ASSIGNMENT TRK

Nomor 8-4c

Disusun Oleh: Kelompok 1

Samuel Edo Pratama

Ahmad Ezra Garnida

Citra Siti Purnama

Ghaniya

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS

INDONESIA

DEPOK 2013

The following is an excerpt from The Morning News, Wilmington, Delaware (August 3, 1977): "Investigators sift through the debris from blast in quest for the cause [that destroyed the new nitrous oxide plant]. A company spokesman said it appears more likely that the [fatal] blast was caused by another gas-ammonium nitrate-used to produce nitrous oxide." An 83% (wt) ammonium nitrate and 17% water solution is fed at 200°F to the CSTR operated at a temperature of about 510°F. Molten ammonium nitrate decomposes directly to produce gaseous nitrous oxide and steam. It is believed that pressure fluctuations were observed in the system and as a result the molten ammonium nitrate feed to the reactor may have been shut off approximately 4 min prior to the explosion.

Soal a

Can you explain the cause of the blast? [Hint: See P9-3 page 574 and Equation (8-75).]

Sebelum kita melihat persamaan 8-75 kita menentukan reaksi yang terjadi di dalam reaktor. Reaksi yang terjadi dalam reaktor adalah:

NH4NO3(l) → 2H2O(g) + N2O(g) ..........(1)

Dari persamaan 8-75 kita bisa mendapatkan informasi bahwa runaway dapat terjadi pada saat kondisi yang ditentukan pada persamaan :

!!! 1+ ! < !∗ ............(2)

Dari penjelasan Runway didapat bahwa saat terjadi Runway, reaktor memasuki daerah tidak stabil yang menyebabkan terjadinya ketidak stabilan reaktor yang dapat menyebabkan ledakan. Karena terjadinya peningkatan suhu yang tiba-tiba. Untuk mengetahui penyebab ledakan kita melakukan perhitungan sebelum terjadi shut off dan setelah terjadi shut off.

1. Sebelum terjadi shut off: Menghitung !!!

!!! =  Σ  !!!!" !!! = !!""#$%&"  !"#$%#!!  !""#$%&"  !"#$%#   + !!"#$%!!  !"#$%

!!""#$%&"  !"#$%# =!!""#$%&"  !"#$%#  !"!#!!""#$%&"  !"#$%!  !"!#

=83%  (!")83%  (!") = 1

!!"#$%  !"#$%&"' =!!"#$%  !"!#

!!""#$%&"  !"#$%#  !"!#=17%   !"83%  (!") = 0,2048

!"!""#$%&"  !"#$%# =  0.38  Btu/lb

!"!"#$% = 0.47  Btu/lb   Maka:

!!! = 1  !  0.38  Btu/lb + 0,2048  !  0,47  !"#/!" = 0,4763  !"#/!" Menghitung ! Kondisi awal à T = 510oF k = 0,307 h-1 konversi (X) = 99,99% (0,9999)

!   =  !"

1+ !"

Maka,

!   =  !

!(1− !) =0.9999

0.307(1− 0.9999)   =  32570.0326  !"#

Menghitung !

!   =  !"

!!!!!!

Karena berlangsung secara adiabatik, nilai !"   =  0, maka: !   = 0

Mencari A Dari soal diketahui bahwa:

!  (!) 970 1020

!  (h!!) 0.307 2.912

R = 1.987 Btu/lbmoloR

– Menghitung !!

! = !!!!!"

!!!!=!!!

!!!!

!!!!!!!

!"!!!!= !"

!!!!!!!

!!!!!!!

!"!!!!= −

!!

1!!−1!!

!"0.3072.912 = −

!!

1970−

11020

!! = 44518

Sehingga,

!! = !!!!!"!0.307 = !!!

!!"#$!"# ! = 2.624×10!"

Mencari T*

!∗ = !!!

1− 1− 4 !!!!

