NERACA MASSA - 3 Sistem dengan Recycle, By Pass dan Purge

NERACA MASSA

⁽³⁾Sistem dengan Recycle, By Pass dan Purge

SISTEM RECYCLE

Sistem recycle: sistem yang melibatkan satu atau lebih aliran recycle/daur ulang.

Dasar pemikiran: harga bahan baku yang mahal, maka reaktan sisa yang tidak

bereaksi didaur ulang/dikembalikan ke aliran umpan.

Memberikan penghematan yang signifikan secara ekonomi.

Heat recovery dalam proses juga menurunkan konsumsi energi secara keseluruhan.

2

SISTEM DENGAN RECYCLE

Garis putus-putus merupakan opsi kemungkinan batasan sistem

Proses

Mixer Sepa

rator Fresh Feed, F

Recycle, R

Net Product, P Total (or Gross)

Feed Gross Product

1

2 3 4

Sistem recycle tanpa reaksi kimia

4

Contoh 6.5: Filtrasi Kontinyu melibatkan Sistem Recycle

Gambar E6.5 merupakan proses skematik produksi biomassa (Bio) yang akan digunakan untuk produksi obat.

Umpan segar (F) masuk ke dalam proses sebesar 10.000 lb/jam dengan komposisi 40%-berat larutan suspensi biomassa. Umpan digabungkan dengan filtrat recycle dari filter, dan menjadi umpan untuk Evaporator, dimana air dipisahan untuk menghasilkan 50%-berat larutan Bio, yang diumpankan ke Crystallizer&Filter.

Filter menghasilkan filter cake dengan komposisi 95%-berat biomassa kering dan 5%-berat suspensi biomassa (mengandung 55%-berat air dan 45%-berat biomassa). Dalam sistem ini, tentukan:

a. laju alir air yang dipisahkan di evaporator (W);

b. laju alir suspensi biomassa (P)

c. laju alir biomassa dalam produk suspensi d. laju alir recycle (R)

TOTAL SISTEM/PROSES Neraca massa total:

𝐹 = 𝑊 + 𝑃

10000 = 𝑊 + 𝑃

Neraca Bio total:

(40%)(10.000) = (95%)(𝑃) + (45%)(5%)(𝑃) 4000 = 0,9725(𝑃)

𝑃 = 4113,11 𝑙𝑏/𝑗𝑎𝑚 (b) Neraca air (H₂O) total:

60% 10.000 = (100%)(𝑊) + (55%)(5%)(𝑃) 6000 = 𝑊 + (0,0275)(4113,11)

𝑊 = 5886,89 𝑙𝑏

𝑗𝑎𝑚 (𝑎) Total Bio yang keluar di P:

= [95% + (45%)(5%)]𝑃

= [(0,95) + (0,45)(0,05)](4113,11)

= 4000 𝑙𝑏

𝑗𝑎𝑚 (𝑐)

 Sub-sistem

 Cari sub-sistem yang melibatkan recycle, R

 mixing point atau filter  Pilih !!!  aliran P telah diketahui, maka dipilih filter

Sub-sistem FILTER

 Neraca Bio:

(50%)(𝐺) = 4000 + (45%)(𝑅) 0,5𝐺 = 4000 + 0,45𝑅

 Neraca H₂O:

50%𝐺 = 4113,11 − 4000 + 55%𝑅 50%𝐺 = 113,11 + 55%𝑅

0,5𝐺 = 113,11 + 0,55𝑅 Penyelesaian dua persamaan

4000 + 0,45𝑅 = 113,11 + 0,55𝑅

𝑅 = 38.870 𝑙𝑏 dalam 1 jam (d) 6

Contoh 6.6. Recycle dalam Process dengan Reaksi kimia

Cyclohexane (C

₆

H

₁₂

) dibuat dengan mereaksikan Benzen (Bz) dengan Hidrogen 𝐶

₆

𝐻

₆

+ 3 𝐻

₂

→ 𝐶

₆

𝐻

₁₂

Benzen dalam umpan adalah 100 mol.

Tentukan rasio aliran recycle terhadap umpan (fresh feed) jika konversi keseluruhan Benzen adalah 95% dan konversi sekali lewat (single-pass ) reaktor adalah 20% !

Asumsikan 20% excess Hidrogen digunakan dalam fresh feed, dan komposisi aliran reycle adalah

22.74 %-mol Benzen dan 78.26 %-mol Hidrogen.

