Perhitungan Neraca Massa dan Neraca Energi

(1)

LB-1

Dari hasil perhitungan neraca massa selanjutnya dilakukan perhitungan neraca energi. Perhitungan neraca energi didasarkan pada :

Kapasitas produksi : 200.000 ton/tahun Waktu operasi : 330 hari/tahun Basis perhitungan : 1 jam operasi Satuan operasi : kJ/jam

Temperatur referensi : 25℃ (298,15 ^oK)

Entalpi bahan pada temperatur dan tekanan tertentu adalah : ΔH = ΔHT - ΔHf

Keterangan :

ΔH = Perubahan Entalpi

ΔHT = Entalpi bahan pada suhu T

ΔHf = Entalpi bahan pada suhu referensi (25 ^oC)

(Himmelblau,ed.6,1996) Entalpi bahan untuk campuran dapat dirumuskan sebagai berikut ;

ΔH = .Cp.ΔT dengan ΔT = T – T0

(Himmelblau,ed.6,1996) Dimana:

ΔH : Perubahan Entalpi

Cp : Kapasitas panas (kJ/kmol.K) n : Mol senyawa (kmol)

T0 : Temperatur referensi (25℃) T : Temperatur senyawa (℃)

(2)

Kapasitas Panas

C_P∆T = ∫ C_PdT

T

T₀

C_P cairan = ∫[A + BT + CT²+ DT³]

T

T0

dt

= A(T − T₀) +B

2(T²− T₀²) +C

3(T³− T₀³) +D

4(T⁴− T₀⁴)

C_P gas = ∫[A + BT + CT² + DT³ + ET⁴]

T

T0

dt

= A(T − T₀) +^B

2(T²− T₀²) +^C

3(T³− T₀³) +^D

4(T⁴− T₀⁴) + ^E

5(T⁵− T₀⁵) Keterangan :

Cp = Kapasitas panas (J/mol ^oK) A,B,C,D,E = Konstanta

Tref = Temperatur referensi (298,15^oK) T = Temperatur operasi (^oK)

Tabel B.1 Konstanta Kapasitas Panas Gas (kJ/kg.K)

Fasa Komponen A B C D E

Gas

NH3 1,62 1,51E-03 5,82E-07 -3,34E-10 - Udara 1,03 -1,67E-04 4,73E-07 -1,69E-10 - H2O 1,89 -5,36E-04 1,83E-06 -1,14E-09 2,39E-13

Cair

NH3 1,19 4,98E-02 -2,39E-04 3,89E-07 - Udara 1,14 -1,57E-01 1,30E-03 -2,88E-06 - H2O 1,02 2,62E-02 -7,44E-05 7,30E-08 - H2SO4 0,27 7,18E-03 -1,41E-05 1,06E-08 - Padat (NH4)2SO4 136,32 -1,54E-01 1,05E-03 - - Sumber: (Perry,1999);(Reklaitis,1983);(Yaws,1999)

(3)

Tabel B.2 Konstanta Panas Laten

Komponen C1 C2 C3 C4 Tc

NH3 3,152E+07 3,914E-01 -2,289E-01 0,231 405,7 Sumber: (Perry,1999)

1. Vaporizer

Fungsi : Mengubah fasa NH3 cair menjadi fasa gas Kondisi Operasi : Tin = -30^oC = 243 K P = 3,4 atm

Tout = 1^oC = 274 K Steam

Q2 Q3

Condensate

Gambar B.1 Blok diagram neraca energi Vaporizer

Panas aliran masuk Vaporizer Tin = -30ôC = 243 ôK Tref = 25ôC = 298 ôK Q_𝑖𝑛 =Σmi x ( ∫ Cp.dT

243 ^oK

298 ^oK

)

Tabel B.3 Perhitungan panas masuk vaporizer Komponen m (kg/jam) ∫ 𝐂𝐩. 𝚫𝐓

𝟐𝟒𝟑 ^o𝐊

𝟐𝟗𝟖 ^o𝐊

(𝐤𝐉/𝐤𝐠) Q (kJ/jam)

NH3 6.537,718 -1.548,929 -10.126.461,020

H2O 32,853 -466,987 -15.341,855

Total -10.141.802,875

(4)

