur E dalam senyawa

  i

  = Kontribusi unsur E Δ E

  Dimana kontribusi elemen atomnya dapat dilihat pada tabel berikut (Perry & Green, 1999): Tabel B.5 Kontribusi unsur dan gugus untuk estimasi Cp

  Nilai Kontribusi Atom ∆E (J/mol.K)

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  (aq) -279,33 Kcal/mol -1169,49884 kJ/mol (Perry & Green, 1999)

  3

  H

  2 O -68,3174 Kcal/mol -286,03129 kJ/mol

  H

  2 SO

  4

  2

  3

  4

  ·2H

  )

  2 CO

  3

  4

  )

  2 SO

  4

  2 O -479,33 Kcal/mol -2006,85884 kJ/mol

  4

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  2 SO4 164

  N 18,74 H 7,56

  S 12,36 O 13,42 C 10,89

  Ca 28,25 Berdasarkan rumus di atas maka kapasitas panas padatan pada T = 298,15 K.

  Tabel B.6 Kapasitas panas padatan pada T = 298,15 K Komponen

  ∆E (J/mol.K) (NH

  4

  )

  (NH

  Komponen Panas pembentukan (298,15 K) CaSO

  4

  )

  2 CO

  3

  149,11

  B.3 Nilai Panas Reaksi Pembentukan (298,15 K)

  Nilai panas reaksi pembentukan senyawa yang digunakan: Tabel B.7 Panas Reaksi Pembentukan Senyawa

• 193,69 Kcal/mol -810,941292 kJ/mol CO
• 94,052 Kcal/mol -393,776914 kJ/mol CaCO
• 289,5 Kcal/mol -1212,0786 kJ/mol NH
• 10,96 Kcal/mol -45,887328 kJ/mol (NH
• 223,4 Kcal/mol -935,33112 kJ/mol (NH

  B.4 Vaporizer Amonia (E-101) Saturated Steam T = 393.15 K

  9 NH ₃ H ^{2 O} T = 319.15 K E-101

  6 NH ³ H ^{2 O} Kondensat T = 273.15 K T = 393.15 K

  Panas masuk _298,15   N Cpl dT

  Q  _{senyawa  }  

   273,15   

  Alur 6: NH (l), H O (l) pada suhu 273,15 K dan tekanan 5,5 atm

  3

  2 _{2 7 3 , 1 5}

  (J/mol)

  Cp dT

  Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) Q (kJ/jam) _{2 9 8 , 1 5}  NH (l)

  3

  95852,436 -2095,315 -200841,034 273,15

  H O (l)

  2

  730,059 -1857,756 -1356,272 Q

• 202197,306

6 Panas keluar

  Alur 9: NH (g) pada suhu 319,15 K dan tekanan 5,5 atm

  3 319 , 15 280 319 ,

  15 CpdT Cp dT H Cp dT

      _{l Vl v}

     _{2 8 0} 298 , 15 298 , ₁

15 280

_{319 , 15} Cp ( l ) dT Cp ( g ) dT

  Suhu, Q _{2 9 8 , 1 5 280 ,}  ∆Hvl  ₁₅ T(K) (kJ/Kg) (kJ/jam)

  (J/mol) (J/mol) 319,15 -146390,280 1236,9 136473,719 1615501,124

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  Besarnya panas yang perlu diberikan agar suhu operasi dapat tercapai adalah : Q = Q = (1615501,124

  

out – Q in – (-202197,306)) kJ/jam = 1817698,430 kJ/jam

Maka untuk memenuhi kebutuhan panas ini digunakan steam.

  Data air yang digunakan: T masuk = 393,15 K ; tekanan 1,961 atm Dimana steam yang digunakan saturated steam dengan temperatur 393,15 K H = 503,8375 kJ/kg

  l

  H = 2706,0125 kJ/kg

  v

• H λ steam = H v l

  = (2706,0125

• – 503,8375) kJ/kg = 2202,175 kJ/kg yang diperlukan adalah:

  Steam

  Q m  Pada 393,15 K

   1817698,43 kJ/jam

   2202,175 kJ/kg

  825,411 kg/jam 

  B.5 Vaporizer CO2 (E-102) Saturated Steam T = 393.15 K

  7 NH ³ H O ₂ T = 319.15 K E-102

  5 CO ² H O ₂ Kondensat T=240.15 K T = 393.15 K

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  Panas masuk _298,15  

  Q  N Cpl dT _senyawa    

   240,15   

  Alur 5: CO (l), H O (l) pada suhu 240,15 K dan tekanan 20,5 atm

  2

  2 _{2 4 0 . 1 5}

  (J/mol)

  Cp dT

  Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) Q (kJ/jam) _{2 9 8 . 1 5}  CO (l)

  2

  35091,805 -5975,145 -209678,642 240,15

  H O (l)

