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

(1)

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:

Kapasitas produksi =

jam hari x

hari tahun x

tahun ton

24 1 330

1 000

. 40

= 5,0505051 ton/jam

= 5050,505 kg/jam

Kemurnian produk ((NH4)2SO4) = 99 %

Air = 1 %

Amonium sulfat ((NH4)2SO4) = 99 % × 5050,505 kg/jam

= 5000 kg/jam

Komposisi bahan baku :

 Amonia (NH3) : 99,5 %

 Karbon dioksida (CO2) : 99,9 %

 Asam Sulfat (H2SO4) : 98 %

Berat Molekul masing-masing senyawa

 CaSO4.2H2O : 172 kg/kmol

 NH3 :17 kg/kmol

 CO2 : 44 kg/kmol

 (NH4)2SO4 : 132 kg/kmol

 CaCO3 : 100 kg/kmol

 (NH4)2CO3 : 96 kg/kmol

(2)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN  H2SO4 : 98 kg/kmol

A.1 Neraca Massa Absorber (AB-101)

17 NH3

CO2

12 NH3

14 CO2

19 H2O

(NH4)2CO3

18 H2O

(NH4)2CO3

15 H2O

Fungsi : mereaksikan NH3, CO2, dan H2O menjadi (NH4)2CO3 sebagai umpan

reaktor

Adapun umpan masuk dalam absorber berupa amonia (NH3), karbon dioksida (CO2),

dan air (H2O). Untuk menghasilkan 1 ton amonium sulfat dibutuhkan 292 kg amonia

dan 374 kg karbon dioksida (Chou, 1995).

Neraca Massa Total

F12 + F14 + F15 + F19 = F17+ F18

Perhitungan :

Umpan masuk Absorber :

o _{Reaktan 1 (Alur 12), terdiri dari 100 % ammonia}

(3)

o _{Reaktan 2 (Alur 14), terdiri dari 100% karbon dioksida}

Umpan masuk CO2 = 1683,136 kg/jam

Reaksi :

2NH3 + CO2 + H2O ↔ (NH4)2CO3

Konversi reaksi = 98 % (Chou, 1995)

a. Neraca Komponen CO2

CO2 yang masuk = 1683,136 kg/jam = 38,253 kmol/jam

CO2 yang bereaksi = 98% × CO2 yang masuk

= 98% × 38,253 kmol/jam

= 37,488 kmol/jam

= 1649,473 kg/jam

CO2 sisa = 1683,136 – 1649,473 kg/jam

= 33,663 kg/jam Neraca Komponen NH3

NH3 yang masuk = 1314,106 kg/jam = 77,300 kmol/jam

NH3 yang bereaksi = 2 × mol CO2 yang bereaksi

= 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 H2O

Pada absorber ditambah fresh water dalam jumlah besar karena produk yang

(4)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN

kg NH3 diperlukan 1000 kg air (Gowariker, 2009). Fresh water yang

ditambahkan (alur 15) sebesar 7730,035 kg/jam

H2O yang masuk = H2O arus 15 + H2O arus 12

= 7730,035 kg/jam + 143,340 kg/jam

= 7873,375 kg/jam

= 437,410 kmol/jam

H2O yang bereaksi = 1 x mol CO2 yang bereaksi

= 37,488 kmol/jam

= 674,784 kg/jam

H2O sisa = 7873,375 – 674,784 kg/jam

= 7198,590 kg/jam

c. Neraca Komponen (NH4)2CO3

(NH4)2CO3 yang masuk (alur 19) diperoleh dari hasil iterasi sebanyak 156,317

kg/jam .

(NH4)2CO3 hasil reaksi = 37,488 kmol/jam

= 3598,850 kg/jam

(NH4)2CO3 keluar absorber = 156,317 + 3598,850 kg/jam

= 3755,168 kg/jam

Tabel A.1 Neraca massa absorber

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

F12 F14 F15 F19 F17 F18

NH3 1314,106 39,513

(5)

H2O 7730,035 143,340 7198,590

(NH4)2CO3 156,317 3755,168

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)

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

reaktor.

Neraca Massa Total

F1 + F13 = F16

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 CaSO4.2H2O dan H2O dalam campuran umpan sebanyak

3:1 maka:

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

16 CaSO4.2H2O

H2O

1 CaSO4.2H2O

13 H2O

(6)

= 1872,099 kg/jam

Tabel A.2 Neraca massa mixer

Komponen

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

F1 F13 F16

CaSO4.2H2O 5962,981 5962,981

H2O 1872,099 1872,099

Jumlah 5962,981 1872,099 7835,080

Jumlah Total 7835,080 7835,080

A.3 Neraca Massa Reaktor (R-201)

R-201

22 CO2 NH3

23 CaSO4.2H2O

H2O (NH4)2CO3 (NH4)2SO4 CaCO3 18

(NH4)2CO3 H2O

16 CaSO4.2H2O

(7)

Fungsi : Mereaksikan Amonium karbonat dari absorber dengan Gypsum FGD

untuk menghasilkan produk amonium sulfat.

Neraca Massa Total

F16 + F18 = F22 + F23

Reaksi utama :

(NH4)2CO3 + CaSO4.2H2O → (NH4)2SO4 + CaCO3 + 2H2O

Reaksi samping :

(NH4)2CO3 ↔ 2NH3 + CO2 + H2O

Konversi reaksi overall = 83 % ( Chou, 1995 )

Selektifitas = 97 %

Perhitungan:

Amonium karbonat ((NH4)2CO3)yang masuk dari unit absorber 3755,168 kg/jam =

39,116 kmol/jam. Gypsum FGD (CaSO4.2H2O) yang masuk dari unit mixer

5962,981 kg/jam = 34,668 kmol/jam. CaSO4.2H2O yang bereaksi 34,668 kmol/jam

× 83% × 97 % = 27,912 kmol/jam. Sehingga diperoleh (NH4)2SO4 yang terbentuk

sebanyak 27,912 kmol/jam, CaCO3 yang terbentuk sebanyak 27,912 kmol/jam, dan

H2O yang terbentuk sebanyak 2 x 27,912 = 55,823 kmol/jam.

Massa (NH4)2SO4 yang terbentuk = 27,912 kmol/jam × 132 kg/kmol

= 3684,332 kg/jam

Massa CaCO3 yang terbentuk = 27,912 kmol/jam × 100 kg/kmol

= 2791,160 kg/jam

Massa H2O yang terbentuk = 55,823 kmol/jam × 18 kg/kmol

= 1004,818 kg/jam

Reaksi samping :

(8)

(NH4)2CO3 yang terdekomposisi sebanyak 34,668 × 83% × 3% = 0,863 kmol/jam.

Dengan asumsi reaksi berjalan sempurna, maka NH3 yang terbentuk sebanyak 2 ×

0,863 = 1,726 kmol/jam, CO2 yang terbentuk sebanyak 0,863 kmol/jam, dan H2O

yang terbentuk sebanyak 0,863 kmol/jam.