(8-72)

Dimana Tc adalah suhu umpan, yakni 200oC. Dalam satuan Renkin: !! = 200+ 460 = 660  !

Maka,

!∗ =445182 1− 1− 4

66044518

!∗ = 670.086  !"#$%# Mencari S*

!∗ = !"!!!/!!∗

(!!!"!!!!!∗)!

(−∆!!!")  

!!!∗!

(8-73)

Dimana ∆!!!" = �336  Btu/lb, maka:

!∗ =32570.0326 2.624×10!" !!

!!"#$!"#.!"#

1+ 32570.0326 2.624×10!" !!!!"#$!"#.!"#

! −(−336)44518670.086!

!∗ = 0.000399!"#!"

Menghitung !!!   1+ !

!!!   1+ ! = 0.4763!"#!" 1+ 0 = 0.4763

!"#!"

Maka:

!∗ = 0.000399!"#!"

!!!   1+ ! = 0.4763!"#!"

Sehingga

!!! 1+ ! > !∗

Dimana runaway tidak akan terjadi

Dari hasil perhitungan pada bagian ini dapat dikatakan bahwa kondisi operasi reaktor sebelum shut off tidak akan menyebabkan reaktor meledak

Setelah itu, kita menghitung keadaan reaktor setelah dishut off selama 4 menit. Sehingga kita tau penyebab reaktor meledak. Dengan cara perhitungan yang sama, namun keadaan reaktor berubah tanpa ada aliran yang masuk dan keluar. Sehingga menyebabkan

reaktor menjadi batch. Setelah melakukan perhitungan yang sama didapat hasil akhir nilai pada persamaan 8-75 dengan :

Sehingga:

!!!   1+ ! = 0

Dan

!∗ = 2.712×10!!!"#!"

Maka:

!!! 1+ ! < !∗

Yang memenuhi syarat terjadinya runaway. Sehingga dapat dikatakan bahwa yang menjadi pemicu terjadinya ledakan bukanlah kondisi operasi sebelum shut off, melainkan berasal dari shut off yang terjadi.

Ketika kondisi reaktor berubah dari kondisi stabil menjadi kondisi tidak stabil, runaway bisa terjadi. Pada kasus ini, kondisi stabil berubah menjadi tidak stabil karena dilakukannya shut off. Ketika shut off dilakukan, sistem berubah dari kontinyu menjadi batch, dimana aliran air berhenti. Ketika masukan air berhenti, suhu reaktor akan naik sebab masukan air berfungsi untuk menyerap kalor dari reaksi dekomposisi amonium nitrat yang bersifat eksotermis. Reaksi dekomposisi amonium nitrat yakni:

NH4NO3(l) → 2H2O(g) + N2O(g)

dapat dilihat bahwa reaksi di atas menghasilkan H2O dan N2O yang berfasa gas. Ketika suhu sistem naik, maka akan mempengaruhi tekanan sistem karena produk dari reaksi berwujud gas. Suhu yang naik terus menerus menyebabkan tekanan juga semakin naik, dan reaktor meledak karena sudah tidak dapat menahan lagi tekanan yang terjadi.

Pada figure diatas, kita bisa melihat bahwa saat terjadi runway keadaan reaktor dalam keadaan tidak stabil, sehingga menyebabkan suhu naik secara drastis yang menyebabkan reaktor tekanan juga naik. Pada akhirnya, reaktor tidak bisa menahan keadaan didalam sehingga ledakan terjadi

Soal b

If the feed rate to the reactor just before shut off was 310 lb of solution per hour, what was

the exact temperature in the reactor just prior to shutdown?

T(oF) 510 560

k(h-1) 0.307 2.912

T(oR) 970 1020

k(h-1) 0.307 2.912

Jawab:

• Neraca mol untuk CSTR

! =!!"!−!!

• Rate law

−!! = !!!  !"#$%$  ! = !!!!!"

• Stoikiometri

!! = !!" !− !

