Pra Rancangan Pabrik Pembuatan Akrilamida dari Akrilonitril dengan Proses Asam Sulfat Kapasitas 10.000 Ton/Tahun.
LAMPIRAN A
PERHITUNGAN NERACA MASSAKapasitas produksi = 10000 ton / tahun = 30303,0303 kg/hari = 1262,6263 kg/jam
Waktu operasi = 330 hari Basis perhitungan = 1 hari produksi (24 jam)
Tabel LA.1 Data Berat Molekul Bahan No. Rumus Molekul BM
1. C H N
53
3
3
2. H SO
98
2
4
3. H O
18
2
4. C H NSO 169
3
7
5
5. NH
17
3
6. (NH ) SO 132
4
2
4
7. C H NO
71
3
5 Untuk umpan 1000 kg/jam akrilonitril dihasilkan produk akrilamida
929,8655 kg/jam, maka untuk menghasilkan 1262,6263 kg/jam akrilamida diperlukan umpan akrilonitril sebesar: 1262,6263
F = x 1000 = 1357,85903 kg/jam 929,8655
Akrilonitril dan asam sulfat direaksikan di dalam reaktor continuous stirred Tank
Reactor (CSTR) yang disusun secara seri untuk meningkatkan konversi reaksi
dari 90 % hingga diperoleh konversi reaksi yang optimum sebesar 97,4% dengan volume reaktor yang besarnya sama.
Berikut ini adalah perhitungan neraca massa pada setiap peralatan proses.
1. Fungsi : Sebagai tempat untuk mengencerkan asam sulfat pekat
2 F
1 mol
4 F
H SO
2
4 H SO
2
4
1 mol H O
2
3 F
Pengenceran dilakukan dengan mencampurkan 1 mol H SO dan 1 mol
2 4(p)
H O. Asam sulfat yang diumpankan adalah 25,3638 kmol/jam, maka banyaknya
2
air yang ditambahkan : H O ditambahkan = 18 x 25,3638 = 456,5481 kg/jam
2 H SO terdiri dari 98% H SO dan 2% H O
2
4
2
4
2
H SO = 98 x 25,3638 = 2485,6506 kg/jam2
4
= 0,98 x 2485,6506 = 2435,9376 kg/jam H O dalam H SO = 0,02 x 2485,6506 = 49,7130 kg/jam
2
2
4
massa H SO
2
4
x H SO = × 100 %
2
4
massa total 2435,9376 x H SO =
2 4 × 100 %
- (2485,6506 456,5481) x H SO = 0,83
2
4 Setelah pengenceran konsentrasi H SO = 83%
2
4 H O = 17%
2 Tabel LA.2 Neraca Massa pada Mixture Tank (MT-01)
Masuk (Kg/jam) Keluar (kg/jam) Komponen Alur 2 Alur 3 Alur 4
H SO 2435,9376 2435,9376
2
4 H O 49,7130 456,5481 506,2611
2
2485,6506 456,5481
Total
2942,1987 2942,1987
Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (R-01) 2.
Fungsi : Sebagai tempat reaksi akrilonitril dengan asam sulfat yang telah diencerkan
o
Kondisi operasi : Temperatur = 90 C Tekanan = 1 atm
Reaksi yang terjadi: CH =CHCN + H SO + H O CH = CHCONH .H SO
2
2
4
2
2
2
2
4 Bahan yang masuk :
C H N = 0,99 x 1357,85903 = 1344,2804 kg/jam
3
3 H O dalam C H N = 0,01 x 1357,85903 = 13,5786 kg/jam
2
3
3 C H N = 1344,28 / 53 = 25,3638 kmol/jam
3
3 H SO = 98 x 25,3638 = 2485,6506 kg/jam
2
4
= 0,98 x 2485,6506 = 2435,9376 kg/jam H
2 O dalam H
3 H
3 H
7 NSO
5
= 169 x 22,8274 = 3857,8312 kg/jam Tabel LA.3 Neraca Massa pada Reaktor 1 (R-01)
Komponen Masuk (Kg/jam) Keluar (kg/jam) Alur 1 Alur 4 Alur 5
H
2 SO
4
2435,9376 198,8520 C
7 NSO
= 108,9464 kg/jam O sisa = 519,83968 kg/jam - 410,8933 kg/jam
5
3857,8312 C
3 H
3
1344,2804 N 134,4280
H
2
13,5786 O 506,2611 108,9464
Total
1357,8590 2942,1987 4300,058
= 6,0526 kmol/jam C
2
2 SO
3 H
4
= 0,02 x 2485,6506 = 49,7130 kg/jam
2 H
2
= 519,8397 kg/jam O total = (13,5786 + 49,7130 + 456,5481) kg/jam
Konversi 90% C
3 H
3
= 1209,852 kg/jam N yang bereaksi = 0,9 x 25,3638 = 22,8274 kmol/jam
C
3
O bereaksi = 18 x 22,8274 = 410,8933 kg/jam
= 134,4280 kg/jam N yang sisa = 1344,2804 kg/jam - 1209,852 kg/jam
H
2 SO
4 H
yang bereaksi = 98 x 22,8274 = 2237,0856 kg/jam
2 SO
4
= 198,8520 kg/jam yang sisa = 2435,9376 kg/jam - 2237,0856 kg/jam = 2,0291 kmol/jam
H
2 H
4300,058
3. Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (R-02) telah diencerkan dari reaktor alir tangki berpengaduk 1.