Massa NH3 yang terbentuk = 1,726 kmol/jam × 17 kg/kmol

= 29,350 kg/jam

Massa CO2 yang terbentuk = 0,863 kmol/jam × 44 kg/kmol

= 37,983 kg/jam

Massa H2O yang terbentuk = 0,863 kmol/jam × 18 kg/kmol

= 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 )

F16 F18 F22 F23

(NH4)2CO3 3755,168 992,782

CaSO4.2H2O 5962,981 1162,185

H2O 1872,099 10091,045

(NH4)2SO4 7189,590 3684,332

CaCO3 2791,160

NH3 29,350

CO2 37,983

(9)

Jumlah Total 18788,838 18788,838

A.4 Neraca Massa Filter (FL-201)

Fungsi : Memisahkan CaCO3 dan gypsum yang tidak bereaksi dari larutan

amonium sulfat

Neraca Massa Total

F23 + F24= F25 + F27

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

Komponen

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

F23 F24 F25 (Cake) F27 (Filtrat)

(NH4)2CO3 992,782 19,856 972,927

CaSO4.2H2O 1162,185 1162,185

H2O 10091,045 3744,301 691,767 13143,579 24

H2O

27 H2O

(NH4)2CO3

(NH4)2SO4

23 CaSO4.2H2O

H2O

(NH4)2CO3

(NH4)2SO4

CaCO3

25 CaSO4.2H2O

H2O

(NH4)2CO3

(NH4)2SO4

(10)

(NH4)2SO4 3684,332 22,106 3662,226

CaCO3 2791,160 2791,160

Jumlah 18721,504 3744,301 4687,074 17778,731

Jumlah Total 22465,805 22465,805

A.5 Neraca Massa Tanki Netralisasi (R-202)

4 H2SO4

H2O

27 H2O

(NH4)2CO3

(NH4)2SO4

26 CO2

28 H2O

(NH4)2SO4

R-202

Fungsi : meningkatkan konversi amonium sulfat dengan mereaksikan ammonium

carbonat yang ada dengan asam sulfat

Neraca Massa Total

F4 + F27 = F26 + F28

(11)

H2SO4 + (NH4)2CO3 → (NH4)2SO4 + CO2 + H2O

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

Massa air yang ada = 2% 98 100

993,196  = 20,269 kg/jam

Dengan asumsi reaksi berjalan sempurna, dihasilkan (NH4)2SO4, CO2, H2O

masing-masing sebanyak 10,135 kmol/jam.

Massa (NH4)2SO4 = 10,135 kmol/jam x 132 kg/kmol

= 1337,774 kg/jam

Massa CO2 = 10,135 kmol/jam x 44 kg/kmol

= 445,925 kg/jam

Massa H2O hasil reaksi = 10,135 kmol/jam x 18 kg/kmol

= 182,424 kg/jam

Tabel A.5 Neraca Massa Tanki Netralisasi

Komponen

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

F4 F27 F28 F26

(NH4)2SO4 3662,226 5000,000

(12)

H2O 20,269 13143,579 13346,272

H2SO4 993,196

CO2 445,925

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

Jumlah Total 18792,196 18792,196

A.6 Neraca Massa Absorber (AB-102)

22 CO2 NH3

21 NH3

20 H2O

19 H2O (NH4)2CO3 17

NH3 CO2

Fungsi : mereaksikan reaktan sisa dari reaktor dengan fresh water untuk

menghasilkan produk amonium sulfate encer sebagai umpan absorber

(13)

F17 + F20 + F22 = F21 + F19

Perhitungan :

2NH3 + CO2 + H2O ↔ (NH4)2CO3

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 CO2 mula-mula = (33,663 + 37,983) kg/jam : 44 kg/kmol

= 1,628 kmol/jam

Pada reaksi ini karbon dioksida sebagai reaktan pembatas sehingga:

(NH4)2CO3 yang terbentuk = mol CO2 mula-mula x BM (NH4)2CO3

= 1,628 kmol/jam x 96 kg/kmol = 156,317 kg/jam

Kebutuhan H2O untuk reaksi = mol CO2 mula-mula x BM air

= 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 NH3 diperlukan 1000 kg air (Gowariker, 2009). Fresh water yang ditambahkan

pada scrubber sebesar 172,649 kg/jam.

Massa NH3 sisa = (4,051 –2(1,628)) kmol/jam x 17 kg/kmol

= 13,501 kg/jam

Massa H2O sisa = (172,649 – 29,310) kg/jam

= 143,340 kg/jam

(14)

Komponen

F17 F20 F22 F19 F21

NH3 39,513 29,350 13,501

CO2 33,663 37,983

H2O 172,649 143,340

(NH4)CO3 156,317

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

Jumlah Total 313,158 313,158

A.7 Neraca Massa Evaporator (EV-201)

Fungsi : memekatkan larutan amonium sulfat.

Neraca Massa Total

F28 = F29+ F30

28 H2O

(NH4)2SO4

30 H2O

(NH4)2SO4

(15)

Diketahui pada suhu 85oC 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.

H2O dalam cairan keluar evaporator = 3 , 95 5000

kg/jam

= 5246,589 kg/jam

H2O dalam uap keluar evaporator = 13346,272 – 5246,589 kg/jam

= 8099,682 kg/jam

Tabel A.7 Neraca massa evaporator

Komponen

F28 F29 (Gas) F30 (Cairan)

(NH4)SO4 5000,000 5000,000

H2O 13346,272 8099,682 5246,589

Jumlah 18346,271 8099,682 10246,589

Jumlah Total 18346,271 18346,271

A.8 Neraca Massa cristalizer (CR-301)

Fungsi : menjenuhkan dan mengkristalkan larutan amonium sulfat.

CR-301 33 H2O

34 H2O

(NH4)2SO4 (l)

(NH4)2SO4 (s)

31 H2O

(16)

Neraca Massa Total

F31 = F33 + F34

Diketahui kelarutan amonium sulfat pada suhu 65o 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

(NH4)2SO4 yang terlarut = kelarutan dalam air × jumlah massa air

= 88 % × 61242,303 kg/jam

= 53893,227 kg/jam

(NH4)2SO4 kristal = (5000 + 53893,227 - 53893,227) kg/jam

= 5000 kg/jam

Tabel A.8 Neraca massa kristalizer

Komponen

F31 F33(Gas) F34(Cairan)

(NH4)2SO4 (l) 58893,226 53893,226

(17)

H2O 64957,835 61242,303

Jumlah 123851,061 3715,532 120135,530

Jumlah total 123851,061 123851,061

A.9 Neraca Massa Centrifuge (CF-301)

Fungsi : memisahkan amonium sulfat kristal yang terbentuk dengan larutannya.

Neraca Massa Total

F34 = F32 + F35

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

Komponen

F34 F32(mother liquor) F35(produk)

(NH4)2SO4 (l) 53893,227 53893,227

(NH4)2SO4 (s) 5000,000 5000,000

H2O 61242,303 59711,246 1531,058 32

H2O

(NH4)2SO4 (l)

34 H2O

(NH4)2SO4 (l)

35 H2O

(18)

Jumlah 120135,530 113604,472 6531,057

Jumlah total 120135,530 120135,530

A.10 Neraca Massa Rotary Dryer (RD-301)

Fungsi : mengurangi kadar air dalam kristal amonium sulfat menjadi 1%.

