LAMPIRAN II NERACA PANAS

(1)

LAMPIRAN II

PERHITUNGAN NERACA PANAS

Kapasitas Produksi : 12.000 ton/tahun Operasi Pabrik : 300 hari/tahun Basis Perhitungan : 1 jam operasi

1. MIXING TANK – 01 (MT – 01)

Fungsi : Alat untuk mencampurkan Air Proses dengan Potassium Hydroxide

Keterangan:

Q2 = Aliran panas Potassium Hydroxide dari Hopper-01 Q4 = Aliran panas air proses dari Tangki-01

Q5 = Aliran panas Potassium Hydroxide menuju Reactor-01

Kondisi Operasi Temperatur = 30℃ Tekanan = 1 atm

a. Panas Input MT – 01

 Panas sensibel aliran Q2 pada temperature = 30℃

Komponen n (kmol) ꭍ Cp.dT (kJ/kmol) Q (kJ)

KOH 30,9436 248,8 7.698,7759

Impurities 4,4753 188,8418 845,1377

H2O - - -

Total 35,4190 8.543,9136

(2)

a. Panas

Output MT – 01

Neraca Panas Mixing Tank – 01 (MT – 01) Aliran Panas Masuk (kJ) Panas Keluar (kJ)

Q2 8.543,9136 0,0000

Q4 28.222,5027 0,0000

Q5 0,0000 36.766,4163

Total 36.766,4163 36.766,4163

1. TEE– 01 (TE – 01)

Fungsi : Membagi aliran dari Tangki-02 menjadi dua aliran menuju Reaktor- 01 dan aliran menuju Reaktor-02

Jenis : Tee Valve

Keterangan:

Q = Aliran panas input CO2 dari Tangki-02 Q6 = Aliran panas output CO2 menuju Reaktor-01 Q12 = Aliran panas Output CO2 menuju Reaktor-02 Kondisi Operasi

Komponen n (Kmol) ꭍ Cp.dT (kJ/kmol) Q (kJ)

H2O 74,7518 377,5330 28.222,5027

Total 74,7518 28.222,5027

Komponen n (Kmol) ꭍ Cp.dT (kJ/kmol) Q (kJ)

KOH 30,9436 248,8 7.698,7759

Impurities 4,4753 188,8418 845,1377

H2O 74,7518 377,5330 28.222,5027

Total 110,1708 36.766,4163

(3)

Temperatur = 30℃ Tekanan = 1 atm

a. Panas Input TE – 01

 Panas sensibel aliran Q pada temperature = 30℃

b. Panas Output TE – 01

Neraca Panas TEE – 01 (TE – 01)

Aliran Panas Masuk (kJ) Panas Keluar (kJ)

Q 13.235,3679 0

Q6 0 6.617,6839

Q12 0 6.617,6839

Total 13.235,3679 13.235,3679

1. HEATER– 01 (H – 01)

Fungsi : Memanaskan feed dari Tangki-02 sebelum memasuki Reaktor-01

Keterangan:

CO2 68,7636 192,4763 13.235,3679

Total 68,7636 13.235,3679

CO2 34,3818 192,4763 6.617,6839

Total 34,3818 6.617,6839

CO2 34,3818 192,4763 6.617,6839

Total 34,3818 6.617,6839

(4)

Q = Aliran panas input Tee-01 dari Tangki-02

Q = Aliran panas output Heater-01 menuju Reaktor-01

Qsteam = Aliran panas steam

Kondisi Operasi Tin = 30℃ Tout = 50℃ Tekanan = 1 atm

a. Panas Input H – 01

b.

Panas Output H – 01

a. Perhitungan Panas Input dan Output Steam Panas yang diberikan steam

Qsteam = Qout - Qin

= 33.358,3766 kJ - 6.617,6839 kJ

= 26.740,6927 kJ/jam

Media pemanas yang digunakan adalah saturated steam. Dari data table F.1 (Felder, 2005), untuk saturated steam pada T = 160℃ dan P = 6,1 atm.

