Tugas Perhitungan Neraca Massa & Panas Continuous Smelting ...
Transcript of Tugas Perhitungan Neraca Massa & Panas Continuous Smelting ...
1Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
TugasPerhitungan Neraca Massa & PanasContinuous Smelting – Converting
2Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Filter cake
Steam
Steam
Dry
concentrate
Flux
Enriched air
Off gas
Clean gas to stack
Dilution
Slag+
Matte
Matte
C-S
lag
Discard SlagH2SO4
Enriched air Off gas
Blister Copper
CaCO3
Other
gasses
Copper Anodes
Air (D-S)
CH4 (Reduction)
CH4 (burners)Air (burners)
Ga
s fro
m D
-S
Steam
dryerMitsubishi
S-Furnace
W.H.B
and ESP
W.H.B
and ESP
Mitsubishi
CL-Furnace
Mitsubishi
C-Furnace
Steam
drying
Slag
Granulation
Acid Plant
(double abs.)
Anode
Furnace (3)
Anode scrapCoolant
Fokus
perhitungan
Teknologi Mitsubishi Process
3Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Contoh perhitungan neraca massa
• Diberikan basis desain sebuah PABRIK PELEBURAN
TEMBAGA dengan teknologi MITSUBISHI PROCESS sebagai
berikut:
• Umpan pabrik : 702.576 TDO/y
• Plant operational availability : 340 day/y
8.160 h/y (93,2%)
• Umpan pabrik per jam : 86,1 TDO/h
• CuFeS2/[CuFeS2+FeS2] di konsentrat : 1,0
• Kandungan SiO2 di konsentrat : 8,27% berat
• Kandungan CaO di konsentrat : 1,18% berat
• Kandungan Al2O3 di konsentrat : 2,41% berat
4Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Kriteria (Basis) Desain
• S-FURNACE:
• Target Matte Grade : 65%
• Target Fe/SiO2 di slag : 1,04
• Bahan imbuh : 100% SiO2
• Penambahan bahan bakar : 10 kg/t kons
• Asumsi bahan bakar : 100% C
• Penambahan C-slag : 11,9 t/h
• Kandungan Cu di C-slag : 13,25% berat
• Kandungan Fe di C-slag : 43,47% berat
• Kehilangan panas : 200 MJ/t kons
• Temp. Matte / Slag / Off-gas : 1230 / 1270 / 1250oC
• CL-FURNACE:
• Kehilangan panas : 200 MJ/t slag
5Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Kriteria (Basis) Desain
• C-FURNACE:
• Target S di Blister : 0,90
• Target Fe/CaO di slag : 1,89
• Bahan imbuh : 100% CaCO3
• Penambahan Anode scrap : 3,8 t/h
• Komposisi Anode scrap : 99,2% Cu; 0,4% S ; 0,4% O
• Penambahan coolant : 3,5 t/h
• Komposisi coolant : 80,0% Cu; 5,0% Fe ; 15,0% O
• Kehilangan panas : 500 MJ/t matte
• Temp. Blister / Slag / Off-gas : 1220 / 1240 / 1250oC
• BLAST: merupakan gabungan udara dan gas oksigen
• Komposisi udara : 23,3%brt O2 + 76,7%brt N2
• Komposisi oksigen : 100% O2
Hitung neraca massa dan panas Mitsubishi process tersebut!!
6Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Perhitungan Neraca Massa
1. Terdapat 3 jenis unit proses utama, yaitu smeltingfurnace, slag-cleaning furnace dan convertingfurnace.
2. Terdapat berbagai jenis stream material, yaituconcentrate, fluxes, blasts, slags, off-gases, matte,blister, coolant dan anode scrap.
3. Berikan nomer stream material pada pictorialflowsheet yang telah dibuat.
4. Kumpulkan semua data pada satu worksheet yangsama atau worksheet yang terpisah denganpictorial flowsheet proses.
5. Lakukan perhitungan berdasarkan basis desain yangtelah ditetapkan.
7Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
1. Concentrate → diberi notasi S01
S = smelting furnace, 01 = stream number
2. Flux (SiO2) → diberi notasi S02
3. Fuel (C) → diberi notasi S03
4. C-Slag → diberi notasi S04
5. Udara → diberi notasi S05
6. Oksigen → diberi notasi S06
Stream Material Masuk S-Furnace
8Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
1. Gas buang → diberi notasi S07
2. S-Slag + Matte → diberi notasi S08
Material Keluar S-Furnace
Material Masuk & Keluar CL-Furnace
1. S-Slag + Matte → dari stream S08
2. CL-Slag → diberi notasi CL01
CL = slag-cleaning furnace, 01 = stream number
3. Matte → diberi notasi CL02
Stream Material Keluar S-Furnace & CL-Furnace
9Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
1. Matte → dari stream CL02
2. Flux (CaCO3) → diberi notasi C01
C = converting furnace, 01 = stream number
3. Udara → diberi notasi C02
4. Oksigen → diberi notasi C03
5. Anode scrap → diberi notasi C04
6. Coolant → diberi notasi C05
1. Gas buang → diberi notasi C06
2. Slag → diberi notasi C07
3. Blister Cu → diberi notasi C08
Stream Material Masuk & Keluar C-FurnaceMaterial Masuk C-Furnace
Material Keluar C-Furnace
10Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Material Streams of S-Furnace, CL-Furnace & C-Furnace
Dry concentrate
Flux
Air
Off gas
Slag + Matte
MatteC
-Sla
gDiscard Slag
Off gas
Blister Copper
CaCO3
Mitsubishi
S-Furnace
Mitsubishi
CL-Furnace
Mitsubishi
C-FurnaceAnode scrap
Coolant
S01
S02
S03
OxygenS07
S08
CL01
CL02
C01
C04
C05
C07
C06
C08
S04
Fuel
S05
S06
Air
Oxygen
C02
C03
11Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Neraca Massa S-Furnace
CuFeS2(s) + ??O2(g) + wSiO2(s) →
0.5Cu2S–xFeS(l) + (1–x)"FeO"–wSiO2(l) + ??SO2(g)
Concentrate Blast Flux
Matte Slag Gas
Reaksi utama (disederhanakan):
298 K
Mitsubishi
S-Furnace
S01
S02
S03
S04
Concentrate:wt conc. = 86,1t/h
wCuFeS2/(wCuFeS2 +wFeS2) = 1,0
SiO2 in conc. = 8,27%brt.