= 14,9139 kg/jam yang sisa = 2435,9376 kg/jam - 2421,0237 kg/jam = 0,1522 kmol/jam
= 169 x 24,7043 = 4175,0307 kg/jam
5
7 NSO
3 H
= 4,1757 kmol/jam C
= 75,162 kg/jam O sisa = 519,83968 kg/jam - 444,6778 kg/jam
2
O bereaksi = 18 x 24,7043 = 444,6778 kg/jam
2 H
H
Konversi 97,4% C
3 H
2 SO
yang bereaksi = 98 x 24,7043 = 2421,0237 kg/jam
4 H
2 SO
H
= 34,951 kg/jam N yang sisa = 1344,2804 kg/jam - 1309,329 kg/jam
3
3 H
C
= 1309,329 kg/jam N yang bereaksi = 0,974 x 25,3638 = 24,7043 kmol/jam
3
4
Tabel LA.4 Neraca Massa pada Reaktor 2 (R-02)
Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Komponen Alur 5 Alur 6
H SO 198,8520 14,9139
2
4 C H NSO 3857,8312 4175,0307
3
7
5 C H N 134,4280 34,951
3
3 H O 108,9464 75,1619
2
4300,058 4300,058
Total
3. Reaktor Netralisasi (R-03)
Fungsi : memisahkan akrilamida sulfat menjadi akrilamida dan ammonium sulfat Reaksi yang terjadi: CH = CHCONH .H SO + 2NH (NH ) SO + CH = CHCONH
2
2
2
4
3
4
2
4
2
2
4 F C H NSO = 4175,0307 kg/jam = 24,7043 kmol/jam
3
7
5 H O = 75,1619 kg/jam
2 NH umpan = 2 x 24,7043 = 49,4086 kmol/jam
3
= 839,9470 kg/jam NH umpan = 0,3 x 839,9470 = 251,9841 kg/jam
3
2 NH yang bereaksi = 0,5 x 49,4086 = 24,7043 kmol/jam
3
= 0,3 x 24,7043 = 7,4113 kmol/jam =125,9920 kg/jam
NH sisa = 251,9841 kg/jam - 125,9920 kg/jam
3
= 125,9920 kg/jam
6 F H O total = 587,9629 kg/jam - 75,1619 kg/jam
2
= 512,8010 kg/jam
6
4
5 F = F + F
= 4300,0577 kg/jam + 839,9470 kg/jam = 5140,00 kg/jam NH sisa + C H N + H SO + H O = (125,9920 + 34,951 + 14,9139 + 512,8010)
3
3
3
2
4
2
= 688,6583 kg/jam
6 F akrilamida + amonium sulfat = 5140,00 kg/jam – 688,6583 kg/jam
= 4451,3464 kg/jam mol akrilamida = mol amonium sulfat maka, perbandingan massa = perbandingan BM akrilamida = 71/132 x amonium sulfat
= 0,53788 x amonium sulfat akrilamida + amonium sulfat = 4451,3464 kg/jam 1,537878788 amonium sulfat = 4451,3464 kg/jam amonium sulfat = 2894,4716 kg/jam akrilamida = 0,53788 x amonium sulfat
= 0,53788 x 2894,4716 kg/jam = 1556,8749 kg/jam
Tabel LA.5 Neraca Massa pada Reaktor Netralisasi (R-03)
