View
111
Download
8
Category
Preview:
DESCRIPTION
Hysis
Citation preview
1
Reaksi konversi
Pada bab ini kita akan mempelajari problem-problem yang berhubungan dengan reaksi
oksidasi parsial metana untuk memproduksi hydrogen. Metode oksidasi parsial merupakan
reaksi antara metane dengan udara untuk memproduksi hydrogen dan karbondioksida.
Mahasiswa akan mempelajari bagaimana menambahkan reaksi konversi dan reaction set di
dalam HYSYS
Reaksi tipe ini tidak memerlukan pengetahuan thermodinamika. Kita tinggal memasukkan
stoikiometri reaksi dan konversi dari basis reaktan yang digunakan. Konversi tidak boleh
lebih besar dari 100%. Reaksi akan terus berlangsung hingga konversi tercapai atau pereaksi
pembatasnya habis.
Reaksi konversi tidak dikelompokkan dengan bentuk reaksi lain di dalam reaction set.
Namun, reaksi-reaksi tersebut dapat dikelompokkan dengan reaksi konversi yang lain dan di
rangking untuk beroperasi secara sekuensial atau simultan. Rangking terendah terjadi paling
awal (mungkin dimulai pada 0 atau 1). Sebagaimana halnya reaksi tunggal, reaksi yang
simultan tidak dapat mencapai konversi melebihi 100% dengan basis yang sama.
Reaksi konversi tidak dapat digunakan di dalam Plug Flow Reaktor atau CSTR. Pada
umumnya reaksi tersebut hanya akan digunakan di dalam reactor konversi.
Tujuan
1) Mensimulasikan reaksi dan reactor konversi di dalam HYSYS 2) Menambahkan reaksi dan reaction set 3) Attach reaction set ke dalam fluid package
Petunjuk awal
Sebelum memulai bab ini, mahasiswa harus terlebih dahulu mengetahui bagaimana :
1) Arah aliran PFD 2) Menambahkan stream pada PFD ke dalam workbook 3) Menambah dan menghubungkan unit operasi
Teori
Permintaan produksi hydrogen dari hidrokarbon meningkat dengan cepat dalam beberapa
decade terakhir. Produksi hydrogen yang efisien secara teknologi cukup memungkinkan dan
berhubungan langsung dengan peralatan konversi energy. Konversi bahan bakar menjadi
hydrogen dapat dilakukan dengan reaksi oksidasi parsial. Metode oksidasi parsial dapat
berupa reaksi oksidasi bahan bakar, sebagai contoh oksidasi metana untuk memproduksi
hydrogen dan karbonmonoksida.
CH4 + O2 CO + 2H2
CH4 + O2 CO2 + 2H2
Tugas
Buatlah model yang merepresentasikan reaksi oksidasi parsial metana untuk menghasilkan
hydrogen
2
Mendefinisikan basis simulasi
Tahap pertama adalah memilih paket fluida. Masukkan harga-harga berikut ini ke dalam
paket fluida.
Di dalam kotak . Masukkan
Property package Peng-robinson
Komponen CH4, O2, N2, CO, CO2, H2
1) Klik reaction tab di simulation basis manager.
2) Pilih semua komponen seperti ditunjukkan pada kotak Rxn components, dengan cara meng-klik add comps dan komponen di dalam kotak component library. Selanjutnya
tutup jendela component list, maka tampilan jendela reaction tab akan seperti di atas.
3
3) Klik tombol Add Rxn dan pilih tipe reaksi : conversion seperti yang ditampilkan pada daftar, kemudian klik tombol Add Reaction
4) Masukkan semua informasi yang diperlukan di dalam kotak stoichiometry info, dengan cara memilih komponen-komponen yang bereaksi sesuai dengan stoikiometri reaksi 1 dan
2, pada kotak **Add Comp**
5) Untuk reaksi pertama yaitu reaksi oksidasi parsial gas metana menjadi CO dan H2. Koefisien stoikiometri reaktan diberi tanda minus, karena jumlah komponen akan
berkurang dengan berjalannya reaksi. Koefisien stoikiometri produk tidak perlu diberi
tanda, yang berarti jumlah komponen akan bertambah akibat konversi dari reaktan.
HYSYS secara default akan member nama reaksi di dalam kotak Name : Rxn-1. Anda
bisa mengubahnya dengan nama lain.
CH4 + O2 CO + 2H2
Koefisien stoikiometri CH4 = -1; O2 = -0,5; CO = 1; H2 = 2
3
4
4
6) Pindah ke tab Basis dan pilih persen konversi sebanyak 40% seperti ditunjukkan di bawah
7) Tutup jendela conversion reaction, kemudian klik add reaction sekali lagi untuk reaksi kedua yaitu reaksi oksidasi gas metana menjadi CO2 dan H2.