Panas aliran keluar Vaporizer Tout = 1^oC = 274 K Tref = 25^oC = 298 K Q_out =ΣNi x ( ∫ Cp.dT

274 ^oK

298 ^oK

)

NH3

Q_{𝑁𝐻3 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙} = Q_𝑁𝐻3 Sensibel + Q_𝑁𝐻3Laten

Panas Sensibel

𝑄_𝑁𝐻3 Sensibel = m x ( ∫ Cp.dT

274 ^oK

298 ^oK

)

= 6.537,718 Kg/jam x (-49,633) Kj/Kg = -324.487,820 Kj/jam

Panas Laten

Q_𝑁𝐻3Laten = massa NH₃x ∆HV

Tr = T / Tc ∆HV = C1 x (𝑇 − 𝑇𝑟)𝐶2+(𝐶3𝑥𝑇𝑟)+(𝐶4𝑥𝑇𝑟²)

= 274 K / 405,7 K = 21.451.490,717 J/kmol

= 0,675 = 1.261,852 Kj/Kg

Q_𝑁𝐻3Laten = massa NH₃x ∆HV

= 6.537,718 Kg/jam x 1.261,852 Kj/Kg = 8.249.635,471 Kj/jam

Q_{𝑁𝐻3 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙} = Q_{𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑒𝑙}+Q_{𝐿𝑎𝑡𝑒𝑛}

= -324.487,820 Kj/jam + 8.249.635,471 Kj/jam = 7.925.147,651 Kj/jam

(5)

H2O

𝑄_𝐻2𝑂 = m x ( ∫ Cp.dT

274 ^oK

298 ^oK

)

= 32,853 Kg/jam x (-42,800) Kj/Kg

= -1.406,104 Kj/jam 𝑄₃ = Q_{𝑁𝐻3 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙} + 𝑄_𝐻2𝑂

= (7.925.147,651 + (- 1.406,104)) Kj/jam

= 7.923.741,547 Kj/jam

Menghitung Kebutuhan Steam

Steam yang digunakan pada pabrik pupuk ammonium sulfat (ZA) merupakan saturated steam pada tekan 10 kg/cm² dan temperatur 180 ^OC, dari data Smith dkk (2001) diperoleh:

∆Hl = 758,945 kj/kg

∆Hv = 2.776,380 kj/kg

𝜆 = ∆Hv − ∆Hl

= (2.776,380 − 758,945 )kj/kg

= 2.017,435 kj/kg

∆Q = 𝑄_𝑜𝑢𝑡− 𝑄_𝑖𝑛

= (7.923.741,547 − (−10.141.802,875))Kj/jam

= 18.065.544,422 Kj/jam

Maka steam yang dibutuhkan:

𝐹_{𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚} = ∆Q / 𝜆

= 18.065.544,422 kJ/kg / 2.017,435 kJ/kg = 8.954,710 kg/jam

(6)

Q_{𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚} = 𝐹_{𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚} x ∆Hv

= 8.954,710 kg/jam x 2.776,380 kj/kg

= 24.861.676,447 kj/jam

Q_{𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑡} = 𝐹_{𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚} x ∆Hl

= 8.954,710 kg/jam x 758,945 kj/kg

= 6.796.132,025 kj/jam

Tabel B.4 Hasil perhitungan neraca energi pada vaporizer

Masuk Keluar

Aliran Komponen Energi Aliran Komponen Energi Q2

NH3 -10.126.461,020 Q3

NH3 7.925.147,651

H2O -15.341,855 H2O -1.406,104

Q steam 24.861.676,447 Q kondensat 6.796.132,025

Total 14.719.873,572 Total 14.719.873,572

2. Reaktor

Fungsi: sebagai tempat terjadinya reaksi NH3 dan Amonia serta pembentukan kristal Ammonium Sulfat.

