Tutorial 2

MERANCANG SIMULASI REAKSI KIMIA

Contoh 1. Tentukan volume reaktor plug flow yang diperlukan untuk memproduksi 300 juta pon massa per tahun  etilena dari perengkahan aliran umpan etana murni. Reaksi yang terjadi merupakan reaksi irreversible  dan elementer. Kita ingin mencapai konversi etana 80%, operasi reaktor isotermal pada 1100 K dan tekanan 6 atm.

C2H6 (g) –> C2H4 (g) + H2 (g)

A  –>    B + C

dimana A adalah gas etana, B gas etilen dan C gas hidrogen.

Informasi lain:

  • Fao = 0.425 lbmol/s (dihitung dari 300 juta pon etilen pada konversi 80%)
  • k = 0.072 s-1 pada 1000 K
  • Energi Aktivasi, E = 82 kcal/gmol

1. Merancang Flowsheet Proses

Langkah pertama dalam membuat proses reaksi kimia adalah menggambar flowsheet di ASPEN PLUS ™, seperti yang Anda lakukan pada kertas. Perhatikan bahwa saat Anda sedang merancang flowsheet, teks di sudut kanan bawah akan menyatakan “Flowsheet Not Complete“. Ini akan berubah menjadi “Required Input Incomplete” ketika flowsheet selesai.

a. Unit Operasi

Cara termudah untuk membuat flowsheet adalah memulai dengan Unit Operasi dan kemudian menambahkan aliran pada unit operasi.

  • Di sepanjang bagian bawah jendela ada beberapa tab dengan berbagai jenis peralatan sebagai label. Klik pada tab Reactor.
  • Ada tujuh jenis model reaktor di ASPEN PLUS ™ 2006,5. Untuk contoh ini kita akan menggunakan RPlug.
  • Klik pada tombol RPlug sekali dan kemudian klik lagi pada flowsheet proses yang kosong. Anda akan melihat di sebelah kiri tombol reaktor yang berbeda ada panah ke bawah yang menampilkan menu pulldown. Anda dapat mengubah ikon yang muncul pada lembar aliran proses dari menu ini. Tidak akan ada perbedaan dalam perhitungan ASPEN PLUS ™ . Ikon hanya mempengaruhi penampilan dari flowsheet.

  • Sekarang anda harus melihat icon reaktor Pluf Flow pada flowsheet proses. Ini akan diberi nama B1.

b. Aliran masuk (umpan)

Selanjutnya kita perlu menambahkan aliran  masuk.

  • Ada tombol berlabel STREAMS MATERIAL  di kiri bawah jendela. Klik pada tombol ini.
  • Ketika Anda memindahkan kursor ke flowsheet proses Anda akan melihat dua panah merah dan dua panah biru muncul pada reaktor. Panah-panah ini menunjukkan tempat untuk melampirkan stream ke reaktor.
  • Pindahkan kursor di atas tanda panah merah di bagian atas reaktor. Ini adalah aliran umpan.
  • Klik sekali ketika panah disorot dan  pindahkan kursor Anda sehingga aliran berada dalam posisi yang Anda inginkan. Kemudian klik sekali lagi. Anda akan melihat aliran berlabel 1 memasuki bagian atas  reaktor.

Anda telah selesai menambahkan aliran masuk. Perhatikan contoh ini hanya memiliki satu panah (mewakili umpan etana). Lebih dari satu aliran inlet dapat ditarik. Perhatikan juga bahwa jika Anda memiliki lebih dari satu reaktan dalam feed, Anda tidak perlu membuat lebih dari satu aliran masuk pada ASPEN PLUS ™. Anda dapat menentukan beberapa komponen dalam satu aliran.

Pada tahap ini layar Anda akan terlihat seperti ini.

c. Aliran Keluar (produk)

Anda sekarang siap untuk menambahkan aliran outlet (mengandung ethylene dan hidrogen) untuk flowsheet Anda. Ulangi langkah-langkah yang dijelaskan di atas untuk aliran inlet, namun bukan menyoroti panah merah di bagian atas reaktor, sorot panah merah di bagian bawah. Tentu saja, untuk contoh lainnya, mungkin ada lebih dari satu aliran outlet.

Layar Anda sekarang harus terlihat seperti ini.

d. Menghubungkan Aliran ke Unit Operasi

Jika Anda tidak menghubungkan aliran ke unit saat membuat aliran, Anda masih dapat menyambungkan ke unit.