Neraca Massa Total

F35 = F36+ F37

Tabel A.10 Neraca massa rotary dryer

Komponen

F35(produk) F36(gas) F37 (Produk)

(NH4)SO4(s) _5000,000 5000,000

H2O _1531,058 1480,552 50,505

Jumlah _6531,057 1480,552 5050,505

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

35 H2O

(NH4)2SO4 (s)

36 H2O

37 H2O

(NH4)2SO4 (s) R

(19)

Neraca panas ini menggunakan rumus-rumus perhitungan sebagai berikut:

Persamaan untuk menghitung kapasitas panas (Reklaitis, 1983) :

3

Jika Cp adalah fungsi dari temperatur maka persamaan menjadi :

)

Untuk sistem yang melibatkan perubahan fasa persamaan yang digunakan adalah :



Perhitungan energi untuk sistem yang melibatkan reaksi :



B.1 Data Perhitungan Cp

Berikut ini rumus yang dapat digunakan untuk menghitung kapasitas panas gas.

Cpg = a + bT + cT2 + dT3 + eT4 [J/mol K]

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

Komponen A B C D

NH3 (g) 27,550 2,56278E-02 9,90042E-06 -6,68639E-09

CO2(g) 19,02230 7,96291E-02 -7,37067E-05 3,74572E-08

H2O (g) 34,047 -9,65E-03 3,30E-05 -2,04E-08

(Reklaitis,1983)

Berikut ini rumus yang dapat digunakan untuk menghitung kapasitas panas cairan.

Cpl = a + bT + cT2 + dT3 [J/mol K]

Tabel B.2 Nilai konstanta a, b, c, dan d untuk perhitungan Cp cairan

(20)

NH3 (l) 2,01E+01 8,46E-01 -4,07E-03 6,61E-06

CO2 (l) 1,10E+01 1,15955 -7,23E-03 1,55E-05

H2O (l) 1,83E+01 4,72E-01 -1,34E-03 1,31E-06

(Reklaitis, 1983)

Tabel B.3 Kapasitas panas cairan H2SO4 (98 %)

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

H2SO4 (98 %)

298,15 138,593

300 138,948

400 158,238

500 177,621

Tabel B.4 Kapasitas panas CaCO3

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

CaCO3

298,15 83,741

300 83,817

400 96,985

500 104,547

(Barin, 1995)

B.2 Estimasi Cp dengan metode Hurst dan Harrison

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

Hurst and Harrison dengan rumus:

(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 (Perry & Green,

1999):

Tabel B.5 Kontribusi unsur dan gugus untuk estimasi Cp

(21)

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) (NH4)2SO4 164

(NH4)2CO3 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

Komponen Panas pembentukan (298,15 K)

CaSO4·2H2O -479,33 Kcal/mol -2006,85884 kJ/mol

H2O -68,3174 Kcal/mol -286,03129 kJ/mol

H2SO4 -193,69 Kcal/mol -810,941292 kJ/mol

CO2 -94,052 Kcal/mol -393,776914 kJ/mol

CaCO3 -289,5 Kcal/mol -1212,0786 kJ/mol

NH3 -10,96 Kcal/mol -45,887328 kJ/mol

(NH4)2CO3 -223,4 Kcal/mol -935,33112 kJ/mol

(NH4)2SO4 (aq) -279,33 Kcal/mol -1169,49884 kJ/mol

(22)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN B.4 Vaporizer Amonia (E-101)

6

730,059 -1857,756 -1356,272

Q6 -202197,306

Panas keluar

Alur 9: NH3 (g) pada suhu 319,15 K dan tekanan 5,5 atm

319,15 -146390,280 1236,9 136473,719 1615501,124

(23)

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

Q = Qout – Qin = (1615501,124 – (-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 Hl = 503,8375 kJ/kg

Hv = 2706,0125 kJ/kg

λ steam = Hv - Hl

= (2706,0125 – 503,8375) kJ/kg = 2202,175 kJ/kg

Steam yang diperlukan adalah:

kg/jam 825,411

kJ/kg 2202,175

kJ/jam 0

1817698,43 K 393,15 Pada

Q m

  



B.5 Vaporizer CO2 (E-102)

7 NH3 H2O T = 319.15 K Saturated Steam

T = 393.15 K

Kondensat T = 393.15 K

E-102

(24)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN Panas masuk

dT Cpl N

298,15 240,15 senyawa

    

  

 _

Q

Alur 5: CO2 (l), H2O (l) pada suhu 240,15 K dan tekanan 20,5 atm

Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 1 5 . 2 4 0 1 5 . 2 9 8

(J/mol) _{Q (kJ/jam)}

240,15 CO2 (l) 35091,805 -5975,145 -209678,642 H2O (l)

137,468 -4276,325 -587,857

Q5 _-210266,500

Panas keluar

Alur 7: CO2 (l) pada suhu 319,15 K dan tekanan 20,5 atm

Komponen N (mol/jam)

dT Cp ,1 5 2 5 5

1 5 , 2 9 8

(J/mol)

∆Hvl (kJ/Kg)

dT Cp ,1 5 3 1 9

1 5 , 2 5 5

(J/mol)

Q

(kJ/jam)

CO2 38253,085 -162618,085 278,6 84963,913 267032,838

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

Q = Qout +Qvl – Qin = (267032,838 – (-210266,500)) kJ/jam = 477299,337 kJ/jam

Data air yang digunakan:

Hv = 2706,0125 kJ/kg







  319,15

15 , 255 15

, 319

15 ., 298

15 , 255

15 , 298

dT Cp H

dT Cp

(25)

λ steam = Hv - Hl

= (2706,0125 – 503,8375) kJ/kg = 2202,175 kJ/kg

kg/jam 216,740

kJ/kg 2202,175

kJ/jam 477299,337

K 393,15 Pada

Q m

  



B.6 Absorber (AB-101)

17 NH3

CO2

317,15 K

12 NH3

317,15 K

14 CO2

317,15 K

19 H2O

(NH4)2CO3

317,15 K

18 H2O

(NH4)2CO3

317,15 K 15

H2O

303,15 K

AB-101 Air pendingin

T= 303,15 K

Air pendingin T= 323,15 K

Panas reaksi dapat dihitung dengan menggunakan rumus sebagai berikut:





 

 2

1 2

1

) (

T

T in T

T

out

r T N CpdT N CpdT

H r dt dQ

Masuk :

(26)

Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 1 5 , 3 1 7 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

317,15 NH3 (g) _77300,352 _687,360 _53133,206

Alur 14: CO2 (317,15 K; 1atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

317,15 CO2 (g) _38253,085 _715,036 _27352,343

Alur 15: H2O (303,15 K; 1 atm)

Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 1 5 , 3 0 3 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

303,15 H2O (l) _429446,398 _374,705 _160915,920

Alur 19: H2O, (NH4)2CO3 (317,15 K; 1 atm)

Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 1 5 , 3 1 7

1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

317,15 H2O (l) 7963,309 1426,805 11362,093 (NH4)2CO3 _1628,307 _2833,090 _4613,141

Sehingga,

Qin = Q 12 + Q 14 + Q 19 + Q15

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

= 257376,702 kJ/jam

Persamaan reaksi yang berlangsung di absorber:

2NH3 + CO2 + H2O (NH4)2CO3

Panas reaksi pada keadaan standar (298,15 K):

Komponen Hf (kJ/mol) NH3 -45,887328

CO2 -393,776914

(27)

(NH4)2CO3 -935,33112

Panas reaksi pada keadaan standar :

ΔHr298,15= Σ σ.ΔHf

)) 1

1 2

( 1

(

2 2

3 3

2 4) ( 15

, 298

o O H f CO

o f NH

o f CO

NH o f o

H x H

x H

x

Hr        



= (-935,33112)-((2x(-45,887328)) + (-393,776914)+ (-286,03129))

= -163,7482601 kJ/mol

Panas reaksi, ΔHr298,15 bernilai negatif (-), maka reaksi adalah eksothermis.