Reaksi: 2NH3 (g) + H2SO4 (l)  (NH4)2SO4 (s)

Gambar B.2 Blok diagram neraca energi reaktor

Q1 Q 19

Q3 Q 4

Reaktor

Q23

Q20

(7)

Kondisi operasi:

Temperatur = 105 ^OC Tekanan = 1 atm

Menghitung Panas Masuk Reaktor

 Aliran Q3 dari outlet vaporizer T1 = 274 K Tref = 298 K

Table B.5 Perhitungan panas masuk reaktor aliran Q3

Komponen M (kg/jam) ∫ 𝐂𝐩. 𝚫𝐓

𝟐𝟕𝟒 𝐊 𝟐𝟗𝟖 𝐊

NH3 6.505,030 -49,633 -322.865,381

H2O 32,689 -42,800 -1.399,073

Total -324.264,454

 Aliran Q1 dari Tangki Asam Sulfat T1 = 303 K Tref = 298 K

Tabel B.6 Perhitungan panas masuk reaktor aliran Q1

Komponen M (kg/jam) _∫ _{𝐂𝐩. 𝚫𝐓}

𝟑𝟎𝟑 𝐊 𝟐𝟗𝟖 𝐊

NH3 18.775,019 11,452 215.003,742

H2O 383,164 20,816 7.975,943

Total 222.979,685

 Aliran Q5

T1 = 303 K Tref = 298 K

𝟑𝟎𝟑 𝐊 𝟐𝟗𝟖 𝐊

Udara 653,772 5,075 3.317,892

Total 3.317,892

(8)

 Aliran Q19 dari Mother Liquor Tank T1 = 353 K Tref = 298 K

𝟑𝟓𝟑 𝐊 𝟐𝟗𝟖 𝐊

H2SO4 66,685 141,100 9.409,331

H2O 36.448,858 230,501 8.401.511,217

(NH4)2SO4 11.057,071 150,639 1.665.624,743

Total 10.076.545,292

 Aliran Q21 dari Kondenser T1 = 353 K Tref = 298 K

𝟑𝟓𝟑 𝐊 𝟐𝟗𝟖 𝐊

NH3 32,689 2.527,983 82.636,218

H2O 5.802,574 230,501 1.337.501,223

Total 1.420.137,442

Q masuk total = Q3 + Q1 + Q5 + Q19 + Q21

= (-324.264,454 + 222.979,685 + 3.317,892 +10.076.545,292 +1.420.137,442 ) kJ/jam

= 11.398.715,856 kJ/jam

Menghitung Panas Keluar Reaktor

 Aliran Q20 ke Kondensor dan Q4 ke Centrifuge T1 = 353 K Tref = 298 K

(9)

Tabel B.10 Perhitungan panas keluaran reaktor Aliran Komponen M

(kg/jam) ^∫ ^{𝐂𝐩. 𝚫𝐓}

𝟑𝟓𝟑 𝐊 𝟐𝟗𝟖 𝐊

Q20

NH3 32,689 171,567 5.608,282 H2O 6.447,305 460,518 + (λ . m) 17.854.572,667

Udara 653,772 5,095 3.330,967

Q4

H2SO4 36.311,892 187,675 6.814.816,522 H2O 91,913 10.701,540 983.606,658 (NH4)2SO4 36.219,980 336,312 12.181.215,945

Total 37.843.151,041

Pada aliran Q20 komponen H2O mengalami penguapan sehingga dihitung panas laten (λ . m), dimana:

Hv = 2643,7 kJ/kg, Hl = 334,91 kJ/kg λ = Hv - Hl

= (2643,7- 334,91) kJ/kg

= 2308,790

 Panas Reaksi Pada Reaktor T1 = 353 K Tref = 298 K Tabel B.11 Panas reaksi reaktor

Komponen N (kmol/jam) Hf(kJ/kmol) Hf (kJ/jam)

NH3 382,649 -46.191,309 -17.675.049,201

H2SO4 191,324 -811.318,544 -155.225.035,762

(NH4)2SO4 191,324 -1.179.300,938 -225.629.047,468

∆H₂₉₈^O = H produk − H reaktan

= −225.629.047,468 − (−17.675.049,201 − 155.225.035,762 )

= −52.728.962,504 kJ/jam Q keluar = (37.843.151,041 - 52.728.962,504) kJ/jam

= -14.885.811,463 kJ/jam

(10)