CH4 + O2 CO2 + 2H2
Koefisien stoikiometri CH4 = -1; O2 = -1; CO2 = 1; H2 = 2
5
8) Pindah ke tab Basis dan pilih persen konversi sebanyak 60% seperti ditunjukkan di bawah. Total konversi reaksi 1 dan 2 sebanyak 100%
Menambahkan reaction set
9) Tutup jendela conversion reaction dan kembali ke jendela simulation basis manager reaction tab.
10) Klik add set button. Beri nama reaksi oksidasi. Pilih semua reaksi oksidasi (Rxn-1 dan Rxn-2) yang berada di dalam kotak active list. Biarkan kotak inactive tetap kosong.
Membuat sekuensial reaksi
Reaksi konversi dapat dikelompokkan dengan reaksi konversi lainnya dan diberi peringkat
untuk beroperasi secara simultan atau sekuensia. Rangking terendah akan bereaksi pertama
kali (dapat dimulai dari 0 atau 1)
11) Untuk membuat reaksi beroperasi secara sekuensial, di dalam jendela reaction set klik ranking dan masukkan informasi di bawah ini. Klik accept
12) Tutup jendela reaction set, dan kembali ke jendela simulation basis manager reaction tab.
6
Memasang reaction set ke fluid package
Setelah reaction set selesai dibuat, maka harus ditambahkan ke dalam fluid package yang
telah ditetapkan, sehingga dapat digunakan di dalam simulasi HYSYS
13) Highlight reaction set yang diinginkan dan klik tombol Add to FP 14) Pilih fluid package yang tersedia, kemudian tekan tombol Add Set to Fluid Package 15) Selanjutnya akan muncul tampilan nama fluid package yang dipilih di dalam kotak
Assoc. Fluid Package
16) Setelah selesai menambahkan reaction set ke dalam fluid package anda dapat masuk ke dalam simulasi dengan meng-klik enter simulation environment.
Membuat aliran umpan
Buat dua aliran material (klik tombol material stream) kemudian isilah dengan informasi
berikut ini :
Material stream 1
11
12
13
7
Di dalam kotak . Masukkan
Conditions
Name Methane
Temperature 25oC
Pressure 2 bar
Molar flow 100 kgmole/h
Compositions
Mole fraction methane 1
Material stream 2
Di dalam kotak . Masukkan
Conditions
Name Udara
Temperature 25oC
Pressure 2 bar
Molar flow 260 kgmole/h
Compositions
Mole fraction N2 0.79
Mole fraction O2 0.21
Membuat reactor konversi
1) Pada object palette, klik general reactor. Selanjutnya akan muncul palet yang lain dengan tiga tipe reactor yaitu : gibbs, equilibrium dan conversion. Pilih reactor konversi dan
masukkan ke dalam PFD
2) Beri nama reactor oksidasi dan pasangkan kedua material stream ke dalam reactor sebagai umpan. Beri nama outlet vapor dengan vap_oks dan beri nama aliran produk liquid
dengan liq_oks, meskipun aliran produk liquidnya nol.
8
3) Pada tab reactions pada page details pilih reaksi oksidasi sebagai reaction set. Ini secara otomatis akan menghubungkan reaksi yang tepat dengan reactor
4) Kembali pada worksheet, pada page composition, analisalah komposisi di dalam aliran vap_oks.
Berapa laju alir molar dari komponen-komponen berikut ini :
Metana : _______________ Nitrogen : _______________
Oksigen : _______________ CO : _______________
CO2 : _______________ Hidrogen : _______________
9
5) Simpan pekerjaan anda - Klik menu file - Pilih Save As - Beri nama file HYSYS dengan reaksi konversi kemudian klik OK
10
Reaksi kesetimbangan
Bab ini berisi persoalan untuk membuat model yang merepresentasikan reaksi water gas shift
(WGS). Tujuan dari reaksi WGS adalah untuk meningkatkan yield hydrogen dan
menurunkan konsentrasi CO untuk mencegah keracunan anoda dan hilangnya efisiensi cell.
Peserta akan mempelajari bagaimana menambahkan reaksi kesetimbangan dan reaction set di
dalam HYSYS
Reactor kesetimbangan merupakan bejana yang memodelkan reaksi kesetimbangan. Aliran
outlet rector berada dalam kesetimbangan kimia dan fisika. Reaction set yang kita pasangkan
di dalam reactor kesetimbangan dapat mengandung sejumlah reaksi kesetimbangan yang
tidak terbatas, yang dapat diselesaikan secara simultan atau sekuensial. HYSYS dapat
menghitung aktivitas kimia dari setiap komponen yang berada dalam campuran berdasarkan
fugasitas komponen murni dan campuran.
Kita juga dapat memeriksa konversi actual, komponen basis, konstanta kesetimbangan dan
tingkat reaksi untuk setiap reaksi di dalam reaction set yang dipilih. Konversi, konstanta
kesetimbangan dan tingkat reaksi seluruhnya dihitung berdasarkan informasi kesetimbangan
reaksi yang tersedia ketika kita membuat reaction set.