 Enthalpy saturated vapor (HV) = 2.756,7 kJ/kg

 Enthalpy saturated liquid (HL) = 675,5 kJ/kg Jumlah steam yang dibutuhkan:

m_s = Q_s

\( H_V- H_L\)

m_s = 26.740,6927 kJ

\(2.756,7 kJ/kg - 675,5 kJ/kg\)

CO2 34,3818 192,4763 6.617,6839

Total 34,3818 6.617,6839

CO2 34,3818 970,2332 33.358,3766

Total 34,3818 33.358,3766

(5)

= 12,8487 kg

 Panas steam masuk (Qs-in) Qs-in = m x HV

= 12,8487 kg x 2.756,7 kJ/kg

= 35.419,98 kJ

 Panas steam keluar (Qs-out) Qs-out = m x HL

= 12,8487 kg x 675,5 kJ/kg

= 8.679,29 kJ

Neraca Panas H – 01 (H – 01)

Q 6.617,6834 0

Q 0 33.358,3766

Qsteam-in 35.419,98 0

Qsteam-out 0 8.679,29

Total 42.037,6664 42.037,6664

2. HEATER– 02 (H – 02)

Fungsi : Memanaskan feed dari Tangki-02 sebelum memasuki Reaktor-02

Keterangan:

Q = Aliran panas input Tee-01 dari Tangki-02

Q = Aliran panas output Heater-02 menuju Reaktor-02

Qsteam = Aliran panas steam

Kondisi Operasi Tin = 30℃ Tout = 50℃ Tekanan = 1 atm

a. Panas Input H – 02

(6)

b. Panas Output H – 02

c. Perhitungan Panas Input dan Output Steam Panas yang diberikan steam

Qsteam = Qout - Qin

= 33.358,3766 kJ - 6.617,6839 kJ

= 26.740,6927 kJ/jam

Media pemanas yang digunakan adalah saturated steam. Dari data table F.1 (Felder, 2005), untuk saturated steam pada T = 160℃ dan P = 6,1 atm.

 Enthalpy saturated vapor (HV) = 2.756,7 kJ/kg

 Enthalpy saturated liquid (HL) = 675,5 kJ/kg Jumlah steam yang dibutuhkan:

m_s = Q_s

\( H_V- H_L\)

m_s = 26.740,6927 kJ

\(2.756,7 kJ/kg - 675,5 kJ/kg\)

= 12,8487 kg

 Panas steam masuk (Qs-in) Qs-in = m x HV

= 12,8487 kg x 2.756,7 kJ/kg

= 35.419,98 kJ

 Panas steam keluar (Qs-out) Qs-out = m x HL

= 12,8487 kg x 675,5 kJ/kg

= 8.679,29 kJ

CO2 34,3818 192,4763 6.617,6839

Total 34,3818 6.617,6839

CO2 34,3818 970,2332 33.358,3766

Total 34,3818 33.358,3766

(7)

Neraca Panas H – 02 (H – 02)

Q 6.617,6834 0

Q 0 33.358,3766

Qsteam-in 35.419,98 0

Qsteam-out 0 8.679,29

Total 42.037,6664 42.037,6664

1. REAKTOR– 01 (R – 01)

Fungsi : Tempat terjadinya reaksi Potassium Hydroxide (KOH) dan gas Carbondioxide (CO2) menghasilkan Potassium Carbonate (K2CO3) dan Air (H2O).

Jenis : Bubble Reactor

Keterangan:

Q5 = Aliran panas feed KOH dari Mixing Tank-01 Q7 = Aliran panas feed CO2 dari Heater-01 Q8 = Aliran panas output CO2

Q9 = Aliran panas produk Reaktor-01 menuju Filter Press-01 Qwater =

a. Panas Input R – 01

 Panas sensibel yang masuk dari Mixing Tank-01 pada T= 30℃ Komponen n (kmol) ꭍ Cp.dT (kJ/kmol) Q (kJ)

KOH 30,9436 248,8 7.698,7759

Impurities 4,4753 188,8418 845,1377

H2O 74,7518 377,5330 28.222,5027

(8)

 Panas sensibel yang masuk dari Heater-01 pada T = 50℃

Total Qin

= Q5 + Q7

= 70.124,79 kJ/jam a. Panas Reaksi dalam Reaktor

2 KOH + CO2  K2CO3 + H2O

ΔHf Reaktan pada Temperatur 25^oC

ΔHf Produk pada Temperatur 25^oC

ΔHR 298,15 K = ΔHf produk - ΔHf reaktan

Total 110,1708 36.766,4163

CO2 34,3818 970,2332 33.358,3766

Total 34,3818 33.358,3766

Komponen n (Kmol) ΔHf (kJ/kmol) Qr (kJ)