Jumlah panas yang dibutuhkan pada keadaan standar :

r = 37488,023 mol/jam

Panas Reaksi suhu standar = r × ΔHr298,15

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

= -6138598,589 kJ/jam

Keluar :

Alur 17: CO2, NH3 (317,15 K; 1atm)

Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 1 5 , 3 1 7 1 5 ,

2 9 8 (J/mol) Q (kJ/jam)

317,15 NH3 (g) 2324,305 687,360 1597,635 CO2 (g)

765,062 234,840 179,667

Q17 1777,303

Alur 18: H2O, (NH4)2CO3 (317,15 K; 1 atm)

Qout = Q 17 + Q 18

317,15 H2O (l) 399921,684 1426,805 570610,423 (NH4)2CO3

39116,330 2833,090 110820,085

(28)

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

= 683207,811 kJ/jam

Maka ,





 

 2

1 2

1

) (

T

T in T

T

out

H r dt dQ

= ((-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) ]

=







15 , 303

15 , 298

) ( 15

, 323

15 , 298

)

( 2

2 dT Cp dT

Cp_H_O_l _H_O_l

= 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:

B.7 Heater (E-103)

E-107 Saturated Steam

T = 393.15 K

Kondensat T = 393.15 K 10

H2O

(NH4)2CO3

T =317,15 K

10 H2O

(NH4)2CO3

T =343,15 K E-103

kg/jam 601

, 68361

kJ/kg 83,566905

kJ/jam 0

5712767,48

K) H(303,15

-K) H(323,15

Q m

(29)

Neraca panas pada pre-heater dapat dihitung sebagai berikut

IN OUT Q Q dt

dQ _ _

Masuk :

Alur 10: H2O, (NH4)2CO3 (317,15 K; 1 atm)

Keluar :

Alur 10: H2O, (NH4)2CO3 (343,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

343,15 H2O (l) 399921,684 3390,654 1355996,011 (NH4)2CO3 _39116,330 _6709,950 _262468,622

Qout 1618464,632

Sehingga

IN OUT Q Q dt dQ

 

Q = Q out – Q in

= (1618464,632 – 681430,508) kJ/jam = 937034,124 kJ/jam

Data steam yang digunakan:

Dimana steam yang digunakan saturated steam dengan temperatur 393,15 K Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT

1 5 , 3 1 7 1 5 ,

317,15 H2O (l) 399921,684 1426,805 570610,423 (NH4)2CO3

39116,330 2833,090 110820,085

(30)

Hl = 503,8375 kJ/kg

Hv = 2706,0125 kJ/kg

λ steam = Hv - Hl

= (2706,0125 – 503,8375) kJ/kg = 2202,175 kJ/kg

kg/jam 504 , 425

kJ/kg 2202,175

kJ/jam 937034,124

K 393,15 Pada

Q m

  



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

Masuk :

Alur 1: Gypsum (303,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

303,15 Gypsum 34668,494 938,048 32520,712

Alur 13: H2O (l) (303,15 K; 1atm)

16 CaSO4.2H2O

H2O

T = 343,15 K 1

CaSO4.2H2O

T = 303,15 K

13 H2O

T = 303,15 K Saturated steam

T = 393,15 K

kondensat T = 393,15 K

M-101

(31)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

303,15 H2O (l) _104005,481 _374,705 _38971,424

Qin = Q1 + Q13

= (32520,712 + 38971,424) kJ/jam

= 71492,136 kJ/jam

Laju pencampuran gypsum = (5962,981 kg/jam) × (1000 mol/kmol) /(172 kg/kmol)

= 34668,494 mol/jam

Panas pencampuran gypsum adalah: -0,18 kkal/gmol = -753,624 J/mol

(Perry & Green, 1999)

∆Hs = laju pencampuran × panas pencampuran gypsum = 34668,494 mol/jam × -753,624 J/mol

= -26127008,811 J/jam = -26127,009 kJ/jam

Keluar:

Alur 16: H2O (l), Gypsum (343,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

343,15 H2O (l) 104005,481 3390,654 352646,587 Gypsum

34668,494 9014,778 312528,782

Qout 665175,369

Sehingga Q = QOut - (∆Hs + QIn)

= (665175,369 - (-26127,009 + 71492,136)) kJ/jam

= 619810,242 kJ/jam

(32)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN λ steam = Hv - Hl

= (2706,0125 – 503,8375) kJ/kg = 2202,175 kJ/kg

kg/jam 454

, 81 2

kJ/kg 2202,175

kJ/jam 619810,242

K 393,15 Pada

Q m

  



B.9 Absorber (AB-102)

22 CO2 NH3 T = 317,15 K

21 NH3 T = 317,15 K

20 H2O T = 303,15 K

19 H2O (NH4)2CO3

T = 317,15 K

17 NH3 CO2 T= 317,15K Air pendingin T=303,15K

Air pendingin T=323,15K

AB-102

(33)





 

 2

1 2

1

) (

T

T in T

T

out

H r dt dQ

Masuk:

Alur 17: CO2, NH3 (317,15 K; 1atm)

317,15 NH3 (g) 2324,305 687,360 1597,635 CO2 (g) _765,062 _715,036 _547,047

Q17 2144,682

Alur 20: H2O(l) (303,15 K; 1 atm)

Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 1 5 , 3 0 3 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

303,15 H2O (l) _9591,617 _374,705 _3594,031

Alur 22: NH3(g), CO2(g) (317,15 K; 1 atm)

317,15 NH3 (g) 1726,491 687,360 1186,722 CO2 (g)

863,245 715,036 617,252

Q22 1803,973

QIn = Q 17 + Q20 + Q 22

= (2144,682 + 3594,031 + 1803,973) kJ/jam

= 7542,687 kJ/jam

Persamaan reaksi yang berlangsung di scrubber:

2NH3 + CO2 + H2O (NH4)2CO3

(34)

NH3 -45,887328

CO2 -393,776914

H2O -286,03129

(NH4)2CO3 -935,33112

)) 1

1 2

( 1

(

2 2

3 3

2 4) ( 15

, 298

o O H f CO

o f NH

o f CO

NH o f o

H x H

x H

x

Hr        



= (-935,33112)-((2x(-45,887328)) + (-393,776914)+ (-286,03129))

= -163,7482601 kJ/mol

Panas reaksi ΔHr298,15 (-), maka reaksi adalah eksothermis.