Tujuan pembelajaran
1) Mensimulasikan reactor kesetimbangan dan reaksi di dalam HYSYS 2) Menambahkan reaksi dan reaction set 3) Memasang reaction set di dalam fluid package 4) Mencetak aliran dan workbook datasheet
Petunjuk awal
Sebelum memulai bab ini, mahasiswa harus terlebih dahulu mengetahui bagaimana :
1) Arah aliran PFD 2) Menambahkan stream pada PFD ke dalam workbook 3) Menambah dan menghubungkan unit operasi
Persoalan
Aplikasi baru hydrogen sebagai bahan baku untuk fuel cell yang berguna untuk sumber
tenaga (PEM fuel cells) harus memenuhi persyaratan bahwa inlet gas yang masuk ke anoda
harus memiliki konsentrasi CO lebih rendah dari 10 20 ppm
Sehingga jika hydrogen dihasilkan dari hidrokarbon atau reforming alcohol, maka diperlukan
purifikasi untuk menurunkan level CO sehingga memenuhi nilai ambang batas. Teknologi
yang paling feasible untuk purifikasi berupa water gas shift reaction. Reaksinya
CO + H2O CO2 + H2
Telah dijalankan selama kurang lebih 40 tahun untuk memproduksi hydrogen dari liquid dan
as hidrokabon. Reaksi WGS bertujuan untuk meningkatkan proses produksi H2 dan
menurunkan konsentrasi CO yang merupakan racun bagi beberapa katalis yang digunakan.
Buatlah model yang merepresentasikan reaksi WGS
11
Mendefinisikan basis simulasi
1) Untuk bab ini kita dapat menggunakan kasus yang telah kita simpan sebelumnya (bab reaksi konversi) dengan menambahkan komponen H2O
2) Buka file reaksi konversi 3) Klik tombol Enter Basis Environment untuk melihat Simulation Basis Manager 4) Di dalam tab components, View Component List 1 untuk menambahkan komponen 5) Tambahkan H2O ke dalam kotak selected components sebagaimana ditunjukkan pada
gambar berikut
Menambahkan reaksi
Di dalam HYSYS menambahkan reaksi dilakukan dengan cara yang sama seperti metode
menambahkan komponen di dalam simulasi
6) Klik tab Reactions di dalam jendela simulation basis manager 7) Klik tombol Add Rxn dan pilihlah Equilibrium sebagai tipe reaksi, selanjutnya klik
tombol Add Reaction
8) Masukkan semua informasi yang diperlukan ke dalam kotak stoichiometry
CO + H2O CO2 + H2
Koefisien stoikiometri CO = -1; H2O = -1; CO2 = 1; H2 = 1
12
Menambahkan reaction set
9) Tutup jendela jendela equilibrium reaction 10) Masih berada pada tab reaction pada jendela simulation basis manager, klik tombol Add
Set. Beri nama Reaksi WGS, dan tambahkan Rxn-3 ke dalam kotak active list. Biarkan
kotak inactive tetap kosong.
Memasang reaction set ke dalam Fluid Package
Setelah reaction set selesai dibuat, maka harus ditambahkan ke dalam fluid package yang ada,
sehingga dapat digunakan oleh HYSYS
11) Highlight reaction set yang diinginkan dan klik Add to FP 12) Pilih fluid package yang tersedia, kemudian tekan tombol Add Set to Fluid Package 13) Setelah selesai menambahkan reaction set ke dalam fluid package anda dapat kembali ke
dalam simulasi dengan meng-klik Return to Simulation Environment. Pastikan solver
telah aktif
Membuat aliran umpan
Buat aliran material kemudian isilah dengan informasi berikut ini :
Di dalam kotak . Masukkan
Conditions
Name Steam
Temperature 100oC
Pressure 2 bar
Molar flow 100 kgmole/h
Compositions
Mole fraction H2O (water) 1
Menambahkan reactor equilibrium
13
14) Pada object palette, klik general reactor. Selanjutnya akan muncul palet yang lain dengan tiga tipe reactor yaitu : gibbs, equilibrium dan conversion. Pilih reactor equilibrium dan
masukkan ke dalam PFD
15) Beri nama reactor WGS dan pasangkan material stream vap_oks dan steam ke dalam reactor sebagai umpan. Beri nama outlet vapor dengan vap_WGS dan beri nama aliran
produk liquid dengan liq_WGS.
16) Pada page details dari reaction tab pilih reaksi WGS sebagai reaction set-nya. Secara otomatis reaksi yang kita pilih akan terhubung dengan reactor
14
17) Kembali pada worksheet, pada page composition, analisalah komposisi di dalam aliran vap_WGS.