Q = Q masuk – Q keluar

= (11.398.715,856 -14.885.811,463) kJ/jam

= 26.284.527,319 kJ/jam Menghitung Kebutuhan Air Pendingin

Air pendingin yang digunakan pada pupuk ZA masuk ke kondensor pada suhu 30^oC dan ditetapkan keluar pada suhu 50^oC. dari data kapasitas panas air diperoleh:

Cp air pada suhu 30^oC = 4,166 kJ/kg.K Cp air pada suhu 50^oC = 4,189 kJ/kg.K

(Geankoplis, 1997) Sehingga;

H = H 50^oC - H 30^oC

= [4,189 kJ x (323 K - 298 K)]- [4,166 kJ x (303 K – 298 K)]

= (104,725 – 20,830) kJ/kg

= 83,895 kJ/kg

Maka air pendingin yang dibutuhkan:

Fcw = Q / H

= 26.284.527,319 kJ/jam / 83,895 kJ/kg

= 313.301,668 kg/jam Qcw in = Fcw x H 30^oC

= 313.301,668 kg/jam x 20,830 kJ/kg

= 6.526.094,571 kJ/jam

Qcw out = Fcw x H 50^oC

= 313.301,668 kg/jam x 104,725 kJ/kg

= 32.810.621,890 kJ/jam

(11)

Tabel B.12 Hasil perhitungan neraca energi pada reaktor

Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam

Aliran Komponen Energi Aliran Komponen Energi Q3

NH3 -322.865,381

Q20

NH3 5.608,282

H2O -1.399,073 H2O 17.854.572,667

Q1

H2SO4 215.003,742 Udara 3.330,967

H2O 7.975,943

Q4

(NH4)2SO4 6.814.816,522

Q5 Udara 3.317,892 H2SO4 983.606,658

Q19

H2SO4 9.409,331 H2O 12.181.215,945

H2O 8.401.511,217 Qreaksi -52.728.962,504

(NH4)2SO4 1.665.624,743 Q21

NH3 82.636,218

H2O 1.337.501,223

Qcw in 6.526.094,571 Qcw out 32.810.621,890

Total 17.924.810,427 Total 17.924.810,427

3. Rotary Dryer

Rotary Dryer berfungsi mengurangi kadar air pada Kristal ammonium sulfat menggunakan udara panas hingga 0,15%.

Q11 Udara Panas

Q9 Q17

Q12

Gambar B.5 Alur neraca energi rotary dryer

Menghitung Panas Masuk Rotary Dryer

 Aliran Q9 dari outlet Centrifuge T1 = 363 K Tref = 298 K

Rotary Dryer

(12)

Tabel B.13 Perhitungan panas masuk rotary dryer aliran Q9

Aliran Komponen M

(kg/jam) ^∫ ^{𝐂𝐩. 𝚫𝐓}

𝟑𝟔𝟑 𝐊 𝟐𝟗𝟖 𝐊

Q9

H2SO4 25,701 170,690 4.386,887

H2O 257,009 791,698 203.473,678

(NH4)2SO4 25.418,21 164,387 4.178.427,553

Total 4.386.288,097

Menghitung Panas Keluar Rotary Dryer

Aliran Q12 menuju Wet Cyclone dan Q17 menujuConveyor T1 = 368 K Tref = 298 K

Tabel B.14 Perhitungan panas keluar rotary dryer aliran Q12 dan Q17

Aliran Komponen M (kg/jam)

∫ 𝐂𝐩. 𝚫𝐓

𝟑𝟔𝟑 𝐊 𝟐𝟗𝟖 𝐊

Q12

H2SO4 0,474 185,990 88,127 H2O 219,169 866,336 189.873,798 (NH4)2SO4 254,182 171,531 43.600,092

Q17

H2SO4 25,227 185,990 4.692,000 H2O 37,841 866,336 32.782,744 (NH4)2SO4 25.164,039 171,531 4.316.409,101

Total 4.587.445,861

Q = Qkeluar – Qmasuk

= (4.587.445,861- 4.386.288,097) kJ/jam

= 201.157,764 kJ/jam

Menghitung Kebutuhan Udara Panas

Udara panas yang masuk ke Rotary Dryer memiliki temperatur sebesar 115^oC dan keluar pada temperatur 55 ^oC. dari data kapasitas panas (Cp) udara diperoleh:

Cp udara pada 388 K = 1,012 kJ/kg.K

(13)

Cp udara pada 328 K = 1,007 kJ/kg.K

H = Cp x T Sehingga:

H = H 388 K - H 328 K

= [1,012 kJ/kg.K (388-298) K] - [1,007 kJ/kg.K (328-298) K]

= (91,062 – 30.200) kJ/kg

= 60,862 kJ/kg

Maka, udara panas yang dibutuhkan:

Fudara = Q / H

= 201.157,764 kJ/jam / 60,862 kJ/kg

= 3.305,167 kg/jam

Qudara in = Fudara x H 388 K

= 3.305,167 kg/jam x 91,062 kJ/kg

= 300.975,135 kg/jam

Qudara out =Fudara x H 328 K

= 3.305,167 kg/jam x 30.200 = 99.817,371 kg/jam

Tabel B.15 Hasil perhitungan neraca energi pada rotary dryer

Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam)

Aliran Komponen Energi Aliran Komponen Energi

Q9

H2SO4 4.386,887 Q12

H2SO4 88,127

H2O 203.473,678 H2O 189.873,798

(NH4)2SO4 4.178.427,553 (NH4)2SO4 43.600,092 Q11

Udara 300.975,135

Q17

H2SO4 4.692,000

H2O 32.782,744

Udara 99.817,371

(NH4)2SO4 4.316.409,101 Total 4.687.263,232 Total 4.687.263,232

(14)

4. Heater

Fungsi: sebagai tempat untuk menaikkan suhu udara input Rotary Dryer Steam

Q10 Q11 Condensate

Gambar B.1 Blok diagram neraca energi Heater

Menghitung Panas Masuk Heater

 Aliran Q10 dari Blower

T1 = 303 K Tref = 298 K Cp = 1,015 kJ/kg.K m = 3.305,181 kg/jam

Q10 = m x Cp x (T – Tref)

= 3.305,181 kg/jam x 1,015 kJ/kg.K x (303-298) K

= 16.773,792 kg/kJ

Menghitung Panas Keluar Heater

 Aliran Q11 menuju Rotary Dryer Q11 = 300.976,357 kJ/jam

Q = Q11 – Q10

= (300.976,357- 16.773,792) kJ/jam

= 284.202,565 kJ/jam

(15)

Menghitung Kebutuhan Steam

Steam yang digunakan pada pabrik pupuk ammonium sulfat (ZA) merupakan saturated steam pada tekan 10 kg/cm² dan temperatur 180 ^OC, dari data Smith dkk (2001) diperoleh:

∆Hl = 758,945 kj/kg

∆Hv = 2.776,380 kj/kg

𝜆 = ∆Hv − ∆Hl

= (2.776,380 − 758,945 )kj/kg

= 2.017,435 kj/kg

Maka steam yang dibutuhkan:

𝐹_{𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚} = ∆Q / 𝜆

= 284.202,565 kJ/jam/ 2.017,435 kJ/kg = 140,873 kg/jam

Q_{𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚} = 𝐹_{𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚} x ∆Hv

= 140,873 kg/jam x 2.776,380 kj/kg

= 391.117,591 kg/jam

Q_{𝑘𝑜𝑛𝑑𝑒𝑛𝑠𝑎𝑡} = 𝐹_{𝑠𝑡𝑒𝑎𝑚} x ∆Hl

= 140,873 kg/jam x 758,945 kj/kg

= 106.915,026 kg/jam

Tabel B.16 Hasil Perhitungan neraca energy pada Heater

Masuk (kJ/jam) Keluar (kJ/jam)

Aliran Komponen Energi Aliran Komponen Energi

Q10 Udara 16.773,792 Q11 Udara 300.976,357

Qsteam 391.117,591 Qkondensat 106.915,026

Total 407.891,383 Total 407.891,383

(16)

5. Kondenser

Fungsi: sebagai tempat untuk mengkondensasikan uap air yang terikut dengan cw out

Q20 Q22 cw in

Gambar B Blok diagram nereca energi kondenser