LEVEL - 3: RECYCLE STRUCTURE. Teknik Kimia Unila

LEVEL - 3: RECYCLE STRUCTURE

Heri Rustamaji

Heri Rustamaji

Keputusan untuk Menentukan

Stuktur Recycle

1. Berapa banyak sistem reaktor yang diperlukan? Apakah terdapat pemisahan 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 penukar panas?

6. Apakah kita ingin mendorong konversi kesetimbangan? Bagaimana?

7. Bagaimana biaya reaktor mempengaruhi potensi ekonomi?

Jumlah Sistem Reaktor

Jika sejumlah reaksi berlangsung pada temperatur dan tekanan berbeda, atau jika reaksi memerlukan katalis, kita menggunkan sistem reaktor yang berbeda untuk reaksi tsb.

Contoh1. Proses HDA

Toluen + H₂ Benzen + CH₄ 1150-1300o_F

2 Benzen Difenil + H₂ 500 psia

atm 1 and C 80 Anhydride, Acetic Acid Acetic Ketene atm 1 and C 700 , H C 2 1 CO Ketene CH Ketene Acetone 4 2 4         Contoh 2. 4

Jumlah Aliran Recycle

• Untuk menentukan jumlah aliran kita dapat mendaftar

komponen yg keluar reaktor berdasarkan titik didih normalnya.

• Selanjutnya kita mengelompokkan komponen recycle yang

memiliki 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.

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

• Dianggap aliran recycle gas jika komponen tsb mendidih pada

temperatur dibawah -48o_C.

• Aliran recycle cairan hanya memerlukan pompa. Dalam

perhitungan awal biaya pompa tidak dimasukkan karena nilainya kecil dibandingkan dengan kompressor, furnace, distilasi, dll.

“JanganJangan memisahkanmemisahkan duadua komponen

komponen dandan kemudiankemudian mencampurnya

mencampurnya kembalikembali padapada

Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila ₆ komponen

komponen dandan kemudiankemudian mencampurnya

mencampurnya kembalikembali padapada masukan

Komponen NBP,o_{C Kode}

H₂ -253 Recycle+ purge-gas

CH₄ -161 Recycle +purge-gas

Benzen 80 Primary produk

Toluen 111 Recycle- liquid

Difenil 255 Fuel-byproduct

Contoh. Proses HDA

• Ada tiga aliran produk : purge, benzen dan difenil

• Ada dua liran recycle , H₂ + CH₄ (gas) dan toluen (cairan), sehinga:

reactor separator compresor difenil benzen purge Gas recycle Umpan H₂ Umpan toluen 8 Toluen recycle toluen

Gambar 3.2 Struktur recycle HDA

Komponen NBP,o_{C Kode}

CO -312,6 Fuel-byproduct

CH₄ -161 Fuel byproduct

C₂H₄ -154,8 Fuel byproduct

Keton -42,1 reaktan terkonversi

Aseton 133,2 Recycle-R-1- liquid

Asam Asetat 244,3 Recycle R-2 –liquid

Asetat anhidrida 281,9 Produk Utama

Contoh. Proses Asetat anhidrat

Asetat anhidrida 281,9 Produk Utama

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

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

Umpan

Aseton Reactor separator As. anhidr

Umpan Asam asetat

CO, CH₄ , C₂H₄ Reactor atm 1 and C 80 Anhydride, Acetic Acid Acetic Ketene atm 1 and C 700 , H C 2 1 CO Ketene CH Ketene Acetone 4 2 4         10 Aseton

Gambar 3.3 Struktur recycle Asetat Anhidrid

Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

Reactor

R1 separator

As. Asetat recycle

As. anhidr Reactor

R2

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

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

butan + isooktan C₁₂

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

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

“Tidak ada aturan baku untuk

membuat pilihan jumlah

excess optimum, dan karena

12

excess optimum, dan karena

itu kita perlu melakukan

analisis ekonomi terhadap

variabel desain ini”.