18) Simpan pekerjaan anda
Berapa laju alir molar dari komponen-komponen berikut ini :
Metana : _______________ Nitrogen : _______________
Oksigen : _______________ CO : _______________
CO2 : _______________ Hidrogen : _______________
Hitung persentase komponen-komponen berikut ini (bandingkan dengan konversi)
CO (penuruna) : _______________
Hydrogen (kenaikan) : _______________
15
Perbedaan reactor Gibbs dan reactor Equilibrium
Bab ini berisi simulasi fasilitas reactor yang lengkap dengan reaksinya, menggunakan dua
tipe reactor yaitu reactor Gibbs dan Equilibrium. Fungsi utama reactor Gibbs adalah untuk
mengevaluasi komposisi kesetimbangan aliran outlet dengan meminimalisir total energy
bebas Gibbs dari campuran produk (effluent mixture). Reactor kesetimbangan menentukan
komposisi aliran outlet yang diberikan oleh stoikiometri seluruh reaksi yang terjadi serta
harga konstanta kesetimbangan untuk setiap reaksi.
Dalam bab ini kita menggunakan dua tipe reactor yaitu Gibbs dan Equilibrium, dengan tujuan
untuk menyoroti perbedaan dari kedua tipe reactor ini, dan menunjukkan bagaimana
menambahkan reaksi ke dalam simulasi HYSYS
Tujuan pembelajaran
1) Mensimulasikan reactor dan reaksi di dalam HYSYS 2) Memahami perbedaan antara reactor Gibbs dan Equilibrium
Petunjuk awal
Sebelum memulai bab ini, mahasiswa harus terlebih dahulu mengetahui bagaimana :
1) Arah aliran PFD 2) Menambahkan stream pada PFD 3) Menambah dan menghubungkan unit operasi
Teori Steam cracking etana merupakan proses yang mengkombinasikan steam dan etana pada suhu
yang tinggi untuk memproduksi hydrogen, etilene, asetilene, dan komponen-komponen
lainnya. Reaksi ini merupakan metode utama untuk memproduksi hydrogen.
Reaksinya
C2H6 C2H4 + H2
Buatlah model yang merepresentasikan reaksi cracking di atas
Mendefinisikan basis simulasi
1) Buat case yang baru dengan Peng-robinson sebagai property package-nya 2) Tambahkan komponen-komponen berikut ini :
- Methane (CH4) - Ethane (C2H6) - Ethylene (C2H4) - Acetylene (C2H2) - Carbon Monoxide (CO) - Carbon Dioxide (CO2) - Hydrogen (H2) - Oxygen (O2) - Water (H2O)
3) Menambahkan reaksi Reaksi harus ditambahkan ke dalam fluid package untuk menjalankan reactor
equilibrium. Penambahan reaksi sebagaimana prosedur sebelumnya
16
4) Pada jendela simulation basis manager, klik reaction tab. Klik tombol Add Comps, kemudian pilih komponen-komponen di atas. Jangan lupa klik fluid package dan
tambahkan Peng-Robinson sebagai property package.
5) Klik Add Rxn sehingga muncul jendela reaksi seperti pada gambar di bawah
6) Pilih equilibrium kemudian klik tombol Add Reaction. Selanjutnya akan muncul jendela Equilibrium Reaction. Masukkan informasi reaksi cracking etana di atas sebagai Rxn-1.
17
7) Pada tab Basis pilih Fixed Keq radio button.
8) Pada tab Keq isi Fixed Keq Constant dengan harga 0,343
9) Jumlah reaksi yang terjadi bisa lebih dari satu. Ulangi langkah 5 s.d 8 untuk 5 reaksi di bawah ini
Reaksi Stoikiometri Fixed K
Rxn-2 C2H4 C2H2 + H2 1.99 E-3
Rxn-3 2CH4 C2H2 + 3H2 1.39 E-7
Rxn-4 CH4 + H2O CO + 3H2 26.7
Rxn-5 CO + H2O CO2 + H2 1.37
Rxn-6 2H2O O2 + 2H2 8.7 E-11
10) Setelah selesai membuat ke-enam reaksi tersebut, klik tombol Add Set, maka akan muncul tampilan Reaction Set
11) Beri nama : Equilibrium Set 12) Highlight kolom (cell) di dalam kotak Active List, pilih Rxn-1 s.d Rxn-6. Tutup window.
18
13) Pilih equilibrium set pada kotak Reactions Sets. 14) Klik tombol Add to FP. Add Equilibrium Set screen akan muncul, kemudian klik Add
Set to Fluid Package. Pada kotak Assoc. Fluid Pkgs akan muncul tulisan Basis-1
Sekarang kita sudah siap untuk membuat simulasi. Klik tombol Enter Simulation
Environment pada jendela simulation basis manager
Memasang Stream dan Reaktor Di dalam PFD, buka Object Palette, jika belum tersedia, tekan , atau pilih Open Object
Palette pada menu Flowsheet
1) Buatlah dua aliran dengan menggunakan informasi di bawah ini
Material Stream GB_IN EQ_IN
Conditions
Temperature 730oC 730oC
Pressure 100 kPa 100 kPa
Molar flow 100 kgmole/h 100 kgmole/h
Compositions
Mole fraction ethane 0.2 0.2
Mole fraction H2O 0.8 0.8
Mole fraction komponen yang lain 0 0
2) Tambahkan Gibbs Reactor. Masukkan kedua aliran di atas pada connections page. Tambahkan aliran produk pada reactor
3) Tambahkan aliran energy pada reactor dan setting suhu pada GB_Prod sebesar 730oC.
