KASUS :.

Prarancangan Pabrik Sodium Thiosulfat Pentahydrat dari Soda Ash dan Belerang

Kapasitas 20000 Ton/Tahun

REAKTOR

Fungsi :Tempat reaksi antara Sodiun Hydrosulfide (NaHSO3) yang

merupakan hasil bawah dari absorber dengan Soda Ash (Na2CO3) dan

Belerang (S) menjadi Sodium Thiosulfat (Na2S2O3)

Jenis : Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB)

Alasan 1. Konversi yang diperoleh mendekati konversi teoritis

2. Karena reaksinya antara padat dan cair maka menggunakan RATB

Fase : Cair – Padat

Tekanan : 1 atm

Suhu : 60°C (333,15°K)

1. Uraian Proses

Reaksi pembentukan sodium thiosulfat (Na2S2O3) dari soda ash (Na2CO3)dan

belerang (S) merupakan reaksi irreversible. Reaktan soda ash (Na2CO3) dan belerang

(S) yang masuk reaktor pada fase padat sedangkan NaHSOs pada fase cair. Kondisi

operasi reaktor ini adalah non-isothermal, suhu reaksi didalam reaktor 333,15 °K dan

tekanan 1 atm.

2. Persamaan Reaksi:

2NaHSO3 +Na 2CO3 +2S → 2 Na2S2O3 + CO2 + H2O

A. PERANCANGAN REAKTOR

1. Kondisi Operasi

Isotermal

Tekanan = 1 atm = 14, 7 Psia

Suhu = 60°C = 333,15°K

Tekanan operasi (overdesign 20%) =1,2 atm = 17,64 psi

Reaksi yang terjadi:

2NaHSO3+NaCO3+2S → 2Na2S2O3 + CO2+H2O

2. Menghitung Dimensi Utama Reaktor

Bentuk : Silinder Tegak, bentuk atap tori spherical dan dasarnya flat

Vhead = 0.000049 D3 (Brownell. 5.11)

Dimensi yang digunakan dalam perancangan : H = 2D (Rase, Table 8 )

dengan : H = tinggi reaktor

D = diameter reaktor

a. Volume Reaktor = volume Silinder + 2 Volume Head

VReakior = 0,,25.П.D2 H +0, 000049 D3

dengan:H = 2D maka,

VR = 0,25 П .2.D3 + 2.0,000049D3

317,97997 = 0,25 П 2D3 + 2. 0,00049.D3

Maka diperoleh:

D3 = 202,52237 ft

D = 5,8725177 ft

= l,789943m = 70,4702122 in

H =11,74593537 ft

= 3,579930312 m = 140 9404244 in

b. Mencari ketinggian cairan dalani reaktor :

Volhead = 0.000049 D3

Vol head dasar = 0,009923596 ft3

Vol cairan di shell =317,9700435 ft3

Tinggi cairan (ZL) = 11,74540193 ft3

c. Menentukan tebal dinding Reaktor

Persamaan yang digunakan :

dengan :

t = tebal dinding reaktor (in )

P = Tekanan perancangan (psi)

ri = jari-jari dalam tangki (in)

diketahui:

Tekanan operasi = 1 atm

= 14.7 psi = 2116.8 Ibf/ft2

.

P hidrostati = p (g/gc) ZL

= 682.7891635 lbf/ft2

= 4.741591413 psi

Tekanan Reaktor = Poperasi + Phidrostatik

= 19.44159141 psi

ri = 2,936258842 ft

= 35,2351061 in

Direncanakan bahan konsíruksi dipilih dari stainless steel SA 240 karena cairan

dalam reaktor mengandung Sulfur yang bersifat korosif spesifíkasi bahan :

Allowable stress (f) =15600 psi

Corrossion ADowance (C) = 0.125 in

Effisiensi Pengelasan (E) = 0.85 ( Brownell p.90 )

sehingga tebal dinding reaktor :

t = 0,179041927 in = 0,444023978 cm

Digunakan tebal standar dinding reaktor = 0.25 in = ¼ in ( Brownell p.90 )

= 0.00635 m

= 0.02083 ft

d. Menentukan tebal head

persamaan:

( Brownell 7.77 )

dengan:

P = Tekanan perancangan

R = Jari-jari tangki

F = Allowable Stress

E = Efisiensi pengelasan

C = Corrossion Allowance

W = Lebar head

ODhead = 1D shell + 2.ts

= 70,97021 22 in

Dipakai standar OD = 72 in

dari tabel 5.7 brownell untuk OD = 72 in

t = 4.375 in = 43/8

diperoleh : icr = 4.75 in

r = 72 in

maka:

= 1,723328 ( Brownell 7.76 )

sehingga:

tebal head = 0.l93784809 in

Untuk perancangan diambil tebal síandar = 1/4 in = 0,00635 ft

e. Menentukan tinggi head

untuk tebal head 1/4 in , maka dipilih :

standar síraight flange 1½ -2¼

dipilih sf = 2

dari pers. di fig. 5.8 Brownell

BC = r - icr

= 67,25 in

AB = (ID/2) - icr

= 30,4851061 in

AC = (BC2 - AB2)0.5

= 59,9434801 in

B = r - AC

= 12,0565199 ín

Tinggi Head (OA) = th + b + sf

= 14,3065199 in

= 0,350509738 m

= 1,192209992 ft

Tinggi 2 head = 2,384419984 ft

tinggi 1 head = 1,192209992 ft

= 0,363385606 m

Tinggi reaktor Total = H + 2 (OA)

=14,12945535 ft

= 4,306710361 m

B. PERANCANGAN PENGADUK

1 . Menghitung Dimensi Pengaduk

Jenis pengaduk yang dipilih : dari data viskositas cairan dalam reaktor maka dari

gb.8.4 Rase hal 341 di pilih turbin dengan 6flat blade dengan 4 baffle

pertimbangan :

a. Range viscositas pengaduk jenis ini sesuai dengan viscositas bahan di reaktor

b. Baffle dapat memperbaiki transfer panas di dalam reaktor

(Rase p.357)

Dari fíg 477. Brown didapatkan :

Untuk pengaduk jenis turbin dengan 6 blade dengan 4 bafïle ( 6 blade plate

turbine impeller with 4 bafïle ) didapat pers :

ZL/Dt = 2.7 -3.9

Zi/ D = 0.75 -1.3

Dt/Di = 3

L/Di = 0.25

W/Dt = 0.1

dengan:

Di = Diameter pengaduk

Dt = Diameter dalam reaktor

Zi = jarak pengaduk dari dasar reaktor

ZL = tinggi cairan daiam reaktor

L = panjang Blade

W = lebar baffle

diketahui:

Dt = 5,872517684 ft = 1,78994339 m

Di = Dt/3

=1,957505895 ft = 0,596647797 m

Zi =1.3*Di

= 0,652501965 ft = 0,198882599 m

L = 0.25 *Di

= 0,489376474 ft = 0,149161949 m

W = 0.1*Dt

= 0,587251768 ft = 0,178994339 m

ZL = 11,74540193 ft

2. Menghitung daya pengadukan ( P)

a. Mencari kecepatan pengadukan

untuk turbin dihitung dengan persamaan

(Rase 8.8,hal345)

dengan:

WELH = Water Equivalent Liquid Height, ft

Di = Diameter pengaduk, ft

N = Kecepatan pengadukan, rpm

WELH = ZL x specific gravity ofliquid

diketahui:

densitas campuran =1, 103448603 g/mL

densitas air pada suhu 60°C = 1 g/mL

specific gravity =1,103448603

maka:

WELH = 12.96044735 ft

WELH(Di/2) =3.310449124

N = 177,607778 7 rpm

= 10656,46672 rpj

= 2,960129646 rps

Number of Turbine = WELH / D

= 2,206966083

=3 (rase, 8.9)

b. Mencari bilangan Reynold

dengan :

Dengan :

ρ = densitas campuran

N = putaran pengadukan

D = diameter impeller

Μ = viskositas campuran

diketahui:

N =2,960129646 rps

Di = 1,957505895 ft

= 23,49007073 in

Ρ = 68,88785201 Ib/ft3

H = 0:000405 Ib / ft3

Re =1930457,4

Data - data:

visc campuran = 0,602 cp = 0,0004048 Ibm/ft s = 1,457 Ibm/ft jam

visc pendingin = 0.77 cp = 0.0005208 Ibm/ft s = 1.875 Ibm/ft jam

c. Mencari Power

persamaan : P= ΦρN3Di5/gc (Brown,p.506)

dengan :

ρ = densitas cairan di dalam reaktor

N = jumlah putaran pengaduk, rps

Di = diameter pengaduk, ft

Gc = konstanta konversi gravitasi, Ibm.ft/lbf.s2

Nr = 1930457,4

Dari gb.477 hal 507 Brown didapatkan nilai O = 3,4 Maka:

Power pengadukan = 5427,05337 ft.lbfi'detik

= 9,867369764 Hp

= 10 Hp

C. PERANCANGAN JAKET PENDINGIN

1. Mencari Dimensi Jaket Pendingin

Data-data:

1. Data kapasitas panas cairan (Cp) (J/mol K)

Suhu reaktor = 60°C =323,15°K

Suhu pendingin rata - rata = 32.5 °C = 305.5 °K

kapasitas panas campuran = 3,1439 kJ/kg K

kapasitas panas pendingin = 3,35161 kJ/kg K

2. Data konduktivitas panas (k) untuk bahan cair (W/m K)

k campuran = 1.07 W/m K

k pendingin =1.05 V//m K

2. Menghitung koef.perpindahan panas dari tangki Reaktor ke jaket

Untuk pendingin jaket dan pengaduk turbin digunakan persamaan :

a. Mencari hi

Sifat físis fluida di dalam reaktor :