Jawab: Total Sistem Proses terbuka dan steady state

Figure E6.6 mencantumkan seluruh informasi, kecuali jumlah H₂ dalam feed, yaitu 20% excess (ingat, untuk reaksi sempurna)

𝑛_𝐵𝑧^𝐹 = 100 𝑚𝑜𝑙 𝑛_𝐻2^𝐹 = 100 ³

1 1 + 20% = 360 𝑚𝑜𝑙

sehingga total fresh feed (F) adalah = 100 + 360 = 460 𝑚𝑜𝑙.

Benzen bereaksi = laju reaksi 𝑟 = 100 𝑚𝑜𝑙 95%

−(−1) = 95 𝑚𝑜𝑙

Neraca total:

𝑛_𝐵𝑧^𝑃 = 100 + −1 95 = 5 𝑚𝑜𝑙 𝑛_𝐻2^𝑃 = 360 + −3 95 = 75 𝑚𝑜𝑙 𝑛_𝐶6𝐻12^𝑃 = 0 + (1)(95) = 95 𝑚𝑜𝑙 Total 𝑃 = 5 + 75 + 95 = 175 𝑚𝑜𝑙

Sub sistem: Reaktor

Jumlah benzen umpan reaktor adalah = 100 + 22,74%𝑅

Dengan r=95 mol, carilah R!

Konversi sekali lewat reaktor = 20%

𝑟 = 95 𝑚𝑜𝑙 = 100 + 22,74%𝑅 20%

−(−1) Maka 𝑅 = 1649 𝑚𝑜𝑙

Sehingga, Rasio ^𝑅

𝐹 = ¹⁶⁴⁹

460 = 3,58

𝑪_𝟔𝑯_𝟔 + 𝟑 𝑯_𝟐 → 𝑪_𝟔𝑯_𝟏𝟐 𝐶₆𝐻₆ + 3 𝐻₂ → 𝐶₆𝐻₁₂

8

SISTEM DENGAN BYPASS DAN PURGE

Aliran

bypass stream: aliran yang melewatkan/mengabaikan satu atau lebih tahapan

proses dan langsung ke aliran akhir (Figure 6.10)

Dapat digunakan untuk mengendalikan komposisi aliran keluaran akhir dengan

mencampurkan aliran bypass dengan aliran keluaran unit tertentu dengan proporsi yang sesuai untuk mendapatkan proporsi akhir yang diinginkan.

Aliran

purge: aliran yang keluar dari proses untuk memisahkan akumulasi inert atau

material yang tidak diinginkan, yang mungkin terbentuk di aliran recycle dalam waktu

tertentu

Contoh 6.8. Perhitungan Bypass

Dalam tahap persiapan feedstock dalam pembuatan natural gasoline, isopentane dipisahkan dari butane- free gasoline.

Berapa rasio butane-free gasoline yang lewat melalui isopentane tower?

Proses terjadi secara steady state dan tidak terjadi reaksi.

Debu taniz

er

Isope ntane Towe

r

1 2

Butane-free Feed (F) = 100 kg n-C₅H₁₂ 80%

i-C₅H₁₂ 20%

X Y

n-C₅H₁₂ 100%

Bypass stream = 100-X

Product to natural gas oline plant (P) n-C₅H₁₂ 90%

i-C₅H₁₂ 10%

Isopentane side stream (S) i-C₅H₁₂ 100%

10

Neraca total:

𝐼𝑛 = 𝑂𝑢𝑡  𝐹 = 𝑆 + 𝑃 100 = 𝑆 + 𝑃 (…a)

Neraca n-C5:

𝐼𝑛 = 𝑂𝑢𝑡

80% 100 = 0% 𝑆 + (90%)𝑃 (…b) maka: 𝑃 = 100. ^80%

90% = 88,9 𝑘𝑔

Persamaan (a)  𝑆 = 100 − 88,9 = 11,1 𝑘𝑔

 Neraca total tidak menunjukkan fraksi feed masuk ke isopentane tower;

 Pilih sub sistem isopentane tower

 X adalah massa butane-free gasoline masuk ke isopentane tower, dan Y adalah massa n-C₅H₁₂ keluar isopentane tower.

𝐼𝑛 = 𝑂𝑢𝑡 𝑋 = 11,1 + 𝑌 (…c)

 Neraca komponen (n-C5):

80% 𝑋 = 𝑌 (…d)

 Penyelesaian persamaan (c) dan (d) menghasilkan 𝑋 = 55.5 𝑘𝑔, maka rasio adalah = ⁵⁵

100 = 0.55.