  2

  137,468 -4276,325 -587,857 Q

  5

• 210266,500

  Panas keluar

  Alur 7: CO (l) pada suhu 319,15 K dan tekanan 20,5 atm

  2 319 , 15 255 , 15 319 ,

  15 CpdT Cp dT H Cp dT

      _{l Vl v}

     298 ., 15 298 , 15 255 , _{2 5 5 , 1 5}

  15 _{3 1 9 , 1 5} Cp dT Cp dT

   N

  Q _{2 9 8 , 1 5}  ∆Hvl _{2 5 5 , 1 5} Komponen

  (mol/jam) (kJ/Kg) (kJ/jam) (J/mol)

  (J/mol) CO 38253,085 -162618,085 278,6 84963,913 267032,838

2 Besarnya panas yang perlu diberikan agar suhu operasi dapat tercapai adalah :

  Q = Q +Q = (267032,838

  

out vl – Q in – (-210266,500)) kJ/jam = 477299,337 kJ/jam

Maka untuk memenuhi kebutuhan panas ini digunakan steam.

  Data air yang digunakan: T masuk = 393,15 K ; tekanan 1,961 atm Dimana steam yang digunakan saturated steam dengan temperatur 393,15 K H = 503,8375 kJ/kg

  l

  H = 2706,0125 kJ/kg

  v NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

• H λ steam = H v l

  = (2706,0125

• – 503,8375) kJ/kg = 2202,175 kJ/kg

  Steam yang diperlukan adalah:

  Q m 

  Pada 393,15 K  477299,337 kJ/jam

   2202,175 kJ/kg

  216,740 kg/jam 

  B.6 Absorber (AB-101)

  17 NH ₃ CO ₂ 317,15 K

  15

  19 H O ₂ H O 303,15 K ² (NH ) CO _{4 2 3} 317,15 K Air pendingin T= 303,15 K

  12 Air pendingin NH ₃ T= 323,15 K 317,15 K AB-101

14 CO

  ₂

  18 317,15 K H O ₂ (NH ) CO _{4 2 3} 317,15 K

  Panas reaksi dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut: _{T T 2 2}

  dQ r H T N CpdT N CpdT   ( )   _{r out in}

    dt _{T T}

₁

₁ Masuk :

  Alur 12: NH (317,15 K; 1 atm)

3 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN

  NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  3 1 7 , 1 5

  (J/mol)

  Cp dT

  Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) Q (kJ/jam) _{2 9 8 , 1 5}  317,15 NH (g)

  3

  77300,352 687,360 53133,206 Alur 14: CO (317,15 K; 1atm)

  2 _{3 1 7 , 1 5}

  (J/mol)

  Cp dT

  Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) Q (kJ/jam) _{2 9 8 , 1 5}  317,15 CO (g)

  2

  38253,085 715,036 27352,343 Alur 15: H O (303,15 K; 1 atm)

  2 _{3 0 3 , 1 5}

  (J/mol)

  Cp dT

  Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) Q (kJ/jam) _{2 9 8 , 1 5}  303,15 H O (l)

  2

  429446,398 374,705 160915,920 Alur 19: H O, (NH ) CO (317,15 K; 1 atm)

  2

  4

  2

  3 _{3 1 7 , 1 5}

  (J/mol)

  Cp dT _{2 9 8 , 1 5} 

  Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) Q (kJ/jam) H O (l)

  2

  7963,309 1426,805 11362,093 317,15

  (NH ) CO

  4

  2

  3

  1628,307 2833,090 4613,141 Sehingga, Q = Q + Q + Q + Q

  in

  12

  14

  19

  15

  = (53133,206 + 27352,343 + 27352,343 + 11362,093 + 4613,141) kJ/jam = 257376,702 kJ/jam

  Persamaan reaksi yang berlangsung di absorber:

  2NH + CO + H O (NH ) CO

  3

  2

  2

  4

  2

  

3

Panas reaksi pada keadaan standar (298,15 K): (kJ/mol) Komponen H f

  NH -45,887328

  3 CO -393,776914

  2 H O -286,03129

  2 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  (NH ) CO -935,33112

  4

  2

3 Panas reaksi pada keadaan standar :

  ΔHr 298,15 = Σ σ.ΔHf _{o o o o o}  Hr  x  H  x  H  x  H  x  H

  ( 1 (

  2

  1 1 ))

  298 , 15 f f f f H O ( NH ) CO NH CO _{4 2 3 3 2} ²

  = (-935,33112)-((2x(-45,887328)) + (-393,776914)+ (-286,03129)) = -163,7482601 kJ/mol Panas reaksi, bernilai negatif (-), maka reaksi adalah eksothermis.