Keluar Masuk (Kg/jam) (kg/jam) Komponen Alur 6 Alur 7 Alur 8
H SO 14,9139 14,9139
2
4 C H NSO 4175,0307
3
7
5
(NH ) SO 2894,4716
4
2
4 NH 251,9841 125,9920
3 C H NO
1556,8749
3
5 C H N 34,951 34,951
3
3 H O 75,1619 587,9629 512,8010
2
4300,058 839,9470 5140,00
Total
5140,00
4. Centrifuge (CF-01) Fungsi : Untuk memisahkan akrilamida dengan amonium sulfat.
Untuk efisiensi alat centrifuge 98% dan di dalam air pengotor terkandung amoniak dan ak krilonitril masing-masing 2% dari umpan masuk sehingga diperoleh neraca massa sebagai berikut : Bahan yang masuk:
6
3
5
6 F (NH ) SO = 4341.7073 kg/jam
4
2
4
6 F H O = 512,8010 kg/jam
2
6 F NH = 125,9920 kg/jam
3
6 F C H N = 34,951 kg/jam
3
3
6 F H SO = 14,9139 kg/jam
2
4
6 F Total = 5140,00 kg/jam
Bahan yang keluar
7a
6 F C H NO = F C H NO = 1556,8749 kg/jam
3
5
3
5
8
6 F (NH ) SO = F (NH ) SO = 2894,4716 kg/jam
4
2
4
4
2
4 Laju alir NH dalam air pengotor = 0,02 x 125,9920 = 2,5198 kg/jam
3 Laju alir C H N dalam air pengotor = 0.02 x 5,.427 = 1,0485 kg/jam
3
3 Laju alir air dalam air pengotor
= (2/98 x (2894,4716 + 14,9139)) - ((0,02 x 129,4118) + (0,02 x 35,900)) = 59,3752 kg/jam – 3,2189 kg/jam
= 56,1563 kg/jam
8 F air pengotor = (56,1563 + 1,0485 + 2,5198) kg/jam
= 59,3752 kg/jam
7a
F NH = 0,98 x 125,9920 = 123,4722 kg/jam
3 7a
F C H N = 0,98 x 34,9513 = 34,2523 kg/jam
3
3 7a
6
8 F H O = F H O – F H O
2
2
2
= 512,8010 kg/jam - 56,1563 kg/jam = 456,6447 kg/jam
Tabel LA.6 Neraca Massa pada Centrifuge (CF-01)
Masuk (kg/jam) Keluar (Kg/jam) Komponen Alur 8 Alur 9a Alur 10
H SO 14,9139 14,9139
2
4 Air pengotor
59,3752 (NH ) SO 2894,4716 2894,4716
4
2
4 NH 125,9920 123,4722
3 C H NO 1556,8749 1556,8749
3
5 C H N 34,951 34,252
3
3 H O 512,8010 456,6447
2
2171,2440 2968,7607 5140,00
Total
5140,00
5. Washer (W-01)
Fungsi : untuk membersihkan amonium sulfat dari zat-zat lain yang mungkin terikut asumsi tidak ada amonium sulfat yang hilang selama proses pencucian. Bahan yang masuk
8 F = 2968,7607 kg/jam
(NH ) SO = 2894,4716 kg/jam
4
2
4 H SO = 14,9139 kg/jam
2
4 Air pengotor = 59,3752 kg/jam
9
8 F = 1.5 x F
= 1,5 x 2968,7607 kg/jam = 4453,141 kg/jam Bahan yang keluar
10 F (NH ) SO = 2312,8208 kg/jam
4
2
4
asumsi air terikut bersama amonium sulfat 1% dari air pencuci
10 F H O = 0,01 x 4453,141 kg/jam
2
= 44,5314 kg/jam
11 F H O keluar = 4453,1410 kg/jam - 44,5314 kg/jam
2
= 4408,6096 kg/jam
11 F Air pengotor = 59,3752 kg/jam
Tabel LA.7 Neraca Massa pada Washer (W-01)
Masuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam) Komponen Alur 10 Alur 11 Alur 12 Alur 13
H SO 14,9139 14,9139
2
4 Air pengotor 59,3752
59,3752 (NH ) SO 2894,4716 2894,4716
4
2
4 H O 4453,1410 44,5314 4408,6096
2
2968,7607 4453,1410 2939,0030 4482,8987
Total
7421,9017 7421,9017
6. Rotary Dryer (RD-01)
Fungsi : Untuk mengurangi kandungan air dalam amonium sulfat dengan cara diuapkan sehingga didapatkan ammonium sulfat dalam fasa padat yang murni Bahan yang masuk
10 F = 2939,0030 kg/jam
(NH ) SO = 2894,4716 kg/jam
4
2
4 H O = 44,5314 kg/jam
2 Bahan yang keluar
Produk yang diinginkan adalah amonium sulfat 99% dan air 1% H O = 0,01 x 2939,0030 kg/jam
2
= 29,3900 kg/jam air yang diuapkan = 44,5314 kg/jam - 29,3900 kg/jam = 15,1414 kg/jam asumsi amonium sulfat terikut bersama udara 0,5%
(NH ) SO = 0,005 x 2894,4716 kg/jam
4
2
4
= 14,4724 kg/jam ammonium sulfat yang terikut bersama udara dipisahkan di cyclon dan dikembalikan sebagai produk
Tabel LA.8 Neraca Massa pada Rotary Dryer (RD-01)
Masuk (kg/jam) Keluar (Kg/jam) Komponen Alur 14a Alur 14b Alur 12 Alur 15 (ke cyclone) (dari cyclone)
(NH ) SO 2894,4716 14,4724 14,4724 2894,4716
4
2
4 H O 44,5314 15,1414 29,3900
2
29,6137 14,4724 2923,8616
2939,0030
Total
15,1414 2939,0030
7. Crystallizer (CR-01)
Fungsi : Membentuk kristal - kristal akrilamida dari larutan induk (mother liquor akrilamida melalui proses pendinginan Neraca Massa Total : F = S + C + W (Geankoplis, 2003) Asumsi bahwa tidak ada akrilamida dan air yang hilang selama proses sehingga W = 0 Dengan F = Feed (kg/jam), S=mother liqour (kg/jam), C=kristal yang terbentuk (kg/jam). Digunakan operasi pada crystallizer (CR-01) dengan suhu
o
operasi yaitu : 30
C, dimana kelarutan akrilamida pada suhu tersebut adalah 215,5 kg/100 kg air (Kirk Othmer, 1998).
