rotary dryer efficiency project PDF

Preview

Summary

L- 1 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012 LAMPIRAN TUGAS KHUSUS PEBANDINGAN EFEKTIVITAS PENGERING M-302 (ROTARY DRYER) ANTARA DESAIN DAN AKTUAL DI PABRIK ZA III PT. PETROKIMIA GRESIK Jurusan Teknik Kimia Univer...

Description

L- 1 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

LAMPIRAN TUGAS KHUSUS PEBANDINGAN EFEKTIVITAS PENGERING M-302 (ROTARY DRYER) ANTARA DESAIN DAN AKTUAL DI PABRIK ZA III PT. PETROKIMIA GRESIK

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L- 2 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

BAB I PENDAHULUAN

I.1.C Tujuan Mengetahui perbandingan efektivitas desain dan aktual pengering (rotary dryer M-302) pabrik ZA III.

I.2. Latar Belakang Ammonium sulfat ((NH4)2SO4) atau dikenal dengan pupuk ZA (Zwavelzuur Amonia) merupakan salah satu jenis pupuk sintesis yang diproduksi oleh PT Petrokimia Gresik dengan kandungan nitrogen tinggi. Proses produksi ZA meliputi reaksi netralisasi antara amoniak dengan asam sulfat pada tekanan atmosferis. Reaksi dilakukan dalam reaktor yang sekaligus berfungsi sebagai crystallizer yang disebut Saturator Crystallizer. Setelah kristal mencapai ukuran tertentu, maka kristal bersama larutan induk diturunkan dari saturator dan selanjutnya dipisahkan dengan memakai centrifuge. Dari dalam centrifuge kristal ZA kemudian dikeringkan pada rotary dryer untuk selanjutnya dikirimke bagian pengantongan. Salah satu proses utama dalam pembuatan pupuk ZA adalah proses pengeringan dalam rotary dryer. Produk ZA keluar rotary dryer diharapkan memiliki sifat sebagai berikut:

1. Nitrogen

:

20,8% berat (minimum)

2. H2O bebas

:

1% berat (maksimum)

3. H2SO4

:

0,15% (maksimum)

4. Ukuran kristal :

minimal 55% tertinggal di screen 30 US mesh

5. Berat jenis

:

1,77 g/cm3

6. Sifat lain

:

berbentuk kristal putih dan larut dalam air

Kontinyuitas proses serta pemakaian alat dalam jangka waktu lama merupakan salah satu faktor yang berpengaruh pada unjuk kerja pengering Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L- 3 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

(rotary dryer) di pabrik ZA III. Untuk mencapai operasi yang optimum, perlu dilakukan

beberapa

pengecekkan

salah

satunya

adalah

menghitung

perbandingan efektivitas penukar panas (rotary dryer) antara desain dan aktual, sehingga diketahui performa rotary dryer yang digunakan tersebut.

1. Tinjauan Pustaka A. Teori pengeringan Proses pengeringan (Drying) adalah proses penghilangan sejumlah kecil liquid dari zat padatnya, dengan cara mengalirkan udara panas. Proses pengeringan ini dilakukan hingga batas kandungan zat cair (biasanya air) pada zat padat tersebut mencapai batas yang diinginkan (Treybal, 1980).prinsip dasar pengeringan adalah terjadi penguapan air ke udara panas karena perbedaan kandungan air pada kedua zat tersebut. Proses pengeringan dapat diklasifikasikan menjadi 4, yaitu: 1.

Pengeringan berdasarkan perpindahan panas Proses pengeringan ini dibagi lagi menjadi dua yaitu; a. Pengeringan langsung, Proses pengeringan dapat dikatakan secara langsung apabila zat yang dikeringkan dikontakkan secara langsung dengan udara panas yang juga berfungsi sebagai pembawa uap air darizat yang dikeringkan tersebut. Karakteristik pengeringan ini adalah menggunakan perpindahan panas konveksi, dipengaruhi oleh kelembaban, maksimal 1000K dan efisiensi semakin naik dengan naiknya suhu. Contoh alat pengering yang menggunakan pengeringan secara langsung adalah tray, pneumatic, rotary, spray dan fluid bed dryer.

b. Pengeringan tak langsung

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L- 4 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