• Kombinasi

! =!!"

!!!" !− !

Ø Menentukan laju alir massa Ammonium nitrat

Diketahui:

- ammonium nitrat = 83%

- Laju umpan (sebelum shut off) = 310 lb/hr

Maka,

!!! = 0.83  !  310 = 257,3   !" ℎ!

Ø Menentukan E/R

! = !!!!!"

!!!!=!!!

!!"!

!!!!!"!

ln!!!!= ln

!!!!!"!

!!!!!"!

ln!!!!= ln !

!!"!

! !!"!

ln!!!!= −

!!

1!!−1!!

!"0.3072.912 = −

!!

1970−

11020

!! = 44518

Ø Menentukan nilai A

!! = !!!!!"!

0.307 = !!!!!"#$!"#

! = 2.624  !  10!"

Ø Menentukan suhu (T) sebelum shut down

! =!!!!−!!

−!! = !!!!

- Berdasarkan additional information diberikan:

−!! = !!!! = !!! ! = !"

Sehingga

!" =  !!!!

Keterangan:

M = massaa mmonium nitrat di dalam CSTR sebanyak 500 lb

FA0 = laju alir massa ammonium nitrat

!" =  !!!!

!!!!!" 500 =   257.3 0.9999

2.624  !  10!"  !  !!!!"#$! 500 = 257.2743

!!!!"#$! = 1.961  !  10!!"

ln !!!!"#$! = ln 1.961  !  10!!"

−44518! = −45.378

! = 981.048!! =  521.048!!

Maka, suhu yang tepat dalam reaktor sesaat sebelum shut down adalah 521.048oF

Soal c

How would you start up or shut down and control such a reaction?

Jawab:

Ø Start up

Suhu di dalam reaktor dinaikkan secara perlahan hingga stabil pada kondisi upper

steady state. Dengan alasan mempertahankan pada kondisi upper steady state reaksi

akan menghasilkan konversi yang lebih besar dibandingkan pada kondisi lower steady

state. Ketika kondisi mencapai upper steady state, suhu dikontrol atau dikendalikan

agar stabil untuk mempertahankan konversi dan kinerja reaktor.

Ø Shut Down

Untuk melakukan shut down pada reaktor, perlu menurunkan laju umpan ammonium

nitrat perlahan-lahan/bertahap sampai tingkat laju umpan adalah 0 atau sampai tingkat

laju umpan terendah yang aman untuk mematikan reaktor secara langsung, dan laju

alir airnya tetap hingga suhunya aman. Reaktor tidak dapat secara langsung di shut

down dengan menghentikan laju alir umpan secara langsung karena sangat berbahaya.

Menghentikan laju alir umpan secara langsung akan menyebabkan suhu di dalam

reaktor meningkat. Jika tidak terkendali, hal ini akan menyebabkan tekanan di dalam

reaktor meningkat dan dapat menyebabkan ledakan.

Ø Control

- Kontrol Tekanan

Kontrol tekanan digunakan karena dekomposisi ammonium nitrat merupakan

reaksi eksotermis dan menghasilkan gas. Oleh karena itu, tekanan harus selalu

dikontrol agar tetap aman

- Kontrol Suhu

Kontrol suhu digunakan karena dekomposisi ammonium nitrat merupakan reaksi

eksotermis dan menghasilkan gas. Oleh karena itu, suhu harus selalu dikontrol

agar tetap aman.

- Pemisahan aliran umpan

Aliran umpan air dan ammonium nitrat harus dipisahkan sehingga dapat

mencegah ledakan. Kontrol jenis ini dapat membuat shut down lebih mudah yaitu

dengan menghentikan aliran ammonium nitrat dan aliran air tetap berjalan

sebagai pendingin. Hal ini akan membuat proses shut down lebih mudah dan

aman.

Soal d

What do you learn when you apply the runaway reaction criteria?