Impuritis terdiri dari NH dan C H N
3
3
3 Bahan yang masuk 9b
F larutan induk = 2013,5196 kg/jam
C H NO = 1556,8749 kg/jam
3 5 (l)
2 NH = 123,4722 kg/jam
3 C H N = 34,2523 kg/jam
3
3 Neraca Massa di crystalizer :
Feed masuk = Larutan + Kristal F = S + C Neraca massa basis air m . S
BM anhidrat C
pelarut
. F = + x
air
m + massa akrilamida BM C H NO . H O
pelarut
3
5
2
(Geankoplis,1997) 100
18 0,2268 x 2013,5196 = S + C 100 + 215,5
89 456,6447 = 0,3170 S + 0,2022 C ...............................................................(1) Neraca massa basis akrilamida m . S BM anhidrat C
akrilamida
- x . F =
akrilamida
m + massa akrilamida BM C H NO . H O
pelarut
3
5
2
(Geankoplis,1997) 215,5
71 0,7732 x 2013,5196 = S + C 100 + 215,5
89 1556,8749 = 0,6830 S + 0,7978 C ..........................................................(2) Eliminasi persamaan (1) dan (2) 456,6447 = 0,3170 S + 0,2022 C (x 0,6830) 1556,8749 = 0,6830 S + 0,7978 C (x 0,3170) 311,9079 = 0,2165 S + 0,1381 C 493,4627 = 0,2165 S + 0,2529 C
- 181,5548 = -0,1147 C
C = 1582, 7287 kg/jam (kristal) 456,6447 = 0,3170 S + 0,2022 (1582, 7287) 136,5423 = 0,3170 S S = 430,7908 kg/jam (larutan) Kristal terdiri dari : H O = 0,2022 C
2
= 0,2022 (1582, 7287) kg/jam = 320,1024 kg/jam
C H NO = 0,7978 C
3
5
= 0,7978 (1582, 7287) kg/jam = 1262,6263 kg/jam
Impuritis = 1% dari total impuritis masuk = 0,01 x 157,7245 kg/jam = 1,5772
Larutan terdiri dari : H O = 0,3170 S
2
= 0,3170 (430,7908) kg/jam = 136,5423 kg/jam
C H NO = 0,6830 S
3
5
= 0,6830 (430,7908) kg/jam = 294,2486 kg/jam
Impuritis = 99% dari total impuritis masuk = 0,99 x 157,7245 kg/jam = 156,1472 kg/jam
Tabel LA.9 Neraca Massa pada Crystalizer (CR-01)
Masuk (Kg/jam) Keluar (Kg/jam) Komponen Kristal Larutan Alur 9b Alur 16 Alur 17
C H NO 1556,8749 1262,6263 294,2486
3
5 H O 456,6447 320,1024 136,5423
2 Impurities 157,7245 1,5772 156,1472
1584,3060 586,9381 2171,2440
Total
2171,2440
8. Rotary Dryer (RD-02) Fungsi : Untuk mengurangi kandungan air dalam akrilamida dengan cara diuapkan sehingga didapatkan ammonium sulfat dalam fasa padat yang murni
Bahan yang masuk
14 F Kristal = 1582,7287 kg/jam
C H NO = 1262,6263 kg/jam
3
5 H O = 320,1024 kg/jam
2 Impuritis = 1,5772 kg/jam Bahan yang keluar H O = 0,01 x 1582,7287 kg/jam
2
= 15,8273 kg/jam air yang diuapkan = 320,1024 kg/jam - 15,8273 kg/jam = 304,2752 kg/jam asumsi akrilamida terikut bersama udara 0,5% = 0,005 x 1262,6263 kg/jam
= 6,3131 akrilamida yang terikut bersama udara dipisahkan di cyclon dan dikembalikan ke produk
Tabel LA.10 Neraca Massa pada Rotary Dryer (RD-02)
Masuk (kg/jam) Keluar (Kg/jam)
Komponen Alur 16a Alur 16b Alur 16Alur 17 (ke cyclone) (dari cyclone)
C H NO 1262,6263 6,3131 6,3131 1262,6263
3
5 H O 320,1024 304,2752 15,8273
2 Impurities 1,5772
1,5772 310,5883 6,3131
1280,0308
Total 1584,3060
304,2752 1584,3060
LAMPIRAN B
PERHITUNGAN NERACA PANAS
Basis Perhitungan : 1 jam operasi Satuan : kJ/jam Temperatur : 25 C = 298,15 K
Neraca panas ini menggunakan rumus-rumus perhitungan sebagai berikut:
- Perhitungan panas yang masuk dan keluar
T
1 Q = n. c .dT (Smith, 2005)
p
∆H = ∫
T ref
2
- Perhitungan panas penguapan
Q = n. H (Smith, 2005)
VL
- Untuk sistem yang melibatkan perubahan fasa persamaan yang digunakan adalah T T T 2 b 2 (Reklaitis, 1983)
- Perhitungan energi untuk sistem yang melibatkan reaksi : T T 2 2
- 1,2581E-02 8,8906E-05 -7,1783E-08 1,8569E-11 H
- DT ∫ Cp dT
- –T
- –T
- –T
- –T
- C4 T
- C= O -133,22
- NH -22,02
- 955,491292] kJ/mol– [-949,872582] kJ/mol
- 128.260,5609 Air pendingin 3.097.872,4304
- 138.806,4295 kJ/jam
- 138.806,4295 Air pendingin 2.745.599,7064
- f 25 C o
- 5,84997 Air pendingin 1.451.200,1555
- 2
CpdT = Cp dT ∆ H Cp dT l Vl v + + T T T ∫ ∫ ∫ 1 1 b
dQ
(Reklaitis, 1983) r out out + = r ∆ H ( T ) N CpdT − N CpdT
∫ ∫ dt T T 1 1 LB.1 Kapasitas Panas
LB.1.1 Kapasitas Panas Gas
2
3
4 Cp= A+ BT + CT + DT + ET
2
2
2
3
3
4
4 = [a(T –T ) + b/2(T –T ) + c/3(T –T ) + d/4(T –T ) +
2
1
2
1
2
1
2