Prinsip pengeringan ini adalah panas yang tidak diberikan secara langsung melalui udara panas, melainkan melalui rambatan panas (konduksi) pada dinding logam atau radiasi. Sehingga pengeringan ini tergantung dari luas transfer panas atau bidang kontak. Karakteristik pengeringan ini adalah menggunakan perpindahan

panas

konduksi,

tekanan

operasi

rendah,

menggunakan condensing fluid untuk zat yang mudah berdebu. Contoh alat pengering yang menggunakan prinsip pengeringan ini anatara lain cylinder, drum screw conveyor, vibrating, agigated, freez dan vacuum raotary dryer. 2. Pengeringan berdasarkan metode (mekanis) Proses pengeringan berdasarkan metode (mekanis) juga dibagi lagi menjadi dua yaitu; a. Continuous drying Pengeringan secara terus-menerus (Continuous drying) mrupakan pengeringan dimana pemasukan dan pengeluaran bahan dilakukan secara terus menerus. b. Batch drying Pengeringan secara batch drying merupakan pengeringan dimana bahan yang dikeringan masuk ke dalam alat pengering hingga kering, baru kemudian dikeluarkan dan dimasukkan bahan yang lain. 3. Pengeringan berdasarkan sifat bahan yang dikeringkan Bahan yang dikeringkan kebanyakan adalah zat padat berupa: a. Zat padat yang kaku (kayu) b. Material yang heksikal (kain atau serat) c. Zat padat yang granular (Kristal)

4. Berdasarkan aliran bahan dan udara panas Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L- 5 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

a. Counter-current, apabila aliran antara bahan dan udara panas arahnya berlawanan b. Co-current, apabila aliran antara bahan dan udara panas arahnya searah. Proses pengeringan tersebut tidak terlepas dari alat sebagai tempat berlangsungnya proses pengeringan yaitu pengering (dryer). Terdapat berbagai macam dryer tergantung jenis proses pengeringan ebagaimana yang telah disebutkan. Dryer yang banyak digunakan di industri (pabrik) adalah jenis pengering dengan proses pengeringan langsung. Jenis pengering ini akan dijelaskan secara umum pada sub bab B.

B. Beberapa alat pengering dengan proses pengeringan continue 1. Pengering trowongan Biasanya digunakan untuk mengeringkan batu bara, keramik dan bahan lain yang dikeringkan dengan agak lambat tetapi jumlahnya besar.

Gambar 2. Gambar alat pengering terowongan 2. Pengering putar (rotary dryer) Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L- 6 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

Jenis pengering berputar ini digunakan untuk mengeringkan zat padat berbutir atau berbentuk kristal. Alat pengering ini berupa silinder yang dipasang agak miring terhadap sumbu horizontal dan ditempatkan di atas tower, sehingga silinder dapat berputar. Bahan yang akan dikeringkan dimasukkan secara perlahan-lahan dan akan bergerak menuju ujung silinder yang lebih rendah dan akhirnya dikeluarkan dari alat pengering. Biasanya panas diberikan secara langsung mengalir dalam silinder yang searah dengan aliran zat padat maupun berlawanan.

Gambar 3. Gambar sketsa roraty dryer

3. Pengering roto louvre dryer Pengering roto louvre dryer adalah suatu modifikasi dari rotary dryer. Pada alat pengering jenis ini prinsip pengeringannya adalah udara dialirkan melalui tumpukkan bahan yang akan dikeringkan. Udara ini dilewatkan pada dinding alat yang mempunyai lapisan berlubang seperti terlihat pada gambar 4.

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L- 7 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

Gambar 4. Gambar sketsa roto louvre dryer

C. Rotary Dryer Rotary dryer berupa silinder horizontal yang berputar di atas roller support dengan membentuk sudut bidang miring sebesar 4o. Perputaran terjadi karena alat ini dilengkapi dengan gear yang dipasang pada shell dan dihubungkan dengan suatu motor drive ke motor penggerak. Sebagai media pemanas atau pengering digunakan udara sekitar yang dipanasi dengan steam pada alat penukar panas. Rotary dryer yang digunakan dipabrik ZA III juga menggunakan media pemanas udara yang dipanasi dengan steam pada alat penukar panas 06E-301. Udara pengering dialirkan searah dengan aliran kristal ZA atau cocurrent (searah). Untuk membantu kelancaran udara pengering digunakan blower C-302 AB. Rotary dryer di pabrik ZA III menggunakan tipe direct heat contact rotary dryer (pemanas secara langsung), adapun dasar pemikiran ini adalah : 1. Produk kristal yang diinginkan mempunyai kadar air yang seragam. Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L- 8 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

