Lec4 Struktur Reactor-Recycle [Compatibility · PDF fileHeri Rustamaji Teknik Kimia Unila. Jumlah Sistem Reaktor Jika sejumlah reaksi berlangsung pada temperatur dan tekanan ... Neraca

LEVEL - 3: RECYCLE STRUCTURE

Heri RustamajiHeri Rustamaji

Teknik Kimia Unila

Keputusan untuk MenentukanStuktur Recycle

1. Berapa banyak sistem reaktor yang diperlukan? Apakah terdapatpemisahan diantara sistem reaktor tsb?

2. Berapa banyak aliran recycle yang diperlukan?3. Apakah kita akan menggunakan salah satu reaktan berlebih pada

masukan reaktor?

2

masukan reaktor?4. Apakah memerlukan kompresor gas? Berapa biayanya?5. Haruskah reaktor dioperasikan secara adiabatis, dengan

pemanasan atau pendinginan langsung atau memerlukan penukarpanas?

6. Apakah kita ingin mendorong konversi kesetimbangan?Bagaimana?

7. Bagaimana biaya reaktor mempengaruhi potensi ekonomi?

Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

Jumlah Sistem Reaktor

Jika sejumlah reaksi berlangsung pada temperatur dan tekananberbeda, atau jika reaksi memerlukan katalis, kita menggunkansistem reaktor yang berbeda untuk reaksi tsb.

Contoh1. Proses HDA

3

Toluen + H2 Benzen + CH4 1150-1300oF2 Benzen Difenil + H2 500 psia


Jumlah reaktor yang dibutuhkan: satu

atm1andC80Anhydride,AceticAcidAceticKetene

atm1andC700,HC2

1COKetene

CHKeteneAcetone

42

4

Contoh 2.

4

Remark: dua reaktor dibutuhkan ntk sistem ini.

Jumlah Aliran Recycle

• Untuk menentukan jumlah aliran kita dapat mendaftarkomponen yg keluar reaktor berdasarkan titik didih normalnya.

• Selanjutnya kita mengelompokkan komponen recycle yangmemiliki titik didih yg berdekatan jika dalam reaktor yg sama.

• Selanjutnya jumlah aliran recycle didasarkan jumlah kelompok.• Aliran gas dan cair dibedakan, karena aliran recycle gas

memerlukan kompressor, yg selalu mahal.

5

Aliran gas dan cair dibedakan, karena aliran recycle gasmemerlukan kompressor, yg selalu mahal.

• Dianggap aliran recycle gas jika komponen tsb mendidih padatemperatur dibawah -48oC.

• Aliran recycle cairan hanya memerlukan pompa. Dalamperhitungan awal biaya pompa tidak dimasukkan karena nilainyakecil dibandingkan dengan kompressor, furnace, distilasi, dll.


“JanganJangan memisahkanmemisahkan duaduakomponenkomponen dandan kemudiankemudian

mencampurnyamencampurnya kembalikembali padapada

Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 6

komponenkomponen dandan kemudiankemudianmencampurnyamencampurnya kembalikembali padapada

masukanmasukan reaktorreaktor””

Komponen NBP,oC KodeH2 -253 Recycle+ purge-gasCH4 -161 Recycle +purge-gasBenzen 80 Primary produkToluen 111 Recycle- liquidDifenil 255 Fuel-byproduct

Contoh. Proses HDA

7Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

• Ada tiga aliran produk : purge, benzen dan difenil• Ada dua liran recycle , H2 + CH4 (gas) dan toluen (cairan),

sehinga:• Struktur recycle seperti gambar 3.2.

reactor separator

compresor

difenil

benzen

purgeGas recycle

Umpan H2

Umpantoluen

8

Toluen recycle

toluen

Gambar 3.2 Struktur recycle HDA


Komponen NBP,oC KodeCO -312,6 Fuel-byproductCH4 -161 Fuel byproductC2H4 -154,8 Fuel byproductKeton -42,1 reaktan terkonversiAseton 133,2 Recycle-R-1- liquidAsam Asetat 244,3 Recycle R-2 –liquidAsetat anhidrida 281,9 Produk Utama

Contoh. Proses Asetat anhidrat

9

Asetat anhidrida 281,9 Produk Utama


• Ada dua aliran produk : (CO + CH4 + C2H6) dan asetatanhidrida

• Ada dua aliran recycle cairan yang dikembailak ke raktor yangberbeda: aseton ke R1 dan asam asetat ke R2

• Struktur recycle sperti gambar 3.3.