CaO in conc. = 1,18%brt.
Al2O3 in conc. = 2,41%brt.298 K
298 K
298 K
Flux:SiO2 in flux = 100%brt.
Fuel:wtFuel = 10,6 kg/t conc.
C in fuel = 100%brt.
C-Slag:wtC-Slag = 11,9t/h
Cu in C-Slag = 13,25%brt.
Fe in C-Slag = 43,47%brt.
S05+S06
298 KBlast:
1) Air: O2 = 23,3%brt; N2 = 76,7%brt.
2) Oxygen: O2 = 100%brt.
Mitsubishi
CL-Furnace
1523 K
S07
1543 K
CL01
1503 K
CL02
S08
Off-Gas
Heat Loss: 200 MJ/t conc.
Slag:Fe/SiO2 = 1,04
Matte:M.Grade = 65%
Heat Loss: 200 MJ/t slag
12Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Neraca Massa S-Furnace
1. Diasumsikan komponen matte terdiri dari: Cu2Sdan FeS.
2. Diasumsikan komponen dominan gas-buang terdiridari: O2, N2, SO2 dan CO2.
3. Diasumsikan komponen c-slag terdiri dari: Fe2O3,CaO dan Cu2O.
4. Diasumsikan komponen cl-slag terdiri dari:Fe2SiO4*, Ca2SiO4*, SiO2, Al2O3, dan Cu2O.
* Komponen silikat dipertimbangkan untuk mendekatientalpi pembentukan larutan slag silikat
13Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Neraca Massa S-Furnace
1. Neraca massa Cu2. Neraca massa Fe3. Neraca massa S4. Neraca massa O5. Neraca massa C6. Neraca massa SiO2
7. Neraca massa CaO8. Neraca massa Al2O3
9. Matte Grade
10. Fe/SiO2 in slag11. Cu in slag12. Berat mineral sulfida
dalam konsentrat13. CuFeS2 dalam
konsentrat14. Berat fuel15. Berat C-Slag16. Jumlah N2 dalam blast
Beberapa persamaan berkaitan denganneraca massa yang harus dihitung:
14Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Neraca massa Cu:
Cu in = Cu out
Cu(concentrate) + Cu(c-slag) = CuCu2S (matte) + CuCu2O (cl-slag)
Cu(concentrate) = wCuFeS2 x MCu/MCuFeS2 = 0,346 wCuFeS2
Cu(c-slag) = wc-slag x %Cuc-slag = 11,9 x 13,5% = 1,576
CuCu2S (matte) = wCu2S x 2MCu/MCu2S = 0,799 wCu2S
CuCu2O (cl-slag) = wCu2O x 2MCu/MCu2O = 0,888 wCu2O
Sehingga
-0,346 wCuFeS2 + 0,799 wCu2S + 0,888 wCu2O = 1,576 t/h (Eq.1)
15Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Neraca massa Fe:
Fe in = Fe out
Fe(concentrate) + Fe(c-slag) = FeFeS (matte) + FeFe2SiO4 (cl-slag)
Fe(concentrate) = wCuFeS2 x MFe/MCuFeS2 + wFeS2 x MFe/MFeS2
= 0,304 wCuFeS2 + 0,466 wFeS2
Fe(c-slag) = wc-slag x %Fec-slag = 11,9 x 43,47% = 5,172
FeFeS (matte) = wFeS x MFe/MFeS = 0,635 wFeS
FeFe2SiO4 (cl-slag) = wFe2SiO4 x 2MFe/MFe2SiO4 = 0,548 wFe2SiO4
Sehingga
-0,304 wCuFeS2 - 0,466 wFeS2 + 0,635 wFeS + 0,548 wFe2SiO4 = 5,172 t/h (Eq.2)
16Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Neraca massa S:
S in = S out
S(concentrate) = SCu2S (matte) + SFeS (matte) + SSO2 (off-gas)
S(concentrate) = wCuFeS2 x 2MS/MCuFeS2 + wFeS2 x 2MS/MFeS2
= 0,349 wCuFeS2 + 0,535 wFeS2
SCu2S (matte) = wCu2S x MS/MCu2S = 0,202 wCu2S
SFeS (matte) = wFeS x MS/MFeS = 0,365 wFeS
SSO2 (off-gas) = wSO2 x MS/MSO2 = 0,501 wSO2
Sehingga
-0,349 wCuFeS2 - 0,535 wFeS2 + 0,202 wCu2S + 0,365 wFeS + 0,501 wSO2
= 0 (Eq.3)
17Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Neraca massa O:
O in = O out
O(blast) + O(c-slag) = OFe2SiO4 (cl-slag) + OCu2O (slag) + OSO2 (off-gas) + OCO2 (off-gas)
O(blast) = wO2 (blast)
O(c-slag) = wc-slag x [%Cu x 0,25MO2/MCu + %Fe x 0,75MO2/MFe] = 2,421
OFe2SiO4 (cl-slag) = wFe2SiO4 x MO2/MFe2SiO4* = 0,157 wFe2SiO4
*only O2 that is involved in Fe oxidation, SiO2 does not take O2
OCu2O (cl-slag) = wCu2O x 0,5MO2/MCu2O = 0,112 wCu2O
OSO2 (off-gas) = wSO2 x MO2/MSO2 = 0,500 wSO2
OCO2 (off-gas) = wCO2 x MO2/MCO2 = 0,727 wCO2
Sehingga
-0,349 wO2 (blast) + 0,157 wFe2SiO4 + 0,112 wCu2O + 0,500 wSO2 + 0,727 wCO2
= 2,421 t/h (Eq.4)
18Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Neraca massa C:
C in = C out
C(fuel) = CCO2 (off-gas)
C(fuel) = wFuel x %C(fuel) = 1 wfuel
CCO2 (off-gas) = wCO2 x MC/MCO2 = 0,273 wCO2
Sehingga
-wfuel + 0,273 wCO2 = 0 (Eq.5)
19Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Neraca massa SiO2:
SiO2 in = SiO2 out
SiO2(concentrate) + SiO2(flux) =
SiO2-Fe2SiO4(cl-slag) + SiO2-Ca2SiO4(cl-slag) + SiO2-SiO2(cl-slag)
SiO2(concentrate) = wconc x %SiO2(concentrate) = 7,120
SiO2(flux) = wflux x %SiO2(flux) = 1 wflux
SiO2-Fe2SiO4(cl-slag) = wFe2SiO4 x MSiO2/MFe2SiO4 = 0,295 wFe2SiO4
SiO2-Ca2SiO4(cl-slag) = wCa2SiO4 x MSiO2/MCa2SiO4 = 0,349 wCa2SiO4
SiO2-SiO2(cl-slag) = wSiO2(cl-slag)
Sehingga
-wflux + 0,295 wFe2SiO4 + 0,349 wCa2SiO4 + wSiO2(cl-slag) = 7,120 t/h (Eq.6)
20Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Neraca massa CaO:
CaO in = CaO out
CaO(concentrate) = CaOCa2SiO4 (cl-slag)
CaO(concentrate) = wconc x %CaO(concentrate) = 1,016
CaOCa2SiO4(cl-slag) = wCa2SiO4 x MCaO/MCa2SiO4 = 0,651 wCa2SiO4
Sehingga
0,651 wCa2SiO4 = 1,016 t/h (Eq.7)
21Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Neraca massa Al2O3:
Al2O3 in = Al2O3 out
Al2O3(concentrate) = Al2O3-Al2O3 (cl-slag)
Al2O3(concentrate) = wconc x %Al2O3(concentrate) = 2,075
Al2O3-Al2O3(cl-slag) = wAl2O3(cl-slag)
Sehingga
wAl2O3(cl-slag) = 2,075 t/h (Eq.8)
22Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Matte Grade:
Matte Grade = 100 x wCu2S x 2MCu/MCu2S / [wCu2S+ wFeS]
Matte Grade [wCu2S+ wFeS] = 100 x wCu2S x 2MCu/MCu2S
0,65 [wCu2S+ wFeS] = 0,7985 wCu2S
Sehingga
0,65 wFeS - 0,149 wCu2S = 0 (Eq.9)
• Fe/SiO2 in slag:
Fe/SiO2 = [wFe2SiO4(cl-slag) x 2MFe/MFe2SiO4]
÷ [wFe2SiO4(cl-slag) x MSiO2/MFe2SiO4 + wCa2SiO4(cl-slag) x MSiO2/MCa2SiO4 + wSiO2(cl-slag)]
[0,584 wFe2SiO4(cl-slag)] = [0,295 wFe2SiO4(cl-slag) + 0,349 wCa2SiO4(cl-slag) + wSiO2(cl-slag)] x Fe/SiO2
Sehingga
0,241 wFe2SiO4(cl-slag) – 0,363 wCa2SiO4(cl-slag) – 1,040 wSiO2(cl-slag) = 0 (Eq.10)
23Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Cu in slag:
Cu in slag = wCu2O(cl-slag) x 2MCu/MCu2O
÷ [wCu2O(cl-slag) + wFe2SiO4(cl-slag) + wCa2SiO4(cl-slag) + wSiO2(cl-slag)]
= 0,888 wCu2O(cl-slag) ÷ [wCu2O(cl-slag) + wFe2SiO4(cl-slag) + wCa2SiO4(cl-slag) + wSiO2(cl-slag)]
Cu in slag = ??