19
Pertanyaan : Berapakah fraksi mol H2 di dalam GB_Prod stream
4) Menambahkan equilibrium reactor. Masukkan informasi di atas ke dalam connection page.
5) Pada Details page dari Reaction tab, gunakan use the drop-down menu untuk memilih Equilibrium Set sebagai pasangan pada reaction set. Status bar untuk operasi akan
berubah menjadi "Unsolved" dengan warna kuning.
6) Seting suhu pada UQ_Prod stream menjadi 730oC
Pertanyaan :
1) Berapakah fraksi mol H2 di dalam EQ_Prod stream 2) Bandingkan aliran produk untuk kedua reactor, apakah keduanya identik 3) Dapatkah anda menjelaskan aplikasi dari kedua reactor tersebut?
20
CSTR
Dalam bab ini proses yang akan dimodelkan adalah proses produksi propylene glycol.
Propylene glycol dihasilkan dari proses konversi propilen oksida dan air menjadi pada
Reaktor Tangki Berpengaduk Kontinu (CSTR).
Aliran umpan propylene glycol dan air dicampur di dalam mixer. Aliran yang sudah
tercampur dimasukkan ke dalam reactor yang beroperasi pada tekanan atmosfer dimana
propylene glycol dihasilkan
Tujuan
Setelah menyelesaikan bab ini mahasiswa akan mampu mensimulasikan reaksi dan reactor
CSTR di dalam HYSYS
Petunjuk awal
Sebelum memulai bab ini, mahasiswa harus terlebih dahulu mengetahui bagaimana :
1) Arah aliran PFD 2) Menambahkan stream pada PFD ke dalam workbook 3) Menambah dan menghubungkan unit operasi
Teori
Senyawa glycol digunakan secara meluas di gas plant untuk mendehidrasi air. Kandungan air
di dalam gas alam dapat menjadi masalah yang serius pada proses transportasi, pencairan
ataupun pada pembakaran. Kandungan air di dalam gas alam menyebabkan terbentuknya
hidrat di perpipaan ataupun peralatan pencairan gas dan juga menurunkan nilai bakar dari gas
alam. Reaksi pembentukan propylene glycol sebagai berikut
H2O + C3H6O C3H8O2
Tugas
Buatlah model yang merepresentasikan reaksi pembuatan propylene glycol
Mendefinisikan basis simulasi
Dalam simulasi ini menggunakan satuan field. Sehingga terlebih dahulu anda harus
mengubahnya di dalam Tools/Preference/Variables
Tahap selanjutnya adalah memilih komponen dan paket fluida. Masukkan informasi berikut
ini ke dalam paket fluida.
Di dalam kotak . Masukkan
Property package UNIQUAC
Komponen Propylene oxide, propylene
glycol, H2O
21
Menentukan koefisien biner
Setelah memilih fluid package, tahap selanjutnya adalah menentukan parameter-parameter
interaksi biner dari masing-masing komponen :
1) Klik tab Binary Coeffs pada tampilan Fluid Package property Di dalam model parameter interaksi aktivias Aij, parameter interaksi yang ditampilkan
secara default oleh HYSYS berdasarkan data yang tersedia di library. Seandainya kita
memiliki data-data parameter interaksi, kita bisa memasukkan data-data tersebut ke dalam
table yang tersedia. Kita juga dapat menggunakan UNIFAC VLE untuk menghitung nilai
parameter yang tidak diketahui.
2) Klik tombol Unknowns Only. HYSYS akan memberikan nilai parameter interaksi yang tidak diketahui.
3) Untuk melihat parameter interaksi biner klik radio button Bij. Pada kasus ini Bij secara default bernilai nol
Mendefinisikan reaksi
1) Kembali ke jendela simulation basis manager
22
2) Klik tab reaction. Reaksi yang terjadi adalah antara propylene oxide dengan air menghasilkan propylene glycol.
H2O + C3H6O C3H8O2
Tahapan-tahapan yang kita lakukan untuk mendefinsikan reaksi sebagai berikut :
- Membuat dan mendefinisikan kinetika reaksi - Membuat reaction set yang berisi reaksi - Mengaktivasi reaction set sehingga dapat digunakan di dalam simulasi
Membuat reaksi 1) Di dalam tab reaction klik Add Rxn, pilih tipe reaksi : Kinetic. Selanjutnya tekan tombol
Add reaction, maka akan muncul jendela Kinetic Reaction property. Masukkan
informasi yang tersedia ke dalam table.