1
∫ Cp dT
1
5
5
e/5(T –T )]
2
1 Dalam hubungan ini:
Cp = kapasitas panas cairan, kJ/kmol K T = suhu, K A,B,C,D = konstanta
1
3
) + d/4(T
2
4
1
4
)] Dalam hubungan ini: Cp = kapasitas panas cairan, kJ/kmol T = suhu,
K A,B,C = konstanta
K Tabel LB. 2 Kapasitas panas cairan
Komponen A B C D
H
2
18,2964 O 4,72118E-01 -1,3387E-03 1,31424E-06
NH 2,01E+01
3
8,64E-01 -4,07E-03 6,61E-06
( Sumber : Reklaitis, 1983)
CP = C1 + C2 T+ C3T
2
4
(J/kmol K)
Komponen C1 C2 C3 C4
C
3 H
3
109,9 N -109,75 0,35441 - C
3 H
5
3
2
) + c/3(T
(
Tabel LB.1 Kapasitas panas gas
Komponen A B C D E
C
3 H
5 NO 13,165 2,6213E-01 -8,5250E-05 -3,5101E-08 2,0435E-11
C
3 H
3 N 18,425 1,8336E-01 -1,0072E-04 1,8747E-08 9,1114E-13
NH 33,573
3
2
33,933 O -8,4186E-03 2,9906E-05 -1,7825E-08 3,6964E-12
Sumber : Carl L. Yaws, 1996)
2
LB.1.2 Kapasitas Panas Cairan
Cp= A+ BT + CT
2
2
1 =
[a(T
3
2
1
) + b/2(T
2
2
1
102,3 NO 128,7 - - (Sumber : Perry, 1999) Tabel LB.3 Kapasitas Panas Cairan H SO (98 %)
2
4 Komponen Suhu, (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
(Sumber : Barin, 1995) LB.1.3 Estimasi Cp dengan metode Hurst dan Harrison
Perhitungan estimasi kapasitas panas padatan, Cps (J/mol.K), menggunakan metode Hurst and Harrison dengan rumus: Cp= ΣniΔENE=1 (Perry & Green, 1999)
Keterangan: N = Jumlah unsur dalam senyawa ni = Jumlah kemunculan unsur E dalam senyawa ΔE = Kontribusi unsur E
Dimana kontribusi elemen atomnya dapat dilihat pada tabel berikut
Tabel LB.4 Kontribusi unsur dan gugus untuk estimasi Cp
Nilai Konstribusi Atom
ΔE (J/mol.K)
N 18,74 H 7,56
S 12,36 O 13,42 C 10,89
(Sumber: Perry & Green, 1999) Berdasarkan rumus di atas maka kapasitas panas padatan pada T = 298,15 K : Tabel LB.5 Kapasitas panas padatan pada T = 298,15 K
Komponen ΔE (J/mol.K)
(NH ) SO 164
4
2
4 C H NO 168,67
3
5
5 LB.1.4 Nilai Panas Reaksi Pembentukan (298,15 K)
Nilai panas reaksi pembentukan senyawa yang digunakan: Tabel LB.6 Panas Reaksi Pembentukan Senyawa
Komponen Panas Pembentukan (298,15 K) H SO -193,69 Kkal/mol -810,941292 kJ/mol
2
4 NH -10,96 Kkal/mol -45,887328 kJ/mol
3 H O -68,3174 Kkal/mol -286,03129 kJ/mol
2
(NH ) SO -281,74 Kkal/mol -1169,49884 kJ/mol
4
2
4
(c) C H N(l) 35,1306 Kkal/mol 141,7 kJ/mol
3
3 Perhitungan
ΔHfo dengan menggunakan metode Verma dan Doraiswamy,
dimana kontribusi gugusnya adalah
Tabel LB.7 Panas Pembentukan Berdasarkan Gugus Fungsi (298,15 K) Gugus
∆Hf (kJ/mol) = CH2 -19,63
= CH- -37,97
2 o Rumus: (298 K) = 68,29 + n
∆Hf ∑ j j ∆H…………………………….(Perry, 1997)
oMenghitung
akrilamida sulfat ∆Hf o o
(298,15 K) = 68,29 + (= CH2) + (= CH-) + ( - C= O) + (-NH2) + H
2 SO4 ∆Hf
∆Hf o
(298,15K) = 68,29+(-19,63)+ (-37,97) +(-133,22) + (-22,02) + ( -810,941292 )
∆Hf= -955,491292 kJ/mol akrilamida
o (298,15K) = -144,55 kJ/mol ∆Hf
LB. 2 PERHITUNGAN NERACA PANAS LB.2.1 Neraca Panas di Sekitar Reaktor (R-01)
Panas Masuk
Tabel LB.8 Perhitungan Panas Masuk pada Reaktor (R-01)
303,15
Alur Komponen N (kmol/jam) Q (kJ/jam) (kJ/kmol)
∫
298,15
Akrilonitril 25,3637818 -6,22824 -157,9717
1 Air 0,75436613 374,7054825 282,6651 Asam Sulfat 24,8565062 4,813175 119,6387
4 Air 28,1256158 374,7054825 10.538,8225 Total 10.783,1546
Panas Keluar
Tabel LB.9 Perhitungan Panas Keluar pada Reaktor (R-01)
363,15
Alur Komponen N Q (kJ/jam) (kJ/kmol)
∫
298,15
(kmol/jam) Asam sulfat 2,02910255 814,881275 1.653,4777
Akrilamid sulfat 22,8274036 10.8174 2.469.331,5608
5 Akrilonitril 2,53637818 290.262,6179 736.215,7710 Air 6,05257833 4.909,533577 29.715,3365
Total 3.236.916,1459 Persamaan reaksi dalam reaktor CH =CHCN + H SO + H O CH =CHCONH . H SO
2
2
4
2
2
2
2
4 o
Menghitung reaktan
∆Hf o o o o
(298 K) = akrilonitril + asam sulfat + air ∆Hf ∆Hf ∆Hf ∆Hf
[147,1 + (-810,941292) + (-286,03129)] kJ/mol
=
= - 949,872582 kJ/mol produk - reaktan ΔH r = ΔH f ΔH f
o o o
25 C = [ f 25 C ] – [ f 25 C ] ∆Hr ∆H produk ∆H reaktan o
∆Hr
25 C = [ o
= -5,61871 kJ/mol
25 C
∆Hr
Panas reaksi = r x ∆Hr
22.827,4036 mol/jam x -5,61871
= kJ/mol = -128260,5609 kJ/jam