Cu in slag = 0,0005(Matte-Grade2) – 0,0208(Matte-Grade) = 0,0005(652) – 0,0208(65) = 0,76%
0,0076 = 0,888 wCu2O(cl-slag) ÷ [wCu2O(cl-slag) + wFe2SiO4(cl-slag) + wCa2SiO4(cl-slag) + wSiO2(cl-slag)]
0,880 wCu2O(cl-slag) - 0,0076 wFe2SiO4(cl-slag) - 0,0076 wCa2SiO4(cl-slag) - 0,0076 wSiO2(cl-slag) = 0 (Eq.11)
24Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Berat Mineral Sulfida dalam
Konsentrat:
wsulfide-conc = wCuFeS2 + wFeS2
Sehingga
wCuFeS2 + wFeS2 = 75,889 t/h (Eq.12)
• CuFeS2 dalam Konsentrat:
wCuFeS2 / [wCuFeS2 + wFeS2] = 1
Sehingga
wFeS2 = 0 t/h (Eq.13)
• Berat C-Slag:
wc-slag = 11,900 t/h (Eq.14)
• Berat Fuel:
wfuel = 10,6 kg/t kons x wconc = 0,913
t/h (Eq.15)
• Jumlah N2 dalam blast:
wN2 (blast) = Jumlah nitrogen
ditentukan oleh neraca panas
(Eq.16)
25Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-FurnaceTanpa mempertimbangkan N2, terdapat 15 variabel yang diperlukan (wCuFeS2, wFeS2, wCu2S, wFeS, wCu2O, wFe2SiO4, wCa2SiO4, wSiO2(cl-slag), wAl2O3(cl-slag), wSO2, wO2, wCO2, wfuel, wflux, wc-slag).
Dan terdapat 16 persamaan:
• -0,346 wCuFeS2 + 0,799 wCu2S + 0,888 wCu2O = 1,576 t/h (Eq.1)
• -0,304 wCuFeS2 - 0,466 wFeS2 + 0,635 wFeS + 0,548 wFe2SiO4 = 5,172 t/h (Eq.2)
• -0,349 wCuFeS2 - 0,535 wFeS2 + 0,202 wCu2S + 0,365 wFeS + 0,501 wSO2 = 0 (Eq.3)
• -0,349 wO2 (blast) + 0,157 wFe2SiO4 + 0,112 wCu2O + 0,500 wSO2 + 0,727 wCO2 = 2,421 t/h (Eq.4)
• -wfuel + 0,273 wCO2 = 0 (Eq.5)
• -wflux + 0,295 wFe2SiO4 + 0,349 wCa2SiO4 + wSiO2(cl-slag) = 7,120 t/h (Eq.6)
• 0,651 wCa2SiO4 = 1,016 t/h (Eq.7)
• wAl2O3(cl-slag) = 2,075 t/h (Eq.8)
• 0,65 wFeS - 0,149 wCu2S = 0 (Eq.9)
• 0,241 wFe2SiO4(cl-slag) – 0,363 wCa2SiO4(cl-slag) – 1,040 wSiO2(cl-slag) = 0 (Eq.10)
• 0,880 wCu2O(cl-slag) - 0,0076 wFe2SiO4(cl-slag) - 0,0076 wCa2SiO4(cl-slag) - 0,0076 wSiO2(cl-slag) = 0 (Eq.11)
• wCuFeS2 + wFeS2 = 75,889 t/h (Eq.12)
• wFeS2 = 0 t/h (Eq.13)
• wc-slag = 11,900 t/h (Eq.14)
• wfuel = 10,6 kg/t kons x wconc = 0,861 t/h (Eq.15)
Sehingga persamaan dapat dipecahkan !!
26Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
Nilai 15 variabel:
• wCuFeS2 = 75,889 t/h
• wFeS2 = 0,000 t/h
• wCu2S = 34,327 t/h
• wFeS = 7,842 t/h
• wCu2O(cl-slag) = 0,502 t/h
• wFe2SiO4(cl-slag) = 42,479 t/h
• wCa2SiO4(cl-slag) = 5,753 t/h
• wSiO2(cl-slag) = 7,853 t/h
• wAl2O3(cl-slag) = 2,075 t/h
• wSO2(offgas) = 33,443 t/h
• wCO2(offgas) = 3,154 t/h
• wO2(blast) = 23,303 t/h
• wfuel = 0,861 t/h
• wflux = 15,267 t/h
• wc-slag = 11,900 t/h
Nilai 8 stream:
• S01 = wconcentrate = 86,10 t/h
• S02 = wflux = 15,27 t/h
• S03 = wfuel = 0,86 t/h
• S04 = wc-slag = 11,90 t/h
• S05 + S06 = wblast = 23,30 t/h + N2
• S07 = woff-gas = 36,60 t/h + N2
• CL01 = wcl-slag = 58,66 t/h
• CL02 = wmatte = 42,17 t/h
27Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Cara memecahkan persamaan dengan menggunakan
matriks:
Misal terdapat 3 persamaan dengan 3 variabel:
2x + 3y – 2z = 8
x – 4z = 1
2x – y – 6z = 4
x = 5, y = 0 and z =1
2 3 −21 0 −42 −1 −6
∙𝑥𝑦𝑧
=814
coefficient
matrix
variable
matrix
constant
matrixSolusi
2 3 −21 0 −42 −1 −6
−1
∙814
=0,333 −1,667 10,167 0,667 −0,50,083 −0,667 0,25
∙814
=501
28Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Massa S-Furnace
• Memecahkan persamaan dengan menggunakan matriks pada excel:
wCuFeS2 wFeS2 wC-Slag wFlux wFuel wO2 wN2 wCu2S wFeS wFe2SiO4 wSiO2 wCa2SiO4 wAl2O3 wCu2O wSO2 wCO2 wH2O Num
Cu -0.35 0 0 0 0 0 0 0.80 0 0 0 0 0 0.89 0 0 0 1.58 wCuFeS2 75.89Fe -0.30 -0.47 0 0 0 0 0 0 0.64 0.55 0 0 0 0 0 0 0 5.17 wFeS2 0.00S -0.35 -0.53 0 0 0 0 0 0.20 0.36 0 0 0 0 0 0.50 0 0 0 wC-slag 11.90O 0 0 0 0 0 -1.00 0 0 0 0.16 0 0 0 0.11 0.50 0.73 0.89 2.42 wFlux 15.27C 0 0 0 0 -1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.27 0 0 Wfuel 0.91H 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.11 0.00 wO2 23.44
SiO2 0 0 0 -1.00 0 0 0 0 0 0.29 1.00 0.35 0 0 0 0 0 7.12 wN2 0.00CaO 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.65 0 0 0 0 0 4.80 wCu2S 34.33
Al2O3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1.00 0 0 0 0 1.02 wFeS 7.84Wcons 1.00 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 75.89 wFe2SiO4 42.48
Conc. Prop 0.00 -1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 wSiO2 7.29Matte Grade 0 0 0 0 0 0 0 0.15 -0.65 0 0 0 0 0 0 0 0 0 wCa2SiO4 7.38
C-Slag 0 0 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 11.90 wAl2O3 1.02Fe/SiO2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.24 -1.04 -0.36 0 0 0 0 0 0 wCu2O 0.50
Cu in Slag 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -0.01 -0.01 -0.01 -0.01 0.88 0 0 0 0 wSO2 33.44Oil/Cons 0 0 0 0 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.91 wCO2 3.35Guess N2 0 0 0 0 0 0 1.00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0.00 wH2O 0.00
Solutions
coefficient matrix constant matrix
Solusi = MMULT(MINVERSE(##:##),##:##)
coefficient matrix constant matrix
29Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rangkuman Neraca Massa S-Furnace
298 K
Mitsubishi
S-Furnace
S01
S02
S03
S04
Concentrate: 86,10 t/h88,1%CuFeS2 + 0%FeS2 + 8,3%SiO2 +
1,2%CaO + 2,4%Al2O3
298 K
298 K
298 K
Flux: 15,27 t/h100%SiO2
Fuel 0,86 t/h:100%C
C-Slag: 11,90 t/h14,9%Cu2O + 62,1%Fe2O3 + 22,9%CaO
S05+S06
298 KBlast: 23,30 t/h + N2
??%O2 + ??%N2
Mitsubishi
CL-Furnace
1523 K
S07
1543 K
CL01
1503 K
CL02
S08
Off-gas: 36,60 t/h + N2??%SO2 + ??%CO2 + ??%N2
Heat Loss: 200 MJ/t conc.
Slag: 58,66 t/h0,86%Cu2O +
72,4%Fe2SiO4 +
9,8%Ca2SiO4 +
13,4%SiO2 + 3,5%Al2O3
Matte: 42,17 t/h81,4%Cu2S + 18,6%FeS
Heat Loss: 200 MJ/t slag
30Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Neraca Panas S-Furnace
Neraca panas secara umum terdiri dari beberapakomponen, yaitu:
1. Sensible heat input (panas dari material yangdimasukkan ke dalam furnace) – ΔHin
2. Heat of Reaction (panas dari reaksi yangterjadi di dalam furnace) – ΔHrx
3. Sensible heat output (panas dari materialyang dihasilkan dari furnace) – ΔHout
4. Heat Loss (Jumlah panas yang hilang kelingkungan)
31Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Neraca Panas S-Furnace
Persamaan neraca panas:
Heat Balance = 0 = ΔHin + ΔHrx + ΔHout + Heat loss
Input 1
Input 2, 3, 4
Output 1, 2,
3
298 K
473 K
1550 K
∆𝑯𝒐𝒖𝒕= 𝟐𝟗𝟖𝑲𝟏𝟓𝟓𝟎𝑲
𝑪𝒑−𝒐𝒖𝒕 𝟏 𝒅𝑻
𝟐𝟗𝟖𝑲+𝟏𝟓𝟓𝟎𝑲
𝑪𝒑−𝒐𝒖𝒕 𝟐 𝒅𝑻
𝟐𝟗𝟖𝑲+𝟏𝟓𝟓𝟎𝑲
𝑪𝒑−𝒐𝒖𝒕 𝟑 𝒅𝑻∆𝑯𝒊𝒏= 𝟒𝟕𝟑𝑲𝟐𝟗𝟖𝑲
𝑪𝒑−𝒊𝒏 𝟏 𝒅𝑻
∆𝑯𝒓𝒙=∆𝑯𝒇,𝟐𝟗𝟖−𝐩𝐫𝐨𝐝𝐮𝐤 − ∆𝑯𝒇,𝟐𝟗𝟖−𝐫𝐞𝐚𝐤𝐭𝐚𝐧
−𝑯𝒆𝒂𝒕 𝑳𝒐𝒔𝒔
32Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Data termodinamika berikut dapat digunakan untuk perhitunganneraca panas:
Perhitungan sensible heat 𝟐𝟗𝟖𝑲𝑻
𝑪𝒑 𝒅𝑻 digantikan dengan persamaanyang lebih sederhana HT-H298 (tidak memerlukan integrasi Cp).
