Reaktor Batch Kelompok 11 h593y

Reaktor Batch Kelompok 11 : Devi Abriyani Miftahul Janah Tisya Ardiana

TEKNIK REAKSI KIMIA

Pendahuluan Reaktor Reaktor kimia adalah sebuah alat industri kimia , dimana terjadi reaksi bahan mentah menjadi hasil jadi yang lebih berharga.

Reaktor terbagi menjadi 2 yaitu : Reaktor kimia, tidak ada perubahan massa selama reaksi dan hanya berubah dari satu bahan ke bahan lain. Reaktor nuklir, ada perubahan massa yang berubah jadi energi yang sangat besar.

Tujuan pemilihan reaktor adalah : Mendapat keuntungan yang besar Biaya produksi rendah Modal kecil/volume reaktor minimum Operasinya sederhana dan murah Keselamatan kerja terjamin Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya

Pemilihan jenis reaktor dipengaruhi oleh : Fase zat pereaksi dan hasil reaksi Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping

Kapasitas produksi Harga alat (reactor) dan biaya instalasinya Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas

Batch Reactor

Reaktor kimia berdasarkan prosesnya ada 3 yaitu :

1.Reaktor Batch, tidak ada massa masuk dan keluar selama reaksi. Jadi bahan dimasukkan, direaksikan beberapa waktu / hari (residence time) dan dikeluarkan sebagai produk dan selama proses tidak ada umpan-produk mengalir. Contoh : fermentasi pembuatan alkohol.

Batch Reactor with Coflux Jacket

Keuntungannya : Lebih murah Lebih mudah pengoperasian dan pengontrolan (penambahan bahan per volume)

Kerugiannya : Pengendalian suhu bermasalah Lebih banyak pekerja, karena diperlukan utk pengawasan kondisi & prosedur yg berubah terus dari awal sampai akhir

Tidak baik utk fase gas, karena rentan bocor pada masukan pengaduknya Tidak efektif utk skala besar karena waktu yang lama (tidak produktif)

Umumnya digunakan :

Fase cair Skala proses yang kecil Mencoba proses baru yang belum sepenuhnya dikembangkan

Memproduksi produk yang mahal Proses-proses yang sulit diubah menjadi proses kontinyu Jika bahan atau hasilnya perlu pembersihan Proses memerlukan waktu lama

2. Reaktor Kontinyu, proses umpan dan produk mengalir secara terus-menerus. Keuntungannya : Alat lebih kecil dan murah Bahan yg diolah lebih sedikit shg resiko kerusakan bahan lebih kecil Kondisi operasi lebih seragam Produk seragam Pengurangan biaya per satuan produksi, karena proses dalam kapasitas kecil2

Biaya operasi & investasi rendah Pengendalian kondisi operasi yang mudah

Ada 2 reaktor kontinyu :

1. Mixed Flow Reactor (MFR), reaktor tangki berpengaduk dimana umpan masuk, diproses beberapa waktu (residence time) lalu produk keluar. Biasanya reaktor jenis ini disusun paralel sehingga mempunyai kapasitas yang besar dan efisien waktu. Keuntungannya : Suhu & campuran dalam reaktor sama (homogen) karena pengadukan Pengontrolan suhu mudah sehingga kondisi operasi yang isotermal bisa terpenuhi Kerugiannya : Untuk volume yg sama konversi lebih rendah daripada PFR

Tidak baik utk fase gas karena rentan bocor

2. Plug Flow Reactor (PFR), reaktor alir pipa, dimana umpan masuk pada masukan pipa, terjadi reaksi sepanjang pipa lalu keluar. Konversi semakin lama semakin tinggi di sepanjang pipa. Contoh petrokimia, pertamina Umumnya digunakan : Fase gas dengan tekanan dan suhu tinggi

Keuntungannya : Konversi yg cukup tinggi dibanding MFR Waktu yg relatif lebih singkat Kerugiannya : Perawatan yang mahal Memerlukan waktu utk kondisi steady state

3. Reaktor semi-batch Biasanya berbentuk tangki berpengaduk

adalah jenis yang paling sering digunakan dalam industri kimia, terutama di cabang kimia halus, di laboratorium kimia organik dan dalam proses bioteknologi. Motivasi untuk Menggunakan Semi-Batch Reaktor : Kontrol konsentrasi reaktan untuk meningkatkan selektivitas reaksi. Penambahan reaksi sedikit demi sedikit untuk mengontrol distribusi komposisi produk (e.g polimerisasi). Kontrol produksi panas reaksi (reaksi eksoterm).

Reaktor Batch Reaktor batch adalah tempat terjadinya suatu reaksi kimia tunggal, yaitu reaksi berlangsung dengan hanya satu persamaan laju reaksi yang berpasangan dengan persamaan kesetimbangan dan stoikiometri.Reaktor ini biasanya sangat cocok untuk pokduksi berkapasitas kecil.

NERACA MASSA

If constant density

If constant volume

If constant volume

Karena volume tetap maka, perubahan volume (dV) = 0

Example 1 Untuk reaksi A  produk, dimana laju (-rA) di konvesi ke CA, dengan kA tetap, menunjukan bahwa waktu yang dibutuhkan untuk menerima konversi fraksional dari A (fA) adalah dari konsentrasi awal reaktan CAO . Asumsi reaksi terjadi pada volume tetap reaktor batch !