KOH 29,7059 -482,370 -14.329,2292

CO2 14,8529 -393,500 -5.844.6335

Total 44,5588 -20.173,8626

K2CO3 14,8529 -1.150,2 -17.083,8562

H2O 14,8529 -285.830 -4.245,4169

Total 29,7059 -21.329,2731

(9)

= -21.329,2731 kJ – (-20.173,8626 kJ)

= -1.155,4105 kJ

Panas Reaktan pada Temperatur 50^oC

Panas Produk pada Temperatur 50^oC

ΔQR total = ΔHR 298,15 K +

∑

produk

n

∫

^{Cp dT-}

∑

reaktan

n

∫

^{Cp dT}

= -1.155,4105 kJ + (68.339,6816 kJ - 74.132,7471 kJ)

= -6.948,4760 kJ

c. Panas Output R – 01

 Panas sensibel yang keluar dari R-01 (Q8) pada T = 50^oC

 Panas

sensibel yang keluar dari R-01 (Q9) pada T = 50^oC

Komponen n (Kmol) ꭍ Cp.dT (kJ/kmol) Qr (kJ)

KOH 29,7059 2.010,44 59.721,928

CO2 14,8529 970,233 14.410,8187

Total 44,5588 74.132,7471

K2CO3 14,8529 2.717,75 40.366,5885

H2O 14,8529 1.883,34 27.973,0931

Total 29,8529 68.339,6816

Komponen n (Kmol) ꭍ Cp.dT (kJ/kmol) Q (kJ)

CO2 19,5289 970,233 18.947,5579

Total 54,9479 18.947,5579

KOH 1,2378 2.010,44 2.488,4137

Impurities 4,4754 944,2089 4.225,6883

(10)

Total Qout = Q8 + Q9

= 94.001,3415 kJ/jam

d. Kebutuhan air pendingin

Qin + Qcw in = Qout + QR + Qcw out (Felder, 2005)

Qcw out – Qcw in = Qin – Qout – QR

= (70.124,7929 – 94.001,3415 – (-6.948,4760)) kJ Qcw out – Qcw in = -16.928,0726 kJ

Qcooling water = -16.928,0726 kJ

Media pendingin yang digunakan adalah air.

 Tin = 303,15 K

 Tout = 323,15 K

 Tref = 298,15 K

 Cp air = 4,1800 kJ/kg.K

Jumlah air pendingin yang dibutuhkan:

m = Q_cw

Cp_air x \( T₂−T₁)

m = −16.928,0726 kJ

4,1785 kJ /kg.K x \(323,15 - 30 3 ,15\) K = -134,9926 kg

Qcw-in = m x Cp x (Tin – Tref)

= -134,9926 kg x 4,1800 kJ/kg.K x (303,15 – 298,15) K

H2O 14,8529 1.883,34 27.973,0931

K2CO3 14,8529 2.717,75 40.366,5885

Total 54,9479 75.053,7836

(11)

= -2.821,3454 kJ Qcw-out = m x Cp x (Tout – Tref)

= -134,9926 kg x 4,1800 kJ/kg.K x (323,15 – 298,15) K

= -19.749,4181 kJ

Neraca Panas Reaktor – 01 (R – 01)

Q5 36.766,4163 0

Q7 33.358,3766 0

Q8 0 18.947,5579

Q9 0 75.053,7836

QR 0 -6.948,4760

Qcw-in -2.821,3454 0

Qcw-out 0 -19.749,4181

Total 67.303,4475 67.303,4475

1. FILTER PRESS – 01 (FP – 01)

Fungsi : Sebagai tempat pemisahan Potassium Carbonate dari campuran slurry Jenis : Plate and Frame Filter Press

Keterangan:

Q9 = Aliran input panas slurry dari Reaktor-01 Q10 = Aliran output panas filtrat menuju Tangki-03

Q11 = Aliran output panas slurry K2CO3 menuju Reaktor-02 Kondisi Operasi:

Temperatur = 50 ºC Tekanan = 1 atm a) Panas Input FP – 01

 Panas sensibel yang masuk dari R-01 (Q9) pada T = 50^oC

KOH 1,2377 2.010,44 2.488,4137

(12)

b) Panas Output FP – 01

 Panas sensibel aliran Q10 pada T = 50^oC

 Panas

sensibel aliran Q11 pada T = 50^oC

Neraca Panas Filter Press – 01 (FP – 01) Aliran Panas Masuk (kJ) Panas Keluar (kJ)

Q9 215.836,6237 0

Q10 0 153.853,4837

Q11 0 61.983,1399

Total 215.836,6237 215.836,6237

2. CHILLER – 01 (CH – 01)

Fungsi : Menurunkan temperatur keluaran FP-01 sebelum menuju R-02 Gambar :

Impurities 4,4754 944,2089 4.225,6883

H2O 89,6048 1.883,34 168.755,9332

K2CO3 14,8529 2.717,75 40.366,5885

Total 110,1708 215.836,6237

KOH 1,0397 2.010,44 2.090,2675

Impurities 3,7593 944,2089 3.549,5782

H2O 75,2680 1.883,34 141.754,9839

K2CO3 2,3765 2.717,75 6.458,6542

Total 82,4435 153.853,4837

KOH 0,1980 2.010,44 398,1462

Impurities 0,7161 944,2089 676,1101

H2O 14,3368 1.883,34 27.000,9483

K2CO3 12,4765 2.717,75 33.907,9343

Total 27,7273 61.983,1399

(13)

Keterangan:

Q15 = aliran panas input Chiller-01 dari Filter Press-01 Q16 = aliran panas output Chiller-01 menuju Reaktor-02 Qrefrigerant = aliran panas amonia cair (refrigeran)

Kondisi Operasi:

Tin = 50ºC Tout = 25ºC Tekanan = 1 atm

a) Panas Input CH – 01

 Panas sensibel aliran Q pada temperatur 50^oC

b) Panas Output CH – 01

 Panas sensibel aliran Q pada temperatur 25^oC Qref out

Qref in

Q16

Q15

CH-01H

KOH 0,1980 2.010,44 398,1462

Impurities 0,7161 944,2089 676,1101

H2O 14,3368 1.883,34 27.000,9483

K2CO3 12,4765 2.717,75 33.907,9343

Total 27,7273 61.983,1399

KOH 0,1980 0,0000 0,0000

Impurities 0,7161 0,0000 0,0000

H2O 14,3368 0,0000 0,0000

(14)

c)

Perhitungan Panas Refrigerant Input dan Output Beban panas (Qrefr) = Qout – Qin

= 0,0000 kJ – 61.983,1399 kJ

= - 61.983,1399 kJ

Refrigeran yang digunakan adalah saturated ammonia. Dari data Tabel 2-232 (Perry, ed.7, 1997), untuk saturated ammonia pada T = -63,150^oC dan P = 0,177 atm diperoleh data:

 Enthalpy saturated vapor (hg) = 406,7 kJ/kg

 Enthalpy saturated liquid (hf) = -1.044,1 kJ/kg Jumlah pendingin yang dibutuhkan:

m_s = Q_refr

\( h_f- h_g\)

m_s = - 61.983,1399 kJ

\(-1.044,1 kJ/kg - 406,7 kJ/kg\)

= 42,7234 kg

 Panas sensibel aliran panas air pendingin masuk (Qrefr-in) Qrefr-in = m x hf

= 42,7234 kg x (-1.044,1 kJ/kg)

= -44.607,5244 kJ

 Panas sensibel aliran panas air pendingin keluar (Qrefr-out) Qrefr-out = m x hg

= 42,7234 kg x 406,7 kJ/kg

= 17.375,6155 kJ

Neraca Panas Chiller – 02 (CH – 02)

Q15 61.983,1399 0,0000

Q16 0,0000 0,0000

Qrefr-in -44.607,5244 0,0000

Qrefr-out 0,0000 17.375,6155

K2CO3 12,4765 0,0000 0,0000

Total 27,7273 0,0000

(15)

Total 17.375,6155 17.375,6155

2. REAKTOR– 02 (R – 02)

Fungsi : Tempat terjadinya reaksi K2CO3, H2O dengan gas CO2 untuk menghasilkan Potassium Hydrogen Carbonate Crystal (KHCO3)

