TEKNIK REAKTOR MUHAMMAD SAID M T JURUSAN KIMIA

TEKNIK REAKTOR MUHAMMAD SAID, M. T. JURUSAN KIMIA UNIVERSITAS SRIWIJAYA

REAKTOR-REAKTOR IDEAL UNTUK REAKSI TUNGGAL Reaktor batch (Batch Reactor) Dalam TRK 1 akan dibahas reaktor batch untuk reaksi homogen Dalam BR pereaksi-pereaksi dimasukkan ke dalam sebuah tangki yang dilengkapi dengan pengaduk, dibiarkan dalam satu periode tertentu sehingga terjadi reaksi yang dikehendaki, kemudian hasil-hasil yang didapat dikeluarkan. Reaktor batch beroperasi secara unsteady karena komposisi berubah sebagai fungsi waktu. Dalam industri, BR biasanya digunakan untuk fase larutan, jarang untuk fase gas, karena dengan adanya pengaduk resiko kebocoran cukup tinggi Reaktor disebut ideal jika pada setiap posisi di dalam reaktor pada suatu saat tertentu komposisinya uniform/seragam

BR ideal Dalam reaktor batch tidak ada fluida yang masuk ke ataupun yang keluar dari reaktor, maka neraca massa untuk komponen A dapat dituliskan : Input = output + disappearance +accumulation Atau secara matematis dapat dinyatakan sebagai: Kecepatan berkurangnya zat A sesuai dengan reaksi yang terjadi = - kecepatan akumulasi A di dalam reaktor

Berkurangnya zat A sesuai dengan reaksi yang terjadi = (-r. A)V= (mole A bereaksi per satuan waktu per satuan volume fluida) x volume fluida ---- satuannya menjadi mole/waktu Akumulasi A di dalam reaktor = …………. 2) Jika pers 2) diintegralkan, t (waktu reaksi) dapat dinyatakan sebagai Pers 2) dan pers 3) berlaku untuk sistem dengan densitas konstan, jika selama reaksi terjadi perubahan densitas, maka persamaan menjadi …………. 5)

Persamaan-persamaan di atas berlaku untuk proses isotermal ataupun nonisotermal dan bila digambarkan kurvanya adalah sebagai berikut :

Space time dan space velocity Jika waktu reaksi digunakan untuk mengukur kinerja sebuah reaktor batch, maka untuk reaktor-reaktor alir performance diukur dengan space time atau space velocity Space time : waktu yang diperlukan untuk mengumpankan sejumlah tertentu zat/pereaksi pada suatu kondisi tertentu ke dalam reaktor sehingga proses reaksi dapat berjalan , satuannya : ------ [waktu] = 1/s Space velocity : jumlah reaktor dengan volume tertentu per satuan waktu yang dapat menerima umpan pada kondisi tertentu sehingga reaksi dapat berlangsung, satuannya : ------ [waktu -1] s = 1/

Hubungan s, , dengan beberapa variabel lain yang terkait • = =

Steady State Mixed Flow Reactor (RTB) CA 0 FA 0 XA 0 = 0 v 0 V, XA, CA, (-r. A) CAf = CA FA XAf = XA Vf (-r. A)f = (-r. A)

Perhitungan seharusnya didasarkan pada tinjauan elemen volume tertentu, tetapi karena komposisi di dalam reaktor dapat dianggap uniform pada setiap titik dan setiap waktu, maka neraca massa secara keseluruhan dapat diberlakukan, sehingga untuk komponen A dapat dituliskan: Input = output + disappearance by reaction + accumulation ------ 6) Input A = A yang masuk (mole/waktu) = FA 0 (1 - XA 0) = FA 0 Output A = A yang keluar (mole/waktu) = FA 0 (1 - XA) Sedangkan disappearance of A = (-r. A) V Sehingga pers 6) dapat dituliskan : FA 0 (XA) = (-r. A) V Dan untuk A 0, berlaku :

……… 7) = = ……… 8) = ……… 9) secara umum/general case/ untuk setiap ε dapat dituliskan : = ……… 10) ……… 11)

dan untuk A = 0, ………. . 12) = ………. . 13) Berdasarkan persamaan tersebut di atas kinerja RTB dapat dilukiskan sebagai berikut :