Jumlah panas yang dibutuhkan :

r = 1628,307 mol/jam

Panas Reaksi suhu standar = r × ΔHr298,15

= 1628,307 mol/jam × -163,7482601 kJ/mol

= -266632,469 kJ/jam

Keluar:

Alur 19: H2O, (NH4)2CO3 (317,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

317,15 H2O (l) 7963,309 1426,805 11362,093 (NH4)2CO3

1628,307 2833,090 4613,141

Q19 15975,234

Alur 21: NH3 (g) (317,15 K; 1atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

317,15 NH3 (g)

794,182 687,360 545,889

Qout = Q19 + Q21

(35)

= 16521,123 kJ/jam

Maka,





 

 2

1 2

1

) (

T

T in T

T

out

H r dt dQ

= ((-266632,469) + 16521,123 - 7542,687) kJ/jam

= -257654,034 kJ/jam

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

=







15 , 303

15 , 298

) ( 15

, 323

15 , 298

)

( 2

2 dT Cp dT

Cp_H_O_l _H_O_l

= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol

= 83566,905 J/kg

= 83,566905 kJ/kg

kg/jam 3083,207

kJ/kg 83,566905

kJ/jam 257654,034

K) H(303,15

-K) H(323,15

Q m

  

B.10 Cooler (E-202)

E-107 Air pendingin

T= 303,15

Air pendingin T = 323.15 K 22

NH3(g)

CO2(g)

T =343,15 K

E-202

22 NH3(g)

CO2(g)

(36)

IN OUT Q Q dt

dQ _ _

Masuk:

Alur 22: NH3 (g),CO2 (g) (343,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

343,15 NH3 (g) 1726,491 1645,453 2840,860 CO2 (g) _863,245 _1719,254 _1484,138

Qin 4324,999

Keluar:

Alur 22: NH3(g), CO2(g) (317,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

317,15 NH3 (g) 1726,491 687,360 1186,722 CO2 (g) _863,245 _715,036 _617,252

Qout 1803,973

Q = Qout – Qin

= (1803,973 - 4324,999) kJ/jam

= -2521,025 kJ/jam

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

=







15 , 303

15 , 298

) ( 15

, 323

15 , 298

)

( 2

2 dT Cp dT

Cp_H_O_l _H_O_l

= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol

(37)

= 83566,905 J/kg

= 83,566905 kJ/kg

kg/jam 168

, 30

kJ/kg 83,566905

kJ/jam 2521,025

K) H(303,15

-K) H(323,15

Q m

(38)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN B.11 Reaktor (R-201)

R-201

22 CO2 NH3 T =343,15 K

23 CaSO4.2H2O

H2O (NH4)2CO3 (NH4)2SO4 CaCO3 T =343,15 K 18

(NH4)2CO3 H2O T =343,15 K

16 CaSO4.2H2O

H2O T =343,15 K

Air pendingin T =303,15 K

Air pendingin T =323,15 K

R-201





 

 2

1 2

1

) (

T

T in T

T

out

H r dt dQ

Masuk :

Alur 16: H2O(l), Gypsum (343,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

343,15 H2O (l) 104005,481 3390,654 352646,587 Gypsum

34668,494 9014,778 312528,782

Q16 665175,369

Alur 18: H2O, (NH4)2CO3 (343,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

343,15 H2O (l) _399921,684 _3390,654 _1355996,011

(NH4)2CO3 _39116,330 _6709,950 _262468,622

Q18 1618464,632

(39)

Persamaan reaksi utama dalam reaktor:

(NH4)2CO3 + CaSO4.2H2O (NH4)2SO4 + CaCO3 + 2H2O

∆Hr = ∆Hf produk - ∆Hf reaktan

Komponen Hf (kJ/mol) (NH4)2CO3 -935,33112

CaSO4.2H2O -2006,85884

(NH4)2SO4 -1169,498844

H2O -286,03129

CaCO3 -1212,0786

))) 1

( ) 1

(( )) 2

( ) 1

(((

2 4 3

2 4 2

3 4

2

4) ( ) .2

( 15

,

298 _CaSO _H_O

o f CO

NH o f o

O H f o

CaCO f SO

NH o f o

H x H

x H

x

Hr          



= (((1x-1169,49884) + (1x-1212,0786) + (2x-286,03129)) -((1x-935,33112) + (1x-2006,85884)))

= -11,450 kJ/mol

Panas reaksi, ΔHr298,15 bernilai negatif (-), maka reaksi adalah eksothermis.

r = 27911,604 mol/jam

Panas reaksi utama suhu standar = r × ΔHr298,15

= 27911,604 mol/jam × -11,450 kJ/mol

= -319589,560 kJ/jam

Adapun reaksi samping yang terjadi:

(NH4)2CO3 ↔ 2NH3 + CO2 + H2O

(40)

Komponen Hf (kJ/mol) NH3 -45,887328

CO2 -393,776914

H2O -286,03129

(NH4)2CO3 -935,33112

)) 1

1 2

( ) 1

((

2 2

3 3

2 4) ( 15

, 298

o O H f CO

o f NH

o f CO

NH o f o

H x H

x H

x

Hr         



= (-(-935,33112) + ((2x(-45,887328)) + (-393,776914)+ (-286,03129))

= 163,7482601 kJ/mol

Panas reaksi, ΔHr298,15 bernilai positif (+), maka reaksi adalah endotermis.

Oleh karena itu suhu/ panas yang berlebihan perlu dihindarkan.

r = 863,245 mol/jam

Panas total reaksi samping = r × ΔHr

= 863,245 mol/jam × 163,7482601 kJ/mol

= 141354,947 kJ/jam

Keluar :

Alur 22: NH3 (g),CO2 (g) (343,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

317,15 NH3 (g) 1726,491 1645,453 2840,860 CO2 (g) _863,245 _1719,254 _1484,138

(41)

Alur 23: H2O (l), (NH4)2CO3, Gypsum, CaCO3, (NH4)2SO4 (343,13 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

343,5

CaSO4.2H2O 6756,889 9014,778 60911,860

H2O (l) 560613,619 3390,654 1900846,742

(NH4)2CO3 10341,481 6709,950 69390,819

(NH4)2SO4 27911,604 7380,000 205987,639

CaCO3 27911,604 4027,455 112412,720

Q23 2349549,780

Qout = (4324,999 + 2349549,780 kJ/jam

= 2353874,778 kJ/jam

Sehingga

Q = r.∆H reaksi utama + r.∆H reaksi samping + Qout -Qin

= ((-319589,560) + 141354,947 + 2353874,778 - 2283640,001) kJ/jam

= -107999,836 kJ/jam

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

=







15 , 303

15 , 298

) ( 15

, 323

15 , 298

)

( 2

2 dT Cp dT

CpHOl HOl

= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol

= 83566,905 J/kg

(42)

kg/jam 1292,376

kJ/kg 83,566905

kJ/jam 107999,836

K) H(303,15

-K) H(323,15

Q m

  

B.12 Filter (FL-201)

Masuk:

Alur 23: H2O (l), (NH4)2CO3, Gypsum, CaCO3, (NH4)2SO4 (343,13 K; 1 atm)

Suhu T(K) _Komponen _{N (mol/jam)} 3 4 3_,1 5_Cp_dT 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

343,5

CaSO4.2H2O 6756,889 9014,778 60911,860

H2O (l) 560613,619 3390,654 1900846,742

(NH4)2CO3 10341,481 6709,950 69390,819

(NH4)2SO4 27911,604 7380,000 205987,639

CaCO3 27911,604 4027,455 112412,720

Q23 2349549,780

Alur 24: H2O (l) (303,15 K; 1 atm)

Suhu T (K) _Komponen _{N (mol/jam)} 3 0 3_,1 5_Cp_dT 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

24 H2O

T=303,15 K

27 H2O

(NH4)2CO3

(NH4)2SO4

T=334,15 K 23

CaSO4.2H2O

H2O

(NH4)2CO3

(NH4)2SO4

CaCO3

T=343,15 K

25 CaSO4.2H2O

H2O

(NH4)2CO3

(NH4)2SO4

CaCO3

T=334,15 K

(43)

303,15 H2O (l) _208016,716 _374,705 _77945,004

Q in = (2349549,780 + 77945,004) kJ/jam

= 2427494,784 kJ/jam

Neraca panas pada filter dapat dihitung sebagai berikut

IN OUT Q Q dt

dQ _ _

Dimana dQ/dt =0, sehingga Q out = Q in

Temperatur pada alur keluar diperoleh dengan menggunakan metode trial and error. Diperoleh temperatur pada alur keluar filter yaitu Tout = 334,268 K.