  ΔHr 298,15 Jumlah panas yang dibutuhkan pada keadaan standar : r = 37488,023 mol/jam Panas Reaksi suhu standar = r ×

  298,15

  ΔHr = 37488,023 mol/jam × -163,7482601 kJ/mol = -6138598,589 kJ/jam

  Keluar :

  Alur 17: CO , NH (317,15 K; 1atm)

  2

  3 _{3 1 7 , 1 5} Cp dT

  Suhu T(K) Komponen N (mol/jam)  Q (kJ/jam) _{2 9 8 , 1 5} (J/mol)

  NH (g)

  3

  2324,305 687,360 1597,635 317,15

  CO (g)

  2

  765,062 234,840 179,667 Q

  1777,303

17 Alur 18: H O, (NH ) CO (317,15 K; 1 atm)

  2

  4

  2

  3 _{3 1 7 , 1 5} Cp dT

  Suhu T(K) Komponen N (mol/jam)  Q (kJ/jam) _{2 9 8 , 1 5} (J/mol)

  H O (l)

  2

  399921,684 1426,805 570610,423 317,15

  (NH ) CO

  4

  2

  3

  39116,330 2833,090 110820,085 Q

  681430,508

  18 Q = Q + Q out

  17

18 NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN

  NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  = (1777,303 + 681430,508) kJ/jam = 683207,811 kJ/jam

  Maka , _{T T 2 2}

  dQ r H T N CpdT N CpdT   ( )   _{r out in}

    dt _{T T 1 1}

  = ((-6138598,589) + 683207,811 - 257376,702) kJ/jam = -5712767,481 kJ/jam Media pendingin yang digunakan adalah air yang masuk pada suhu 303,15 K dan keluar pada suhu 323,15 K. Air pendingin yang diperlukan : H (323,15 K)

• – H (303,15 K) = [ H (323,15 K) – H (298,15 K)] –

  [H (303,15 K)

• – H (298,15 K) ]

  323 ,

15 303 ,

  15

  =

  Cp dT  Cp dT _{H O ( l ) H O ( l ) 2 2}

 

  298 ,

15 298 ,

  15

  = 1878,90978

• – 374,7054825 J/mol = (1504,204297 J/mol) x 1000 mol/kmol /18 kg/kmol = 83566,905 J/kg = 83,566905 kJ/kg

  Air pendingin yang diperlukan adalah: Q m

  

• H(323,15 K) H(303,15 K) 5712767,48 kJ/jam

   83,566905 kJ/kg

   68361 , 601 kg/jam

  B.7 Heater (E-103) Saturated Steam

  10 T = 393.15 K H O ₂ (NH ^{4 ) 2 CO 3} T =343,15 K E-107

10 H

  ^{2 O E-103} (NH ) CO _{4 2 3} Kondensat T =317,15 K

T = 393.15 K

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  Neraca panas pada pre-heater dapat dihitung sebagai berikut

  dQ

 Q  Q

_OUT

_IN dt

  Masuk :

  Alur 10: H O, (NH ) CO (317,15 K; 1 atm)

  2

  4

  2

  3 _{3 1 7 , 1 5} Cp dT

  Suhu T(K) Komponen N (mol/jam)  Q (kJ/jam) _{2 9 8 , 1 5} (J/mol)

  H O (l)

  2

  399921,684 1426,805 570610,423 317,15

  (NH ) CO

  4

  2

  3

  39116,330 2833,090 110820,085 Q

  681430,508

  in Keluar :

  Alur 10: H O, (NH ) CO (343,15 K; 1 atm)

  2

  4

  2

  3 _{3 4 3 , 1 5}

  (J/mol)

  Cp dT _{2 9 8 , 1 5} 

  Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) Q (kJ/jam) H O (l)

  2

  399921,684 3390,654 1355996,011 343,15

  (NH ) CO

  4

  2

  3

  39116,330 6709,950 262468,622 Q

  1618464,632

  out dQ

  Sehingga

   Q  Q _{OUT IN} dt

  Q = Q out

• – Q in = (1618464,632
• – 681430,508) kJ/jam = 937034,124 kJ/jam Maka untuk memenuhi kebutuhan panas ini digunakan steam. Data steam yang digunakan: T masuk = 393,15 K ; tekanan 1,961 atm Dimana steam yang digunakan saturated steam dengan temperatur 393,15 K

  NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN NIM : 070405034 UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

  H = 503,8375 kJ/kg

  l

  H = 2706,0125 kJ/kg

  v

• H λ steam = H v l

  = (2706,0125

• – 503,8375) kJ/kg = 2202,175 kJ/kg

  Steam yang diperlukan adalah:

  Q m  Pada 393,15 K

   937034,124 kJ/jam

   2202,175 kJ/kg 425 , 504 kg/jam

  

  B.8 Tangki Pencampur Gypsum dan Air (M-101)

  13 H ^{2 O} T = 303,15 K Saturated steam T = 393,15 K kondensat

  1 T = 393,15 K CaSO ^{4 .2H 2 O} T = 303,15 K _M-101

  16 M-101 CaSO ^{4 .2H 2 O} H ^{2 O} T = 343,15 K Masuk :

  Alur 1: Gypsum (303,15 K; 1 atm) _{3 0 3 , 1 5} (J/mol)

  Cp dT

  Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) Q (kJ/jam) _{2 9 8 , 1 5}  303,15 Gypsum 34668,494 938,048 32520,712

  Alur 13: H O (l) (303,15 K; 1atm)