Untuk reaksi order 1 dan A = 0, maka : k = …. ……. . 14) sedangkan untuk sembarang nilai A, V = V 0(1+ A) dan k = …. ……. . 15) …. ……. . 16) untuk reaksi order 2 dan A = 0, k = …. ……. . 17) …. ……. . 18) atau CA =

Steady state plug flow reactor Di dalam plug flow reactor komposisi dari fluida berubah dari titik ke titik sepanjang aliran. Persamaan NM untuk komp A disusun berdasarkan : A yang masuk : FA mole/waktu A yang keluar : FA + d. FA mole/waktu A yang berkurang krn bereaksi : (-r. A)d. V

……. . 17) Persamaan 17 dapat digunakan untuk menghitung volume reaktor untuk kecepatan umpan tertentu dan konversi tertentu yang ingin dicapai

Persamaan 17 dapat digunakan pula untuk menghitung volume plug flow reactor dan space time nya dengan konversi tertentu ( yang ≠ 0) pada posisi umpan …. . 18) Pada keadaan khusus yaitu untuk sistem dengan densitas konstan

Persamaan 19) berikut menunjukkan kinerja PFR untuk A = 0 Dalam bentuk grafik dapat digambarkan sebagai berikut :

Untuk reaksi-reaksi sederhana dan homogen dengan sembarang nilai εA :

Catatan : untuk sistem dengan densitas konstan persamaan kinerja untuk PFR analog dengan persamaan kinerja reaktor batch, karena (space time) pada PFR = t (waktu tinggal) pada reaktor batch Tabel 5. 1 pers kinerja PFR dan MFR untuk reaksi orde n dan densitas konstan (εA = 0) Tabel 5. 2 pers kinerja PFR dan MFR untuk reaksi orde n dan densitas εA ≠ 0

DEFINISI • REACTOR PLUG FLOW…… Adalah suatu alat yang digunakan untuk mereaksikan suatu reaktan dalam hal ini fluida dan mengubahnya menjadi produk dengan cara mengalirkan fluida tersebut dalam pipa secara berkelanjutan (continuous). Biasanya reaktor ini dipakai untuk mempelajari berbagai proses kimia yang penting seperti perubahan kimia senyawa, reaksi termal, dan lain-lain.

PERBEDAAN CSTR DAN PFR CSTR • adalah reaktor model berupa tangki berpengaduk dan diasumsikan pengaduk yang bekerja dalam tanki sangat sempurna sehingga konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Model ini biasanya digunakan pada reaksi homogen di mana semua bahan baku dan katalisnya berfasa cair, atau reaksi antara cair dan gas dengan katalis cair PFR • Untuk reaksi heterogen, misalnya antara bahan baku gas dengan katalis padat menggunakan model PFR mirip saringan air dari pasir. Katalis diletakkan pada suatu pipa lalu dari sela-sela katalis dilewatkan bahan baku seperti air melewati sela-sela pasir pada saringan. Asumsi yang digunakan adalah tidak ada perbedaan konsentrasi tiap komponen yang terlibat di sepanjang arah jari-jari pipa.

INFORMASI UMUM § Model matematikanya dapat diterapkan untuk semua jenis fluida: gas, cairan, dan slurries (setengah cairan yang merupakan campuran dari air dan semen, tanah liat, atau pupuk) § Di dalam PFR, fluida mengalir dengan perlakuan yang sama sehingga waktu tinggal (τ) sama untuk semua elemen fluida. Fluida sejenis yang mengalir melalui reactor ideal disebut plug. Saat plug mengalir sepanjang PFR, fluida bercampur sempurna dalam arah radial bukan dalam arah axial (dari arah depan atau belakang). Setiap plug dengan volume berbeda dinyatakan sebagai kesatuan yang terpisah-pisah (hampir seperti batch reactor) saat dia mengalir turun melalui pipa PFR

§ PFR biasa digunakan untuk mempelajari beberapa proses penting seperti reaksi termal dan reaksi kimia plasma dalam aliran gas yang cepat serta daerah katalisis. Dalam beberapa kasus, hasil yang didapat tidak hanya membantu kita dalam memahami karakteristik proses-proses kimia, tetapi juga dapat memberikan kita pengertian praktis dari proses kimia yang penting