2. Proses yang diinginkan adalah countinue, sehingga dalam pengoprasiannya dapat diintegrasi dengan proses lain yang juga continue. 3. Operasi alat relatif sederhana dan biaya pengeringan persatuan produk relatif kecil. Kristal yang keluar rotary dryer dengan kadar air maksimum 1% berat dan setelah dikeringkan diharapkan maksimal 0,15% berat. Kondisi operasi rotary dryer M-302 pabrik pupuk ZA III adalah sebagai berikut: 1. Kadar air feed lebih kuarng 2% yang akan dikeringkan di rotary dryer M302, untuk mencapai spesifikasi produk. 2. Kemiringan rotary dryer antara 2-5o. 3. Kecepatan putar rotary dryer 3 rpm. 4. Udara panas di supply dari exhaust fan C-302 yang dipanaskan melalui heat exchanger E-302 dengan LP steam 10kg/cm3 5. Temperatur udara nasuk 90-110oC. Pada rotary dryer terdapat bagian-bagian tertentu yang sangat penting dalam operasi pengheringan seperti : 1. Knocker Knocker terdapat pada sisi luar silinder yang menempel pada shell, knocker ini berfungsi untuk memberi ketukan pada shell. Padatan-padatan yang menempel pada sisi dalam shell silinder akan lepas dan bertaburan ke sisi bawah sehingga tidak ada padatan yang menempel pada shell. 2. Flight lifting Flight lifting terdapat di dalam siliinder shell dengan bentuk flight yang bervariasi. Flight ini bertujuan unntuk mengangkat padatan seiring dengan putaran silinder. Pada posisi flight di dasar silinder atau shell, maka flight akan membawa padatan sampai pada sisi putar silinder bagian atas padatan akan tumpah bertaburan ke bagian bawah shell silinder. Padatan Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L- 9 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

yang bertaburan tersebut akan kontak dengan udara panas. Sehingga luas permukaan kontak padatan dengan udara panas semakin luas. Beberapa bentuk flight bervariasi sesuai dengan padatan yang akan dikeringkan. 3. Girt gear dan drive assembly Drive assembly merupakan seperangkat motor penggerak yang berfungsi untuk memutar silinder yang berhubungan dengan girt gear. Girt gear merupakan roda bergigi yang diikat pada shell sehingga motor akan menggerakan silinder dengan putaran tertentu. 4. Trunnion roll assembly Trunnion roll assembly adalah perangkat pendukung yang berfungsi untuk menahan silinder dan terdapat roll yang ikut berputar bersamaan dengan silinder pada rotary dryer.

2. Metodologi a.

Cara memperoleh data Data yang diperlukan untuk perhitungan efisiensi rotary dryer diperoleh

dengan dua cara, yaitu data desain, pengamatan langsung di lapangan dan study literatur. 1. Data desain rotary dryer M-302 

Laju udara masuk

: 10300m3/jam



Total produk ZA

: 25416,61kg/jam



Temperature udara sekitar

: 32oC



Relative Humidity

: 65,5%



Temperature udara panas masuk

: 88oC



Temperature udara panas keluar

: 82oC



Temperature ZA masuk

: 70oC



Temperature ZA keluar

: 55oC



Cp ZA

: 4,224kj/kg.oC

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L - 10 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012



Cp udara

: 1,642kj/kg.oC



Kadar air kristal ZA masuk

: 1%



Kadar air kristal ZA keluar

: 0,15 %

2. Data Pengamatan secara langsung di lapangan tgl. 10-14 September 2012

b.



Total produk ZA

: 27636kg/jam



Temperature udara sekitar

: 32oC



Relative Humidity

: 65,5%



Temperature udara panas masuk

: 113,89oC



Temperature udara panas keluar

: 86,36oC



Temperature ZA masuk

: 78,12oC



Temperature ZA keluar

: 68,11oC



Cp ZA

: 4,224kj/kg.oC



Cp udara

: 1,642kj/kg.oC



Kadar air kristal ZA masuk

: 0,5%



Kadar air kristal ZA keluar

: 0,11%

Pengolahan data Langkah-langkah yang dilakukan untuk mengolah data guna

mendapatkan efisiensi rotary dryer antara lain: 1. Neraca massa 2. Neraca panas, dan 3. Efisiensi

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L - 11 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

3. Hasil dan Pembahasan Dari hasil perhitungan yang telah dilakukan diperoleh hasil sebagai berikut: a. Efisiensi design rotary dryer 1. Hasil perhitungan neraca panas seperti ditunjukkan dalam tabel 1. Tabel 1. Hasil perhitungan neraca panas design rotary dryer Parameter

In (kJ/jam)

Out (kJ/jam)

Q. Za

3.022.271,963

2.300.780,3139

Q. udara

2.285.267,33

2.894.691,855

Q.loss

-

Total

5.307.539,29

112067,12 5.307.539,29

2. Efisiensi design rotary dryer

= 97,89%

b. Efisiensi aktual rotary dryer 1. Hasil perhitungan neraca panas seperti ditunjukkan dalam tabel 2. Tabel 2. Hasil perhitungan neraca panas design rotary dryer Parameter