Neraca Massa Recycle

Reaktan Pembatas

Pertamakali kita membuat neraca massa reaktan pembatas. Untuk proses HDA, laju alir toluen masuk reaktor adalah F_T.

separator benzen purge Umpan H₂ F (1-x) reactor separator F_T (1-x) difenil benzen F_T (1-x) Umpan toluen F_T F_FT

Umpan Toluen ke reaktor = umpan segar toluen + recycle toluen F_T = F_FT + F_T (1-x)

Reaktan Lainnya

Setelah kita menghitung laju alir reaktan pembatas, kita menggunkan rasio molar pada masukan reaktor u menghitung laju alir recycle komponen lain.

reaktor separator R_G, y_PH Benzen, P_B 5% CH₄ 95%H₂ P_G, (H₂, CH₄) F_H F_G 14 reaktor separator difenil Umpan toluen F_T F_FT

F_H /F_T = MR = rasio molar hidrogen terhadap toluen y_H2F_G + y_PHR_G = MR(F_FT/x)

• Neraca massa Recycle B FT B FH PH FH PH Toluene: Recycle Gas: For x 0.75, P 265 and F 273 and given molar ratio ( ).

273 365 0.75 P MR y Sy x y y R M FT B T G F F P x Sx R           _  _      FH PH (from balabces: y y ) ( ) FT G G B G FH PH M F F R x P F y R S y     265 5 0.95 3376 0.9694(0.4) 0.75 0.95 0.4    _  _   

Design Heuristic

Tidak tersedia aturan memilih x untuk kasus reaksi yg komplek.

Tidak tersedia aturan memilih komposisi purging, y_PH atau rasio molar, MR.

 Untuk kasus reaksi tunggal tebakan awal yang memungkinkan adalah x =0,96 atau x = 0,98 x_eq

ByProduk Reversibel

Jika kita me-recycle by produk yg terbentuk oleh reaksi reversibel, dan komponen membentuk ke kesetimbangannya, seperti difenil dalam proses HDA.

16

membentuk ke kesetimbangannya, seperti difenil dalam proses HDA. 2 Benzen Difenil + H₂

Pada keluaran reaktor:

K_eq = [Difenil][H₂]/[benzen]2

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

Effek Panas Reaktor

Beban Panas Reaktor

Untuk reaksi tunggal yg seluruh reaktan pembatas terkonversi dalam proses, beban panas reaktor :

Beban Panas reaktor = panas reaksi x laju umpan segar

Q_R = ΔH_R F_FT

Contoh. Proses HAD

B FT 6

For x

0.75, P

265 and F

273.

( 21530)(273)

5.878 10

/

R R

H

F

FT

But hr

Q







 



 

 



Perubahan temperatur adiabatis

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

Q_R = F C_p (T_R,in – T_R,out)

18

• Heuristics

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

of range in the is exchanger heat head -floating a of shell the into fits that area fer heat trans maximum The 1000 ) 50 )( 20 ( 10 1 Btu/hr, 10 1 of load heat a For 2 6 6 ft T U Q A       20 Heat carrier

• Since heat load depends on fresh feed flow rate and T_out is also a function of recycle flow rate.

• We can moderate the temperature change by increasing recycle flow rate. . 8000 to 6000 of range in the is exchanger heat head -floating a of 2 ft

Heuristic

Untuk proses endotermis dg beban panas kurang dari 6-8 x 106 _{Btu/jam, kita} menggunakan reaktor isotermal dg pemanasan langsung. Untuk beban panas yg lebih besar kita harus menambahkan diluent dan heat carrier.

Untuk reaksi eksotermis kita menggunkan reaktor adiabatis jika kenaikan temperatur adiabatis kurang dari 10-15% dari temperatur masuk. Jika kenaikan temperatur adiabatis kurang dari 10-15% dari temperatur masuk. Jika kenaikan temperatur adiabatis melebihi nilai ini, kita menggunakan pendinginan langsung, jika beban panas reaktor kurang dari 6-8 x 106 _{Btu/jam. Di luar itu kita menggunakan diluent atau} heat carrier.

Diluent/heat carrier : zat atau komponen lain yg tidak bereaksi yg ditambahkan ke reaktan untuk mendorong konversi atau menyerap panas atau meredam kenaikan suhu.

