LAMPIRAN B NERACA MASSA
1. Spesifikasi Bahan Baku a. Propilen
C3H6 = 99,60% berat
C3H8 = 0,40% berat
b. Karbon Dioksida
CO = 98,00% berat
CH4 = 2,00% berat
c. Hidrogen
H2 = 99,90% berat
Ar = 0,10% berat
d. Air
H2O = 100% berat
e. Rhodium Triphenylphosphine Trisulfonate
Rasio Air : C3H6 = 6 : 1 (berat) (Cornils, 1995)
Konsentrasi Rh-TPPTS = 0,01 % berat C3H6 (Unveren, 2004) Rasio Rh : Ligan (TPPTS) = 1 : 7 (mol) (Horvath, 1990) 2. Spesifikasi Produk
a. n-Butiraldehid
n-C4H8O = 96,34% berat
i-C4H8O = 0,30% berat
H2O = 3,36% berat
b. i-Butiraldehid
i-C4H8O = 96% berat
n-C4H8O = 4% berat
3. Kapasitas Pabrik
Basis perhitungan = 1 jam operasi Hari kerja dalam setahun = 330 hari Jam kerja dalam sehari = 24 jam/hari Kapasitas pabrik setahun = 45.000 ton/tahun Kapasitas pabrik per jam = 5.681,82 kg/jam 4. Berat Molekul
H2 = 2,01 kg/kmol CO = 28,01 kg/kmol Ar = 39,95 kg/kmol CH4 = 16,04 kg/kmol C3H6 = 42,08 kg/kmol C3H8 = 44,10 kg/kmol
i-C4H8O = 72,10 kg/kmol n-C4H8O = 72,10 kg/kmol H2O = 18,01 kg/kmol Rh-TPPTS = 1.836,81 kg/kmol TPP = 262,29 kg/kmol
5. Perhitungan Neraca Massa a. Kebutuhan Bahan Baku
• Kapasitas Produksi
Kapasitas = 45.000 ton/tahun
• Data Diketahui
- Konversi n-butiraldehid terhadap propilen
Konversi (XA) = 99% (Cornils,1995)
- Selektivitas n-butiraldehid terhadap i-butiraldehid
Selektivitas (S) = 16 : 1 (mol n-C4H8O : i-C4H8O) - Konsentrasi RhTPPTS = 0,01 % berat C3H6
- Rasio Rh : Ligan (TPPTS) = 1 : 7 (mol) - Rasio solvent : C3H6 = 6 : 1 (berat) - Kelarutan
Kelarutan n-C4H8O = 0,061 kg/kg air Kelarutan i-C4H8O = 0,050 kg/kg air Kelarutan H2O = 0,024 kg/kg n-C4H8O Kelarutan H2O = 0,021 kg/kg i-C4H8O
(Ullmann, 2013)
• Mol produksi n-butiraldehid
Mol n-butiraldehid di produk utama = Massa n-butiraldehid Berat molekul n-butiraldehid
= 5.681,82 kg/jam × 96,34%
72,10 kg/kmol
= 5.473,92 kg/jam 72,10kg/kmol
= 75,92 kmol/jam Mol n-butiraldehid di produk samping = Massa n-butiraldehid
Berat molekul n-butiraldehid
= 339,40 kg/jam × 4%
72,10 kg/kmol
= 13,58 kg/jam 72,10kg/kmol
= 0,19 kmol/jam
Mol n-butiraldehid total = (75,92 + 0,19) kmol/jam
• Stoikiometri reaksi hidroformilasi Reaksi utama
C3H6 + CO + H2 → n-C4H8O
Mula-mula F1 F2 F3 -
Bereaksi 76,11 76,11 76,11 76,11
Sisa (F1-76,11) (F2-76,11) (F3-76,11) 76,11
Reaksi samping
C3H6 + CO + H2 → i-C4H8O Mula-mula (F1-76,11) (F2-76,11) (F3-76,11) -
Bereaksi 4,76 4,76 4,76 4,76