Jenis : Bubble Reactor

Keterangan:

Q11 = Aliran panas feed slurry dari Filter Press-01 Q12 = Aliran panas feed CO2 dari Heater-02 Q13 = Aliran panas output CO2

Q14 = Aliran panas produk Reaktor-02 menuju Centrifuge-01 Qwater =

a. Panas Input R – 02

 Panas sensibel yang masuk dari Chiller-01 pada T= 25℃

 Panas sensibel yang masuk dari Heater-02 pada T = 50℃

KOH 0,1980 0,0000 0,0000

Impurities 0,7161 0,0000 0,0000

H2O 14,3368 0,0000 0,0000

K2CO3 12,4765 0,0000 0,0000

Total 27,7273 0,0000

(16)

Total Qin

= Q + Q

= 33.358,3766 kJ/jam b. Panas Reaksi dalam Reaktor

K2CO3 + H2O + CO2  2KHCO3

ΔHf Reaktan pada Temperatur 25^oC

ΔHf Produk pada Temperatur 25^oC

ΔHR 298,15 K = ΔHf produk - ΔHf reaktan

= -22.979,8665 kJ – (-21.913,0383 kJ)

= -1.066,8283 kJ

Panas Reaktan pada Temperatur 50^oC

CO2 34,3818 970,2332 33.358,3766

Total 34,3818 33.358,3766

Komponen n (Kmol) ΔHf (kJ/kmol) Qr (kJ) K2CO3 11,9774 -1.150,2 -13.776,4216

H2O 11,9774 -285.830 -3.423,5042

CO2 11,9774 -393,500 -4.713,1124

Total 35,9322 -21.913,0383

KHCO3 23,9583 -959,3 -22.979,8665

Total 23,9583 -22.979,8665

K2CO3 11,9774 2.717,75 32.551,6169

(17)

Panas Produk pada Temperatur 50^oC

ΔQR total = ΔHR 298,15 K +

∑

produk

n

∫

^{Cp dT-}

∑

reaktan

n

∫

^{Cp dT}

= -1.066,8283 kJ + (52.395,1976 kJ - 66.730,0035 kJ)

= -15.401,6341 kJ

c. Panas Output R – 02

 Panas sensibel yang keluar dari R-01 (Q) pada T = 50^oC

 Panas

sensibel yang keluar dari R-01 (Q9) pada T = 50^oC

H2O 11,9774 1.883,34 22.557,5023

CO2 11,9774 970,233 11.620,884

Total 35,9322 66.730,0035

KHCO3 23,9583 2187,25 52.395,1976

Total 23,9583 52.395,1976

CO2 22,4044 970,233 21.737,4939

Total 22,4044 21.737,4939

KOH 0,1980 2.010,44 398,1462

Impurities 0,7161 944,2089 767,1101

(18)

Total Qout = Q8 + Q9

= 81.006,7123 kJ/jam

e. Kebutuhan air pendingin

Qin + Qcw in = Qout + QR + Qcw out (Felder, 2005)

Qcw out – Qcw in = Qin – Qout – QR

= (33.358,3766 – 81.006,7123 – (-15.401,6341)) kJ Qcw out – Qcw in = - 32.246,7016 kJ

Qcooling water = - 32.246,7016kJ

Media pendingin yang digunakan adalah air.

 Tin = 303,15 K

 Tout = 323,15 K

 Tref = 298,15 K

 Cp air = 4,1800 kJ/kg.K

Jumlah air pendingin yang dibutuhkan:

m = Q_cw

Cp_air x \( T₂−T₁)

m = −32.246,7016 kJ

4,1785 kJ /kg.K x \(323,15 - 30 3 ,15\) K = -257,1507 kg

Qcw-in = m x Cp x (Tin – Tref)

= - 257,1507 kg x 4,1800 kJ/kg.K x (303,15 – 298,15) K

H2O 2,3593 1.883,34 4.443,4470

K2CO3 0,4991 2.717,75 1.356,3174

KHCO3 23,9548 2128,25 52.395,1976

Total 27.7273 59.269,2183

(19)

= -5.374,4503 kJ Qcw-out = m x Cp x (Tout – Tref)