Jawab:

• Runaway terjadi ketika kondisi reaktor berubah, dari stabil menjadi tidak stabil

• Menggunakan suhu umpan optimum untuk mendapatkan konversi tertinggi

• Ketika ingin melakukan shut down, perlu menurunkan laju umpan perlahan-lahan

hingga pada tingkat laju umpan terendah.

• Mempelajari bagaimana perubahan suhu mempengaruhi kondisi upper steady state.

Hal ini juga mempengaruhi keselamatan reaktor.

Soal e

Explore this problem and describe what you find (For example, can you plot a form of R(T) versus G(T)?)

- Kurva G(T)

Persamaan orde 1reaksi dekomposisi amonium

! ! =−∆!!"! !"1+ !"

! ! =−∆!!"! !"!

! !!"

1+ !"!!!!"

- Kurva R(T)

Persamaan umum

! ! = !!! 1+ ! ! − !!

di mana berjalan pada kondisi adiabatic sehingga

! =!"

!!!!!!= 0

sehingga persamaan menjadi

! ! = !!! ! − !!

• Sebelum shut off

! ! = !!! ! − !! + !!,!!! ∆!!

• Setelah shut off

! ! = !!! ! − !!

variable tetap yang digunakan untuk menghitung R(T) dan G(T)

Variabel Tetap Nilai

! 32570.0326  !"# ! 2.624×10!" !/! 44518 ∆!!"

! −336!"#/!" ! 0 !! 200℉ !!! 0.4763!"#/!"

∆!! = !!!!! 1034!"#/!" !!,!!! 0.17

Membuat grafik G(T), R(T) terhadap T dalam excel. File excel terlampir.

Grafik hasil perhitungan dalam excel ada sebagai berikut :

-­‐200  

-­‐100  

0  

100  

200  

300  

400  

500  

600  

0   200   400   600   800   1000   1200  

R(T),  G

(T)  

T  (oF)  

Kurva  R(T),  G(T)  vs  T  G(T)   R(T)  sebelum  shut  off   R(T)  setelah  shut  off  

Analisis Kurva

Titik potong antara kurva G(T) dan kurve R(T) merupakan temperatur pada reaktor dalam kondisi steady state. Sebelum shut off, temperatur pada reaktor adalah 5210F. Dalam grafik ditunjukkan dari perpotongan kurva G(T) yang berwarna biru dengan kurva R(T) sebelum shut off yang berwarna orange.

Setelah reaktor di shut off, maka terjadi perubahan kondisi R(T). Temperatur reaktor 4 menit setelah shut off adalah 9000F. Dalam grafik hal ini terlihat antara perpotongan grafik G(T)yang berwarna biru dengan kurve R(T) setelah shut off yang berwarna abu-abu.

Shut off terjadi karena kalor yang di generasi dari reaksi eksoterm lebih besar daripada kalor yang di remove. Hal ini mengakibatkan kenaikan temperatur reaktor. Temperatur naik secara signifikan menyebabkan reaktor tidak mampu menahan tekanan internal dalam reaktor. Sehingga akhirnya reaktor yang tadinya stabil berubah menjadi tidak stabil dan terjadi runaway.

Soal f

f). Discuss what you believe to be the point of the problem. The idea for this problem originated from an article by Ben Horowitz.

Pada kasus ini, operator langsung mematikan reaktor sehingga aliran air pendingin berhenti seketika. Akibatnya temperatur reaktor naik secara signifikan dan menyebabkan terjadinya ledakan 4 menit setelah reaktor dimatikan. Hal ini terjadi karena kondisi operasi dari reaktor berubah dari stabil ke kondisi tidak stabil.

Reactor  shut  down

Feed  (ammonium  

The  ammonium  nitrate  left  over  in  the  reactor  

was  reacted  and  

Because  water  as  heat  exchange  

media  was  stopped,    

 

 

 

 

Reactor  can’t  hold  the  pressure  and  temperature  so  it  

explode