Sisa (F1-80,87) (F2-80,87) (F3-80,87) 4,76
• Menghitung F1
XRBDPO = mol propilen bereaksi mol propilen mula-mula
99% = 76,11
𝑘𝑚𝑜𝑙
𝑗𝑎𝑚 + 4,76 𝑘𝑚𝑜𝑙𝑗𝑎𝑚 𝐹1
F1 = 80,87
𝑘𝑚𝑜𝑙 𝑗𝑎𝑚 99%
F1 = 81,68 kmol/jam
• Menghitung F2
Diketahui perbandingan mol propilen dengan karbon monoksida dan hidrogen adalah 1 : 1 : 1, maka:
Karbon monoksida mula-mula Propilen mula-mula = 1
1 F2
F1 = 1
1
F2 = F1 × 1
= 81,68 kmol/jam × 1
= 81,68 kmol/jam
• Menghitung F3
Diketahui perbandingan mol propilen dengan karbon monoksida dan hidrogen adalah 1 : 1 : 1, maka:
Hidrogen mula-mula
Propilen mula-mula = 1
1 F3
F1 = 1
1
F3 = F1 × 1
= 81,68 kmol/jam × 1
= 81,68 kmol/jam
• Menghitung sisa propilen
Sisa propilen = F1 – 80,87 kmol/jam
= (81,68 – 80,87) kmol//jam Sisa propilen = 0,84 kmol/jam
• Menghitung sisa karbon monoksida
Sisa karbon monoksida = F2 – 80,87 kmol/jam
= (81,68 – 80,87) kmol//jam Sisa karbon monoksida = 0,82 kmol/jam
• Menghitung sisa hidrogen
Sisa hidrogen = F3 – 80,87 kmol/jam
= (81,68 – 80,87) kmol//jam Sisa hidrogen = 0,82 kmol/jam
• Menghitung kebutuhan bahan baku - Kebutuhan propilen
Massa propilen = mol propilen × berat molekul propilen
= 81,68 kmol/jam × 42,08 kg/kmol
= 3.437,23 kg/jam
= 27.222,85 ton/tahun
Massa propana dalam propilen dapat dihitung sebagai berikut:
Massa propana
Persentase propana = Massa propilen Persentase propilen
Massa propana = 3.437,23 kg/jam
99,60% ×0,40%
= 13,80 kg/jam
= 109,33 ton/tahun
Dari perhitungan massa propana dan propilen di atas, dapat dihitung kebutuhan propilen sebagai berikut:
Kebutuhan propilen = massa propilen + Massa propana
= (3.437,23 + 13,80) kg/jam
= 3.451,03 kg/jam
= 27.332,18 ton/tahun
- Kebutuhan karbon monoksida
Massa CO = mol CO × berat molekul CO
= 81,68 kmol/jam × 28,01 kg/kmol
= 2.287,95 kg/jam
= 18.120,53 ton/tahun
Massa metana dalam karbon monoksida dapat dihitung sebagai berikut:
Massa metana
Persentase metana = Massa karbon monoksida Persentasekarbon monoksida
Massa metana = 2.287,95 kg/jam
98,00% × 2,00%
= 46,69 kg/jam
= 369,81 ton/tahun
Dari perhitungan massa karbon monoksida dan metana di atas, dapat dihitung kebutuhan karbon monoksida sebagai berikut:
Kebutuhan CO = massa CO + Massa CH4
= (2.287,95 + 46,69) kg/jam
= 2.334,64 kg/jam
= 18.490,34 ton/tahun - Kebutuhan hidrogen
Massa hidrogen = mol hidrogen× berat molekul hidrogen
= 81,68 kmol/jam × 2,01 kg/kmol
= 164,28 kg/jam