UmpanAseton Reactor separator As. anhidr

Umpan Asam asetatCO, CH4 , C2H4

Reactor

atm1andC80Anhydride,AceticAcidAceticKetene

atm1andC700,HC2

1COKetene

CHKeteneAcetone

42

4

10

Aseton

Gambar 3.3 Struktur recycle Asetat Anhidrid


ReactorR1

separator

As. Asetat recycle

As. anhidrReactorR2

Aseton recycle

Reaktan Berlebih

Dalam beberapa kasus kegunaan reaktan berlebih:• Dapat mendorong distribusi produk/selektivitas (1)• Mendorong komponen lain mendekati konversi total (2)• Mendorong konversi kesetimbangan (3)

Sebagai contoh,1. produksi isooktana dengan alkilasi butana (isobutan berlebih) (1)

Butana + isobutana isooktan

11

1. produksi isooktana dengan alkilasi butana (isobutan berlebih) (1)Butana + isobutana isooktanbutan + isooktan C12

2. Produksi posgen (CO berlebih) (2)CO + Cl2 COCl2

3. Produksi sikloheksan (H2 berlebih) (3)Benzen + 3H2 sikloheksan


“Tidak ada aturan baku untukmembuat pilihan jumlah

excess optimum, dan karena

12

excess optimum, dan karenaitu kita perlu melakukan

analisis ekonomi terhadapvariabel desain ini”.


Neraca Massa RecycleReaktan PembatasPertamakali kita membuat neraca massa reaktan pembatas. Untuk proses HDA,laju alir toluen masuk reaktor adalah FT.

separatorbenzen

purgeUmpanH2

F (1-x)

13

reactor separator

FT (1-x)

difenil

benzenFT (1-x)

Umpantoluen

FTFFT

UmpanToluen ke reaktor = umpan segar toluen + recycle toluenFT = FFT + FT (1-x)FT = FFT/x


Reaktan LainnyaSetelah kita menghitung laju alir reaktan pembatas, kita menggunkan rasio molarpada masukan reaktor u menghitung laju alir recycle komponen lain.

reaktor separator

RG, yPH

Benzen, PB

5% CH4

95%H2

PG, (H2, CH4)

FH

FG

14

reaktor separator

difenil

Umpantoluen

FTFFT

FH /FT = MR = rasio molar hidrogen terhadap toluenyH2FG + yPHRG = MR(FFT/x)


• Neraca massa RecycleB FT

B FH

PH FH PH

Toluene:

Recycle Gas:

For x 0.75, P 265 and F 273

and given molar ratio ( ).

273365

0.75

P MR y

Sy x y y

RM

FT BT

G

FF

P

x Sx

R

15

FH PH(from balabces: y y

)( )

FTG G

BG

FH PH

MF

F Rx

PF

y

R

S y

265 5 0.953376

0.9694(0.4) 0.75 0.95 0.4


Design HeuristicTidak tersedia aturan memilih x untuk kasus reaksi yg

komplek.Tidak tersedia aturan memilih komposisi purging, yPH atau

rasio molar, MR. Untuk kasus reaksi tunggal tebakan awal yang memungkinkan adalah x =0,96

atau x = 0,98 xeq

ByProduk ReversibelJika kita me-recycle by produk yg terbentuk oleh reaksi reversibel, dan komponenmembentuk ke kesetimbangannya, seperti difenil dalam proses HDA.

16

membentuk ke kesetimbangannya, seperti difenil dalam proses HDA.

2 Benzen Difenil + H2

Pada keluaran reaktor:Keq = [Difenil][H2]/[benzen]2

Laju H2 dan benzen telah ditentukan dengan menggunakan reaksi pertama danperhitungan purging, shg kita dpt menggunakan kesetimbangan untuk menghitunglaju difenil pada keluaran reaktor.