Q = r.ΔH reaksi + Qout -Qin = [-128.260,5609 + 3.236.916,1459 – 10.783,1546] kJ/jam = 3.097.872,4304 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 H O ] dT - [Cp H O ] dT
2 (l) 2 (l)
∫ ∫
298,15 298,15
= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol = (1504,204297J/mol) x 1000mol/kmol /18 kg/kmol = 83566,905 J/kg = 83,566905 kJ/kg
Air pendingin yang diperlukan adalah: =
( ) ( )
H 323,15 K 303,15 K − H
3097872,4304 kJ/jam =
83,566905 kJ/kg
m = 37.070,5656 kg/jam
Tabel LB.10 Neraca Panas pada Reaktor (R-01) Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam)
Umpan 10.783,1546 Produk
3.236.916,1459 Panas Reaksi
Total 3.108.655,5850 3.108.655,5850
LB.2.2 Neraca Panas di Sekitar Reaktor (R-02) Panas masuk
Alur 5 Q masuk = 3.236.916,1459 kJ/jam
Panas Keluar
Tabel LB.11 Perhitungan Panas Keluar pada Reaktor (R-02)
363,15
Alur Komponen Q (kJ/jam)
(kJ/kmol) N (kmol/jam) ∫
298,15
Asam sulfat 0,15218269 814,881275 124,0108 Akrilamid
24,7043235 10.8174 2.672.365,4891 sulfat
6 Akrilonitril 0,65945833 290.262,6179 191.416,1005 Air 4,17565847 4.909,533577
20.500,5355 Total
2.884.406,1359 Panas yang keluar dari reaktor 2 = panas dari reaktor 1 + panas dari reaktor 2 = (3.236.916,1459 + 2.884.406,1359) kJ/jam = 6.121.322,2818 kJ/jam
Panas reaksi = r x ∆Hr = 24.704,3235 mol/jam x -5,61871 kJ/mol
=
Q = r.ΔH reaksi + Qout - Qin = [-138.806,4295 + 6.121.322,2818 - 3.236.916,1459] kJ/jam = 2.745.599,7064 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 H O ] dT - [Cp H O ] dT
2 (l) 2 (l)
∫ ∫
298,15 298,15
= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol = (1504,204297J/mol) x 1000mol/kmol /18 kg/kmol = 83566,905 J/kg = 83,566905 kJ/kg
Air pendingin yang diperlukan adalah: =
( ) ( )
H 323,15 K 303,15 K − H
2745599,7064 kJ/jam =
83,566905 kJ/kg
m = 32.855,1082 kg/jam
Tabel LB.12 Neraca Panas pada Reaktor (R-02) Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam)
Umpan 3.236.916,1459 Produk
6.121.322,2818 Panas Reaksi
Total 5.982.515,8523 5.982.515,8523
LB.2.3 Neraca Panas di Sekitar Reaktor Netralisasi (R-03) Panas masuk
Tabel LB.13 Perhitungan Panas Masuk pada Netralizer (R-03)
303,15
Alur Komponen N (kmol/jam) Q (kJ/jam) (kJ/kmol)
∫
298,15
Amoniak 14,82259409 2290,2273 33.947,1096
7 Air 32,6646055 374,7054825 12.239,6068 Total 46.186,7164
Panas keluar
Tabel LB.14 Perhitungan Panas Keluar pada Netralizer (R-03)
357,65
Komponen N (kmol/jam) Q(kJ/jam) (kJ/kmol)
∫
298,15
Asam sulfat 0,15218269 682,80325 103,9108 Amonium sulfat 21,9278149 9758 213.971,6178
Amoniak 7,41129705 129.925,7127 962.918,0508 Akrilamida 21,9278149 1.497,63302 32.839,8196 Akrilonitril 0,65945833 242.035,7521 159.612,4922
Air 28,488947 4491,104232 127.946,8306 Total
1.497.392,7219 Persamaan reaksi dalam netralizer C H NO.H SO + 2NH (NH ) SO + C H NO
3
5
2
4
3
4
2
4
3
5
produk - reaktan ΔH r = ΔH f ΔH f
o o o o
= [ akrilamida + ammonium sulfat] – [ amoniak ∆Hr
25 C ∆H f25 C ∆H f25 C ∆H f 25 C o
akrilamid sulfat] ∆H
= [ -144,55 - 1169,498844] kJ/mol - [2(-45,887328) - 955,491292]
∆Hr
25 C
kJ/mol
o = - 266,7829 kJ/mol
25 C
∆Hr
o = - 0,2667829 kJ/Kmol
∆Hr
25 C Panas reaksi = r x ∆Hr
= 21,9278149 kmol/jam x -0,2667829 kJ/mol = -5,84997 kJ/jam
Q = r.ΔH reaksi + Qout -Qin = [-5,84997 + 1.497.392,7219 – 46.186,7164] kJ/jam = 1.451.200,1555 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 H O ] dT - [Cp H O ] dT
2 (l) 2 (l)
∫ ∫
298,15 298,15
= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol = (1504,204297J/mol) x 1000mol/kmol /18 kg/kmol = 83566,905 J/kg = 83,566905 kJ/kg
Air pendingin yang diperlukan adalah: =
( ) ( )
H 323,15 K 303,15 K − H
1451200,1555 kJ/jam =
83,566905 kJ/kg
m = 17.365,7282 kg/jam Tabel LB.15 Neraca Panas pada Netraliser (R-03)
Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam) Umpan 461.86,7164
Produk 1.497.392,7219
Panas Reaksi
Total 1.497.386,8719 1.497.386,8719
LB.2.4 Neraca Panas di Sekitar Centrifuge (CF-01)