Neraca Panas S-Furnace
THERMODYNAMIC DATA HT-H298 = A*T + B*T^2 + C*T^-1 + D*T^0.5 + E*T^3 + F
Component MWΔfH298 ΔfH298 T (K) A B C D E F
kJ/mol MJ/t Range J/mol J/mol J/mol J/mol J/mol J/mol
O2 32.00 0.00 0 298-3000: 53.75227 -0.00194 -612446 -1042.28 2.71E-07 4192.368
N2 28.01 0.00 0 298-3000: 38.16728 0.001646 -507331 -541.1 -2.3E-07 -476.976
SO2 64.06 -296.81 -4633 298-3000: 93.87096 -0.00446 -712782 -2053.55 4.15E-07 10246.62
CO2 44.01 -393.51 -8941 298-5000: 91.43128 -0.00225 -803232 -2140.86 1.39E-07 12598.02
H2O(g) 18.02 -241.81 -13423 298-3000: 19.79116 0.010379 -64948.2 247.0234 -1.1E-06 -10840.7
Cu2S(s"l) 159.16 -79.50 -499 1403-1700 83.680 0 0 0 0 -11341
FeS(s"l) 87.91 -99.62 -1133 1473-1700 62.760 0 0 0 0 17092
Fe2SiO4(s"l) 203.78 -1479.36 -7260 1491-1700 240.600 0 0 0 0 -49321
Ca2SiO4(s"l) 172.24 -2317.94 -13458 2403-2800*: 209.2 0 0 0 0 -9016.52
Al2O3(s"l) 101.96 -1675.69 -16435 2327-4000: 192.464 0 0 0 0 -81554.5
SiO2(s"l) 60.08 -910.94 -15161 1997-2500 85.772 0 0 0 0 -41977
Cu2O(s"l) 143.09 -170.71 -1193 1518-1700 99.759 0 0 0 0 10870
CuFeS2(s) 183.53 -173.22 -944 830-1500 2439.079 -1.15714 -2.2E+07 -69057.8 0.000383 630788.2
FeS2(s) 119.98 -171.54 -1430 78.218 -0.00482 1296438 0 5.11E-06 -27375.9
Fuel (C) 12.00 0.00 0
CaO(s"l) 56.08 -635.09 -11325 3200-4000*: 50.74355 0.001841 870272 0 0 -18213
Fe2O3 159.69 -824.25 -5161 298-1800: 242.6427 -0.05895 1948238 -3142.94 3.45E-05 -20284
Cu(s''l) 63.55 8.08 127 298-5000: 32.6352 0 0 0 0 -9731.98
Fe(s''l) 55.85 2.81 50 298-5000: 46.024 0 0 0 0 -13723.5
S(s''l) 32.07 0.00 0 298-5000: 14.24024 0.001561 213760.6 121.4239 -1.4E-07 -7194.39
O(s''l) 16.00 249.17 15574 298-2100: 21.10284 -0.00018 -75956.3 0 3.31E-08 -6020.78
CaCO3(s''l) 100.09 -1207.54 -12065 298-1200: 99.73401 0.013447 2158944 0 0 -38170.6
Sumber: http://www.thermart.net/freed-thermodynamic-database/
33Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Panas S-Furnace
Persamaan neraca panas:
Heat Balance = 0 = ΔHin + ΔHrx + ΔHout + Heat loss
298 K
1543 K
1523 K
1503 K
∆𝑯𝒓𝒙=∆𝑯𝒇,𝟐𝟗𝟖−𝐩𝐫𝐨𝐝𝐮𝐤 − ∆𝑯𝒇,𝟐𝟗𝟖−𝐫𝐞𝐚𝐤𝐭𝐚𝐧
−𝑯𝒆𝒂𝒕 𝑳𝒐𝒔𝒔T=298K
Konsentrat = wCuFeS2+wFeS2+wSiO2+wCaO+wAl2O3
Fluks = wSiO2
C-Slag = wCu2O+wFe2O3+wCaO
Fuel = wC
Blast = wO2+wN2
T=1543K
CL-Slag = wCu2O+wFe2SiO4+
wCa2SiO4+wSiO2+wAl2O3
T=1523K
Offgas = wN2+wSO2+wCO2
T=1503K
Matte = wCu2S+wFeS2
T=298K
Offgas = wN2+wSO2+wCO2
CL-Slag = wCu2O+wFe2SiO4+wCa2SiO4+wSiO2
+wAl2O3
Matte = wCu2S+wFeS2
∆𝑯𝒐𝒖𝒕 = 𝟐𝟗𝟖𝑲𝟏𝟓𝟎𝟑𝑲
𝑪𝒑−𝒎𝒂𝒕𝒕𝒆 𝒅𝑻
𝟐𝟗𝟖𝑲+𝟏𝟓𝟒𝟑𝑲
𝑪𝒑−𝒔𝒍𝒂𝒈 𝒅𝑻
𝟐𝟗𝟖𝑲+𝟏𝟓𝟐𝟑𝑲
𝑪𝒑−𝒐𝒇𝒇𝒈𝒂𝒔 𝒅𝑻∆𝑯𝒊𝒏= 𝟎
1. Sensible heat input (panas darimaterial yang dimasukkan kedalam furnace) – ΔHin = 0, karenamaterial diumpankan pada 298 K.
34Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
2. Heat of Reaction (panas yang dihasilkan dari reaksi yangterjadi di dalam furnace) – ΔHrx
ΔHrx = ΔHf,298 PRODUK – ΔHf,298 REAKTAN = -220882 MJ/h
Rincian Perhitungan Neraca Panas S-Furnace
INPUT KomponenWeight ΔfH298 ΔfH298 OUTPUT Komponen
Weight ΔfH298 ΔfH298
t/h MJ/t MJ/h t/h MJ/t MJ/h
Konsentrat
CuFeS2(s) 75,899 -944 -71649Off-gas
N2 y 0 0FeS2(s) 0,000 -1430 0 SO2 33,443 -4633 -154941
SiO2(s"l) 7,120 -15161 -107946 CO2 3,154 -8941 -29908CaO(s"l) 1,016 -11325 -54417
Slag
Cu2O(s"l) 0,502 -1193 -599Al2O3(s"l) 2,075 -16435 -16698 Fe2SiO4(s"l) 42,479 -7260 -308398
Fluks SiO2(s"l) 15,267 -15161 -231463 Ca2SiO4(s"l) 5,753 -13458 -99320
C-SlagCu2O(s"l) 1,775 -1193 -2118 Al2O3(s"l) 2,075 -16435 -16698
Fe2O3 7,395 -5161 -38166 SiO2(s"l) 7,853 -15161 -110463CaO(s"l) 2,729 -11325 -30906
MatteCu2S(s"l) 34,327 -499 -17129
Fuel Fuel (C) 0,861 0 0 FeS(s"l) 7,842 -1133 -8885
BlastO2 23,303 0 0 ΔHf,298 PRODUK =-748738N2 y 0 0
ΔHf,298 REAKTAN =-527856
35Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Panas S-Furnace
3. Heat of Reaction (panas dari reaksi yang terjadi didalam furnace) – ΔHout
ΔHout = 1399 y + 166760 MJ/h
Output ComponentWeight
(t/h)MW
T
(K)
HT-H298 = A*T + B*T^2 + C*T^-1 + D*T^0.5 + E*T^3 + FHT-H298
(MJ/h)A B C D E F
J/mol J/mol J/mol J/mol J/mol J/mol
Off-gas
N2 y 28.01 1523 38.16728 0.001646 -507331 -541.1 -2.3E-07 -476.976 1399y
SO2 33,443 64.06 1523 93.87096 -0.00446 -712782 -2053.55 4.15E-07 10246.62 33261
CO2 3,154 44.01 1523 91.43128 -0.00225 -803232 -2140.86 1.39E-07 12598.02 4518
Slag
Cu2O(s"l) 0,502 143.09 1543 99.759 0 0 0 0 10870 578
Fe2SiO4(s"l) 42,479 203.78 1543 240.600 0 0 0 0 -49321 67108
Ca2SiO4(s"l) 5,753 172.24 1543 209.2 0 0 0 0 -9016.52 10480
Al2O3(s"l) 2,075 101.96 1543 192.464 0 0 0 0 -81554.5 4384
SiO2(s"l) 7,853 60.08 1543 85.772 0 0 0 0 -41977 11811
MatteCu2S(s"l) 34,327 159.16 1503 83.680 0 0 0 0 -11341 24680
FeS(s"l) 7,842 87.91 1503 62.760 0 0 0 0 17092 9939
36Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Panas S-Furnace
Heat loss = 200 MJ/t conc x 86,1 t/h
= 17220 MJ/h
Sehingga persamaan neraca panas menjadi:
Heat Balance = 0 = ΔHin + ΔHrx + ΔHout + Heat loss
= 0 + -220882 + 1399 y + 166760 + 17220 MJ/h
1399 y = 36902
y = 26,3774
Sehingga off-gas menjadi:
= 26,38 t/h N2 + 33,44 t/h SO2 + 3,15 t/h CO2
= 41,9 %brt. N2 + 53,1 %brt. SO2 + 5,0 %brt. CO2
37Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Panas S-Furnace
Sehingga blast menjadi:
= 26,38 t/h N2 + 23,30 t/h O2
= 53,1 %brt. N2 + 46,9 %brt. O2
%O2 enrichment dalam blast:
= 100 x 46,9/MO2 / [46,9/MO2 + 53,1/MN2]
= 43,6%
38Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rincian Perhitungan Neraca Panas CL-Furnace
Persamaan neraca panas:
Heat Balance = 0 = ΔHin + ΔHrx + ΔHout + Heat loss
• CL-Furnace berfungsi untuk memperoleh pemisahan yangbaik antara slag dan matte
• Diasumsikan tidak ada reaksi di dalam CL-Furnacesehingga ΔHrx = 0
• Heat loss = 200 MJ/t slag x 58,7 t/h
= 11740 MJ/h
• Kehilangan panas ini diimbangi dengan suplai energilistrik.
