Tugas Rancangan Pabrik "Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Kapasitas 450.000 Ton/Tahun" #Laporan 2 PDF

Preview

Summary

Tugas Rancangan Pabrik Semester Ganjil Tahun 2018/2019 Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Kapasitas 450.000 Ton/Tahun LAPORAN II NERACA MASSA DAN ENERGI Kelompok VI Abdullah Agung Hayyuka 1507114795 Toni Ardi 1507114719 Ulfiana Puteri Al Masri 1507116847 Pembimbing : Syelvia Putri Utami, ...

Description

Tugas Rancangan Pabrik Semester Ganjil Tahun 2018/2019

Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Kapasitas 450.000 Ton/Tahun LAPORAN II NERACA MASSA DAN ENERGI

Kelompok VI Abdullah Agung Hayyuka

1507114795

Toni Ardi

1507114719

Ulfiana Puteri Al Masri

1507116847

Pembimbing : Syelvia Putri Utami, ST., M.Eng Koordinator : Prof Edy Saputra, ST., MT., PhD

Program Studi Sarjana Teknik Kimia Jurusan Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Riau 2018

ii

iii

KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis ucapkan kehadirat Allah SWT atas segala rahmat yang diberikan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan Tugas perancangan pabrik yang berjudul “Pabrik Metanol dari Natural Gas”. Tugas perancangan pabrik ini disusun untuk melengkapi salah satu syarat dalam menyelesaikan perkuliahan pada Program Studi S1 Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Riau. Dalam kesempatan ini, penulis menghanturkan terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu penulis untuk menyelesaikan tugas ini, terutama kepada dosen pembimbing yang telah memberikan bimbingan dan arahan dalam penulisan laporan ini. Demi kesempurnaan tugas perancangan pabrik ini, kami mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca. Semoga tugas perancangan pabrik ini dapat memberi manfaat bagi perkembangan ilmu dan teknologi, khususnya dibidang Teknik Kimia.

Pekanbaru,

Oktober 2018

Tim Penulis

iv

ABSTRAK Neraca massa merupakan dasar (basis) dalam perancangan proses sebuah pabrik. Dalam neraca massa dipelajari kesetimbangan massa dalam sebuah sistem. Neraca energi adalah persamaan matematis yang menyatakan hubungan antara energi masuk dan energi keluar suatu sistem yang berdasarkan pada satuan waktu operasi. Neraca energi selalu dilengkapi dengan neraca massa. Perhitungan neraca massa dan energi bertujuan untuk mengetahui jumlah bahan baku yang diperlukan untuk memenuhi kapasitas produksi, mempelajari operasi pabrik, memeriksa rancangan pabrik, serta memeriksa instrumen kalibrasi. Metode perhitungan neraca massa dan energi meliputi perhitungan pada sistem tanpa reaksi dan reaksi menggunakan media Ms. Excel. Pembuatan metanol pada tugas perancangan pabrik ini menggunakan gas alam dengan dua tahapan utama yaitu mengkonversi gas alam menjadi syngas dan dilanjutkan dengan proses pembuatan metanol. Produksi syngas dari gas alam menggunakan steam reforming dengan suhu operasi 800˚C dan tekanan sebesar 30 bar menggunakan katalis Ni/Al2O3. Adapun proses pembuatan yang terpilih yaitu proses Lurgi karena memiliki kondisi operasi kategori medium yaitu suhu sekitar 250˚C dengan tekanan 50 bar menggunakan katalis Cu-ZnO/Al2O3. Berdasarkan hasil perhitungan diperoleh bahan baku yang dibutuhkan sebesar 43.437 kg/jam gas alam, steam sebagai pemanas sebesar 84.780 kg/jam, ammonia sebagai pendingin sebesar 62.242 kg/jam, dan air pendingin sebanyak 141.360 kg/jam. Kata Kunci: air pendingin, ammonia, energi, massa, steam