Neraca panas pada centrifuge dapat dihitung sebagai berikut Dimana dQ/dt =0, sehingga Q out = Q in
Panas masuk
Tabel LB.16 Perhitungan Panas Masuk pada Centrifuge (CF-01)
357,65
Komponen N (kmol/jam) Q(kJ/jam) (kJ/kmol)
∫
298,15
Asam sulfat 0,15218269 682,80325 103,9108 Amonium sulfat 21,9278149 9758 213.971,6178
Amoniak 7,41129705 129.925,7127 962.918,0508 Akrilamida 21,9278149 1.497,63302 32.839,8196 Akrilonitril 0,65945833 242.035,7521 159.612,4922
Air 28,488947 4.491,104232 127.946,8306 Total
1.497.392,7219
Panas keluar
4491,104232 113.935,4968 Total
1.497.392,7219
Total 250.537,4733 Q out
9758 213.971,6175
Amonium sulfat 21,9278149
Amoniak 0,14822594 129.925,7127 19.258,3609 Akrilonitril 0,013189 242.035,7521 3.192,2507
10 Asam sulfat 0,15218269 682,80325 103,9108 Air 3,119797 4491,104232 14.011,3334
1.246.855,2486
Air 25,36915
Tabel LB.17 Perhitungan Panas Keluar pada Centrifuge (CF-01) Alur Komponen N (kmol/jam)
0,64626916 242.035,7521 156.420,2424
1.497,63302 32.839,8196 Akrilonitril
Akrilamida 21,9278149
7,26307111 129.925,7127 943.659,6898
9a Amoniak
(kJ/kmol) Q(kJ/jam)
357,65 298,15
∫
LB.2.5 Neraca Panas di Sekitar Washer (W-01)
Panas Masuk
Q = 250.537,4733 kJ/jam Tabel LB.18 Perhitungan Panas Masuk pada Washer (W-01)
303,15
Alur Komponen Q(kJ/jam)
(kJ/kmol) N (kmol/jam) ∫
298,15
11 Air 247,396724 374,7054825 92.700,9087 Q total = (250.537,4733 + 92.700,9087) kJ/jam
= 343.238,3820 kJ/jam Air pendingin (air pencuci) yang digunakan adalah air yang masuk pada suhu 303,15 Air pendingin yang ditambahkan sebesar 4453,1410 kg/jam :
= ( ) ( )
H 323,15 K 303,15 K − H
92700,9087 kJ/jam 4453,1410 =
ג kJ/kg
= 20,81697137 kJ/kg
ג R R R R
H (T (K)) – H (303,15 K) = [ H (T (K)) – H (298,15 K)] – [H (303,15 K) –
2
2 H (298,15 K) ]
323,15 303,15
= [Cp H O ] dT - [Cp H O ] dT
2 (l)
2 (l)∫ ∫
298,15 298,15
R R R R= [ H (T
2 (K) K) – 374,7054825 J/mol
374,7054825
Mis x = [ H (T 2 (K)) –
(x J/mol) x 1000mol/kmol /18 kg/kmol = 20816,97137 J/kg R R x = 374,7054847 J/mol maka, [ H (T (K)) = 749,410967 J/mol
2 R R P P
Dari iterasi diperoleh T = 308,15 K = 35 C
2
Panas Keluar
Tabel LB.19 Perhitungan Panas Keluar pada Washer (W-01) Alur Komponen N (kmol/jam)
∫
339,15 298,15
(kJ/kmol) Q(kJ/jam)
10 Amonium sulfat 21,9278149 6724 147.280,1206 Air 2,47396724 3087,739445 7.476,4595
Total 154.756,5801 Alur Komponen N (kmol/jam)
∫
308,15 298,15
(kJ/kmol) Q(kJ/jam)
11 Asam sulfat 0,15218269 19,27135 2,9328 Amoniak 0,14822594 19549,03458 2.735,1673
Akrilonitril 0,013189 1546,85237 20,4013 Air 248,04255 749,410967 185.723,3005
Total 188481,8019 Q out = (154.756,5801 + 188.481,8019) kJ/jam = 343.238,3820 kJ/jam
Tabel LB.20 Neraca Panas pada Washer (W-01) Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam)
Umpan 343238,3820 Produk
343238,3820 Total 343238,3820 343238,3820
LB.2.6 Neraca Panas di Sekitar Rotary Dryer (R-01) Panas Masuk
Q = 154.756,5801 kJ/jam
Panas Keluar
Tabel LB.21 Perhitungan Panas Keluar pada Rotary Dryer (RD-01) Alur Komponen N (kmol/jam)
∫
373,15 298,15
(kJ/kmol) Q(kJ/jam)
14a Amonium sulfat 0,10963907 12300 1.348,5606
Air 0,84118781 2539,2137 2.135,9556 14b Amonium sulfat 0,10963907 12300 1.348,5606
12a -12b Total 2.135,9556
15 Amonium sulfat 21,9278149 12300 269.712,1233 Air 1,63277943 2539,2137 4.145,9759
15 Total 273.858,0992 Total 275.994,0548 Neraca panas pada rotary dryer dapat dirumuskan sebagai berikut: Q = NH
2 O(g) ΔHvl + Q out + Q in
Pada suhu 100
C, tekanan 1,1 atm; ΔHvl = 2256,9 kJ/kg (Reklaitis, 1983) NH
2 O(g) ΔHvl = 2256,9 kJ/kg × 15,1414 kg/jam
= 34.172,6257 kJ/jam Q out = Q + Q + NH
12
13
2 O(g) ΔHvl
= 2135,9556 + 273.858,0992 + 34.172,6257 kJ/jam = 310.166,6805 kJ/jam Q = Qout – Qin
= 310.166,6805 - 154.756,5801 kJ/jam = 155.410,1004 kJ/jam
Maka untuk memenuhi kebutuhan panas ini digunakan udara panas dengan temperatur masuk 100 oC (373,15 K), 1 atm dan keluar pada temperatur 85 oC (323,15 K), 1 atm. Udara pengering terdiri dari N dan O dengan
2
2 perbandingan mol 79 : 21 dimana Cp N = 0,25 kal/gr.