Keluar:

Alur 25

Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 2 6 8 , 3 3 4

1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

334,268

CaSO4.2H2O 6756,889 5467,250 36941,601

H2O (l) 38431,517 2718,447 104474,026

(NH4)2CO3 206,830 5385,622 1113,906

(NH4)2SO4 167,470 5923,426 991,994

CaCO3 27911,604 2867,805 80045,034

Q25 _223566,561

Alur 27

Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 2 6 8 , 3 3 4

1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

334,268 H_(NH2O (l) 730198,818 2718,447 1985006,501

4)2CO3 10134,651 5385,622 54581,400

(NH4)2SO4 27744,135 5923,426 164340,318

Q27 2203928,218

Q out = (223566,561 + 2203928,218) kJ/jam

(44)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN B.13 Heater H2SO4 (E-201)

IN OUT Q Q dt dQ

 

Masuk

Alur 4 :

(J/mol)

Q (kJ/jam)

303,15 H2O (l) 10134,651 697,778 7071,738 H2S04

1126,072 374,705 421,945

Qin

7493,684

Keluar:

Alur 4 :

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15 H2O (l) 10134,651 5852,285 59310,871 H2S04

1126,072 3012,055 3391,791

Qout _62702,663

Sehingga Q = QOUT - QIN

= (62702,663 - 7493,684) kJ/jam

= 55208,979 kJ/jam

E-107 Saturated Steam

T = 393.15 K

Kondensat T = 393.15 K 4

H2O

H2SO4

T =303,15 K

E-201

4 H2O

H2SO4

(45)

Hv = 2706,0125 kJ/kg

λ steam = Hv - Hl

= (2706,0125 – 503,8375) kJ/kg = 2202,175 kJ/kg

kg/jam 25,070

kJ/kg 2202,175

kJ/jam 55208,979

15 , 93 3 Pada

Q m

  

K 

B.14 Netralisasi (R-202)

4 H2SO4

H2O

T= 338,15 K 27

H2O

(NH4)2CO3

(NH4)2SO4

T =334,15 K

26 CO2

T= 338,15 K

28 H2O

(NH4)2SO4

T= 338,15 K Air pendingin

T= 303,15 K

R-202





 

 2

1 2

1

) (

T

T in T

T

out

(46)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN Masuk:

Alur 4:

Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT

15 , 338 15 , 298

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15 H2S04 10134,651 5852,285 59310,871 H2O (l) 1126,072 3012,055 3391,791

Q4 62702,663

Alur 27

268 , 334

15 , 298

(J/mol)

Q (kJ/jam)

334,268

H2O (l)

730198,818 2718,447 1985006,501 (NH4)2CO3

10134,651 5385,622 54581,400 (NH4)2SO4 _27744,135 _5923,426 _164340,318

Q27 2203928,218

Q in = Q4 + Q27

= (62702,663 + 2203928,218) kJ/jam

= 2266630,880 kJ/jam

Persamaan reaksi yang terjadi di unit netralisasi:

(NH4)2CO3 + H2SO4 (NH4)2SO4 + H2O + CO2

Komponen Hf (kJ/mol) (NH4)2SO4 -1169,498844

CO2 -393,776914

H2O -286,03129

(NH4)2CO3 -935,33112

H2SO4 -810,941292

(47)

ΔHr298,15= Σ σ,ΔHf

= (-1169,498844 - 393,776914 - 286,03129) – (-935,33112 - 810,941292) = -26,24872392 kJ/mol

Panas reaksi, ΔHr298,15 bernilai negatif (-), maka reaksi adalah eksothermis,

r = 10134,651 mol/jam

Panas Reaksi = r × ΔHr298,15

= 10134,651 mol/jam × -26,24872392 kJ/mol

= -266021,661 kJ/jam

Keluar:

Q28 2481801,506

Q out = Q26 + Q28

= (15443,960 + 2481801,506)

= 2497245,466 kJ/jam

Sehingga Q = r∆Hr + Qout – Q in

= (-266021,661 + 2497245,466 - 2266630,880) kJ/jam

(48)

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

=







15 , 303

15 , 298

) ( 15

, 323

15 , 298

)

( 2

2 dT Cp dT

Cp_H_O_l _H_O_l

= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol

= 83566,905 J/kg

= 83,566905 kJ/kg

kg/jam 423,697

kJ/kg 83,566905

kJ/jam 35407,075

K) H(303,15

-K) H(323,15

Q m

  

B.15 Cooler (E-203)

IN

OUT Q

Q dt

dQ _ _

Masuk:

Alur 26: CO2 (g) (338,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

E-107 Air pendingin

T= 303,15

Air pendingin T = 323.15 K 26

CO2(g)

T =338,15 K

E-203

26 CO2(g)

(49)

338,15 CO2 (g) 10134,651 1523,877 15443,960

Qin 15443,960

Keluar:

Alur 26: NH3 (g), CO2 (g) (317,15 K; 1 atm)

(J/mol)

Q (kJ/jam)

317,15 CO2 (g) 10134,651 715,036 7246,643

Qout 7246,643

Q = Qout – Qin

= (10134,651 - 15443,960) kJ/jam

= -8197,317 kJ/jam

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

=







15 , 303

15 , 298

) ( 15

, 323

15 , 298

)

( 2

2 dT Cp dT

CpHOl HOl

= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol

= (1504,204297J/mol) x 1000mol/kmol /18 kg/kmol

= 83566,905 J/kg

= 83,566905 kJ/kg

kg/jam 98,093

kJ/kg 83,566905

kJ/jam 8197,317

K) H(303,15

-K) H(323,15

Q m

(50)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN B.16 Evaporator (EV-201)

Masuk:

Alur 28:

15 , 338 15 , 298

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15 H2O (l) 741459,542 3012,055 2233316,672 (NH4)2SO4

37878,786 6560,000 248484,835

Q28 2481801,506

Qin = 2481801,506 kJ/jam

Keluar :

Alur 29:

Alur 30:

15 , 358 15 , 298

(J/mol)

Q (kJ/jam)

358,15 H2O (g) _449982,352 _2022,896 _910267,569

Suhu T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT 15 , 358 15 , 298

(J/mol)

Q (kJ/jam)