v

DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL ...................................................................................... LEMBAR PENGESAHAN ........................................................................... LEMBAR KENDALI .................................................................................... KATA PENGANTAR.................................................................................... ABSTRAK ...................................................................................................... DAFTAR ISI................................................................................................... DAFTAR TABEL .......................................................................................... BAB I PENDAHULUAN............................................................................ 1.1 Latar Belakang .................................................................................. BAB II NERACA MASSA DAN ENERGI ................................................ 2.1 Neraca Massa .................................................................................... 2.2 Neraca Energi.................................................................................... BAB III ASUMSI DAN PENDEKATAN .................................................... 3.1 Basis Perhitungan Neraca Massa ...................................................... 3.1.1 Rektor Desulfurisasi (R-101) ............................................................ 3.1.2 Mixing Point (M-101) ...................................................................... 3.1.3 Reaktor Pre-reforming (R-102) ........................................................ 3.1.4 Reaktor Steam-reforming (R-103) .................................................... 3.1.5 Separator Tank (S-101) ................................................................... 3.1.6 Reaktor Metanol (R-104) .................................................................. 3.1.7 Separator Tank (S-102) .................................................................... 3.1.8 Splitter (SP-101) ............................................................................... 3.1.9 Mixing Point (M-102) ....................................................................... 3.1.10 Kolom Distilasi (CD-101)................................................................. 3.1.11 Kolom Distilasi (CD-102)................................................................. 3.2 Basis Perhitungan Neraca Energi...................................................... 3.2.1 Expander (E-101).............................................................................. 3.2.2 Heater (HE-101) ............................................................................... 3.2.3 Reaktor Desulfurisasi (R-101) .......................................................... 3.2.4 Mixing Point (M-101) ....................................................................... 3.2.5 Heater (HE-102) ............................................................................... 3.2.6 Reaktor Pre-reforming (R-102) ........................................................ 3.2.7 Reaktor Steam-reforming (R-103) .................................................... 3.2.8 Cooler (HE-103) ............................................................................... 3.2.9 Separation Tank (S-101) ................................................................... 3.2.10 Compressor (C-101) ......................................................................... 3.2.11 Compressor (C-102) ........................................................................ 3.2.12 Mixing Point (M-102) ....................................................................... 3.2.13 Heat Exchanger (HE-104) ................................................................ 3.2.14 Reaktor Metanol (R-104) .................................................................. vi

i ii iii iv v vi viii 1 1 2 2 3 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 7 7 7 7 7 7 8 8 8 8 8 8 8 9 9 9

3.2.15 Heater (HE-105) ............................................................................... 3.2.16 Expander (E-102).............................................................................. 3.2.17 Separator Tank (S-102) .................................................................... 3.2.18 Expander (E-103).............................................................................. 3.2.19 Heater (HE-106) ............................................................................... 3.2.20 Kolom Distilasi (CD-101)................................................................. 3.2.21 Kolom Distilasi (CD-102)................................................................. 3.2.22 Kondenser (CO-101)......................................................................... 3.2.23 Kondenser (CO-102)......................................................................... BAB IV DATA PERHITUNGAN ................................................................ BAB V KESIMPULAN................................................................................ DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN A PERHITUNGAN NERACA MASSA LAMPIRAN B PERHITUNGAN NERACA ENERGI LAMPIRAN C DATA AMONIA LAMPIRAN D FLOW DIAGRAM

vii

9 9 9 9 10 10 10 10 10 11 12

DAFTAR TABEL Tabel 4.1 Hasil perhitungan tiap unit ................................................................... 11

viii

1 Kelompok VI/ Semester Ganjil/ 2018-2019

BAB I PENDAHULUAN 1.1

Latar Belakang Perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi disertai dengan adanya