  • Untuk menyambungkan aliran yang sudah di flowsheet, pertama klik pada tombol panah, tepat di atas tombol  STREAMS MATERIAL.
  • Double klik pada akhir dari aliran Anda yang ingin dihubungkan ke unit. Mouse Anda sekarang akan mengontrol ujung aliran.
  • Untuk menyambungkan aliran secara sederhana pindahkan ujung aliran  di salah satu panah merah atau biru pada unit. Ketika  panah disorot klik sekali lagi dan aliran akan tersambung ke unit.

2. Memasukkan Kondisi Proses

Sekarang flowsheet proses sudah selesai,  saatnya untuk memasukkan kondisi proses. Di kanan bawah layar pesan warning telah berubah dari “Flowsheet Not Complete” untuk ” Required Input Incomplete“. Ini berarti bahwa kondisi masuk, kondisi operasi  atau informasi kinetik masih belum ada. ASPEN Plus akan memandu Anda melalui jendela masukan yang diperlukan, cukup klik pada tombol Next    dekat bagian tengah dari toolbar utama. Ketika setiap masukan sudah lengkap, tanda akan muncul pad bagian yng sudah lengkap di jendela explorer  sebelah kiri.

  • Klik Next dengan tombol kiri mouse. Sebuah jendela akan memberitahu Anda bahwa flowsheet sudah selesai dan menanyakan apakah form input berikutnya harus ditampilkan. Klik OK .
  • Jendela input pertama akan disebut Setup Spesification. Dengan tombol mouse kiri, klik sekali pada kotak Title untuk menyorotnya, masukkan judul model proses Anda.
  • Periksa apakah satuan yang diinginkan sudah benar. Anda dapat mengubah satuan dalam menu pull-down di bawah Unit Measurement. Klik pada satuan yang diinginkan.
  • Tanda  harus muncul di sebelah Spesifikasi di jendela navigasi sebelah kiri. Klik Next.

Jendela input berikutnya adalah Component Spesification. Di sinilah semua spesies kimia dalam model proses Anda ditentukan.

  • Sebagai contoh pada khusus ini, komponennya adalah: etana, etilena, dan hidrogen. Mulailah dengan kedua kolom terakhir yang disebut Componen name. Klik pada baris pertama di kolom dan ketik: etana. Tekan Enter.  Catatan: Jika Anda tidak yakin bagaimana mengeja nama kimia, atau tidak tahu apakah itu di data kimia  ASPEN Plus , cukup klik tombol Find di bawah tabel komponen. Dari sini Anda dapat mencari komponen kimia yang benar.
  • Etana masuk dalam  data kimia APEN Plus. Perhatikan bagaimana rumus molekul secara otomatis muncul setelah mengetiknya. Sekarang klik di bawah  Component ID. Masukkan nama id (untuk dimunculkan di hasil) untuk etana, misal Etha. Tekan Enter.
  • Ulangi langkah 5 dan 6 untuk etilena dan hidrogen. Dalam contoh ini, nama id komponen yang digunakan adalah ETHY dan H2, masing-masing.
  • Tanda  muncul. Klik Next.

Jendela berikutnya yang muncul adalah Properties Spesifiction. Di sinilah Anda menentukan mesin solusiyang digunakan untuk mensimulasikan model proses Anda.

  •  Dari menu Propery Methode pilih  SYSOPO.  Tekan Enter.
  • Tanda muncul. Klik Next.
  • Jendela berikutnya yang muncul adalah Properties Spesification. Di sinilah Anda menentukan metode properti yang akan digunakan, di sini pilih IDEAL dan kemudian klik next.

Setelah informasi properti yang diperlukan dimasukan dan Anda mengklik tombol next, jendela akan muncul yang menanyakan apakah akan melanjutkan ke langkah berikutnya atau  mengubah properti. Klik  lingkaran di samping Go to Next required input step.

Jendela berikutnya yang  muncul adalah Stream. Di sinilah Anda menentukan komponen, suhu dan tekanan dari aliran input.

  • Di bawah ” States variabel ” arahkan ke menu yang menyatakan Temperature. Masukkan 1100 dan dari menu pull-down di sebelah kanan entri pilih K untuk Kelvin.
  • Pada bagian  Pressure masukkan 6 dan  pilih atm dari menu pull-down.
  • Sekarang lihat ke kanan dan temukan tabel Komposisi. Dari menu pull-down pertama pilih Mole Flow dan ubah satuan menjadi lbmol /sec dari menu pull-down sebelah kanan.
  • Karena etana adalah satu-satunya komponen dari aliran masuk, klik kotak di sebelah ETHA dan masukkan 0,425 untuk laju aliran molar.
  • Tanda  muncul. Klik Next.