= 1.300,33 ton/tahun
Massa argon dalam hidrogen dapat dihitung sebagai berikut:
Massa argon
Persentase argon = Massa hidrogen Persentase hidrogen
Massa Ar = 164,28 kg/jam
99,90% ×0,10%
= 0,16 kg/jam
= 1,30 ton/tahun
Dari perhitungan massa hidrogen dan argon di atas, dapat dihitung kebutuhan hidrogen sebagai berikut:
Kebutuhan hidrogen = massa hidrogen + Massa Ar
= (164,18 + 0,16) kg/jam
= 164,35 kg/jam
= 1.301,63 ton/tahun - Kebutuhan solvent (H2O)
Menurut Cornils (1995), rasio berat kebutuhan pelarut katalis (H2O) dengan senyawa organik (C3H6) adalah sebesar 6 : 1, maka:
Massa H2O = 6 × massa propilen
= 6 × 3.437,23 kg/jam
= 20.623,37 kg/jam - Kebutuhan katalis Rh-TPPTS
Menurut Unveren (2004), kebutuhan kebutuhan katalis Rh-TPPTS pada proses hidroformilasi propilen sebesar 0,01% berat larutan organik (C3H6). Sedangkan rasio molar antara logam Rh dengan ligan katalis Rh-TPPTS adalah sebesar 1:7, maka:
Massa Rh-TPPTS = 0,01 % × massa C3H6
= 0,01% × 3.437,23 kg/jam
= 0,344 kg/jam Massa ligan TPPTS = 7×BM TPPTS
(1×BM Rh)+(7×BM TPPTS) × massa RhTPPTS
= 7×568,41
(1×102,9)+(7×568,41) × 0,344 kg/jam
= 0,335 kg/jam Massa impuritas (TPP) = 3%
97% × massa TPPTS
= 3%
97% × 0,335 kg/jam
= 0,01 kg/jam
Massa Rh = Massa Rh-TPPTS - massa TPPTS
= (0,344 - 0,335 ) kg/jam
= 0,009 kg/jam
Berdasarkan perhitungan di atas, diperoleh tabel kebutuhan bahan baku sebagai berikut:
Komponen Jumlah Kebutuhan (kg/jam)
H2 164,35
CO 2.334,64
C3H6 3.451,03
sedangkan kebutuhan katalis sebagai berikut:
Komponen Jumlah Kebutuhan (kg/jam)
H2O 20.623,37
Rh(TPPTS) 0,34
b. Perhitungan Neraca Massa Mixer (M-101) Skema:
Arus umpan katalis secara batch Komposisi arus =
Rh-TPPTS = 0,34 kg/jam TPP = 0,01kg/jam
• Arus 9 (Recycle catalyst) Komposisi arus 9 adalah:
Rh-TPPTS = 0,34 kg/jam TPP = 0,01kg/jam H2O = 20.432,62 kg/jam n-C4H8O = 1.258,03 kg/jam i-C4H8O = 1.031,17 kg/jam
• Arus 5 (Make up H2O) Komposisi arus 5 adalah:
H2O = kebutuhan H2O – H2O recycle
= (20.623,37 – 20.423,62) kg/jam
= 190,75 kg/jam
• Arus 6
Komposisi arus 6 adalah:
Rh-TPPTS arus 6 = Rh-TPPTS arus 9
= 0,34 kg/jam TPP arus 6 = TPP arus 9
= 0,01 kg/jam
H2O arus 6 = H2O arus 9 + H2O arus 5
= 20.623,37 kg/jam n-C4H8O arus 6 = n-C4H8O arus 9
= 1.258,03 kg/jam i-C4H8O arus 6 = i-C4H8O arus 9
= 1.031,17 kg/jam Neraca Massa di Mixer (M-101)
Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 5 Arus 9 Arus 6 i-C4H8O 0,00 1.031,17 1.031,17 n-C4H8O 0,00 1.258,03 1.258,03 H2O 190,75 20.423,62 20.623,37
Rh-TPPTS 0,00 0,34 0,34
TPP 0,00 0,01 0,01
Total 190,75 22.722,17
22.912,92 22.912,92
c. Perhitungan Neraca Massa Tee (Tee-101) Skema:
• Arus 1
Komposisi arus 1 adalah:
C3H6 = kebutuhan propilen : presentase C3H6
= 3.451,03 kg/jam × 99,60%
= 3.437,23 kg/jam
C3H8 = kebutuhan propilen : presentase C3H8
= 3.451,03 kg/jam × 0,40%
= 13,80 kg/jam
• Arus 2
Komposisi arus 2 adalah:
CO = kebutuhan CO × presentase CO
= 2.334,64 kg/jam × 98,00%
= 2.287,95 kg/jam
CH4 = kebutuhan CO × presentase CH4
= 2.334,64 kg/jam × 2,00%
= 46,69 kg/jam
• Arus 3
Komposisi arus 3 adalah:
H2 = kebutuhan hidrogen × presentase H2
= 164,35 kg/jam × 99,90%
= 164,18 kg/jam
Ar = kebutuhan hidrogen × presentase Argon
= 164,35 kg/jam × 0,10%
= 0,16 kg/jam
• Arus 4
Komposisi arus 4 adalah:
C3H6arus 4 = C3H6arus 1
= 3.437,23 kg/jam C3H8arus 4 = C3H8arus 1
= 13,80 kg/jam CO arus 4 = CO arus 2
= 2.287,95 kg/jam CH4arus 4 = CH4arus 2
= 46,69 kg/jam H2arus 4 = H2arus 3
= 164,18 kg/jam Ar arus 4 = Ar arus 3
= 0,16 kg/jam Neraca Massa di Tee (Loop 2)
Komponen Masuk (kg/jam) Keluar
(kg/jam) Arus 1 Arus 2 Arus 3 Arus 4
H2 0,00 0,00 164,18 164,18
CO 0,00 2.287,95 0,00 2.287,95
Ar 0,00 0,00 0,16 0,16
CH4 0,00 46,69 0,00 46,69
C3H6 3.437,23 0,00 0,00 3.437,23
C3H8 13,80 0,00 0,00 13,80
Total 3.451,03 2.334,64 164,35
5.950,02 5.950,02
d. Perhitungan Neraca Massa Reaktor 1 (R-101) Skema:
Basis perhitungan : 81,68 kmol/jam propilen
Konversi : 99% (Cornils,1995)
Reaksi yang terjadi pada Reaktor Reaksi utama:
C3H6 + CO + H2 → n-C4H8O
Mula-mula 81,68 81,68 81,68 -
Bereaksi R1 R1 R1 R1
Sisa (81,68-R1) (81,68-R1) (81,68-R1) R1
Reaksi samping:
C3H6 + CO + H2 → i-C4H8O Mula-
mula (81,68-R1) (81,68-R1) (81,68-R1) -
Bereaksi R2 R2 R2 R2
Sisa (81,68-R1- R2) (81,68-R1- R2) (81,68-R1- R2) R2
R1 dan R2 dihitung dengan menggunakan hubungan antara konversi dengan mol propilen mula-mula dan yang bereaksi, dengan perhitungan sebagai berikut:
Xpropilen = C3H6 bereaksi C3H6 mula-mula
= R1+R2
81,68
R1 + R2 = 99% × 81,68 kmol/jam
= 80,87 kmol/jam
Rasio selektivitas n-C4H8O dengan i-C4H8O adalah :
R1
R2 = 6
1
Sehingga, nilai R1 dan R2 adalah:
R1 + R2 = 80,87 kmol/jam (6R2) + R2 = 80,87 kmol/jam 7R2 = 80,87 kmol/jam R2 = 80,87 kmol/jam
7
= 4,76 kmol/jam R1 = 80,87 kmol/jam – R2
= 80,87 kmol/jam – 4,76 kmol/jam