358,15 H2O (l) 291477,190 4529,119 1320134,985 (NH4)2SO4

37878,786 9840,000 372727,252

Q30 1692862,237

28 H2O

(NH4)2SO4

T =338,15 K

30 H2O

(NH4)2SO4

T = 358,15 K 29 H2O

T = 358,15 K

Saturated steam T = 393,15 K

kondensat T = 393,15 K

(51)

Q out = Q29 + Q30

= 910267,569 + 1692862,237

= 2603129,805 kJ/jam

Pada proses evaporasi terjadi perubahan fasa air dari cairan menjadi uap. Suhu

358,15 K, tekanan 0,58 bar. Berdasarkan proses interpolasi data, maka diperoleh

(Reklaitis, 1983):

Suhu (K) Tekanan (bar) ΔHvl (kJ/kg) 356,85 0,55 2299,3

358,15 0,56 2296,08

359,15 0,6 2293,6

Maka

ΔHvl = 2296,08 kJ/kg

NairΔHvl = 13346,272 kg/jam × 2296,08 kJ/kg

= 30644107,648 kJ/jam

Q = NairΔHvl + Qout – Qin

= 30644107,648 + 2603129,805 - 2481801,506 kJ/jam

= 30765435,947 kJ/jam

Maka untuk memenuhi kebutuhan panas ini digunakan steam,

Hv = 2706,0125 kJ/kg

λ steam = Hv - Hl

(52)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN Steam yang diperlukan adalah:

kg/jam 13970,477

kJ/kg 2202,175

kJ/jam 47

30765435,9 15 , 93 3 Pada

Q m

  

K



B.17 Barometric condenser (BC-201)

Barometric condenser berfungsi untuk mengubah uap air pada alur 26 menjadi kondensat.

Suhu (K) Komponen Cp dt (J/K mol)

303,150 H2O 374,705

Entalpi uap air pada suhu 358,15 K diperoleh sebagai berikut.

Hv = 2651,9 kJ/kg (Geankoplis, 1997)

= 2651,9 kJ/kg x 1000 J/kJ x 18 kg/kmol x kmol/1000 mol

= 47734,200 J/mol

Banyak air pendingin yang digunakan untuk mengubah uap air menjadi kondensat

adalah:

) (

) 2 , 273 (

1 2

2 T T Cp

T Cp Hv V W

  

 (Geankoplis, 1997)

BC

-201

29 H2O(g)

T=358,15 K

29 H2O(l)

(53)

jam

408282,021 9840,000 4017495,086

Q30 19041903,879

Alur 32: Air pendingin

T= 303,15 K

31 H2O

(NH4)2SO4 (l)

(54)

Qin = Q31 = Q30 + Q32

= (19041903,879 + 1692862,237) kJ/jam

= 20734766,115 kJ/jam

Keluar:

Alur 34:

Alur 33:

Qout = Q34 + Q33

= (13174879,607+ 277923,196) kJ/jam

= 13452802,802 kJ/jam

∆H kristalisasi 42% larutan = - 11,6 kcal/kg = - 48566,88 J/kg

= - 48,56688 kJ/kg

Suhu, T(K) Komponen N (mol/jam) CpdT

15 , 358 15 , 298

(J/mol)

Q (kJ/jam)

358,15 H2O (l) 291477,190 4529,119 1320134,985 (NH4)2SO4 _37878,786 _9840,000 _372727,252

Q32 1692862,237

1 5 , 3 3 8 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15

H2O (l) _3402350,175 _3012,055 _10248064,714

(NH4)2SO4 (s) _37878,786 _6560,000 _248484,835

(NH4)2SO4 (l)

408282,021 6560,000 2678330,058 Q34

13174879,607

1 5 , 3 3 8 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15 H2O (g)

(55)

Panas kristalisasi 42% larutan (Qc) = - 48,56688 kJ/kg × (5000+53893,227) kg/jam

= - 2860260,264 kJ/jam

∆Hvl pada suhu 65 oC = 2345,5 kJ/kg (Reklaitis, 1983) Qvl = 3715,532 kg/jam × 2345,5 kJ/kg

= 8714779,941 kJ/jam

Q = Qout + Qc + Qvl – Qin

= (13452802,802 - 2860260,264 + 8714779,941 – 20734766,115) kJ/jam = -1427443,636 kJ/jam

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

=







15 , 303

15 , 298

) ( 15

, 323

15 , 298

)

( 2

2 dT Cp dT

CpHOl HOl

= 1878,90978 – 374,7054825 J/mol

= 83566,905 J/kg

= 83,566905 kJ/kg

kg/jam 447

, 17081

kJ/kg 83,566905

kJ/jam 6 1427443,63

K) H(303,15

-K) H(323,15

Q m

(56)

(57)

B.19 Barometric condenser (BC-301)

Barometric condenser berfungsi untuk mengubah uap air pada alur 29 menjadi kondensat.

Suhu (K) Komponen Cp dt (J/K mol)

303,150 H2O 374,705

Entalpi uap air pada suhu 338,15 K diperoleh sebagai berikut.

Hv = 2618,3 kJ/kg (Geankoplis, 1997)

= 2618,3 kJ/kg x 1000 J/kJ x 18 kg/kmol x kmol/1000mol

= 47129,400 J/mol

Banyak air pendingin yang digunakan untuk mengubah uap aair menjadi kondensat

adalah:

(58)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN B.20 Centrifuge (CF-301)

Masuk:

Alur 34:

Q in = 13174879,607 kJ/jam

Neraca panas pada centrifuge dapat dihitung sebagai berikut

IN OUT Q Q dt

dQ _ _

Dimana dQ/dt =0, sehingga Q out = Q in

Keluar:

Alur 32:

1 5 , 3 3 8 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15 H2O (l) 3317291,420 3012,055 9991863,097 (NH4)2SO4 (l) _408282,021 _6560,000 _2678330,058

Q32 12670193,154

1 5 , 3 3 8 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15

H2O (l)

3402350,175 3012,055 10248064,714 (NH4)2SO4 (s)

37878,786 6560,000 248484,835 (NH4)2SO4 (l)

408282,021 6560,000 2678330,058

Q34 13174879,607

CF-301 34

H2O

(NH4)2SO4 (l)

(NH4)2SO4 (s)

T =338,15 K

32 H2O

(NH4)2SO4 (l)

T =338,15 K 35 H2O

(NH4)2SO4 (s)

(59)

Alur 35:

1 5 , 3 3 8 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15 H2O (l) 85058,754 3012,055 256201,618 (NH4)2SO4 (s)

37878,786 6560,000 248484,835

Q35 504686,452

Q out = Q32 + Q35

= (12670193,154 + 504686,452) kJ/jam

= 13174879,607 kJ/jam

B.21 Rotary Dryer (RD-301)

Neraca panas pada rotary dryer dapat dirumuskan sebagai berikut:

Q = NH2O(g)ΔHvl + Q out + Q in

Masuk :

Alur 35:

Suhu T (K) Komponen N (mol/jam) CpdT

1 5 , 3 3 8 1 5 , 2 9 8

(J/mol)

Q (kJ/jam)

338,15 H2O (l) 85058,754 3012,055 256201,618 (NH4)2SO4 (s) _37878,786 _6560,000 _248484,835