HYSYS secara default akan memberikan nilai forward order dan reverse order
berdasarkan stoikiometri reaksi. Data kinetika pada kasus ini didasarkan pada excess
water, sehingga kinetika orde pertama hanya pada propylene oxide.
2) Pada kolom Fwd order untuk H2O ubah nilainya menjadi nol (0) yang berarti terdapat ekses air. Sekarang tab stochiometry sudah didefinisikan dengan lengkap seperti
ditunjukkan pada gambar di bawah ini
3) Masih pada Kinetic Reaction property view, klik tab Basis 4) Pada Basis cell, pilih Molar Concn 5) Klik Base Component cell, pilih propylene oxide sebagai basis komponen
23
6) Klik Rxn Phase cell, pilih CombinedLiquid. Selanjutnya tab Basis sudah lengkap seperti ditunjukkan pada gambar di bawah ini
7) Klik pada Parameters tab. Dalam tab ini tersedia parameter sesuai persamaan Arhenius untuk kinetika reaksi. Dalam kasus ini tidak ada reverse reaction yang terjadi. Sehingga
kita hanya perlu mengisi data parameter-parameter untuk forward reaction.
8) Masukkan harga A = 1.7e13 dan E (energy aktivasi) = 3.24e4 (btu/lbmole). Indicator status di bagian bawah tampilan akan berubah dari not ready menjadi ready, yang berarti
bahwa reaksi sudah terdefinisi dengan lengkap.
9) Tutuplah baik tampilan Kinetic Reaction Property dan Reactions. 10) Klik ikon Home View untuk memastikan bahwa Simulation Basis Manager aktif. Pada
menu Reactions telah muncul Rxn-1 sebagai sistem reaksi pada flowsheet ini.
11) Pada kolom Reaction Sets, klik tombol Add Set maka tampilan Reaction Set Property akan muncul dengan default Set-1
12) Pada kolom Active List, pilih Rxn-1. 13) Label cekbox muncul secara otomatis di samping kolom Active List. Kotak status akan
berubah dari Not Ready menjadi Ready.
14) Tutup tampilan Reaction Set dan kembali ke Simulation Basis Manager. Reaction Set yang baru (Set-1) muncul pada kolom Reaction Sets
15) Klik Set-1 pada menu Reactions. 16) Klik tombol Add to FP hingga muncul tampilan Add Set-1 yang menyarankan anda
untuk memilih Fluid Package yang akan ditambahkan pada Reaction Set. Pada tutorial ini
hanya ada satu Fluid Package, yaitu Basis-1.
17) Pilih Basis-1 dan klik tombol Add Set to Fluid Package
24
18) Klik menu Fluid Pkgs untuk menampilkan summary dari Fluid Package yang lengkap. 19) Klik Enter Simulation Environment untuk memulai simulasi
Membuat simulasi
1) Membuat material stream berdasarkan informasi berikut ini
Material Stream Prop oxide Water feed
Conditions
Temperature 75oF 75oF
Pressure 1.1 atm 16.17 psia
Flow 150 lbmole/h 11000 lb/h
Compositions
Mole fraction 12C3Oxide 1.000 0
Mole fraction H2O 0 1.000
Mole fraction komponen yang lain 0 0
2) Meng-install unit operasi : Mixer. Gabungkan dua aliran umpan di atas ke dalam mixer. Beri nama aliran outlet dengan mix_out
3) Meng-install reactor. Pada object palette klik CSTR dan masukkan ke dalam PFD. 4) Beri nama CSTR dan pasangkan mix_out sebagai feed. Beri nama vapor outlet dengan
CSTR vent dan liquid outlet dengan CSTR Produk
5) Buat aliran energy dan beri nama dengan coolant, pasangkan ke reactor
6) Pada Reactions tab, highlight page Details dan pilih set-1 sebagai reaction set 7) Selanjutnya adalah menspesifikasi parameter bejana. Dalam kasus ini katakanlah reactor
memiliki volume 280 ft3 dan 85% terisi.
8) Klik tab Dynamics dan pilih page specs 9) Di dalam model details, ketik 280 ft3 pada vessel volume dan 85% pada Liq Volume
Percent
25
10) Klik pada worksheet tab. Pada titik ini aliran produk dan aliran energy coolant belum diketahui karena reactor memiliki satu derajat kebebasan.
11) Sebagai kondisi awal, reactor kita asumsikan beroperasi pada kondisi isothermal, sehingga suhu outlet reactor sebesar 75oF. Pada cell CSTR Produk temperature ketik
75oF.
12) Tidak ada perubahan fase pada reactor pada kondisi isothermal, karena aliran produk vapor CSTR vent sama dengan nol. Sebagai tambahan kebutuhan pendingin (cooling
duty) telah dihitung dan direpresentasikan dengan heat flow pada coolant stream. Tahap
selanjutnya adalah memeriksa konversi reactor sebagai fungsi temperature.