= 76,11 kmol/jam
Maka, reaksi dapat dituliskan kembali sebagai berikut:
Reaksi utama:
C3H6 + CO + H2 → n-C4H8O
Mula-mula 81,68 81,68 81,68 -
Bereaksi 76,11 76,11 76,11 76,11
Sisa 5,75 5,75 5,75 76,11
Reaksi samping:
C3H6 + CO + H2 → i-C4H8O Mula-
mula 5,75 5,75 5,75 -
Bereaksi 4,76 4,76 4,76 4,76
Sisa 0,82 0,82 0,82 4,76
Dari persamaan reaksi di atas, didapatkan:
C3H6 = 0,82 kmol/jam = 34,37 kg/jam CO = 0,82 kmol/jam = 22,88 kg/jam H2 = 0,82 kmol/jam = 1,64 kg/jam n-C4H8O = 76,11 kmol/jam = 5.487,50 kg/jam i-C4H8O = 4,76 kmol/jam = 342,97 kg/jam
Neraca Massa di Reaktor 1 (R-101)
Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam)
Arus 4 Arus 7 Arus 8 Arus 9
H2 164,18 0,00 1,64 0,00
CO 2.287,95 0,00 22,88 0,00
Ar 0,16 0,00 0,17 0,00
CH4 46,69 0,00 46,69 0,00
C3H6 3.437,23 0,00 34,37 0,00
C3H8 13,80 0,00 13,80 0,00
i-C4H8O 0,00 1.031,17 0,00 1.374,14
n-C4H8O 0,00 1.258,03 0,00 6.745,52
H2O 0,00 20.623,37 0,00 20.623,37
Rh-TPPTS 0,00 0,34 0,00 0,34
TPP 0 0,01 0,00 0,01
Total 5.950,02 22.912,92 119,55 28.743,39
28.862,94 28.862,94
e. Perhitungan Neraca Massa Dekanter (D-101) Skema:
Di dalam dekanter, terjadi pemisahan menjadi fase organik dan fase air, dimana fase organik terdiri atas n-butiraldehid dan i-butiraldehid, sedangkan fase air terdiri atas katalis Rh-TPPTS dan air. Fase organik akan selalu berada di atas fase air karena densitasnya yang lebih ringan.
• Arus 8
Arus 8 merupakan keluran dari reaktor (R-101) dengan komposisi sebagai berikut:
n-C4H8O = 6.745,52 kg/jam
i-C4H8O = 1.374,14 kg/jam H2O = 20.623,37 kg/jam Rh-TPPTS = 0,34 kg/jam
TPP = 0,01 kg/jam
• Arus 10
Arus 10 adalah fase organik pada dekanter, dengan sedikit air yang larut dalam fase organik. Data kelarutan H2O dalam n-butiraldehid dan i- butiraldehid sebagai berikut:
xH2O (dalam n-C4H8O) = 0,024 kg/kg n-C4H8O xH2O (dalam i-C4H8O) = 0,021 kg/kg i-C4H8O Maka komposisi arus 10 adalah:
n-C4H8O = 6.745,52 kg/jam i-C4H8O = 1.374,14 kg/jam
H2O = (xH2O (dalam n-C4H8O) × massa n-C4H8O) + (xH2O
(dalam i-C4H8O) × massa i-C4H8O)
= (0,024 kg/kg n-C4H8O × 6.745,52 kg/jam) + (0,021 kg/kg i-C4H8O × 1.374,14 kg/jam)
= 161,89 kg/jam + 28,86 kg/jam H2O = 190,75 kg/jam
• Arus 9
Arus 9 adalah fase air pada dekanter, dengan sedikit fase organik terlarut. Data kelarutan n-butiraldehid dan i-butiraldehid dalam air sebagai berikut:
xn-C4H8O = 0,061 kg/kg H2O