Batasan Kesetimbangan

exothermic

22

P_tot ↑

MR (H₂/C₆H₆)↑ T ↓

• Reactor/Separator

24

v p v p C C C C / 1 ) / (            in out in out P P T T P_in = lbf/ft2 _{, Q} in = ft3/min

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

                      3,03 10 1 5   _in out in in P P Q P x hp

• Kapanpun terdapat recycle gas, kita memerlukan kompresor.

• Persamaan desain untuk horsepower teoritis untuk kompresor sentrifugal adalah:

•Compressor Design And Costs

Sebagai perhitungan awal efisiensi (eff) kompresor diasumsikan 90%. Biaya kompresor = (517,5)(bhp)0,82_(2,11+F

c) (M & S)

280

• Sensitivitas

26

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

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

Pemilihan Reaktor

27 • Decisions - type - pressure - concentration - phase - temperature - catalyst • Reaction Path

Remark: EP = values of products-raw materials costs HCl Cl H C Cl H C O H Cl H C HCl O H C HCl Cl H C Cl H C Cl H C Cl H C Cl H C HCl H C heat                    3 2 2 4 2 2 2 4 2 2 4 2 3 2 2 4 2 2 4 2 2 2 2 3 2 2 2 kmolVCM -$1.4 EP 2 2 / 1 3 Path kmolVCM $8.89 EP 2 Path kmolVCM -$11 EP 1 Path

• Types of reaction systems (waste) (desired) : Recations Parallel e) (reversibl ble) (irreversi ble) (irreversi : Reaction Single 2 1 1 1 , S A R A R A R B A R A k k k k k k b f              28

Remark: There are a lot of more reaction systems, e.g., mixed parallel

and consecutive reactions.

(waste) (desired) : Recations e Consecutiv (waste) (desired) 2 1 2 1 S R R A S B A R B A k k k k          

• Reactor concentration and temperature

The objectives to design the reactor concentration and temperature profiles 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)

O4. to possess operability (handle production rate changes)

Remark: Certainly, there are cases which are important to ensure

• Reactor concentration - single reaction : Reaction Single R Ak - use PFR (O2) : Reaction Single R B A k 30 R B A

- 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/separator costs (Cheng and Yu, AIChE J, 2003, 49, 682.)

Remark: Note that: Totalreaction rate: k(T)C_AC_BV_R

• Reactor concentration - parallel reactions

For the followings reactions orders of reactions become important.

2 2 2 1 1 1 2 1 2 2 1 1 maximize. to want which we / to related is y selectivit The (waste) (desired) : Recations Parallel b B a A k b B a A k r r C C k r S B A C C k r R B A         2 1 2 1 2 1 2 1 maximize. to b b B a a A C C k k r r _{ } 

a₁>a₂ & b₁>b₂: keep both C_A and C_B high a₁>a₂ & b₁<b₂: keep C_A high and C_B low a₁<a₂ & b₁<b₂: keep both C_A and C_B low a₁<a₂ & b₁>b₂: keep C_A low and C_B high

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

• Reactor type - parallel reactions

Pola kontak untuk variasi kombinasi reaktan konsentrasi tinggi dan rendah pad operasi non-kontinyu

32

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

Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila

Pola kontak untuk variasi kombinasi reaktan konsentrasi tinggi dan rendah pad operasi aliran kontinyu

• Reactor temperature - reversible reaction RT E E b f b f b f k k b f b f e k k k k x x x k x k r R A               0 0 eq , 1 K x x -1 ) 1 ( e) (reversibl

endothermic (E_f>E_b): - high temperature favors equilibrium conversion

34

endothermic (E_f>E_b): - high temperature favors equilibrium conversion and also gives higher reaction rate

- set the temperature as high as possible

exothermic (E_f<E_b): - 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

• Implication in reactor design - reversible and exothermic

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

with cold shot

36

• More reactor heat removal

38

• 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 - an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating

the pressure increase (RHS) and thus increases the equilibrium conversion (Le Chatelier’s principle).

A ↔ 2B

- an increase in the pressure shifts the reaction toward compensating the pressure increase (LHS) and thus decreases the equilibrium

• Summary - heat removal

AB A↔B A  R A  S

• Summary - reactor design

A  S

A+B  R A+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

Terima kasih