13) Klik reaction tab dan pilih results page. Konversi akan nampak di dalam table.
26
PFR
Dalam bab ini proses yang akan dimodelkan adalah proses reaksi klorinasi metana. Reaksi
klorinasi metana merupakan reaksi yang cukup penting di dalam industry petrokimia.
Paraffin dan terutama olefin akan cepat bereaksi dengan klorine (Cl2). Produk yang
dihasilkan merupakan produk intermediate ataupun produk akhir di dalam industry kimia
Reaksi klorinasi dapat dilakukan dengan tiga metode yaitu : photochemical, katalitik dan
thermal. Dalam bab ini kita akan mempelajari pemodelan produksi klorometana dengan
menggunakan proses thermal.
Model simulasi yang kita bangun, merupakan model simulasi yang lengkap dengan
menggunakan mixer, heater, reactor, kompresor, dan separator.
Tujuan
Setelah menyelesaikan bab ini mahasiswa akan mampu mensimulasikan reaksi dan reactor
PFR di dalam HYSYS serta memahami proses klorinasi secara thermal
Petunjuk awal
Sebelum memulai bab ini, mahasiswa harus terlebih dahulu mengetahui bagaimana :
1) Arah aliran PFD 2) Menambahkan stream pada PFD ke dalam workbook 3) Menambah dan menghubungkan unit operasi 4) Set up recycle compressor
Teori
Reaksi klorinasi metana merupakan reaksi seri dengan tahapan-tahapan reaksi sebagai berikut
CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl
CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl
CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl
Tugas
Buatlah model yang merepresentasikan reaksi klorinasi metana
Mendefinisikan basis simulasi
Dalam simulasi ini menggunakan satuan field. Sehingga terlebih dahulu anda harus
mengubahnya di dalam Tools/Preference/Variables
Tahap selanjutnya adalah memilih komponen dan paket fluida. Masukkan informasi berikut
ini ke dalam paket fluida.
Property package : Peng Robinson
Komponen : Gunakan family filter halogen untuk mendapatkan klorometana
Metana (CH4) Mono-chloromethane (Refrig-40) Di-chloromethane (Cl2-C1) Tri-chloromethane (Chloroform) Tetra-chloromethane (CCl4)
27
Chlorine (Cl2) Hydrogen chloride (HCl)
Mendefinisikan reaksi
1) Kembali ke jendela simulation basis manager 2) Klik tab reaction. Tahapan-tahapan dan stoikiometri reaksi yang terjadi adalah sebagai
berikut :
Reaksi Stoikiometri
Rxn-1 CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl
Rxn-2 CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl
Rxn-3 CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl
Rxn-4 CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl
Tahapan-tahapan yang kita lakukan untuk mendefinsikan reaksi sebagai berikut :
- Membuat dan mendefinisikan kinetika reaksi - Membuat reaction set yang berisi reaksi - Mengaktivasi reaction set sehingga dapat digunakan di dalam simulasi
Membuat reaksi 1) Di dalam tab reaction klik Add Rxn, pilih tipe reaksi : Kinetic. Selanjutnya tekan tombol
Add reaction, maka akan muncul jendela Kinetic Reaction property. Masukkan
informasi yang tersedia ke dalam table.
HYSYS secara default akan memberikan nilai forward order dan reverse order
berdasarkan stoikiometri reaksi.
2) Masih pada Kinetic Reaction property view, klik tab Basis dan masukkan informasi berikut ini :
28
Di dalam cell Masukkan
Basis Mole fraction
Rxn Phase Vapour phase
Rate Units Kgmole/m3s
Masukkan data yang sama untuk ketiga jenis reaksi lainnya.
3) Klik pada Parameters tab. Dalam tab ini tersedia parameter sesuai persamaan Arhenius untuk kinetika reaksi. Lengkapi reaksi dengan memasukkan parameter-parameter berikut
ini
Reaksi Parameter-parameter Kinetika
Rxn-1
Base component : CH4
A = 37 939 kgmol/m3s
E = 78 160 kJ/kgmole
Rxn-1
Base component : R-40
A = 36 421 kgmol/m3s
E = 84 850 kJ/kgmole
Rxn-1
Base component : Cl2-Cl
A = 75 878 kgmol/m3s
E = 78 160 kJ/kgmole
Rxn-1
Base component : Chloroform
A = 57 060 kgmol/m3s
E = 69 390 kJ/kgmole
Status windows sekarang sudah ready
4) Tutup tampilan Reaction Set dan kembali ke Simulation Basis Manager. Reaction Set yang baru (Set-1) muncul pada kolom Reaction Sets
5) Klik Set-1 pada menu Reactions. 6) Klik tombol Add to FP hingga muncul tampilan Add Set-1 yang menyarankan anda
untuk memilih Fluid Package yang akan ditambahkan pada Reaction Set. Pada tutorial ini
hanya ada satu Fluid Package, yaitu Basis-1.