In (kJ/jam)

Out (kJ/jam)

Q. Za

3.640.735,44

3.095.865,5190

Q. udara

2.726.206,744

2.486.545,302

Q.loss Total

6.366.942,19

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

784.531,3669 6.366.942,1883

L - 12 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

2. Efisiensi aktual rotary dryer

= 87,68%

Evaluasi efisiensi design dan aktual rotary dryer dilakukan dengan menghitung neraca panas dari alat tesebut. Berdasarkan perhitungan data design awal rotary dryer M-302 diperoleh efisiensi design rotary dryer sebesar 97,78%. Sedangkan efisiensi aktual rotary dryer yang diperoleh pada tanggal 10-14 September 2012 sebesar 87,68%. Dari hasil tersebut dapat diambil kesimpulan bahwa rotary dyer M-302 masih dalam keadaan yang baik dan masih layak digunakan karena efisiensi antara aktual dan design tidak terpaut jauh.

Perhitungan 1. Efisiensi design rotary dryer Data yang didapatkan dari design awal rotary dryer M-302 pabrik ZA III yaitu: 

Laju udara masuk

: 10300m3/jam



Total produk ZA

: 25416,61kg/jam



Temperature udara sekitar

: 32oC



Relative Humidity

: 65,5%



Temperature udara panas masuk

: 88oC



Temperature udara panas keluar

: 82oC



Temperature ZA masuk

: 70oC

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L - 13 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012



Temperature ZA keluar

: 55oC



Cp ZA

: 4,224kj/kg.oC



Cp udara

: 1,642kj/kg.oC



Kadar air kristal ZA masuk

: 1%



Kadar air kristal ZA keluar

: 0,15 %

Rumus menentukan efisiensi rotary dryer

............(1)

a. Menghitung Qin Kalor yang masuk pada rotary dryer sebagai Qin terdiri dari:  Kalor yang dibawa oleh udara panas (qu) ̇

......................................................................(2)

Dimana: ̇

= laju udara masuk (kg/jam) = entalpi udara masuk (kJ/kg)

 Menghitung entalpi udara masuk (T= 88oC); Entalpi udara panas masuk rotary dryer dihitung dengan persamaan (Geankoplis, 1997): = (1,005 + 1,88H) (T – TooC) + 2501,4H ....................(3) Dimana; H = kelembaban udara T = suhu udara panas (oC) To= suhu dasar (0oC) Kelembaban udara

=H=

(

)

Pg pada 32oC : 0,04759 bar (Tabel A.12M, Wark, 1983) P

: 1atm : 1,01bar

Pv

: : 0,655 x 0,04759 bar : 0,031

H

:

(

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

)

L - 14 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

: 0,019 = (1,005 + 1,88 x 0,019) (88– 0oC) + (2501,4 x 0,019) = 139,11kJ/kg  Mengkonversi laju udara masuk design menjadi kg/jam; ̇

= laju udara masuk design x densitas udara

Dengan menganggap udara sebagai gas ideal maka densitas udara pada T = 32oC = 305K, RH = 65,5%: ....................................................................................(4)

= 22,926 L/mol ρ

....................................................................(5)

=

= = 1.263 g/L : 1,263 kg/m3 ρ

= [(

(

) )

]

(

= [(

) )

]

= 1,28kg/m3 ̇

= 1,287 kg/m3 x 13000m3/jam /1,019 = 16.416,49kg/jam

Sehingga panas udara masuk rotary dryer (

):

= 16.416,49kg/jam x 139,21kJ/kg = 2.285.267,33kJ/jam  Kalor yang dibawa oleh ZA (qa) ̇

...................................................................(6)

Dimana: ̇

= laju ZA masuk (kg/jam)

Jurusan Teknik Kimia Universitas Muhammadiyah Surakarta

L - 15 Laporan Tugas Khusus Menghitung Neraca Massa dan Panas di Reaktor (Saturator) ZA III PT. Petrokimia Gresik 3-28 September 2012

= entalpi ZA masuk (kJ/kg)  Menghitung laju ZA masuk ̇

= [

=

(

)]

= 25634,89kg/jam  Menghitung entalpi ZA masuk (T= 70oC); Entalpi ZA basah masuk rotary dryer dihitung dengan persamaan (Geankoplis, 1997): = CpzA (Tsi – To) + X. Cpair (Tsi – To)...............................(7) Dimana; CpZA = kapasitas panas ZA (kJ/kg.oC) Tsi

= suhu ZA masuk(o...