• Di dalam PRF, konsentrasi produk meningkat sepanjang perjalanan dalam reaktor

HUBUNGAN TEMPERATUR DALAM PRF

TUJUAN Digunakan untuk memperkirakan unit operasi utama yang berubah-ubah ketika menggunakan reactor pipa sambung untuk mencapai atau menghasilkan output yang sudah ditetapkan

SISTEM PENGOPERASIAN Reaktan diinjeksikan ke dalam lintasan tengah, sementara itu gas inert disalurkan melalui dinding pipa. Kita berasumsi bahwa hanya pada dasar pipa terdapat endapan, akibat kondisi pipa yang panas.

Karena kecepatan gas adalah sama dimana-mana maka terjadi jalur arus secara konveksi dan difusi dengan arah yang berbeda. Transport sepanjang jalur arus terjadi akibat konveksi, sementara sepanjang tegak lurus arus terjadi akibat difusi. Setelah melalui proses pemanasan , kemudian produk yang diinginkan akan keluar menuju exhaust

CONTOH REAKSI • Reaksi Etana dalam PFR Mendapatkan etena dari etana melibatkan reaksi kimia yang bertempat di dalam pipa kalor panjang. Pipa ini biasa disebut unit pemecahan dengan arus panas (a thermal cracking unit) yang merupakan salah satu tipe dari plug flow reactor. Gambar skema proses dalam plug flow reactor : Pipa yang besar adalah tungku pemanas yang memanaskan etana ketika mengalir sepanjang pipa. Pemanasan yang dilakukan pada bahan kimia di dalam pipa, memudahkan terjadinya reaksi kimia. Seperti dapat kita lihat dalam gambar, ethana adalah molekul yang dimasukkan ke dalam plug flow reactor, dan setelah jalannya reaksi kimia, etena keluar dari pipa.

Reaksi Awal pada Produksi Ammonia dan Metanol Dua persamaan reaksi awal yang terjadi dengan memasukkan gas alami: CH 4 + H 2 O --> 3 H 2 + CO CO + H 2 O <--> H 2 + CO 2 Reaksi kedua ditujukan untuk menghilangkan CO yang dapat menjadi inhibitor bagi katalis. Hal ini penting terutama untuk proses pembentukan ammonia. Reaksi kedua merupakan reaksi bolak-balik Peningkatan suhu dapat menyebabkan reaksi berjalan ke kanan

APLIKASI v v v Reaksi Skala Besar Reaksi Cepat Reaksi homogen Reaksi heterogen Produksi terus-menerus Reaksi pada Suhu Tinggi

KEUNTUNGAN Ø Ø Tingkat perubahannnya besar dalam setiap volumenya Bekerja dalam periode waktu yang cukup lama tanpa tenaga kerja sehingga upah produksi rendah Perpindahan kalornya baik sekali Operasinya terus-menerus

KERUGIAN § § § Sulit mengontrol temperaturnya Tingginya temperature yang tidak diinginkan dapat terjadi Proses pemberhentian dan pembersihannya mahal

Plug-flow reactors for Biomass Conversion Pada percobaan, tekanan maksimumnya dapat mencapai 35 MPa. Terdapat beberapa ukuran reakor di dalamnya sehingga waktu tinggalnya dapat ditempuh dari 0, 5 sampai 600 s. Di kanan kirinya terdapat 2 thermostats yang berjalan bersama perpindahan kalor minyak dan dapat dioperasikan hingga mencapai suhu 300°C. Reaktor panjang pada bagian sebelah kiri gambar digunakan untuk memasukkan katalis padat.

Continuous plug-flow reactor plant for reactions in supercritical water Alat ini digunakan untuk menyelidiki reaksi dalam supercritical water. Maksimal kondisi reaksi adalah 50 MPa and 500 °C. Komponen utama dalam peraltan ini adalah continuous plug-flow reactor (sebelah kiri gambar) yang terbuat dari Inconel 625 dengan panjang 1 m. Volumenya sekitar 50 ml.

_terima kasih_