Penyelesaian

Space Time and Space Velocity Space Time adalah waktu yang diperlukan untuk mengumpankan sejumlah zat/pereaksi pada kondisi tertentu ke dalam reaktor sehingga, proses reaksi dapat berjalan. Satuannya : [waktu]

Space Velocity adalah jumlah reaktor dengan volume tertentu per satuan waktu yang dapat menerima umpan pada kondisi tertentu sehingga, reaksi dapat berlangsung. Satuannya : [waktu-1]

General Mole Balance Equation Persamaan neraca mole pada elemen volume dV R masuk – R keluar + R generasi = R akumulasi

27

Mole Balance on Different Reactor Types Reactor Type

Differential

Algebraic

Integral

Batch CSTR PFR PBR 28

NERACA ENERGI; TEMPERATUR BERUBAH • Bentuk umum: R in – R Out + R gen = R acc • Untuk RB: Panas masuk dapat dari pemenas koil/ jaket, panas keluar dapat dari pendingin koil/ jaket, dan panas generasi adalah panas yang dihasilkan atau dibutuhkan oleh reaksi

Transfer panas: R in/ R out ditunjukkan dengan pers.: Q = UAc(Tc – T)m

U = koef. Transfer panas keseluruhan, J m-2s-1K-1 atau w m-2 k-1  ditentukan dengan perc. Atau korelasi empiris Ac = Luas pemanas/ pendingin koil Tc = Suhu koil (Tc – T)m = beda suhu rata2 DTm utk trasfer panas Bila Q >0 (Tc>T)  Panas masuk Q<0 (Tc
Panas generasi: R gen = (- ∆HRA)(-rA) atau (-∆URA)(-rA)V Bila ∆HRA > 0 (reaksi endotermis) HRA > 0 (reaksi eksotermis) ∆ Panas akumulasi: Racc = dH/dt = Nt dT/dt = mt dT/dt Total mole: n Nt = ∑ Ni i =1

(termasuk inert)

Kapasitas panas sistem pada P tetap: dengan xi = fraksi mole komponen i

Massa total sistem

Kapasitas panas spesifik sistem: dengan wi = fraksi massa komponen i

Neraca energi RB non isotermal dan non adiabatis:

Example Dekomposisi fasa gas A --> R + S, dilangsungkan dalam reaktor batch dengan kondisi awal T0 = 300 K, V0 = 0,5 m3, dan tekanan total konstan 500 kPa. Harga untuk A, R, dan S adalah 185,6; 104,7; dan 80,9 J mol-1 K-1. Entalpi reaksi = -6280 J mol-1 dan reaksi orde satu terhadap A dg kA=1014e-10000/T h-1 .Tentukan fA dan T sebagai fungsi t, bila Q = 0, fA = 0,99.

Penyelesaian Pers. Laju reaksi :

Dari pers. NM :

Substitusikan (-rA ) diperoleh :

............... (1)

Dengan Ka = 1014e-10.000/T ............(2) Neraca energi operasi adiabatis(bila -∆HRA, , dan nt konstan):

Substitusikan ke pers. Neraca Energi :

RB Operasi Isotermal f A2

t= C

A0

df A ∫ − A f A1 r

(densitas konstan)

(densitas konstan)

Contoh 12-1 Missen Determine the time required for 80% conversion of 7.5 mol A in a 15-L constant-volume batch reactor operating isothermally at 300 K. The reaction is first-order with respect to A, with kA = 0.05 min-1 at 300 K.

Solusi contoh 12-1 Missen

88

Pengendalian Transfer Panas Untuk Menjaga Kondisi Isotermal • Bila reaksi eksotermis atau endotermis, maka diperlukan pengendalian temperatur (T) untuk menjaga kondisi isotermal dengan memberi pendingin atau pemanas • Tinjau reaksi: A + • • •  Produk • Operasi isotermal  dT/dt = 0, sehingga

Dari neraca mol reaktor batch Substitusi ke pers. Energi didapat Bila diasumsi temperatur koil (Tc) konstan 73

OPERASI NON ISOTERMAL • Adiabatis (Q = 0) • Non Adiabatis (Q ≠ 0) Operasi Adiabatis: Temperatur akan naik dalam reaksi eksotermis dan turun dalam reaksi endotermis Persamaan Neraca Energi Sistem Adiabatis, Q = 0

Substitusi (-rA)V dari neraca massa dalam term fA 75

Karena hubungan dfA/dt dengan dT/dt adalah implisit terhadap t, shg pers. menjadi

Di integralkan: Bila (-∆HRA), , dan nt konstan

t

Waktu yang diperlukan untuk mencapai konversi fA, dari pers. Neraca massa:

76

Algoritma menghitung t RB Adiabatis • • • • •

Pilih harga fA: fA0 ≤ fA ≤ fA (ditentukan) Hitung T pada fA dari pers. Neraca energi Hitung (-rA) dari persamaan kecepatan Hitung volume dari persamaan keadaan Ulangi langkah 1 s.d. 4 untuk beberapa nilai fA • Hitung t dari pers. Neraca massa 77

Example Tentukan Q yang diperlukan untuk menjaga kondisi reactor isotermal dalam contoh 12-1, jika HRA = 47500 J mol-1, dan UAc = 25,0 WK-1. Apakah Q mewakili kecepatan penambahan panas atau pengambilan panas ?

Penyelesaian

Terima Kasih