T = 60 °C

μ = 1.46 Ibm/ftjam

k = 1.07 W/mK = 0,621Btu/hr.ft.°F

Cp = 3.14 kJ/kg K = 0,75 1 Btu/lbm °F

ρ = 68,888 Ibm/ft3

Data yang lain :

Dt = 5,87251 7684 ft

Di = 1,957505895 ft

N= 10656,46672 rph

Dengan anggapan nilai (μ / μW) = 1, maka:

= 10720,7

hi = 1133,338391btu/hr ft2 F

b. Mencari hio:

ID = 5.872517684 ft

OD = 5.91418435 ft

ID/OD = 0.992954791

hio = hi x ID/OD (Kern, P.97)

= 1125,353785 btu/hr ft2 F

c. Mencari ho

persamaan:

Diketahui sifat sifat air pendingin :

ρ(ho) = 62.09 Ibm/ft3

μ(ho) = 1,87 Ibm/ft jam

Cp(ho) = 3.35 kJ/kgK = 0,7996 Btu/lbm F

k(ho) = 1.05 W/mK = 0,609

dengan anggapan nilai (μ / μW) = 1, maka :

= 9525,16

ho = 980,43 Btu/hr ft2 oF

dengan:

hi = koeflsien transfer panas pada diameter dalam reaktor

ho = koefisien transfer panas pada diameter luar reaktor

hio = hi yang dipandang pada diameter luar reaktor

d. Mencarí Uc

524 Btu/hr ft2 oF

Diambil nilai Rd =0.001 ft/hr.F/Btu (tabel 12 kern hal 845)

hD = 1/Rd = 1000

344 Btu/hr ft2 oF

dari persamaan:

Q = Ud x A x (ΔT)LMTD

Maka, A =

dengan :

Uc = koefisien perpindahan panas keseluruhan pada saat masih bersih

Ud = koefisien perpindahan panas keseluruhan pada saat desain

dari neraca panas Q yang harus dipindahkan sebesar

Q = 4786139 kJ

= 4536384 Btu/jam

Mencari ΔT LMTD

suhu Pendingin :

masuk(Tin) =30 °C = 86°F = 303°K

keluar(Tout) = 35°C =95°F =308 °K

T rata-rata air pendingin = 32,5 °C = 90,5 °F = 305,65 °K

T reaktor = 60°C = 140°F

Fluida panas (F) Fluida dingin (F) delta T

140 86 54 ΔT 1

140 95 45 ΔT 2

ΔT LMTD = (ΔT 2- ΔT1) / ( In (ΔT 2/ ΔT 1))

ΔT LMTD = 49,363 °F

Maka, luas permukaan perpindahan panas yang díbutuhkan

A = = 267,291 ft2

luas perpindahan panas yang tersedia di reaktor =

= 3.14 * EH * Hr + 0.25 * 3.14 * Dt2

= 287,615 ft2

e. Menghitung Tinggi jaket

luas perpindahan panas = 3.14 * Dt * Hj + 0.25 * 3.14 * Dt2

267,291 = 18.43970553 Hj - 27.0718742

Maka,

Hj =13,02728631 ft

Hr = 14,12945535ft

f. Menghitung lebar jaket

dari neraca panas di peroleh kebutuhan air pendingin = 228522.749 kg/jam

densitas air pendingin = 994.8225 kg/m3

debit air pendingin = 229.7120833 m3/jam

= 0.063808912 nrVdetik

= 2.253092684 ft3/detik

ditentukan kecepatan air pendingin = 10 fps

waktu kontak = 10 menit = 600 detik

volume pendingin = 38.28534722 m3 = 1351.85561 ft3

volume pendingin + volume reaktor = 1704.53859 ft3

Hjaket = 13.02728631 ft

Dt = 5.872517684 ft

Volume Pendingin + Volume Reaktor = (0.25*3.14*Dj2* Hj )+(0.000049 Dj3)

Volume Pendingin masuk / detik =

= 2.253092684 ft3/detik (dari perhitungan neraca panas)

Volume reaktor setinggi jaket = 0.25 * 3.14 * Dt2 * Hj + 0.000049 * Dt3

= 352.6829797 ft3

sehingga,

1704.53859 = 10.22641975 Dj2 + 0.000049 Dj3

Dj = 12.91042595 ft

Lebar jaket = 0.5 x( Dj - Dt) = 3.518954134 ft

= 1.07257722 m

= 107.257722 cm

Tebal Jaket :

tj = ((PxRi)/(fxE - 0.óxP)) + C (brownell)

7.77)

Ri=jari-jari asjaket = 6.4552 ft = 77.4633 in

Untuk bahan jaket dipilih : SA 285 grade B dimana :

P = 14.7000 psia

E = 0.8000

F = 12500 psia

C =0.1250

tj = ((PxRi)/(fxE - 0.óxP)) + C

tj = 0.2390 in

digunakan tebal síandar = 0.2500 in

= 0.0064 m