Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila
advertisement
Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 1 Laju produksi sebaiknya dinyatakan dalam satuan massa atau molar. Anggap waktu kerja tahunan 8000 jam. Putuskan apakah proses kontinyu atau (batch) partaian. Proses kontinyu cocok untuk komoditas banyak, sementara proses partaian lebih bermanfaat untuk produk tertentu, batasan sekitar 10.000 ton per tahun. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 2 1. Stoikiometri semua reaksi yang terjadi Menunjukkan persamaan stoikiometri untuk komponen utama yang dapat dihubungkan dengan tahap reaksi dalam pembuatan produkproduk yang diinginkan. Termasuk produk antara (intermediates) yang dapat dipisahkan dan didaur ulang (recycle). Pada setiap tahap mengindikasikan fasa reaksi, dan kisaran suhu serta tekanan yang memungkinkan. Daftar efek suhu untuk setiap reaksi. Identifikasi reaksi yg sangat eksotermis, seperti reaksi yang sensitive terhadap suhu dengan energi aktivasi yang tinggi. Daftar batasan (constraints) teknologi, seperti rasio reaktan pada masukan reaktor, konsentrasi maksimum yang diperbolehkan, batasan sifat mudah terbakar dan eksplosif. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 3 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 4 Kisaran temperatur dan tekanan reaksi Fasa sistem reaksi Beberapa informasi tentang distribusi produk terhadap konversi (dan kemungkinan suhu reaktor, rasio molar reaktan, dan/atau tekanan) Beberapa informasi konversi terhadap space velocity/waktu tinggal Jika katalis digunakan, tentang keadaan katalis (homogen, slury, packed bed, serbuk, dll), beberapa ttg laju deaktivasi dan regenerasi katalis dan metode regenerasi (pencucian solven, dll). Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 5 2. Selektifitas Daftar reaksi sekunder yang mengarah kepada pembentkan produk samping, dalam kisaran suhu dan tekanan yang disebutkan di atas. Temukan data tentang selektifitas dan variasinya dengan konversi. Informasi ini penting dalam perancangan koseptual. Data tentang distribusi produk pada kondisi yang berbeda juga perlu diperoleh. Berikan perhatian khusus terhadap informasi pengotor dalam reaktor kimia. Termasuk reaksi yang melibatkan pengotor yang masuk dengan bahan baku. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 6 3. Kesetimbangan Kimia Analisis kesetimbangan kimia memungkinkan menemukan konversi per-pass maksimum dicapai dan komposisi campuran reaksi pada kesetimbangan. Dengan demikian, ini dapat menyarankan satu ukuran untuk meningkatkan konversi dan selektivitas. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 7 4. Katalis Daftar katalis yang potensial. Perkirakan harganya. Uji pengaruh suhu dan pengotor terhadap aktivitas katalis. Uji masalah lingkungan yang muncul dengan regenerasi seperti kebutuhan pelarut dan zat kimia khusus. Perkirakan harga regenerasi dan pembuangan. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 8 5. Reactor Engineering Uraikan tipe reaktor alternative. Kumpulkan informasi tentang perancangan reaktor. Minimal data waktu tunggal, suhu dan tekanan operasi Daftar batasan reaksi : Suhu umpan minimum, suhu maksimum dan tekanan seperti aspek keselamatan. Cari informasi tentang kinetika reaksi utama, sebagaimana tentang selektifitas. Terakhir ini adalah paling krusial untuk perancangan proses yang realistis. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 9 a. Harga produk terhadap kemurnian Identifikasi pengotor yang berpengaruh terhadap harga produk. Temukan informasi tentang variasi harga terhadap kemurnian. Disini Anda dapat mendata aplikasi turunan dan potensi pasar. Temukan juga harga untuk produk samping dan produk antara yang bernilai. b. Harga Bahan Baku Dapatkan informasi tentang harga bahan baku sebagai fungsi kemurnian. Pertimbangkan harga internal, jika proses dapat diintegrasikan pada program yang sudah ada. Untuk sumber yang jauh pertimbangkan termasuk biaya transportasi dan biaya penyimpanan. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 10 c. Harga Utilitas Daftar harga untuk utilitas : bahan bakar, steam (high, medium and low pressure), air pendingin, air kondensat, garam, listrik, dan refeigerasi. Tentukan batasan ketersediaan. d. Harga Pembuangan Limbah Daftar biaya pembuangan produk samping, sebagaimana biaya untuk mengolah komponen organic yang menguap (volatile organic components), polychlorinated biphenyls (PCBs), dan pengotor lain yang dilarang oleh peraturan lingkungan. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 11 Cooling Tower Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 12 a. Lokasi. Dekat dengan sumber bahan baku lebih dipilih. Pertimbangkan sebagai pertimbangan pertama integrasi dengan program proyek yang telah ada dimana proses lain dapat mensuplai bahan baku atau produk antara pada harga yang lebih rendah. Pertimbangkan pula lokasi yang baik untuk pengiriman produk. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 13 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 14 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 15 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 16 b. Fasilitas Penyimpanan (Storage facilitie) Biaya penyimpanan bahan baku, produk dan produk antara signifikan dalam kasus komoditas skala besar. c. Iklim Dapatkan data tentang suhu minimum dan maksimum, kelembapan, angin dan variaabilitas meteorology. Data ini perlu dalam merancang isolasi peralatan dan dalam menguji keumungkinan penggunaan pendingin udara. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 17 d. Sistem Utilitas Tentukan tipe utilitas yang tersedia pada tempat yang dipilih, terutama level steam proses (high, medium and low pressure), suhu air pendingin (yang direcycle dari cooling towers), gas inert, fasilitas refrigerasi. e. Peraturan Lingkungan. Daftar kebutuhan khusus dimana proses harus memenuhinya yang berkaitan dengan peraturan lingkungan , seperti gas rumah kaca, atanah dan polusi air. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 18 a.Explosions risks. Daftar campuran yang potensial terbakar yang terlibat dengan komponen dalam reaktor dan fasilitas penyimpanan. Tentukan kisaran suhu dan konsentrasi, terutama untuk campuran gasudara. b. Fire risks. Temukan informasi tentang flash point, suhu auto-ignition dan flammability limits. c.Toxicity. Tentukan karakter toksik dan non-toksik zat kimia utama yang terlibat dalam proses. Indikasi volatilitas kompoenen cairan beracun adalah keharusan. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 19 FIRE Api (atau terbakar / pembakaran): • Reaksi kimia pada substansi menggabungkan dengan oksidator dan melepaskan energi oksidasi eksotermik cepat bahan bakar dinyalakan Kebakaran terjadi karena kombinasi dari tiga komponen: Oksidasi: oksigen, oksidator Bahan bakar / bahan mudah terbakar: uap / gas, cair, padat Sumber pemicu: percikan, api, panas, listrik statis, elektromagnetik, dll Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 20 Fuels: • Solids : coal, wood-dust, fiber, plastic, metals • Liquids : gasoline, kerosene, acetone, methanol, ether, benzene • Vapor : acetylene, propane, methane, CO, H2. Oxidizers: • Solids : Ammonium nitrite, metal peroxide • Liquids : H2O2, HNO3, HClO3 (perchloric acid) • Vapor : O2. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 21 The TRIANGLE of FIRE Combustion always occurs in the vapor phase. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 22 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 23 Important parameters: heat radiation intensity (kW/m2) Forms of fire: • Flash fire (Fire on pool). • BLEVEs • Jet or Torch Fire Characteristics affecting the radiation intensity: • Shape of the flame • Direction/orientation of the flame • Amount of soot (debu2 hasil pembakaran) produced • Effect of wind drag on the flame Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 24 FIRE DAMAGE A burning pool of liquid Fire Types Torch: e.g. a jet of flame from rupture pipe Heri Rustamaji Flame: a sudden rapid combustion of a cloud gas. Teknik Kimia Unila 25 BLEVE (fireball): Boiling Liquid Expanding Vapor Explosion Running: a cascade of burning fuel down a structure HAZARD IDENTIFICATION Hazard Identification SCENARIO IDENTIFICATION Accident Scenario - Monitoring - Math. model - Sci. estimates • Location • Condition (P, T) • Rate • State (gas, liquid) Source Characterization PROBABILITY • Chemical species • Frequency • Duration • Routes CONSEQUENCES Exposure Assessment Dose Response Assessment RISK DETERMINATION Heri Rustamaji • NOEL (No Observable Effect Level) • TD (Toxic Dose) • LD (Lethal Dose) • etc. Risk Characterization Teknik Kimia Unila Data 26 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 27 Penting untuk membedakan antara konversi dan yield. Konversi berkaitan dengan reaktan, dan yield berkaitan dengan produk. Konversi adalah ukuran dari fraksi reaktan yang bereaksi. Untuk mengoptimalkan desain reaktor dan meminimalkan pembentukan produk samping, konversi dari pereaksi tertentu sering kurang dari 100%. Jika lebih dari satu reaktan yang digunakan, di mana konversi didasarkan harus ditentukan. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 28 Konversi Heri Rustamaji didefinisikan oleh ekspresi berikut: Teknik Kimia Unila 29 Selektivitas adalah ukuran efisiensi reaktor dalam mengkonversi reaktan menjadi produk yang diinginkan. Ini adalah fraksi dari bahan yang bereaksi yang telah dikonversi menjadi produk yang diinginkan. Jika tidak ada produk samping yang terbentuk, maka selektivitas adalah 100%. Jika reaksi terjadi dan produk samping terbentuk, maka selektivitas menurun. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 30 Selektivitas selalu dinyatakan sebagai selektivitas umpan A untuk produk B dan didefinisikan oleh persamaan berikut: Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 31 Selektivitas biasanya ditingkatkan dengan mengoperasikan reaktor pada konversi yang rendah. Pada konversi yang tinggi, reaktor memiliki konsentrasi rendah setidaknya satu reaktan dan konsentrasi produk tinggi, sehingga reaksi yang membentuk produk samping lebih cenderung terjadi. Reaktan yang tidak dikonversi dalam reaktor dapat direcovery dan didaur ulang. Reaktan yang dikonversi menjadi produk samping biasanya tidak dapat dipulihkan, dan produk samping harus dimurnikan untuk dijual atau dibuang sebagai limbah. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 32 Yield adalah ukuran kinerja reaktor atau pabrik. Beberapa definisi yield yang berbeda digunakan, sehingga penting untuk menyatakan secara jelas basis jumlah yield. Hal ini sering tidak dilakukan ketika yield dikutip dalam literatur, dan penilaian harus digunakan untuk menentukan apa yang dimaksudkan. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 33 Yield produk B dari umpan didefinisikan oleh: Untuk reaktor, Yield = perkalian konversi dan selektivitas Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 34 Dengan reaktor industri, perlu untuk membedakan antara yield reaksi “Reaction yield”, yang hanya mencakup kehilangan secara kimia terhadap produk samping, dan yield keseluruhan “Reaktor yield'', yang juga mencahup kehilangan secara fisik, seperti kerugian akibat penguapan ke dalam gas buang. Jika konversi sudah mendekati 100%, hal itu mungkin tidak layak memisahkan dan mendaur ulang bahan yang tidak bereaksi; yield reaktor keseluruhan kemudian akan tercakup dalam kehilangan materi yang tidak bereaksi. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 35 Yield pabrik adalah ukuran kinerja keseluruh pabrik dan mencakp kehilangan secara kimia dan fisik. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 36 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 37 Dalam meproduksi ethanol dengan hidrolisis ethylene, diethyl ether dihasilkan sebagai produk samping. Sebuah campuran dengan komposisi aliran umpan adalah ethylene 55%, inerts 5%, 40% water, dan aliran produk : ethylene 52,26%, ethanol 5,49%, ether 0,16%, 36,81% water, 5,28% inerts. Hitung selektivitas ethylene terhadap ethanol dan ether. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 38 Penyelesaian : Reaksi : Basis : 100 mol umpan Catatan: Aliran inerts akan konstan, karena mereka tidak bereaksi, dan dengan demikian dapat digunakan untuk menghitung arus lain dari komposisi. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 39 Aliran Umpan : Aliran produk : Etilen yang bereaksi: Selektivitas ethylene untuk ethanol: 1 mol ethanol dihasilkan per mol ethylene, faktor stoikiometri adalah 1. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 40 Selektivitas ethylene untuk ether Faktor stoikiometri adalah 0,5; 2 mol etilena menghasilkan 1 mol ether. Konversi Selektivitas berdasarkan air (water) juga bisa dihitung tapi kurang penting, air relatif murah dibandingkan dengan etilen. Water jelas diumpankan ke reaktor yang melebihi cukup. Yield ethanol berdasarkan ethylene adalah : Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 41 Partaian : pengumpanan/pemuatan bahan mentah dan pengambilan produk berselangseling. Bejana pemroses diisi bahan-bahan mentah, dioperasikan sam-pai pengolahan tuntas, dibongkar/dikeluarkan produknya, dicuci/dibersihkan, diisi lagi bahan-bahan mentah, dst. Sinambung : bahan-bahan mentah mengalir secara sinambung (terus menerus) untuk diolah dan produk mengalir keluar secara sinambung pula, 24 jam sehari tanpa interupsi. 42 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila Zat-zat kimia yang volume produksi pabriknya kecil ( 5 ton/hari) umumnya dibuat secara partaian. Unit produksinya bisa menghasilkan aneka produk sejenis (fleksibel). bahan-bahan obat, pigmen, zat warna, celup, aneka bubuhan (additives) untuk pangan, produk ramuan, dsb. Proses partaian : modal awal (investasi) relatif kecil; teknik pengendalian relatif sederhana; tenaga kerja per satuan produk relatif besar; ongkos produksi per satuan produk relatif besar. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 43 Proses Batch dipertimbangkan hanya jika salah satu berikut terjadi. Berikut karakter proses farmasi, makanan, dan plastik tertentu. 1. Operasional proses hanya beberapa bulan. Produk hanya satu dimana perusahaan pertama yang memasarkan memenagkan manfaat konpetitif 2. Hanya memerlukan beberapa hari produksi untuk suplai setahun. 3. Kita memiliki sedikit informasi desain dan proses sensitive terhadap variasi pengaturan 4. Produk akan memiliki umur 1-2 tahun sebelumproduk alain datang dan menggantinya 5. Nilai produk jauh diatas biaya untuk menghasilkannya. 44 Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila Pabrik-pabrik kimia berskala besar dan pabrik sintesis eka-guna umumnya bermode operasi sinambung : ongkos produksi per satuan produk relatif kecil; non padat-karya; dikendalikan secara otomatik ( komputer); investasi besar. Mode operasi semi-partaian / semi-sinambung : bahan mentah utama dan produk diisikan dikeluarkan secara partaian, reagen lain atau bahan pembantu diumpankan sinambung (misal : pengumpanan udara dan nutrien dalam bioproses yang menggunakan ‘jasa’ langsung mikroorganisme). Pabrik sintesis serba-guna lazim bermode operasi partaian atau semi-partaian. Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 45 Basis Perancangan a) Reaksi Reaksi Utama : C6H5CH3 + H2 C6H6 + CH4 Reaksi samping : C6H6 C12H10 + H2 Kondisi reaksi : Suhu masuk reaksi Tekanan reaktor Selektivitas: > 1150oF : 500 psia mol benzen keluar reaktor selektivitas S mol toluen yang terkonversi Konversi : mol toluen yang terkonversi konversi x mol toluen yang mask reaktor 0,0036 S 1 (1 x )1,544 Selektivitas proses HDA S 0,99 0,985 0,977 0,97 0,93 x 0,5 0,6 0,7 0,75 0,85 0.1 1 1-S 0.1 y = 0.003x-1.59 R² = 0.999 1-x 0.01 Fasa Reaksi : fasa gas Katalis : tanpa katalis b) Laju produksi benzen : 265 mol/jam c) Kemurnian produk benzen, xD = 0,9997 d) Bahan baku : toluen murni; aliran H2 mengandung 95% H2, 5% CH4 pada 550 psia, 100oF e) Constraint : H2/aromatic > 5 pada inlet reaktor (untuk mencegah coking); suhu outlet reaktor 1300oF (untuk mencegah reaksi hydrocracking); Pendinginan cepat keluar reaktor sampai 1150oF (untuk mencegah cocking) x < 0,97 untuk korelasi distribusi produk Heri Rustamaji Teknik Kimia Unila 51