Effek Panas Reaktor

Beban Panas Reaktor

Untuk reaksi tunggal yg seluruh reaktan pembatas terkonversidalam proses, beban panas reaktor :Beban Panas reaktor = panas reaksi x laju umpan segarQR = ΔHR FFT

17

Contoh. Proses HAD


B FT

6

For x 0.75, P 265 and F 273.

( 21530)(273) 5.878 10 /RR FTH F But hrQ

Perubahan temperatur adiabatis

Sekali kita telah menentukan beban panas reaktor dan laju alir yg melewatireaktor sebagai fungsi variabel desain, kita dapat memperkirakan perubahantemperatur adiabatis dari persamaan:

QR = F Cp (TR,in – TR,out)



• Heuristics

Since the availability of the hear transfer area is limited.The heat load is limited to 6-8 million Btu/hr.

ofrangein theisexchangerheathead-floatingaof

shelltheintofitsthatareaferheat transmaximumThe

1000)50)(20(

101

Btu/hr,101ofloadheataFor

26

6

ftTU

QA

20

Heat carrier• Since heat load depends on fresh feed flow rate and Tout is also a

function of recycle flow rate.• We can moderate the temperature change by increasing recycle

flow rate.

.8000to6000

ofrangein theisexchangerheathead-floatingaof2ft


Heuristic

Untuk proses endotermis dg beban panas kurang dari 6-8 x 106 Btu/jam, kitamenggunakan reaktor isotermal dg pemanasan langsung. Untuk beban panas yg lebihbesar kita harus menambahkan diluent dan heat carrier.

Untuk reaksi eksotermis kita menggunkan reaktor adiabatis jika kenaikan temperaturadiabatis kurang dari 10-15% dari temperatur masuk. Jika kenaikan temperatur

21

adiabatis kurang dari 10-15% dari temperatur masuk. Jika kenaikan temperaturadiabatis melebihi nilai ini, kita menggunakan pendinginan langsung, jika beban panasreaktor kurang dari 6-8 x 106 Btu/jam. Di luar itu kita menggunakan diluent atauheat carrier.

Diluent/heat carrier : zat atau komponen lain yg tidak bereaksi yg ditambahkan kereaktan untuk mendorong konversi atau menyerap panas atau meredam kenaikansuhu.


Batasan Kesetimbangan

exothermic


23

Ptot ↑MR (H2/C6H6)↑T ↓


• Reactor/Separator


vp

vp

CC

CC

/

1)/(

in

out

in

out

P

P

T

T

Pin = lbf/ft2 , Qin = ft3/min

Sebagai perhitungan awal efisiensi (eff) kompresor diasumsikan 90%.

11003,3 5

in

outinin

P

PQP

xhp

• Kapanpun terdapat recycle gas, kita memerlukan kompresor.• Persamaan desain untuk horsepower teoritis untuk kompresor sentrifugal adalah:

•Compressor Design And Costs

25

Sebagai perhitungan awal efisiensi (eff) kompresor diasumsikan 90%.

Biaya kompresor = (517,5)(bhp)0,82(2,11+Fc)(M & S)

280

bhp = hp/eff , M &S = indeks inflasi Marshall & Swift


• Sensitivitas

26

Remarks: 1.This is an expensive equipment and normallywe do not have spares.

2. Heuristic for multistage compressor:P2/P1=P3/P2=...


Pemilihan Reaktor27• Decisions

- type - pressure- concentration - phase- temperature - catalyst

• Reaction Path

Remark: EP = values of products-raw materials costs

HClClHCClHC

OHClHCHClOHC

HClClHCClHC

ClHCClHC

ClHCHClHC

heat

32242

2242242

32242

242222

3222

kmolVCM-$1.4EP22/13Path

kmolVCM$8.89EP2Path

kmolVCM-$11EP1Path


• Types of reaction systems

(waste)

(desired)

:RecationsParallel

e)(reversibl

ble)(irreversi

ble)(irreversi

:ReactionSingle

2

1

11 ,

SA

RA

RA

RBA

RA

k

k

kk

k

k

bf

28

Remark: There are a lot of more reaction systems, e.g., mixed paralleland consecutive reactions.