Pendekatan lain: subsystem Mixing points 1 dan 2.

Neraca total di mixing point 2:

100 − 𝑋 + 𝑌 = 88,9 (…e) Neraca komponen (iso-C5):

20% 100 − 𝑋 + 0 = (10%)(88,9) (…f)

Karena persamaan (f) tidak mengandung Y, maka dapat

55

Contoh 6.9. Purge

Konversi batubara menjadi produk cair. Dua gas utama dapat dihasilkan dalam kondisi tertentu dari pembakaran batubara in situ (in the ground) dengan kehadiran steam, yaitu H₂ and CO. Setelah pemurnian, kedua gas dapat digabungkan menghasilkan metanol:

𝐶𝑂 + 2 𝐻₂ → 𝐶𝐻₃𝑂𝐻

Semua komposisi dalam persen mol. Pada Gambar E6.9a, CH₄ masuk ke dalam sistem, namun tidak

berpartisipasi dalam reaksi. Aliran purge digunakan untuk menjaga konsentrasi CH₄ di aliran keluaran dari separator masuk ke R dan P, tidak lebih dari 3.2 %mol , dan untuk mencegah akumulasi.

Konversi CO sekali lewat reaktor adalah 18%.

Hitung aliran recycle, R, mol CH₃OH, E, dan mol purge, P, per 100 mol feed, dan juga hitung komposisi gas purge!

Reaktor Separator

Feed (F)=100 mol

H₂ 67,3%

CO 32,5%

CH₄ 0,2%

Mix

Split Recycle, R

H₂ x

CO y

CH₄ z=3,2%

Purge (P)

CH₄ 3,2%

H₂ x

CO y

Produk (E)

CH₃OH 100%

CH₄ 3,2%

H₂ x

CO y

12

Asumsi: Proses steady state dengan reaksi kimia.

Tinjau sistem yang dibatasi garis putus-putus! (pada gambar pertama) F = 100 mol

Keluaran reaktor:

 CH₄ (karena dianggap tidak bereaksi),

 CO (karena hanya terkonversi 18%),

 H₂ (penentu reaksi adalah CO, maka H₂ akan tersisa)

Aliran purge digunakan untuk menjaga konsentrasi CH₄ di aliran keluaran dari separator masuk ke R dan P, tidak lebih dari 3.2 %mol, maka x_CH4 < 3,2% (ambil ambang batas max.  x_CH4 = 3,2%)

n.m. komponen CH₄: 𝑥_𝐶𝐻4^𝐹. F = 𝑥_𝐶𝐻4^𝐸. E + 𝑥_𝐶𝐻4^𝑃. P 0,2% 100 = 0% 𝐸 + 3,2% 𝑃

0,2 = 0,032𝑃  maka 𝑷 = 𝟔, 𝟐𝟓 𝒎𝒐𝒍

Reaktor Separator

Feed (F)=100 mol

H₂ 67,3%

CO 32,5%

CH₄ 0,2%

Mix

Split Recycle, R

H₂ x

CO y

CH z=3,2%

Purge (P)

CH₄ 3,2%

H₂ x

CO y

Produk (E)

CH₃OH 100%

Ingat!!! Komposisi masuk dan keluar splitter adalah

Tinjau gabungan dua unit (reaktor dan separator)! (pada gambar ke-2) Input reaktor



keluaran mixer:

𝐼𝑛 = 𝐹 + 𝑅

Keluaran reaktor+separator

 𝑂𝑢𝑡 = (𝑅 + 𝑃) + 𝐸 = (𝑅 + 6,25) + 𝐸

Karena aliran E hanya mengandung CH

₃

OH, maka untuk komponen lain

𝑂𝑢𝑡 = 𝑅 + 6,25

Reaktor Separator

Split

Recycle, R

H₂ x

CO y

CH₄ z=3,2%

Purge, P

CH₄ 3,2%

H₂ x

CO y

Produk, E F+R

R+P

14

n.m. komponen CO: 𝑁_𝐶𝑂^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝐶𝑂^𝑖𝑛 + 𝜎_𝐶𝑂. r 𝑥_𝐶𝑂^𝑜𝑢𝑡. Out = 𝑥_𝐶𝑂^𝑖𝑛. In + 𝜎_𝐶𝑂. r