Q35 504686,452

Qin = 504686,452 kJ/jam

R D RD-301 35

H2O

(NH4)2SO4 (s)

T =338,15 K 36 H2O

T =373,15 K _H37

2O

(NH4)2SO4 (s)

T =373,15 K Saturated steam

T = 393,15 K

(60)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN Keluar :

Alur 36:

15 , 373 15 , 298

(J/mol)

Q kJ/jam)

373,15 H2O (g) 82252,918 2531,859 208252,755

Alur 37:

15 , 373 15 , 298

(J/mol)

Q (J/jam)

373,15 H2O (l) 2805,836 5671,868 15914,331 (NH4)2SO4 37878,786 12300,000 465909,065

Q37 481823,396

Pada suhu 100 OC, tekanan 1,1 atm; ΔHvl = 2256,9 kJ/kg (Reklaitis, 1983) NH2O(g)ΔHvl = 2256,9 kJ/kg × 1480,553 kg/jam

= 3341459,007 kJ/jam

Q out = Q30 + Q31 + NH2O(g)ΔHvl

= 208252,755 + 481823,396 + 3341459,007 Kj/jam

= 4031535,16 kJ/jam

Q = Qout – Qin

= 4031535,16 - 504686,452 kJ/jam

= 3526848,71 kJ/jam

Maka untuk memenuhi kebutuhan panas ini digunakan steam,

(61)

λ steam = Hv - Hl

= 2706,0125 – 503,8375 = 2202,175 kJ/kg

kg/jam 53 , 601 1

kJ/kg 2202,175

kJ/jam 3526848,71

15 , 93 3 Pada

Q m

  

(62)

NAMA : MELVA TIURMADA NAINGGOLAN LAMPIRAN C

PERHITUNGAN SPESIFIKASI PERALATAN

C. 1 Tangki Penyimpanan Amonia Anhidrat Cair (TK-101)

Fungsi : Sebagai tempat penyimpanan amonia anhidrat cair

Bahan konstruksi : Stainless Steel SA–283, Grade C

Bentuk : Tangki silinder horizontal dan tutup torrispherical

Insulation : 1 layer polyurethane foam dengan tebal 100 mm (EIGA, 2008)

Jumlah : 2 unit

Kebutuhan : 6 hari

Kondisi operasi:

Tekanan = 5,5 atm = 80,83 psia

Temperatur = 0 oC = 273,15 K

Laju alir massa = 1314,106 kg/jam

Faktor kelonggaran = 10%

Tabel C.1 Data pada Tangki Penyimpanan Amonia Anhidrat Cair

Hitungan:

(1) Volume tangki

Volume larutan,Vl = ₃

/ 551,86

/ 24 6

/ 1314,106

m kg

hari jam hari

jam

kg  

= 342,896 m3

Volume tangki, Vt =

2

342,896 )

1 , 0 1

(  

m3 = 188,593 m3

(2) Diameter dan lebar shell

(Brownel & Young,1959)

Komponen Fraksi berat ρ (kg/m3) ρ campuran (kg/m3)

NH3 0,995 549,61 546,86

H2O 0,01 999,87 4,99

Total 1.000 551,86

  

 _



3 4

2 D D

V L

(63)

Direncanakan :

Lebar shell : diameter = L : nD n = 3

Sehingga persamaan menjadi:

D3 =

 ) 1 ) 3 ( 3 (

188,593 12

 

m3 = 72,074 m3

D = (72,074)1/3 = 4,162 m = 13,654 ft L = 3 ×3,78 m = 12,485 m = 40,961 ft

(3) Tebal Shell

Joint efficiency (E) = 0,85 (Peters, et.al., 2004) Allowable stress (S) = 12650 psia (Peters, et.al., 2004) Faktor korosi (c) = 1/64 in/thn = 0,0197 in/thn (Perry & Green, 1999)

Umur alat (n) = 10 tahun

Diameter (D) = 4,162 m = 163,842 in

Jari-jari (R) = D/2 = 163,842 in/2 = 81,921 in

Tekanan desain = (1+0,2) × 80,83 psia = 96,99 psig

Tebal shell tangki:

in 0,940

0197 , 0 10 psia) 0,6(96,99 )

psia)(0,85 (12650

in) (81,921 psia)

(96,99 . 0,6P SE

PR t



  



 



in C

n

Tebal shell standar yang digunakan = 1 in (Brownel & Young,1959)

(4) Tebal tutup tangki

Dimana:

L/D = 1

r/L = 0,06  ) 1 3 (

12

3

 

n V D

P SE

PL th

1 , 0 885 , 0

(64)

Tebal tutup atas yang digunakan = 1,5 in.

C. 2 Tangki Penyimpanan Karbon Dioksida Cair (TK-102)

Fungsi : Sebagai tempat penyimpanan karbon dioksida cair

Bahan konstruksi : Stainless Steel SA–283, Grade C

Bentuk : Tangki silinder horizontal dan tutup ellipsoidal

Insulation : 1 layer polyurethane foam dengan tebal 150 mm

(EIGA, 2008)

Jumlah : 7 unit

Kebutuhan : 10 hari

Kondisi operasi:

Tekanan = 20,5 atm = 301,27 psia

Temperatur = -33 oC = 240,15 K

Laju alir massa = 1683,136 kg/jam

Faktor kelnggaran = 10%

Tabel C.2 Data pada Tangki Penyimpanan Karbon Dioksida Cair

Komponen Fraksi berat ρ (kg/m3) ρ campuran (kg/m3)

(2) Diameter dan lebar shell

(65)

Direncanakan :

(3) Lebar shell : diameter = L : nD n = 5

Sehingga persamaan menjadi:

D3 = (5) Tebal tutup tangki

Bentuk : Elipsoidal head

Bahan : Carbon Steel SA-283 Grade C

(66)

2 ≤ D/h ≥ 6 ;

h = diameter dalam ellipsoidal

D/h = 4

Sehingga :

Tebal tutup atas yang digunakan = 1,625 in

C. 3 Gudang Gypsum (G-101)

Fungsi : Sebagai tempat penyimpanan gypsum

Bahan konstruksi : Beton

Bentuk : Gedung berbentuk persegi panjang ditutup atap

Jumlah : 4 unit

Kebutuhan : 10 hari

Kondisi operasi :

Tekanan = 1 atm

Temperatur = 303,15 K

Laju alir massa = 5962,981 kg/jam = 13146,125 lbm/jam

Faktor kelonggaran = 20 %

Densitas gypsum = 70 lb/ft3 Perhitungan desain bangunan:

Laju alir volumetrik = 13146,125 lb/jam x 70 lb/ft3 = 187,802 ft3/jam

Volume gudang (Vt) = (1,2)x(187,802 ft3/jam x 10 hari x 24 jam/hari)/4 unit) = 13521,728 ft3

Direncanakan:

Tinggi gudang (t) = 12 m = 39,37 ft

Panjang (p) : Lebar (l) = 1:1

Volume (Vt) = p x l x t

13521,728 ft3 = l x l x 39,37 ft



 



₁

6 ) 2 / 4 ( 2 6

) 2 / (

2 2 _  2 _

 D h

K

in

th 1,512

) 53 , 364 2 , 0 ( ) 85 , 0 12650 2

(

1 97,839 53

, 364

 

  

 