7) Pilih Basis-1 dan klik tombol Add Set to Fluid Package 8) Klik menu Fluid Pkgs untuk menampilkan summary dari Fluid Package yang lengkap. 9) Klik Enter Simulation Environment untuk memulai simulasi
Membuat simulasi
1) Membuat material stream berdasarkan informasi berikut ini
Material Stream CH4 Feed Cl2 feed
Conditions
Temperature 25oC 25oC
Pressure 1000 kPa 1000 kPa
Flow 50 kgmole/h 100 kgmole/h
Compositions
Mole fraction CH4 1.000 0
Mole fraction Cl2 0 1.000
29
2) Membuat material stream yang lain berdasarkan informasi di bawah ini. Kita akan mengkoneksikan material stream ini setelah memasang unit operasi.
Material Stream RX_feed RX_out HX_feed
Conditions
Temperature 427oC 500oC
Pressure 980 kPa
Material Stream Produk Top Gas Recycle_1 Recycle_2
Conditions
Temperature 100oC 100oC 112oC
Pressure 890 kPa 890 kPa 1000 kPa
Flow 3.82 kgmole/h
Compositions
Mole fraction CH4 0.0121
Mole fraction Cl2 0.9879
Mole fraction
komponen lain
0
Tambahkan pula 4 buah energy stream yaitu : HX_energy, SP_energy, RX_energy dan
CP_energy. Kita tidak perlu memasukkan informasi apapun ke dalam aliran ini.
3) Menambahkan mixer - Dari object palette klik mixer - Tempatkan mixer ke dalam PFD - Masukkan informasi seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Aliran inlet
mixer berupa : CH4_feed, Cl2_feed dan Recycle_2. Aliran outlet berupa HX_feed.
- Klik kanan Feed_mix dan pilih show_table. Sehingga muncul table yang berisi suhu, tekanan dan flow.
30
4) Menambahkan heater Tambahkan heater dan masukkan informasi berikut ini : aliran inlet = HX_feed, aliran
outlet = RX_feed, dan aliran energy = HX_energy. Beri nama dengan pre-heater.
Aliran outlet mixer HX_feed dipanaskan ke dalam pre-heater hingga mencapai suhu
427oC digunakan sebagai aliran inlet reactor, RX_feed.
5) Menambahkan reactor. Reaktor klorinasi memiliki tipe reactor plug flow. Masukkan informasi berikut ini : aliran
inlet = RX_feed, aliran outlet = RX_out, aliran energy = RX_energy.
31
Pada tab rating, masukkan informasi di bawah ini :
Di dalam cell Masukkan
Length, m 10
Diameter, m 0,057
Number of tubes 500
Void fraction 1
Void fraction untuk tube yang kosong di-set 1, karena proses yang berlangsung adalah
proses thermal yang tidak memerlukan katalis.
Pertanyaan ?
Berapakan total volume yang terhitung ? ________________________________
Di dalam cell Masukkan
Reaction set Global Rxn Set
Delta P, kPa 50
Dengan suhu pada kedua aliran inlet dan outlet telah dispesifikasi, duty reactor akan dapat
dihitung. Namun demikian, duty belum dapat dihitung karena looping belum lengkap.
6) Menambahkan component splitter Produk hasil reaksi dimasukkan ke dalam unit pemisahan. Kita tidak dapat memodelkan
secara rigorous. Namun demikian kita akan menggunakan operasi pemisahan sederhana
yaitu komponen splitter.
- Doble klik komponen splitter dan masukkan informasi berikut ini : nama = separator, inlet = RX_out, overhead outlet = Top_Gas, Bottoms outlet = Produk, energy streams
= SP_energy.
32
- Pada splits page masukkan angka 1 untuk metana dan angka nol untuk komponen yang lain pada fraksi overhead.
7) Menambahkan recycle compressor Recycle compressor berfungsi untuk menaikkan kembali tekanan reaktan (yang tidak
terkonversi) untuk dikembalikan ke aliran inlet pre-heater. Masukkan informasi berikut
ini : nama = recycle compressor, inlet = Top_gas, outlet = recycle_1, energy =
CP_energy.
8) Menambahkan operasi recycle Terakhir kita memasang operasi recycle, untuk melengkapi material balance loop.
Masukkan stream Recycle_1 sebagai inlet dan Recycle_2 sebagai outlet
Jika kita mendapati aliran belum konvergen padahal iterasi sudah maksimum, coba klik
tab parameter, pada page numerical, pada cell maximum iterations ubah harganya dari 10
33
menjadi 100. Setelah selesai dan simulasi konvergen kita dapat masuk kembali ke operasi
reactor dan memeriksa profil suhu, tekanan dan komposisi dengan membuat plot atau
table dari variable-variabel tersebut.
Pertanyaan
Hitung berapa kebutuhan panas (heat duty) reactor ? _____________________
Recommended