C, Cp O = 0,23 kal/gr.
C.
2
2
Σ Xi.Cpi = (0,79 mol x 28 gr/mol) x 0,25 + (0,21 mol x 32gr/mol) x 0,23 = 7,076 kal/gr. C
= 29,72 J/gr. C = 2,972 x 10 kJ/gr. C Udara panas yang diperlukan adalah :
Q
m =
Cp . dT
155410,100
4 m =
2 2,972 . 10 x 120
85 ( )
m = 149404,0573 gr/jam m = 149,4040 kg/jam
Tabel LB.22 Neraca Panas pada Rotary Dryer (RD-01) Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam)
Umpan 154.756,5801 Produk
310.166,6805 Udara panas 155.410,1004
Total 310.166,6805 310.166,6805
LB.2.7 Neraca Panas di Sekitar Heat Exchanger (HE-01)
Panas masuk heat exchanger = Panas keluar centrifuge = 1.246.855,2486 kJ/jam
Panas Keluar
Tabel LB.23 Neraca Panas Keluar pada Heat exchanger (HE-01) Alur Komponen N (kmol/jam)
∫
333,15 298,15
(kJ/kmol) Q(kJ/jam)
9b Akrilamida 21,9278149 8.873,8774 194.584,7411
Air 25,36915 1.125,790609 28.560,3508
Amoniak 7,26307111 8.132,9304 59.070,0518 Akrilonitril 0,64626916 65.794,7792 42.521,1367
Total 324.736,2804 Panas yang harus dihilangkan adalah : Q = Q – Q
keluar masuk
= (324.736,2804 – 1.246.855,2486) kJ/jam = - 922.118,9682 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 H O ] dT - [Cp H O ] dT
2 (l) 2 (l)
∫ ∫
298,15 298,15
=
1878,90978 – 374,7054825 J/mol
= (1504,204297J/mol) x 1000mol/kmol /18 kg/kmol = 83566,905 J/kg = 83,566905 kJ/kg
Air pendingin yang diperlukan adalah: =
( ) ( )
H 323,15 K 303,15 K − H
922118,9682 kJ/jam =
83,566905 kJ/kg
m = 11.034,4995 kg/jam Tabel LB.24 Neraca Panas pada Heat exchanger (HE-01)
Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam) Umpan 1.246.855,2486
Produk 324.736,2804
Air pendingin - 922.118,9682 Total 324.736,2804 324.736,2804
LB.2.8 Neraca Panas di Sekitar Crystalizer (CR-01)
Panas masuk Crystalizer = panas keluar heat exchanger = 324.736,2804 kJ/jam
Panas keluar
Tabel LB.25 Neraca Panas Keluar pada Cristalyzer (CR-01)
303,15
Alur Komponen Q(kJ/jam)
(kJ/kmol) N (kmol/jam) ∫
298,15
Akrilamida 17,7834688 2530,05 44.993,0652 Air 17,7834688 374,7054825 6.663,5633
14 Amoniak 1,23472209 2290,2273 2.827,7942 Akrilonitril 0,34252266 -6,22824 -2,1333
Total 54.482,2894 Panas yang harus dihilangkan adalah : Q = Q – Q
keluar masuk
= (54482,2894 - 324736,2804) kJ/jam = -270.253,9910 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 H O ] dT - [Cp H O ] dT
2 (l) 2 (l)
∫ ∫
298,15 298,15
= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol = (1504,204297J/mol) x 1000mol/kmol /18 kg/kmol = 83566,905 J/kg = 83,566905 kJ/kg
Air pendingin yang diperlukan adalah: =
( ) ( )
H 323,15 K 303,15 K − H
270253,9910 kJ/jam =
83,566905 kJ/kg
m = 3233,9835 kg/jam Tabel LB.26 Neraca Panas pada Cristalyzer (CR-01)
Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam) Umpan 324.736,2804
Produk 54.482,2894
Air pendingin -270.253,9910 Total 54.482,2894 54.482,2894