xi-C4H8O = 0,050 kg/kg H2O Maka komposisi arus 9 adalah:
H2O = 20.623,37 – 190,75 kg/jam = 20.432,62 kg/jam
n-C4H8O = xn-C4H8O × massa H2O
= 0,061 kg/kg H2O × 20.432,62 kg/jam n-C4H8O = 1.258,03 kg/jam
i-C4H8O = xi-C4H8O × massa H2O
= 0,050 kg/kg H2O × 20.432,62 kg/jam i-C4H8O = 1.031,17 kg/jam
Neraca Massa di Dekanter (D-101)
Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam) Arus 8 Arus 9 Arus 10
i-C4H8O 1.374,14 1.031,17 342,97
n-C4H8O 6.745,52 1.258,03 5.487,50
H2O 20.623,37 20.423,62 190,75
Rh-TPPTS 0,34 0,34 0,00
TPP 0,01 0,01 0,00
Total 28.743,39 22.722,17 6.021,21 28.743,39
f. Perhitungan Neraca Massa Menara Distilasi (T-101) Skema:
• Spesifikasi produk:
n-C4H8O = min 96,00%
Impuritas = maks. 4,00% (H2O) i-C4H8O = min 96,00%
Impuritas = maks. 4,00% (n-C4H8O)
• Pemilihan LK dan HK
LK = i-C4H8O
HK = n-C4H8O
• Asumsi 95% berat minimal i-C4H8O dari umpan ke distilat (Ullmann’s,2013):
Komponen Distilat Bottom
Arus 12 Arus 13
i-C4H8O 0,95 0,05
n-C4H8O 0,002 0,998
H2O 0,00 1,00
• Cek menggunakan distribusi Fenske, maka diperoleh:
Neraca Massa di Menara Distilasi (T-101)
Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam)
Arus 10 Arus 11 Arus 12
i-C4H8O 342,97 325,82 17,15
n-C4H8O 5.487,50 13,58 5.473,92
H2O 190,75 0,00 190,75
Total 6.021,21 339,40 5.681,82
6.021,21
• Koreksi persentase kemurnian produk Produk n-C4H8O
n-C4H8O =
5.473,92𝑘𝑔 𝑗𝑎𝑚 5.681,82𝑘𝑔
𝑗𝑎𝑚
× 100% = 96,34%
i-C4H8O = 17,15
𝑘𝑔 𝑗𝑎𝑚
5.681,82𝑗𝑎𝑚𝑘𝑔 × 100% = 0,30%
H2O = 190,75
𝑘𝑔 𝑗𝑎𝑚
5.681,82𝑗𝑎𝑚𝑘𝑔 × 100% = 3,36%
Produk i-C4H8O i-C4H8O = 325,82
𝑘𝑔 𝑗𝑎𝑚
339,40𝑗𝑎𝑚𝑘𝑔 × 100% = 96,00%
n-C4H8O = 13,58
𝑘𝑔 𝑗𝑎𝑚 339,40𝑘𝑔 𝑗𝑎𝑚
× 100% = 4,00%
Neraca Massa Total
Komponen Masuk (kg/jam) Keluar (kg/jam)
Arus 1 Arus 2 Arus 3 Arus 5 Arus 7 Arus 11 Arus 12
H2 0,00 0,00 164,18 0,00 1,64 0,00 0,00
CO 0,00 2.287,95 0,00 0,00 22,88 0,00 0,00
Ar 0,00 0,00 0,16 0,00 0,16 0,00 0,00
CH4 0,00 46,69 0,00 0,00 46,69 0,00 0,00
C3H6 3.437,23 0,00 0,00 0,00 34,37 0,00 0,00
C3H8 13,80 0,00 0,00 0,00 13,80 0,00 0,00
i-C4H8O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 325,82 17,15
n-C4H8O 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 13,58 5.473,92
H2O 0,00 0,00 0,00 190,75 0,00 0,00 190,75
Rh(TPPTS) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
TPP 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00
Total 3.451,03 2.334,64 164,35 190,75 119,55 339,40 5.681,82
6.140,77 6.140,77