kemajuan dibidang industri suatu menuntut negara kearah industrialisasi. Indonesia pada tahun 2013 memiliki potensi cadangan gas alam sebesar 150,39 TSCF (Kementrian Perindustrian RI, 2014). Melihat ketersediaan gas alam yang besar dan belum dimanfaatkan secara optimal maka gas alam memiliki potensi besar untuk perkembangan industri kimia yaitu sebagai bahan baku pembuatan metanol. Metanol atau metil alkohol adalah produk industri hulu petrokimia yang merupakan turunan dari gas alam. Umumnya metanol dimanfaatkan industri sebagai bahan baku dalam memproduksi senyawa hidrokarbon yang berguna sebagai bahan bakar atau senyawa organik yang digunakan untuk menaikkan nilai oktan suatu bahan bakar (HIS Chemical Prospectus, 2015). Selain itu ada beberapa industri lain yang sangat bergantung pada produk metanol, yaitu industri cat, industri farmasi, dan industri plastik. Neraca massa merupakan dasar (basis) dalam perancangan proses sebuah pabrik. Dari neraca massa dapat diketahui jumlah bahan baku yang dibutuhkan dan produk yang dihasilkan (Coulson, 1999). Dalam neraca massa dipelajari kesetimbangan massa dalam sebuah sistem. Neraca massa adalah konsekuensi logis dari Hukum Kekekalan Massa yang menyebutkan bahwa di alam ini jumlah total massa adalah kekal, tidak dapat dimusnahkan ataupun diciptakan. Massa yang masuk kedalam sistem harus keluar meninggalkan sistem tersebut atau terakumulasi didalam sistem. Konsekuensi logis hukum kekekalan massa ini memberikan persamaan dasar neraca massa : [massa masuk] = [massa keluar] + [akumulasi massa] dengan [massa masuk] merupakan massa yang masuk kedalam sistem, [massa keluar] merupakan massa yang keluar dari sistem dan [akumulasi massa] merupakan akumulasi massa dalam sistem. Akumulasi massa ini dapat bernilai positif atau negatif. Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Dibuat Diperiksa

Kelompok 6. Ganjil/ 2018-2019 Disetujui

2 Kelompok VI/ Semester Ganjil/ 2018-2019

BAB II NERACA MASSA DAN ENERGI 2.1

Neraca Massa Neraca massa merupakan dasar (basis) dalam perancangan proses sebuah

pabrik. Dari neraca massa dapat diketahui jumlah bahan baku yang dibutuhkan dan produk yang dihasilkan. Selain itu, neraca massa juga merupakan hal yang sangat berguna untuk mempelajari operasi pabrik, memeriksa rancangan pabrik, memeriksa instrumen kalibrasi dan mengetahui sumber lokasi material yang hilang (Coulson, 1999). Neraca massa adalah suatu perhitungan yang tepat dari semua bahan- bahan yang masuk, yang terakumulasi dan yang keluar dalam waktu tertentu. Pernyataan tersebut sesuai dengan hukum kekekalan massa yakni massa tidak dapat dijelmakan atau dimusnahkan (Wuryanti, 2016). Prinsip umum neraca massa adalah membuat sejumlah persamaanpersamaan yang saling tidak tergantung satu sama lain, dimana persamaanpersamaan tersebut jumlahnya sama dengan jumlah komposisi massa yang tidak diketahui. Neraca massa (hukum kekalan massa) suatu sistem terdiri dari empat kelompok, yaitu: a. Neraca massa sistem tanpa reaksi keadaan tunak (steady state), bisa dalam bentuk neraca total atau neraca komponen: 1) Hukum kekekalan massa untuk seluruh massa aliran (neraca total) 2) Hukum kekekalan massa untuk setiap komponen penyusun aliran (neraca komponen untuk sistem tanpa reaksi) 3) Hukum kekekalan massa untuk atom (elemen) penyusun aliran (neraca atom untuk sistem dengan reaksi) b. Neraca massa sistem tanpa reaksi keadaan tak-tunak (transient), melibatkan penimbunan massa (accumulation) atau pengosongan (depletion) sistem yang ditinjau. [massa masuk] = [massa keluar] + [penimbunan/pengosongan massa dalam sistem] Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Dibuat Diperiksa

Kelompok 6. Ganjil/ 2018-2019 Disetujui

3 Kelompok VI/ Semester Ganjil/ 2018-2019

c. Neraca massa sistem dengan reaksi keadaan tunak mengikuti aturan: 1) Neraca total: [massa masuk] = [massa keluar] 2) Jumlah massa suatu komponen masuk belum tentu sama dengan massa yang keluar. 3) Komponen reaktan: [massa masuk] = [massa keluar] + [massa habis reaksi] 4) Komponen produk: [massa masuk] + [massa terbentuk dari reaksi] = [massa keluar] 5) Untuk

keadaan

tak-tunak,

perlu

diperhatikan

penimbunan/

pengosongan massa (Susanto, 2014). Secara umum apabila suatu sistem pemrosesan melibatkan beberapa buah komponen maka persamaan dapat dibentuk dari masing-masing komponen adalah: .

,

=

.

,

dimana: Fi

= laju alir massa aliran-i, massa/waktu

wi,j

= fraksi massa komponen-j dalam aliran--i

dengan i menunjukkan aliran dan j menunjukkan komponen. 2.2

Neraca Energi Neraca energi adalah persamaan matematis yang menyatakan hubungan

antara energi masuk dan energi keluar suatu sistem yang berdasarkan pada satuan waktu operasi. Neraca energi selalu dilengkapi dengan neraca massa (walaupun neraca massa tersebut tidak ditampilkan secara eksplisit). Setiap sistem umumnya memiliki satu neraca energi. [energi terbawa massa masuk] + [energi masuk lewat dinding sistem] = [energi terbawa massa keluar] + [penimbunan/pengosongan energi] Beberapa bentuk persamaan neraca energi: Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Dibuat Diperiksa

Kelompok 6. Ganjil/ 2018-2019 Disetujui

4 Kelompok VI/ Semester Ganjil/ 2018-2019

a. Neraca Energi di dalam sistem yang tidak bereaksi: −

( )−

=

(

)

=

b. Neraca Energi di dalam sistem yang bereaksi:  Single Reaction (

= ∆ ∆ ∆

(

)+

(

) =∆

)=∆ (

− ∆

)+ ∑

∫

− Multiple Reaction =

(

∆

)+

(

∆

)−

c. Perhitungan panas yang masuk dan keluar: =

=∫

.

.

(Smith,1987)

d. Persamaan untuk menghitung kapasitas panas: Cp = a + bT + cT2 + dT3

(Reklaitis,1983)

e. Jika Cp adalah fungsi dari temperatur maka persamaan menjadi: = ∫ ( +

∫ = (

∫

)+

−

+ (

+ )+

−

) (

(Reklaitis,1983) −

)+

(

−

)

f. Untuk sistem yang melibatkan perubahan fasa: ∫

= ∫

+ ∆

+∫

(Reklaitis,1983)

g. Perhitungan energi untuk sistem yang melibatkan reaksi: = ∆

( )+

∫

−

∫

(Reklaitis,1988)

BAB III ASUMSI DAN PENDEKATAN Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Dibuat Diperiksa

Kelompok 6. Ganjil/ 2018-2019 Disetujui

5 Kelompok VI/ Semester Ganjil/ 2018-2019

3.1

Basis Perhitungan Neraca Massa Pabrik yang akan didirikan direncanakan dengan laju produksi 450000

ton metanol/tahun. Berdasarkan laju produksi tersebut akan diperoleh umpan atau bahan baku yang dibutuhkan untuk menghasilkan produksi tersebut. Pada perhitungan neraca massa digunakan basis umpan yaitu 2150 kmol/jam, dan diperoleh laju produksi per tahun dalam untuk basis tersebut. Berikut penggunaan asumsi dan pendekatan pada perhitungan neraca massa untuk setiap unit: 3.1.1 Reaktor Desulfurisasi (R-101) Pada unit ini terjadi proses penghilangan sulfur yang terdapat didalam gas alam dalam bentuk H2S menggunakan katalis ZnO yang dapat menyerap H2S pada bahan baku membentuk produk berupa ZnS dan H2O. Reaksi yang terjadi merupakan reaksi eksotermis, reaktor yang digunakan ialah reaktor fixed-bed. 3.1.2 Mixing Point (M-101) Pada unit ini terjadi proses pencampuran gas alam dengan steam, dengan dengan penambahan steam sebesar 1,6 kali lipat dari mol karbon pada umpan. 3.1.3 Reaktor Pre-reforming (R-102) Pada unit ini terjadi perubahan molekul dimana hidrokarbon rantai tinggi dikonversi menjadi hidrokarbon rantai rendah (metana). Reaktor pre-reforming ialah reaktor fixed-bed menggunakan katalis Ni/Al2O3 yang dapat terdeaktivasi dengan adanya sulfur sehingga jika menggunakan katalis ini hendaknya dilakukan pre-treatment pada bahan baku berupa proses desulfurisasi agar katalis tidak teracuni. Reaksi yang terjadi pada tahap ini ialah reaksi eksotermis. 3.1.4 Reaktor Steam Reforming (R-103) Pada unit ini terjadi proses pembentukan syngas dengan bantuan steam sehingga dima suhu umpan mengalami perubahan yaitu dari 500˚C menjadi 800˚C. Reaktor steam reforming ialah reaktor fixed-bed menggunakan katalis Ni/Al2O3 yang dapat terdeaktivasi dengan adanya sulfur sehingga jika menggunakan katalis ini hendaknya dilakukan pre-treatment pada bahan baku berupa proses desulfurisasi agar katalis tidak teracuni. Reaksi yang terjadi pada tahap ini ialah reaksi endotermis yang membutuhkan panas cukup besar. Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Dibuat Diperiksa