(waste)

(desired)

:RecationseConsecutiv

(waste)

(desired)

2

1

2

1

SR

RA

SBA

RBA

k

k

k

k


• Reactor concentration and temperature

The objectives to design the reactor concentration and temperatureprofiles are:

O1. to improve selectivity (minimize the generation of byproducts)O2. to increase economic potential (minimize reactor cost)O3. to facilitate downstream separation (decrease separation cost)O4. to possess operability (handle production rate changes)

29

O4. to possess operability (handle production rate changes)

Remark: Certainly, there are cases which are important to ensurecomplete conversion of hazardous or corrosive material.


• Reactor concentration - single reaction

:ReactionSingle

RA k

- use PFR (O2)

:ReactionSingle

RBA k

30

RBA

- A/B=50/50 is most economic but with little operability- if R is HK, make LK excess (Cheng and Yu)- if B is HK and R is IK, make B excess (Cheng and Yu)- degree of excess depends on the relative reactor/separatorcosts (Cheng and Yu, AIChE J, 2003, 49, 682.)

Remark: Note that:RB

VC)(:ratereactionTotalA

CTk


• Reactor concentration - parallel reactions

For the followings reactions orders of reactions become important.

222

111

21

22

11

maximize.to

wantwhich we/torelatedisyselectivitThe

(waste)

(desired)

:RecationsParallel

b

B

a

A

k

b

B

a

A

k

rr

CCkrSBA

CCkrRBA

31

2121

2

1

2

1

maximize.to

bb

B

aa

A CCk

k

r

r

a1>a2 & b1>b2: keep both CA and CB higha1>a2 & b1<b2: keep CA high and CB lowa1<a2 & b1<b2: keep both CA and CB lowa1<a2 & b1>b2: keep CA low and CB high

Ref: Ward et al. (IEC&R 2004, 43, 3957) discuss operating policiesfor parallel reactions in planwide control.


• Reactor type - parallel reactions

Pola kontak untukvariasi kombinasireaktan konsentrasitinggi dan rendah padoperasi non-kontinyu

32

Remark : Normally we set the temperature at the highest and yet acceptable level (Levenspiel, 1999)


Pola kontak untukvariasi kombinasireaktan konsentrasitinggi dan rendah padoperasi aliran kontinyu

• Reactor type - parallel reactions

Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 33

• Reactor temperature - reversible reaction

RT

EE

b

f

b

f

bf

kk

bf

bf

ek

k

k

k

x

x

xkxkrRA

0

0

eq

,

1K

xx-1

)1(e)(reversibl

endothermic (Ef>Eb): - high temperature favors equilibrium conversion

34

endothermic (Ef>Eb): - high temperature favors equilibrium conversionand also gives higher reaction rate

- set the temperature as high as possibleexothermic (Ef<Eb): - low temperature favors equilibrium conversion

but high temperature gives higher reaction rate- set the temperature high initially and decrease

the temperature as equilibrium approaches


• Reversible reaction- remember physical chemistry

A ↔ B + heat

35

A + heat ↔ B


• Implication in reactor design - reversible and exothermic

Design: series of reactors with cold shot or intermediate heat exchangers

with cold shot


• Reactor heat removal


• More reactor heat removal


• Reactor pressure- vapor phase reaction

Irreversible single reactions:- high pressure increases vapor density and thus gives higher

reaction rate (smaller reactor volume if given conversion)

Reversible single reactions:

2A↔B- an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating

39

- an increase in the pressure shifts the reaction toward compensatingthe pressure increase (RHS) and thus increases the equilibriumconversion (Le Chatelier’s principle).

A ↔ 2B- an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating

the pressure increase (LHS) and thus decreases the equilibriumconversion.

• Summary - heat removal

40

AB

A↔B

A RA S

• Summary - reactor design

41

A S

A+B RA+B S

A R S

(More detail see : Levenspile, 1999 and Smith, 2005)

Recycle Economics

input/output: favors zero conversion and no purge

recycle: favor large conversion and purge

42

Terima kasih43


Documents

Lec4 Struktur Reactor-Recycle [Compatibility · PDF fileHeri Rustamaji Teknik Kimia Unila. Jumlah Sistem Reaktor Jika sejumlah reaksi berlangsung pada temperatur dan tekanan ... Neraca