= -257,1507 kg x 4,1800 kJ/kg.K x (323,15 – 298,15) K

= -37.621,1519 kJ

Neraca Panas Reaktor – 02 (R – 02)

Q5 0 0

Q7 33.358,3766 0

Q8 0 21.737,4939

Q9 0 59.269,2183

QR 0 -15.401,6341

Qcw-in -5.374,4503 0

Qcw-out 0 -37.621,1519

Total 27.983,9264 27.983,9264

3. CENTRIFUGE – 01 (CSP – 01)

Fungsi : Sebagai tempat pemisahan filtrat dari campuran slurry Jenis :

Keterangan:

Q9 = Aliran input panas slurry dari Reaktor-02 Q10 = Aliran output panas filtrat menuju Tangki-04

Q11 = Aliran output panas slurry KHCO3 menuju Rotary Kiln-01 Kondisi Operasi:

Temperatur = 50 ºC Tekanan = 1 atm

a) Panas Input FP – 01

 Panas sensibel yang masuk dari R-02 (Q) pada T = 50^oC

KOH 0,1980 2.010,44 398,1462

(20)

b) Panas Output CSP – 01

 Panas sensibel aliran Qpada T = 50^oC

 Panas

sensibel aliran Q pada T = 50^oC

Neraca Panas Centrifuge – 01 (FP – 01)

Q9 59.269,2183 0

Q10 0 6.482,3796

Q11 0 52.786,8388

Total 59.269,2183 59.269,2183

Impurities 0,7161 944,2089 676,1101

H2O 2,3593 1.883,34 4.443,4470

K2CO3 0,4991 2.717,75 1.356,3174

KHCO3 23,9548 2128,25 52.395,1976

Total 27.7273 59.269,2183

KOH 0,1941 2.010,44 390,1833

Impurities 0,7017 944,2089 662,5879

H2O 2,3122 1.883,34 4.354,5781

K2CO3 0,0099 2.717,75 27,1264

KHCO3 0,4791 2128,25 1.047,9039

Total 3,6971 6.482,3796

KOH 0,0039 2.010,44 7,9629

Impurities 0,0143 944,2089 13,5222

H2O 0,0472 1.883,34 88,8689

K2CO3 0,4891 2.717,75 1.329,1910

KHCO3 23,4757 2128,25 51.347,2937

Total 24,0303 52.786,8388

(21)

9. ROTARY KILN– 01 (RK – 01)

Fungsi : Tempat terjadinya dekomposisi Potassium Hydrogen Carbonate Crystal (KHCO3) menjadi Potassium Carbonate (K2CO3)

Jenis : Rotary Kiln

Keterangan:

Q11 = Aliran panas feed slurry dari Centrifuge-01 Q12 = Aliran panas udara pemanas dari Heater-03

Q13 = Aliran panas dry cake K2CO3 menuju Belt Conveyor Q14 = Aliran panas vapor waste menuju cyclone

Kondisi Operasi

Temperatur = 500℃ Tekanan = 1 atm c) Panas Input FP – 01

 Panas sensibel yang masuk dari R-02 (Q) pada T = 50^oC

d) Panas Output CSP – 01

 Panas sensibel aliran Qpada T = 50^oC

 Panas

sensibel aliran Q pada T = 50^oC Komponen n (Kmol) ꭍ Cp.dT (kJ/kmol) Q (kJ)

KOH 0,1980 2.010,44 398,1462

Impurities 0,7161 944,2089 676,1101

H2O 2,3593 1.883,34 4.443,4470

K2CO3 0,4991 2.717,75 1.356,3174

KHCO3 23,9548 2128,25 52.395,1976

Total 27.7273 59.269,2183

KOH 0,1941 2.010,44 390,1833

Impurities 0,7017 944,2089 662,5879

H2O 2,3122 1.883,34 4.354,5781

K2CO3 0,0099 2.717,75 27,1264

KHCO3 0,4791 2128,25 1.047,9039

Total 3,6971 6.482,3796

(22)

KOH 0,0039 2.010,44 7,9629

Impurities 0,0143 944,2089 13,5222

H2O 0,0472 1.883,34 88,8689

K2CO3 0,4891 2.717,75 1.329,1910

KHCO3 23,4757 2128,25 51.347,2937

Total 24,0303 52.786,8388