Kelompok 6. Ganjil/ 2018-2019 Disetujui

6 Kelompok VI/ Semester Ganjil/ 2018-2019

3.1.5 Separator Tank (S-101) Pada unit ini terjadi proses pemisahan air dari campuran syngas. Adapun kondisi operasi yang digunakan ialah 90˚C dengan tekanan sebesar 30 bar. Syngas keluaran separator tank yang mengandung sedikit air akan bercampur dengan aliran recycle dan melewati heat exchanger untuk menaikkan suhu sebelum diumpankan ke reaktor metanol. 3.1.6 Reaktor Metanol (R-104) Pada unit ini terjadi proses pembentukan metanol dari syngas. Terjadi pada suhu 250˚C dan tekanan 50 bar. Reaktor metanol yang digunakan ialah reaktor isothermal dengan menggunakan katalis Cu-ZnO/Al2O3. 3.1.7 Separator Tank (S-102) Pada unit ini terjadi proses pemisahan produk keluaran reaktor dari unreacted gasses. Adapun kondisi operasi yang digunakan ialah 38˚C dengan tekanan sebesar 20 bar. Keluaran fasa gas dari separator tank akan memasuki splitter, sedangkan fasa cair akan memasuki kolom distilasi untuk tahap pemurnian. 3.1.8 Splitter (SP-101) Pada unit ini terjadi pembagian aliran gas keluaran separator tank menjadi aliran recycle sebagai umpan reaktor metanol dan aliran purge, dimana 70% akan di recycle dan 30% akan di purge. 3.1.9 Mixing Point (M-102) Pada unit ini terjadi proses pencampuran aliran recycle dengan keluaran syngas dari separator tank I yang sudah mengandung sedikit air. 3.1.10 Kolom Distilasi (CD-101) Pada unit ini terjadi proses pemisahan dan pemurnian metanol dari keluaran separator. Kolom distilasi bekerja pada kondisi atmosferik dimana suhu pada bagian top product sebesar 23˚C dan bagian bottom sebesar 60˚C dengan keluaran produk bawah didominasi oleh metanol dan air. 3.1.11 Kolom Distilasi (CD-102) Pada unit ini terjadi proses pemurnian metanol dari keluaran kolom distilasi (CD-101) yang bertujuan meningkatkan kemurnian metanol yang dihasilkan hingga Pra-Rancangan Pabrik Metanol dari Natural Gas Dibuat Diperiksa

Kelompok 6. Ganjil/ 2018-2019 Disetujui

7 Kelompok VI/ Semester Ganjil/ 2018-2019

mencapai metanol dengan kemurnian 99,9%. Kolom distilasi bekerja pada kondisi atmosferik dimana suhu pada bagian top product sebesar 64˚C dan bagian bottom sebesar 100˚C. Produk atas atau distilat berupa metanol 99,9% dan produk bawah berupa air. 3.2

Basis Perhitungan Neraca Energi Pada perhitungan neraca energi, dibutuhk...