𝑥_𝐶𝑂^𝑜𝑢𝑡. Out = [𝑥_𝐶𝑂^𝐹. F + 𝑥_𝐶𝑂^𝑅. R] + 𝜎_𝐶𝑂. r

𝑦. 𝑅 + 6,25 = 32,5% 100 + 𝑦 𝑅 + −1 (𝑟) 𝑦. 𝑅 + 6,25𝑦 = 32,5 + 𝑦. 𝑅 − 𝑟

6,25𝑦 = 32,5 − 𝑟 …(1)

n.m. komponen H₂: 𝑁_𝐻2^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_𝐻2^𝑖𝑛 + 𝜎_𝐻2. r 𝑥_𝐻2^𝑜𝑢𝑡. Out = 𝑥_𝐻2^𝑖𝑛. In + 𝜎_𝐻2. r

𝑥_𝐻2^𝑜𝑢𝑡. Out = [𝑥_𝐻2^𝐹. F + 𝑥_𝐻2^𝑅. R] + 𝜎_𝐻2. r

𝑥. 𝑅 + 6,25 = 67,3% 100 + 𝑥 𝑅 + −2 (𝑟) 𝑥. 𝑅 + 6,25𝑥 = [67,3 + 𝑥. 𝑅] − 2𝑟

6,25𝑥 = 67,3 − 2𝑟 …(2)

n.m. komponen CH₃OH: 𝑁_{𝐶𝐻3𝑂𝐻}^𝑜𝑢𝑡 = 𝑁_{𝐶𝐻3𝑂𝐻}^𝑖𝑛 + 𝜎_{𝐶𝐻3𝑂𝐻}. r 𝑥_{𝐶𝐻3𝑂𝐻}^𝑜𝑢𝑡. Out = 𝑥_{𝐶𝐻3𝑂𝐻}^𝑖𝑛. In + 𝜎_{𝐶𝐻3𝑂𝐻}. r

(100%) 𝐸 = 0 + +1 (𝑟) 𝐸 = 𝑟 …(3)

n.m. CH₄: 3,2% 𝑅 + 6.25 = [ 0,2% 100 + 3,2% (𝑅) + 0 (redundant equation (used previously))

Reaktor Separator

Split Recycle, R

H₂ x

CO y

CH₄ z=3,2%

Purge, P

CH₄ 3,2%

H₂ x

CO y

Produk F+R , E

Persamaan laju reaksi:

𝑟 = ^{𝑁𝐶𝑂𝑖𝑛. 𝑋𝐶𝑂}

−𝜎_𝐶𝑂^𝑖𝑛 = (32,5+𝑦.𝑅)(18%)

−(−1)

𝑟 = 5,85 + (0,18)(𝑦. 𝑅) … (4)

Total fraksi di keluaran separator: 𝑥 + 𝑦 + 3,2% = 1 𝑥 + 𝑦 = 0,968 …(5)

Eliminasi persamaan (1) dan (2)

6,25𝑦 = 32,5 − 𝑟 𝑥2 12,5𝑦 = 65 − 2𝑟

6,25𝑥 = 67,3 − 2𝑟 𝑥1 6,25𝑥 = 67,3 − 2𝑟 -

12,5𝑦 − 6,25𝑥 = −2,3 …(6) Eliminasi persamaan (6) dan (5)

12,5𝑦 − 6,25𝑥 = −2,3 𝑥1 12,5𝑦 − 6,25𝑥 = −2,3 𝑦 + 𝑥 = 0,968 𝑥6,25 6,25𝑦 + 6,25𝑥 = 6,05 +

18,75𝑦 + 0 = 3,75 𝑦 = ^3,75

18,75 = 0,2  pers. (5): 𝑥 = 0,968 − 0,2 = 0,768

Pers. (1): 6,25𝑦 = 32,5 − 𝑟  6,25 0,2 = 32,5 − 𝑟  𝑟 = 31,25 𝑚𝑜𝑙 𝐸 = 𝑟 = 31,25 𝑚𝑜𝑙

Pers. (4)  𝑟 = 5,85 + (0,18)(𝑦. 𝑅)  31,25 = 5,85 + (0,18)(0,2)𝑅  𝑅 = 705,56 𝑚𝑜𝑙

Penyelesaian serangkaian

persamaan matematika secara sekuensial dan simultan;

Bisa dengan cara substitusi dan/atau eliminasi; atau dengan bantuan software.

16