• Energi listrik yang dibutuhkan = 200 MJ/t slag ÷ 3600 s
= 55,6 kWh/t slag
39Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Rangkuman Neraca Massa S-Furnace & CL-Furnace
298 K
Mitsubishi
S-Furnace
S01
S02
S03
S04
Concentrate: 86,10 t/h88,1%CuFeS2 + 0%FeS2 + 8,3%SiO2 +
1,2%CaO + 2,4%Al2O3
298 K
298 K
298 K
Flux: 15,27 t/h100%SiO2
Fuel 0,86 t/h:100%C
C-Slag: 11,90 t/h14,9%Cu2O + 62,1%Fe2O3 + 22,9%CaO
S05+S06
298 KBlast: 49,68 t/h + N2
46,9%O2 + 53,1%N2
Mitsubishi
CL-Furnace
1523 K
S07
1543 K
CL01
1503 K
CL02
S08
Off-gas: 62,97 t/h + N253,1%SO2 + 5,0%CO2 + 41,9%N2
Heat Loss: 200 MJ/t conc.
Slag: 58,66 t/h0,86%Cu2O +
72,4%Fe2SiO4 +
9,8%Ca2SiO4 +
13,4%SiO2 + 3,5%Al2O3
Matte: 42,17 t/h81,4%Cu2S + 18,6%FeS
Heat Loss: 200 MJ/t slag
Heat Input: 55,6 kWh/t slag
40Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Perbandingan Neraca Massa S-Furnace
Perbandingan hasil perhitungan neraca massa dengan neracamassa actual beberapa pabrik Mitsubishi Process:
Description Unit This Model Naoshima Kidd Gresik Onsan
Conc. feedrate t/h 86.1 85.0 58.5 86.1 74.9
Cu in conc. %wt. 30.5 31.4 28.2 31.0 29.0
Silica feedrate t/h 15.3 11.1 15.0 12.9 13.0
Limestone feedrate t/h 0 0.9 0.0 0.2 1.7
Return C-slag t/h 11.9 7.3 4.5 10.5 8.4
Coal feedrate t/h 0.9 3.0 0 3.0 1.9
Matte production rate t/h 42.2 42.8 24.2 46.2 37.6
Matte grade %wt. 65.0 68.1 68.5 65.0 65.0
CL-slag production t/h 58.7 47.0 40.4 50.1 48.6
Blowing conditions
Total Nm3/h 37,405 34,100 31,500 39,200 34,700
O2 enrichment %vol. 43.6 50.7 41.0 48.0 50.0
Furnace off-gas
Gas volume DNm3/h 573 540 460 600 530
SO2 at boiler inlet %vol. 34.0 27.1 31.1 30.1 33.4
41Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Kondisi Termodinamika Cu Smelting & Converting
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
50.050.551.051.552.052.553.053.554.054.555.055.556.056.557.057.558.058.559.059.560.060.561.061.562.062.563.063.564.064.565.065.566.066.567.067.568.068.569.069.570.070.571.071.572.072.573.073.574.074.575.075.576.076.577.077.578.078.579.079.580.0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
-1.3 -0.8 -0.3
Log PO2=~8
Log PO2=~6
42Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Diagram Fasa untuk CL-Slag
Target Fe/SiO2
sebesar 1,04 memastikan slag dalam keadaanleleh dan juga menentukansifat-sifat slag lainnya.
-0.01
0.09
0.19
0.29
0.39
0.49
0.59
0.69
0.79
0.00 0.50 1.00
Smelting Slag
Liquid
43Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Neraca Massa C-Furnace
Cu2S–xFeS(l) + ??O2(g) + zCaCO3(s) →
(2–2y)Cu(l) + yCu2O–zCaO–0.5x"Fe2O3"(l) + ??SO2(g) + zCO2(g)
Matte Blast Flux
Blister Slag Gas
Reaksi utama (disederhanakan):
1503 K
Mitsubishi
C-Furnace
CL02
C01
C04
C05
298 K
298 K
298 K
Flux:CaCO3 in flux = 100%brt.
Anode Scrap:wtAnode Scrap = 3,8 t/h
Comp. = 99,2% Cu; 0,4% S ; 0,4% O
Coolant:wtCoolant = 3,5 t/h
Comp. = 80,0% Cu; 5,0% Fe ; 15,0% O
C02+C03
298 KBlast:
1) Air: O2 = 23,3%brt; N2 = 76,7%brt.
2) Oxygen: O2 = 100%brt.
C06
C07
1523 K
1513 K
1493 KBlister:S in blister = 0.90%brt.
Matte:M.Grade = 65%
C08
Slag:Fe/SiO2 = 1,89
Heat Loss: 500 MJ/t matte
Off-Gas
44Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Relasi Termodinamika untuk C-Slag
y = -0.9642x - 5.7589
y = 0.3888x + 3.4256
-1.300
-0.800
-0.300
0.200
0.700
1.200
1.700
-6.5 -6.0 -5.5 -5.0
y = 0.0762x-0.526
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.50
0.00 0.50
Target S pada blister sebesar 0,9% dapat digunakan untukmemprediksi Cu pada C-slag dan O pada blister.
45Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Diagram Fasa untuk C-Slag
Target Fe/CaOsebesar 1,89 memastikan slag dalam keadaanleleh dan juga menentukan sifat-sifat slag lainnya.
-0.01
0.09
0.19
0.29
0.39
0.49
0.59
0.69
0.79
0.00 0.50 1.00
Converting SlagLiquid
46Zulfiadi Zulhan / Taufiq Hidayat / Imam Santoso MG3111 Pyrometallurgy 2021
Pelajari model untuk converting furnace pada
spreadsheet dan berikan rincian perhitungan
massa dan panas untuk converting furnace
tersebut !!
Tugas (Dikumpulkan 2 November 2021)