Jendela input berikutnya adalah B1. Pada jendela ini  Anda akan menentukan kondisi operasi PFR tersebut.

  • Anda mulai pada tab Spesifikasi. Dari menu pull-down  Reaktor type pilih Reactor with specified temperature.
  • Pada bagian kondisi Operasi  pilih : Constant at inlet temperature
  • Klik Next
  • Klik di kotak Length dan masukkan nilai 10 feet sebagai nilai  awal yang baik. Pastikan satuan adalah ft.
  • Lakukan hal yang sama untuk kotak Diameter. 3 ft adalah tebakan baik untuk diameter. Pastikan satuan adalah ft.  Catatan. Anda memecahkan masalah di atas  dengan menebak volume. Ketika Anda menjalankan simulasi, Anda akan melihat apakah konversi yang dicapai sesuai dengan volume yang ditebak. Anda akan terus merubah volume (meningkatkan/menurunkan panjang sekaligus mempertahankan diameter yang konstan) dan menjalankan kembali  simulasi sampai konversi yang diinginkan tercapai. Ingat bahwa PFR merupakan sebuah silinder dengan volume V = (Pi/4). D^2.L.
  • Tekan tombol Next.
  • Jendela berikutnya akan meminta Anda untuk memilih seperangkat reaksi. Namun, Anda belum membuat seperangkat reaksi. Dari menu navigasi sebelah  kiri klik dua  kali pada folder Reactions. Dua subfolder akan muncul. Klik pada subfolder Reactions.

Di sinilah Anda akan menentukan stoikiometri dari reaksi yang terjadi pada PFR tersebut.

  • Pada jendela ini, pilih New.
  • Masukkan nama untuk ID reaksi (untuk contoh ini kita menggunakan R-1) dan kemudian pilih LHHW  menu pull-down . Tekan Ok.
  • Ini akan membawa Anda ke tab stoikiometri. Dari sini pilih New ….
  • Di bawah reaktan, pilih ETHA dari menu pull-down Komponen.
  • Sekarang lihat pada persamaan reaksi sdari maalah di atas. Koefisien etana adalah 1 jadi masukkan 1 pada kotak Coeficient. Perhatikan bahwa ASPEN PLUS ™ secara otomatis mengubah koefisien pereaksi untuk angka negatif.
  • Di bawah Produk, pilih ETHY dari menu pull-down Komponen. Masukkan 1 pada kotak coeficient. Kemudian pilih H2 dari menu pull-down Komponen dan masukkan 1 untuk koefisien. Klik pada tombol Next untuk menutup jendela dan  maju ke input berikutnya.

Input berikutnya adalah di bawah tab Kinetic. Di sini Anda akan menjelaskan persamaan laju reaksi dalam PFR tersebut.

  • Reaksi yang baru saja Anda masukkan harus ditampilkan dalam menu pull-down pertama. Dari menu  pull-down Reacting Phase pilih Vapor
  • Lalu masukkan informasi di bagian  Kinetic factor.
  • Masukkan 0,072 untuk k, 82 untuk E, dan 1000 untuk To. Pastikan satuan untuk E kkal / mol dan K untuk To.
  • Terakhir, persamaa laju reaksi harus dimasukkan. Untuk melakukan ini klik pada tombol Driving Force ke kanan.
  • Contoh ini memiliki laju reaksi elementer, maka,- rA = kCA. Oleh karena itu, di bawah reaktan, masukkan 1 pada kotak di sebelah etana (ETHA). Ketik 1 untuk exponent tersebut.
  • Di bawah  Produk, masukkan 0 untuk Eksponen dari  etilena dan hidrogen (ETHY dan H2).
  • Masukkan 0 untuk semua konstanta keempat komponen (A, B, C, D) di bagian bawah jendela.
  • Dari menu pull-down  term, pilih Term 2. Karena ini adalah reaksi elementer dan tidak ada terem kedua masukkan 0 untuk semua eksponen dan B, C, dan koefisien D.
  • Karena  ASPEN PLUS ™ menggunakan konstanta  untuk menentukan reaksi, Anda harus memasukkan angka negatif yang sangat besar untuk koefisien A. -10000000 harus bekerja. Ini akan membuat term 2 menjadi 0, meninggalkan kita dengan hukum laju elementer. Klik Next untuk menutup jendela.
  • Klik Next
  • Ini membawa Anda kembali ke blok B1. Jika Anda ingat, kita tidak menentukan seperangkat reaksi  untuk  PFR karena kita  tidak memiliki satu yang dibuat. Sekarang kita selesai membuat seperangkat  reaksi, kita perlu menambahkannya ke blcok 1. Pilih R-1 (atau apapun yang Anda namai  reaksinya) dan pilih tombol .

Anda selesai memasukkan semua data yang dibutuhkan untuk model proses! Anda akan melihat Required Input Complete di pojok kanan bawah jendela. Klik tombol Next lagi dan sebuah jendela akan muncul menanyakan apakah Anda ingin menjalankan simulasi. Klik OK. Setelah Anda mengklik OK untuk menjalankan model proses, jendela Control Panel akan muncul. Jendela ini memberi Anda untuk  melihat “proses berpikir” ASPEN Plus. Frase yang menunjukkan blok PFR sedang dieksekusi akan bergulir di seluruh layar. Ketika simulasi selesai, Control Panel akan membaca: Simulation calculations completed.

Interpretasi hasil Simulasi

  • Setelah simulasi selesai, klik tombol Next pada Control Panel.
  • Sebuah jendela akan muncul dengan tiga pilihan. Tandai pilihan pertama, Display Run-Status results form, dan klik OK.
  •  Sebuah jendela berjudul Results Summary akan muncul. Klik  pada Streams  di jendela navigasi di sebelah kiri.

Untuk simulasi Contoh 1  layar stream result akan terlihat seperti ini:

Perhatikan bahwa, di sisi kiri layar, adalah parameter yang berbeda: suhu, tekanan, mol aliran, dll. Sepanjang  baris atas adalah nama-nama aliran id, dalam hal ini 1 dan 2 (inlet dan produk). Ini membentuk kotak informasi yang dapat diinterpretasikan dengan mudah.

Pada Contoh 1, soalnya adalah  meminta volume PFR yang akan mencapai konversi 80%. Seperti yang Anda ingat, ketika memasukan kondisi proses, Anda menduga volume dengan memasukkan  dengan menebak panjang  dan diameter PFR tersebut. Dalam rangka untuk menyelesaikan masalah, Anda harus melihat apakah konversi proses yang diinginkan Anda yang diperoleh. Ingat konversi yang didefinisikan sebagai:

X = (mol reaktan pembatas yang bereaksi)
(mol reaktan pembatas pada umpan)

dimana: mol yang bereaksi= mol masuk – mol keluar

Untuk menghitung untuk konversi, lakukan langkah berikut dengan hasil:

  • Di bawah  Mole Flow  untuk etana, hitung mol etana yang bereaksi: aliran 1 –  aliran2
  • Membagi angka ini dengan laju aliran molar etana yang ke PFR : stream 1.

Jika Anda mengikuti contoh persis, menggunakan panjang 10 meter dan diameter 3 meter, Anda harus mendapatkan konversi 76%

X = aliran 1 – aliran 2
aliran 1

X = 1530 lbmol/hr – 361.641 lbmol/hr
1530 lbmol/hr

X = 0.76 = 76%

Dimensi PFR tidak mencapai konversi 80%. Karena itu, Anda harus kembali dan mengaturnya. Hal yang paling mudah adalah memvariasikan panjang PFR dengan menjaga konstan diameter. Dalam contoh ini, karena konversi itu terlalu rendah, Anda harus MENAIKKAN panjang PFR tersebut.

Mengubah Kondisi Proses dan Menjalankan Model kembali

Mengatur kondisi masukan sangat mudah, cukup ikuti langkah berikut:

  1. Dengan pointer mouse, klik pada tombol Closep pada jendela Result dan kemudian Control Panel  (tidak menutup ASPEN PLUS™)
  2. Sekarang Anda akan melihat jendela  spesifikasi input (di mana Anda memasukkan informasi tentang kinetika reaksi, ukuran reaktor, dll ..)
  3. Browse ke halaman  Blok > B1 >  Setup dari jendela explorer kiri dan klik pada tab Configuration.
  4. Klik di kotak nilai yang ingin Anda ubah. Dalam hal ini mengubah Panjang menjadi yang lebih besar dari 10ft (Petunjuk: Cobalah 11,42 ft!).
  5. Gunakan jendela explorer di sebelah kiri untuk menelusuri data masukan jika Anda perlu untuk mengubah lebih banyak parameter. Jika tidak, terus klik Next sampai muncul pesan “ Run simulation  Now?”
  6. Menjalankan kembali simulasi, dan memeriksa hasil Anda.

Dalam Contohini, Anda akan menemukan bahwa panjang 11,42 ftdan diameter 3ft akan mencapai konversi 80%. Untuk menyelesaikan masalah tersebut, volume dari PFR dengan dimensi ini  adalah V = 80,72 ft3.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: