Bahan TRK Modul 2 (Tek Reaktor) - ESR [PDF]

Citation preview

TEKNIK REAKSI KIMIA /KBTB-2103



Dr. Ir. Endang SR, MT Jurusan Teknik Kimia Polban Mei, 2017



1



Rencana Perkuliahan (modul ke-2 TRK) • 6-7minggu Durasi kuliah:



Materi:



Ujian modul



• • • • •



Reaktor Kimia Reaksi homogen & pengenalan reaksi heterogen Reaktor batch, semibatch, kontinyu Reaktor kontinyu jenis tangki (CSTR) dan pipa (PFR), tunggal dan rangkaian Latihan soal



• Ujian Akhir Semester dan tugas



2



Buku Rujukan



Buku Ajar Teknik Reaktpr, TK Polban, 2010



Lievenspiel



Fogler 3



PELAKSANAAN BELAJAR DG SISTEM SKS



4



TEKNIK REAKSI KIMIA (Modul 2: Tek.Reaktor)



Tujuan Pembelajaran Umum (1) Mahasiswa mengenal jenis reaksi: - homogen dan heterogen - heterogen katalisis dan non katalisis Mahasiswa mengenal jenis reaktor tangki dan reaktor pipa Mahasiswa dapat mengoperasikan reaktor batch/semi batch /kontinyu dan mengetahui fungsi dan karakternya.  Mahasiswa dapat memilih reaktor yang tepat sesuai untuk jenis reaksinya, fasanya atau kapasitas produknya. 5



Tujuan Pembelajaran Umum (2)  Mahasiswa dapat menurunkan formulasi untuk reaktor yg beroperasi secara batch, semibatch atau kontinyu, dengan neraca massa.  Mahasiswa menguasai jenis-jenis reaksi dalam reaksi kimia dengan berbagai kondisi dan perubahan yang terjadi dalam reaksi.  Mahasiswa dapat memperkirakan waktu yang diperlukan untuk mencapai produk dengan kualitas/derajat konversi tertentu.  Mahasiswa dapat mengenali sebelumnya terhadap ada dan tidaknya perubahan volume dalam sistem raksi.  Mahasiswa dapat memprediksi kompossi campuran reaksi dalam reaktor setelah reaksi berlangsung dalam waktu tertentu. 6



REAKTOR Kimia 1.



Model operasi reaktor kimia : - Batch Tangki/ vesel - kontinyu - Semibatch 2. Klasifikasi reaktor kimia: - Ukuran: skala lab dan skala industri - Bentuk: tangki/vesel dan pipa - Kondisi campuran/sistem reaksi: . homogen (fasa gas atau fasa cair), . heterogen (fasa gas-cair; fasa padat-gas; fasa padat-cair; fasa padat-cair-gas; fasa cair-cair) - Penggunaan bentuk reaktor: . Semua fasa sistem reaksi, dapat diproses dalam : → reaktor pipa, ataupun reaktor tangki - Jumlah reaktor: . Tunggal . Jamak → lebih dari satu reaktor, dapat dipasang scr seri atau paralel 7



Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Fasa & Cara Operasi



8



1. Deskripsi Reaktor Ideal Reaktor-reaktor ideal:  Batch  Semi Batch  Reaktor Tangki Berpengaduk Kontinu → CSTR (Continous Stirred Tank Reactor)  Reaktor aliran pipa → PFR ( Plug Flow Reactor )  Cascade yaitu CSTR dalam bentuk rangkaian seri.



Aliran non ideal disebabkan: -Terbentuknya daerah stagnan - Aliran by pass - Channeling - Recycling



Formulasi Reaktor didasarkan pada kondisi IDEAL  Ideal utk reaktor Batch: apabila bahan baku tercampur secara sempurna sebelum reaksi mulai.  Ideal bagi reaktor tangki atau CSTR: apabila pengaduk dapat menghasilkan campuran reaksi teraduk secara sempurna atau well mixing  Ideal bagi reaktor aliran pipa atau PFR: apabila dalam aliran campuran reaksi tidak terdapat pencampuran ke arah aksial.  Ideal bagi Semi Batch: apabila bahan baku yang dimasukkan secara perlahan ke dalam reaktor akan tercampur seketika dengan campuran reaksi di dalam reaktor.  Ideal bagi Cascade: apabila di setiap reaktor campuran reaksi tercampur secara sempurna.



9



Reaktor Batch



Operasi secara batch:  Reaktan dimasukkan sekaligus, dan tidak terdapat aliran masuk atau keluar selama reaksi berlangsung.  Konsentrasi bahan baku dalam campuran reaksi berubah dengan waktu.  Reaktor ini banyak digunakan untuk riset produk baru dalam skala laboratorium; pada skala industri digunakan untuk produk dengan kapasitas yang tidak terlalu besar misalnya untuk produk sabun, bahan pewarna, kosmetik dan lainnya.  Proses secara batch juga digunakan untuk jenis reaksi yang memerlukan waktu panjang.  Reaktor batch sering digunakan untuk melakukan proses untuk produk yang berbeda. 10



Reaktor CSTR (Continous Stirred Tank Reactor) Selama beroperasi bahan baku dimasukkan terus menerus demikian juga dengan produk reaksi akan dikeluarkan secara terus menerus atau kontinu



Reaktor tunggal



Sifat ideal reaktor CSTR memiliki karakter dengan pengadukan yg menghasilkan well mixed bagi campuran reaksi.



 Reaktor CSTR dapat dalam bentuk tunggal yang terdiri satu tangki dan bentuk rangkaian dengan beberapa tangki yang disusun seri atau paralel



Reaktor rangkaian seri



11



Reaktor PFR Operasi secara kontinyu dan ideal: o Seperti pada CSTR, selama beroperasi bahan baku dimasukkan terus menerus dan produk reaksi akan dikeluarkan secara terus menerus atau kontinu. o Perilaku ideal pada reaktor aliran pipa: menyerupai aliran sumbat , dimana tidak terjadi pencampuran ke arah aksial, dan semua molekul mempunyai waktu tinggal yang sama. o Untuk keadan tertentu kadang diperlukan pencampuran awal bahan baku sebelum diumpankan ke dalam reaktor. o Reaktor PFR berdiameter kecil: 1 – 15 cm atau diameter besar hingga bermeter-meter. o Reaktor aliran pipa sebagai reaktor tunggal dengan panjang > 1000 m, dibentuk sedemikian rupa untuk menyesuaikan ruang, atau sebagai reaktor PFR rangkaian yang dapat disusun secara paralel atau seri. 12



o Konsentrasi bahan baku tinggi pada saat baru masuk reaktor kemudian akan menurun secara perlahan, terkonversi menjadi produk di sepanjang pipa. o Reaktor beroperasi secara kontinu, tidak terdapat akumulasi bahan baku di dalam reaktor, atau disebut proses berlangsung dalam kondisi steady state.



13



Reaktor Kolom Fixed Bed & Fluidized Bed



Packed/fixed bed reactor



Fluidized reactor



Sistem reaksi gas-padat 14



Reaktor kolom (Tower) sistem reaksi Gas-Cair



15



Reaktor Batch  Konversi dalam Reaktor Batch



XA 



Pada reaktor batch ini temperatur dan konsentrasi terdistribusi seragam di seluruh bagian reaktor, namun konsentrasi akan selalu berubah setiap saat.



NA0  NA NA0



NA0 = banyak mol A mula-mula NA = banyak mol A pada saat t Harga XA tergantung pada : •jumlah mol mula-mula setiap reaktan, dan •bilangan stoikiometri setiap reaktan.



16



Reaktor Batch Contoh : Reaksi 2A + B  C + 3D Apabila jumlah mol mula-mula untuk A = 5 mol dan B = 3 mol dan diketahui pada akhir reaksi terdapat 2 mol A maka : besar derajat konversi A dan dan produk C dan D dapat dicari spt berikut :



17



Reaktor Batch



Komposisi campuran/sistem reaksi selama reaksi Komposisi sistem reaksi setelah reaksi berlangsung selama t:



18



Reaktor Batch



19



Reaktor Batch



Reaksi dalam Fasa Cair Pada reaksi-reaksi dalam fasa cair, perubahan volume molar dianggap: V = 0 Sehingga : V = V0 (1 + αXA)  = V0 (1 + 0.XA)  = Vo Reaksi dalam Fasa Gas Reaksi dalam fasa gas, V tergantung dr stoikiometri. V  V0  V  V0 



XANA0 ε υi (Vi ) i a



XA .NA0 .VA ε νi i a



V  V0 



Δν.VA0 .XA a



  Δν.VA0 V  V0  1  .XA  a.V0  



= V0 (1 + A.XA)



Δν.VA0 a.V0 Δν NA0 = a N0  NI



ε



20



Contoh Soal : Suatu reaksi dalam fasa gas diberlangsungkan secara isothermal dan P konstan mempunyai persamaan reaksi A4R Pertanyaan : 1. Tentukan volume campuran, apabila diketahui bahwa bahan baku hanya terdapat A murni 2. Tentukan volume campuran, apabila diketahui bahwa bahan baku mengandung 50% A dan 50% inert



Penyelesaian : 1. Volume campuran pada derajat konversi XA adalah : V = V0 (1 +  XA)  VA0 = V0 karena A adalah murni sehingga :   = 4  1 . VAO 1



ε



Vo



4 1 1 . 3 1 1



→: V = Vo (1 + 3 XA)



2. Apabila pada awal reaksi terdapat 50% A dan 50% inert maka : VA0 = V inert = 50% Vtotal ε



Δν VA0 . a V0



1 V0 4 1 2 3 .  1 V0 2



=



→Sehingga : V = V0 (1 + 3/2 XA) 21



Reaktor Batch  Kondisi reaksi dg T dan P berubah selama reaksi (fasa gas) Suatu proses dalam fasa gas yang mengalami perubahan T selama reaksi, maka perubahan volume campuran reaksi adalah: - Asumsi, gas memenuhi hukum gas ideal  PV = nRT  V0 = ∑ Ni. Vi0 + NIVIo. i = N0.V0 + NI. Vi0 = V0 (N0 + NI) = R.T0 (N0 + NI) P0



(Pada X = XAo)



(Pada X = XA)



22



Reaktor Batch dalam Kondisi T dan V Konstan Neraca Massa:  Laju massa  Laju pembentukan   Laju massa   Laju akumulasi  komponen masuk   komponenakibat   komponen keluar  massa komponen          ke ruang tilik   reaksi kimia   dari ruang tilik   dalam ruang tilik 



Qin C A,in  rAV  Qout C A,out =0



d VC A   rAV dt



=0



dC A rA  dt



d (VC A )  dt t



CA



0



CA0



 dt  t 







dCA rA



menyatakan hubungan antara waktu reaksi dengan konsentrasi 23



Hubungan Waktu Reaksi (t) dg --------CA untuk Jenis-jenis Reaksi dalam Reaktor Batch (untuk Volume Konstan) 1) Reaksi Irreversibel Orde Nol rA 



kCA0



rA = -k =



Untuk Volume Berubah



dCA  dt dCA dt



- dCA = k dt



 CA0 - CA = k.t. Karena Volume campuran reaksi tetap selama reaksi maka : XA = NA0  NA dapat ditulis sebagai : XA = CA0  CA NA0



CA0



24



2) Reaksi Irreversibel Orde 1 k A   Produk Untuk Volume Tetap



Untuk Volume Berubah



25



3) Reaksi Irreversibel Orde 2



A + B



  Produk k



Untuk Volume Tetap



setiap saat jumlah A yang bereaksi sama dengan jumlah B yang bereaksi



Untuk Volume Berubah



26



Latihan 1.



Di dalam sebuah reaktor batch terjadi reaksi antara senyawa A dan B, dlm fasa gas, dg persm reaksi: A+B P + Q, dan dinyatakan sebagai orde 2. Konsentrasi A awal = konsentrasi B awal = 3 mol/l. Setelah reaksi berjalan 30 menit, 60% senyawa A telah bereaksi. Pertanyaan: 1.Hitung konversi(XA) setelah berlangsung selama 20, 40, 60, 120, 240, 480 dan 960 menit. 2. Buat kurva XA sebagai fungsi dari waktu reaksi, dan simpulkan hasilnya. 27



Latihan 2.



Di dalam sebuah reaktor batch terjadi reaksi antara senyawa A dan B, dalam fasa gas, dg persm reaksi: A+B 2 P + 3Q, dan dinyatakan sbg orde 2. Konsentrasi A awal = konsentrasi B awal = 3 mol/l. Setelah reaksi berjalan 30 menit, 60% senyawa A telah bereaksi. Pertanyaan: 1.Hitung konversi(XA) setelah berlangsung selama 20, 40, 60, 120, 240, 480 dan 960 menit. 2. Buat kurva XA sebagai fungsi dari waktu reaksi, dan simpulkan hasilnya. 28



Latihan 3. Di dalam sebuah reaktor batch terjadi reaksi antara senyawa A dan B, dalam fasa gas, dg persm reaksi: A+B P + Q, dan diketahui nilai konstanta laju reaksi = 0,01 L/mol.menit. Konsentrasi A awal = 3, dan konsentrasi B awal = 2.5 mol/l. Pertanyaan: 1.Berapa waktu dibutuhkan untuk menghasilkan produk, dimana masih terkandung senyawa B sebesar 10%. 2. Berapa % kandungan A yang masih terkandung dalam produk. 29



4) Reaksi Irreversibel Orde 3 A + B + C  Produk - rA = - k CA CB CC = -



CA0



dCA dt dXA dt



dCA dt



= k (CA0 - CB0XA) (CB0 - CA0XA) (CC0 - CA0XA)



= k (CA0 - CA0XA) (CB0 - CA0XA) (CC0 - CA0XA)



CB0 CA0 1 1  n  n  (CA0  CB0 )(CA0  CC0 ) CA (CB0  CA0 )(CB0  CC0 ) CB CC0



CC0 1 n  kt  CA0 )(CC0  CB0 ) CC 30



31



32



Reaktor Semi Batch Umpan dimasukkan secara kontinu ke dalam reaktor, Tidak ada produk yang dikeluarkan → sehingga terjadi akumulasi produk. umpan FA0 CA0 QV0



A  Produk mis. : reaksi orde 1



33



34



Tujuan Pembelajaran Umum (3)  Mahasiswa dapat menghitung ukuran reaktor PFR (plug flow reaktor → reaktor pipa ideal) dan ukuran reaktor CSTR (Continous stirred tank reactor → reaktor tangki ideal), untuk memproses bahan dengan kapasitas dan kualitas produk yang tertentu.  Mahasiswa dapat menjelaskan pengaruh produk yang dihasilkan , apabila menggunakan reaktor yang dipasang seri atau paralel.  Mahasiswa dapat memprediksi dan mengantisipasi produk yang dikehendaki secara optimal dalam reaksi komplek.  Mahasiswa dapat memperkirakan cara menghasilkan produk yang dikehendaki dengan maksimal, dalam reaksi komplek. dalam reaktor CSTR dan PFR. 35



Batch



Kontinu



(1) Reaktan : jumlah mol A = NA  N = ∑Ni



laju alir molar FA  F = ∑Fi



(2) Volume : volume campuran = V



laju alir volume = QV



(3) Derajat Konversi : XA = NA0  NA



XA = FA0  FA



NA0



FA0



36



Termasuk reaktor kontinu diantaranya : • Reaktor sumbat (Plug Flow Reactor, PFR) • Reaktor Tangki Ideal (Continuous Stirred Tank Reactor, CSTR)



• Keduanya bersifat Stationer (steady state) selama operasi berlangsung dan lama reaktan dalam reaktor  waktu tinggal = waktu reaksi



Reaktor CSTR • Suatu reaktor yang beroperasi dengan kondisi tunak (steady state), • Komponen yang terkandung dalam reaktor teraduk dengan sempurna dan uniform sehingga aliran keluar dari reaktor mempunyai komposisi yang sama dengan komposisi di dalam reaktor. 37



38



Space Time, Space Velocity dan Waktu tinggal rata2 • Sebagaimana t dalam reaktor batch adalah lama atau waktu reaksi yang dapat diukur, → maka space time dan space velocity merupakan ukuran-ukuran performansi untuk reaktor-reaktor kontinu, dan waktu tinggal rata2 merupakan waktu riil bahan di dalam reakt Space Time  = waktu yang diperlukan untuk memproses feed dalam satu volume reaktor pada kondisi tertentu  = V/Qvo



Space Velocity S= jumlah feed atau umpan dalam satuan volume reaktor yang dapat diproses selama sekian waktu pada kondisi tertentu. = 1/ Waktu tinggal rata2 T =



V V  QV QV0 . 1  εA XA 



39



T



XA =



CA0  CA CA0



Persamaan ini menghubungkan empat besaran : XA, (-rA), V dan QV0



40



Contoh Soal 1: Bahan baku berupa cairan yang mengandung komponen A dan B diumpankan ke dalam reaktor CSTR dengan laju alir volume 1 l/menit. Diketahui bahwa CAo = 0.1 mol/l dan CBo = 0.01 mol/l. Jenis reaksi ini tidak diketahui stokiometrinya dan aliran keluar reaktor mengandung komponen A, B dan C dengan komposisi : CA = 0.02 mol/l CB = 0.03 mol/l CC = 0.04 mol/l



Volume reaktor = 1 liter Pertanyaan : Laju reaksi A, B dan C di dalam reaktor pada kondisi tersebut Penyelesaian : Dari persamaan neraca material untuk CSTR : 41



42



Contoh Soal 2 Suatu reaksi irreversibel orde dua dengan persamaan reaksi : 2A  P., dilakukan di dalam reaktor CSTR dengan derajat konversi XA = 75%, dalam sistem  konstan Pertanyaan : Bagaimana harga XA apabila reaktor untuk melakukan reaksi diganti dengan reaktor CSTR lain dengan ukuran 6 x besar reaktor CSTR semula (catatan : besaran-besaran lain tidak berubah) Penyelesaian :



43



Latihan 4. Suatu reaksi fasa cair dilangsungkan dalam reaktor batch, dan dijaga beroperasi secara isotermal. Reaksi dinyatakan sebagai orde satu, dengan persamaan reaksi: A → B + C. Setelah 13 menit, reaktan A terkonversi menjadi B dan P sebanyak 75%. Pertanyaan: Waktu yang dibutuhkan untuk melangsungkan reaksi hingga konversi A = 95%, Apabila proses dilakukan dalam reaktor tangki berpengaduk kontinyu.



44



Reaktor PFR Disebut Plug Flow Reactor disebabkan aliran fluida di dalam reaktor ini menyerupai sumbat.  Reaktan dan produk mengalir di dalam reaktor sumbat dengan kecepatan yang benar-benar rata.  Komposisi fluida yang mengalir bervariasi sepanjang jalan alir.



45



46



Pada kondisi sistem dengan volume tetap , berlaku space time S identik dengan waktu tinggal campuran di dalam reaktor, seperti halnya pada CSTR yang berarti sebagai waktu reaksi dari reaktan dalam reaktor.



47



48



49



Contoh Soal : Suatu reaksi dekomposisi phosphine dalam fasa gas homogen orde 1, dengan persamaan reaksi : 4 PH3(g)  P4 (g) + 6 H2 dilangsungkan pada suhu 1.2000 F. Pada kondisi ini, diketahui -rPH3 = C PH3 dan P sistem konstan selama reaksi. Pertanyaan : Ukuran PFR yang diperlukan untuk beroperasi pada suhu 1.2000 F dan tekanan 4,6 atm sehingga dapat dicapai konversi sebesar 80% dari umpan yang mengandung 4 lb mol phosphine murni/jam. Penyelesaian : Persm reaksi ditulis sebagai : 4 A  R + 6 S



dimana : A = PH3 ; R = P4 dan S = H2



50



Penutup Neraca masa reaktan dari operasi untuk setiap jenis reactor akan menghasilkan formulasi yang memberikan hubungan antara waktu reaksi dan kualitas produk atau kandungan reaktan yang masih terdapat pada produk. Setiap reaksi dapat berlangsung dengan atau tidak mengalami perubahan volume pada system campuran reaksi. Untuk reaksi yang mengalami pertambahan volume yang pada umumnya pada sebagian reaksi fasa gas, perlu dicermati dengan baik terhadap jumlah penambahan volum yang terjadi, untuk kemudian dikeluarkan dari system reactor untuk menjaga kestabilan tekanan pada system reaksi, dan untuk menghindari bahaya yang disebabkan oleh penambahan tekanan reaktor secara menerus. Diketahui bahwa penambahan volum yang terjadi dapat disebabkan karena factor konversi kimia dan factor fisik. Operasi reactor kontinu tetap menggunakan dasar-dasar reaksi dengan operasi batch. Perbedaan yang ada merupakan hasil penurunan neraca masa reaktan berdasarkan operasi dan formulasi yang dihasilkan. Reaktor kontinu tunggal yang terdiri dari reactor tangki (CSTR) dan reactor pipa (PFR) memberikan formulasi yang serupa atas dasar sama-sama beroperasi secara kontinu. Perbedaan yang ada adalah harga konsentrasi reaktan A yang sama di seluruh system reaksi pada CSTR, dan konsentrasi reaktan A yang menurun secara gradual di sepanjang reactor pipa sehingga persamaan yang ada memerlukan integrasi.



51



PR5. Suatu reaksi fasa cair dilangsungkan dalam reaktor batch, dan dijaga beroperasi secara isotermal. Reaksi dinyatakan sebagai orde satu, dengan persamaan reaksi: A → B + C. Setelah 13 menit, reaktan A terkonversi menjadi B dan P sebanyak 75%. Pertanyaan: o Waktu yang dibutuhkan untuk melangsungkan reaksi hingga konversi A = 95%, apabila proses dilakukan dalam reaktor aliran sumbat. o Bandingkan dengan hasil apabila proses dilakukan pada reaktor tangki berpengaduk kontinu



52



PEMAKAIAN REAKTOR Reaktor tunggal  batch atau kontinu Reaktor rangkaian  dipasang secara seri atau paralel jenis dan ukuran sama ataupun berbeda



Pemilihan didasarkan pada faktor ekonomi o Ukuran reaktor o Distribusi produk pada reaksi komplek.



53



Perbandingan Ukuran Antar Reaktor Tunggal Perbandingan Ukuran Reaktor : Batch dan PFR Batch: Vol tetap t



CA



0



CA0



 dt  t  



PFR: Vol tetap dCA rA



Batch: Vol Berubah



PFR: Vol Berubah



. Pada kasus dengan  = 0  komponen yang bereaksi baik dalam batch atau PFR adalah sama pada t tertentu, sehingga dapat dipilih batch atau PFR, namun tetap ditinjau faktorfaktor lainnya 54



Perbandingan Ukuran Reaktor CSTR - PFR Perbandingan ukuran reaktor CSTR dan reaktor PFR



Orde 2



55



Orde 2



56



1) Reaktor tangki selalu memerlukan ukuran lebih besar dari ukuran reaktor PFR. 2) Perbandingan ukuran kedua reaktor menaik dengan besarnya orde reaksi. 3) Pada reaksi orde nol, ukuran reaktor tidak bergantung dengan jenis aliran. 4) Harga y akan menaik dengan cepat pada derajat konversi XA yang tinggi. 5) Perubahan  selama reaksi akan mempengaruhi design reaktor. 6) Pengembangan yang terjadi selama reaksi ( mengecil), akan menurunkan perbandingan volume/ukuran reaktor CSTR/PFR 7) Penyusutan yang terjadi selama reaksi ( membesar), akan menaikkan perbandingan volume/ukuran CSTR/PFR  Ordinat y: perbandingan volume atau space time (apabila digunakan umpan dan jumlah yang sama).  Dengan kurva-kurva di atas dapat dibandingkan jenis & ukuran reaktor yang berbeda pada derajat konversi XA tertentu.



57



Contoh Soal ( penggunaan kurva di atas)  metoda grafis  1. Reaksi dalam fasa cair, dg persamaan reaksi A + B  produk, 500 l laju reaksi: (-rA) = mol.menit CA CB, Proses dilangsungkan di dalam reaktor pipa yg dianggap sebagai plug flow, di bawah kondisi : - volume reaktor V = 0.1 L - laju alir volume QV = 0.05 l/menit - CA0 = CB0 = 0.01 mol/l



Pertanyaan : 1. Konversi reaktor yang dapat diharapkan 2.Untuk konversi seperti yang dicapai no. 1, berapa ukuran reaktor CSTR yang diperlukan 3.Berapa konversi yang dapat diharapkan apabila digunakan reaktor CSTR dengan ukuran yang sama dengan ukuran PFR Penyelesaian : Dalam umpan CA0 = CB0  (-rA) = kCA2 1) Konversi reaktan yang dapat diharapkan di dalam PFR 58



o space time = S = = 2 menit o untuk reaksi orde 2, harga kCA0S = = 10 Dengan digunakan grafik untuk reaksi orde 2, maka pada nilai kCA0S = 10, akan diperoleh (1-XA) = 0.09 (mengikuti garis putus putus)  XA = 1 - 0.09 = 0.91



2) Dalam kasus yang sama dengan no. 1, apabila digunakan reaktor CSTR, maka diperlukan CSTR dengan ukuran yang dapat ditemukan dengan cara sbb. :  Kasus adalah sama berarti (CA0 & FA0)T identik dengan (CA0 & FA0)S,, VT  Sehingga : ordinat kemudian menjadi perbandingan langsung dari VS untuk harga XA sama yaitu = 0.91   = 11 (dari titik (1-XA) = 0.09, ditarik garis // ordinat hingga memotong garis N = 1)  VT = 11VS = 11 x 0.1 = 1.1 liter 59



3) Apabila digunakan ukuran CSTR sama dengan ukuran PFR, derajat konversi yang dapat diharapkan dicari dengan cara sbb :  Kasus sama & volume sama maka → [k & CA0 & ]T = [k & CA0 & ]S  [k CA0 ]T = [k CA0 ]S = 10  k CA0 T =10, dari grafik (1 - XA) = 0.27 (dari titik k CA0  = 10, ditarik garis ordinat hingga memotong garis N = 10)  XA = 1 - 0.27 = 0.73 Jadi Derajat konversi yang diharapkan dapat dicapai bila digunakan reaktor CSTR dengan ukuran = adalah 73%.



60



Sistem Reaktor Rangkaian Reactor PFR Pada berbagai proses pengolahan bahan menjadi produk, banyak digunakan reaktor rangkaian yang dapat dipasang secara seri atau paralel. Untuk reaktor PFR, pemasangan secara seri akan diperoleh derajat konversi XA untuk setiap reaktor yaitu : XA1, XA2, XA3 …….. XAn, → merupakan konversi A yang meninggalkan reaktor PFR1, PFR2, PFR3, …… PFRn. Dari neraca material komponen A untuk reaktor PFR : X dXA V tinjauan untuk setiap reaktor PFR   A



FA0



0



( rA )



Xi Vi dXA   FA0 X ( rA ) i 1



dimana : i adalah nomor reaktor PFR 61



Sehingga untuk N reaktor dalam rangkaian seri diperoleh persamaan: n V1  V2  V3  .......V n Vi V   FA0 i1 FA0 FA0



X1



=







X0  0







X



X



X



N dXA 2 dXA 3 dXA dXA    .......... .  (rA ) X (rA ) X (rA ) (rA ) X 1



XA







0



2



N 1



dXA ( rA )



Hal-hal Penting:  N reaktor PFR dalam seri akan mempunyai volume total sebesar V dan derajat konversi sebesar XN, dimana seolah-olah sistem rangkaian reaktor-reaktor PFR tadi adalah reaktor tunggal PFR dengan volume V.  Untuk reaktor-reaktor PFR yang dipasang secara paralel atau secara paralel-seri, dianggap pula sebagai sistem reaktor tunggal PFR dengan volume V sebagai volume total dari seluruh reaktor yang dirangkaikan.  Dalam operasinya, feed (umpan) didistribusikan sedemikian rupa sehingga nantinya apabila aliran-aliran fluida saling bertemu harus dalam kondisi mempunyai komposisi yang sama.   Dengan demikian untuk reaktor dengan rangkaian paralel maka atau  nya harus sama untuk setiap garis paralel. 62



Contoh Soal o Sistem rangkaian reaktor dipasang secara seri-paralel, terdiri dari 3 reaktor PFR, dalam cabang 2 paralel seperti gambar berikut : FAD



Cabang D



FAD



Produk



FAE



Cabang E



 Cabang D mempunyai reaktor dengan volume 50 liter , diikuti reaktor dengan volume 30 liter .  Cabang E mempunyai reaktor dengan volume 40 liter Pertanyaan : Besar umpan yang sebaiknya dialirkan ke cabang D



Penyelesaian : Dari gambar, cabang D terdiri dari dua reaktor dalam seri, dapat dianggap single reactor dengan volume : VD = 50 L + 30 L = 80 L 63



Kemudian, untuk reaktor-reaktor dalam rangkaian paralel, untuk menghasilkan konversi setiap cabang sama.



Sehingga:



V   FA







 harus sama dengan  D



V FA



harus identik,



V    FA  E



FAD VD 80   2 FAE VE 40



 FAD = 2 FAE  Berarti : 2 3 total umpan harus diumpankan ke cabang D.



64



Reaktor CSTR •



•



Apabila dalam reaktor PFR, konsentrasi reaktor akan menurun secara bertahap sepanjang sistem PFR., maka untuk reaktor CSTR, konsentrasi reaktor akan menurun dengan segera ke suatu harga yang rendah. Pada sistem dengan N reaktor CSTR, yang dirangkaikan secara seri, maka penurunan konsentrasi di dalam sistem reaktor ini dapat dijelaskan sbb : sistem reaktor CSTR, dengan N > 30  identik dengan flug flow



CA0 1



sistem reaktor CSTR, dengan N = 5



CS



2 3 sistem reaktor CSTR tunggal atau N = 1



4



5



volume sistem reaktor



CA 65



Profil konsentrasi komponen melewati N tahap dari sistem reaktor CSTR, dibandingkan dengan aliran pada reaktor tunggal. Di sini setiap reaktor CSTR mempunyai volume sama, dan dianggap konsentrasi adalah uniform di dalam setiap reaktor. Pada gambar ditunjukkan bahwa penurunan konsentrasi terjadi secara bertahap dari reaktor ke reaktor berikutnya. Sehingga untuk kondisi sistem rangkaian CSTR secara seri dengan sejumlah besar unit reaktor CSTR yang saling berdekatan, maka karakter sistem akan mendekati karakter reaktor PFR. 66



Contoh sistem rangkaian CSTR berukuran sama dengan rangkaian seri : CA1, XA1



CA2, XA2 CAi-1, XAi-1



CAi, XAi CAN-1, XAN-1



CA0, XA0 FA0, QV0



AP k



C 1,  1



C 2,  2



Ci ,  i



CN,  N



Skematik Reaktor CSTR Rangkaian-Seri



CAN XAN



QV Pada kondisi  sistem konstan penulisan persamaan Space Time ini dapat dalam bentuk konsentrasi seperti berikut :



67



Apabila space time  berharga sama pada semua reaktor berukuran yang sama (=Vi), maka :



68



Contoh soal: Suatu proses reaksi orde dua, 90% reaktor A terkonversi menjadi produk di dalam reaktor CSTR. Kemudian direncanakan untuk menempatkan reaktor kedua yang sejenis untuk dirangkaikan secara seri dengan reaktor pertama Pertanyaan : 1. Pada proses yang sama, apakah penambahan reaktor tadi akan mempengaruhi terhadap konversi reaktan 2.Pada hasil konversi yang sama (90%), berapa laju alir volume yang harus diberikan. Penyelesaian :  Dengan bantuan grafik, untuk single reaktor pada XA = 90% sehingga 1 - XA = 0.1, diperoleh kCA0 = 90  Dengan penambahan reaktor sejenis  N = 2,  space time akan menjadi 2 kali lebih besar,   kCA0 = 2 x 90 = 180 Pada N = 2, diperoleh 1 = XA = 0.027  XA = 0,973 (97,3%) 69



• •



Apabila konversi dikehendaki sama (90%), dengan jumlah reaktor N-2, berarti 1 - XA = 0.1. Dari grafik diperoleh harga kCA0 = 27.5  kCA0 ζ  ζ N 2



kCA0 ζ N1



•



=







N 2



ζN1



V   Q  27,1 V  N 2    0.305 90 V   Q  V  N 1 



Sehingga laju alir volume yang harus diberikan apabila tangki berjumlah 2 namun harga XA tetap sebesar 90% adalah sebesar 6.6 kali QV semula (apabila tangki hanya 1)



70



Apabila reaktor berjumlah 2 Dari persamaan neraca material pada reaktor II : FA1 = FA2 + k2CA22V QVCA1 = QVCA2 + k2CA22V CA1 = CA2 + k2CA02 (1-XA2)22 CA1 - CA2 = k2CA02 (1-XA2)22 CA0(1-XA1) - CA0 (1-XA2) = k2CA02 (1-XA2)22 CA0 (1-XA1 - 1 + XA2) = k2CA02 (1-XA2)22 XA2 - XA1 = k2CA0 (1-XA2)22  kCA02 = XA2  XA1 1  XA2 2



90 =



XA2  0.9



1  XA2 2



XA2 = 0.973 71



Latihan 5 1.



Suatu reaksi fasa cair, dengan persamaan reaksi: A + B → P, dinyatakan sebagai orde 2. Reaksi dilakukan di dalam 4 raktor berukuran sama yaitu 2500 liter, yang dipasang seri. Bahan baku mengandung A dan B diumpankan ke dalam reaktor, masing-masing 10 mol/menit dan dalam konsentrasi masing-masing 1 mol/liter. Proses berlangsung dalam kondisi di mana kecepatan reaksi pada reaktor ke-4 adalah 0,0005 mol/liter.mnt, dan dihasilkan produk akhir nasih mengandung A sebesar 0,05 mol/liter. Pertanyaan: a. Konversi pada setiap produk dari setiap reaktor b. Komposisi produk akhir.



2.



Suatu reaksi fasa gas dengan persamaan reaksi A → P + Q, dinyatakan sebagai orde 1, dan dilakukan dalam reaktor pipa dalam 3 bundel terikat, bundel ke-1 = 1000 liter, bundel ke-2 = 1750 liter dan bundel ke-3 = 2250 liter, yang dipasang secara paralel. Bahan baku mengandung 70% A dan 30% inert. Diketahui pula bahwa kapasitas produk reaktor ikatan bundel ke-1 adalah 20 liter/menit dengan capaian konversi A = 94%. Pertanyaan: a. Nilai k dan space time pada semua bundel reaktor b. Laju alir bahan baku masuk ke semua bundel reaktor c. Kapasitas produk yang dihasilkan bundel reaktor ke-2 dan ke-3. 72



=



Reaktor Dengan Sistem Resirkulasi • • • •



Operasi reaktor dengan resirkulasi dilakukan bila output dari reaktor masih banyak mengandung reaktan yang belum terkonversi. Besar resirkulasi R = recycle ratio, merupakan perbandingan antara volume campuran yang dikembalikan dan volume campuran output dari reaktor. Di sini akan ditinjau terhadap reaktor PFR. Harga R = QV3 , dapat bervariasi dari 0 hingga ∞ QVf



73



 Persamaan dasar PFR : V  FA0



XA



dXA  (rA ) 0



 Persamaan PFR dg resirkulasi V  FA0



1



XAf







XA1



dXA ( rA )



74



75



Reaksi Komplek dalam Fasa Tunggal Ideal • Pada reaksi-reaksi komplek (paralel, konsekutif, dan lain-lain) perlu diciptakan kondisi operasi untuk dapat dicapai selektifitas tinggi thd produk yang dikehendaki dan dapat dicapai seoptimal mungkin. • Secara umum kinetika reaksi dari berbagai reaksi yang terjadi harus ditinjau. • Disamping kondisi operasi, faktor ukuran dan jenis reaktor juga dapat berpengaruh terhadap distribusi produk yang dihasilkan. 76



77



78



79



80



81



82



83



84



2)



B. Apabila pada t awal: CR = CS  0 1) CA = CA0e-k1t 2) CR = k1 .CA0



Orde 1



k2  k1



r S = k 2 CR  Reaksi Berturutan pada PFR/ Batch A.Bila pada awal reaksi CR dan CS = 0, 1. Konsentrasi A yang meninggalkan reaktor adalah :



e



k1 .t



e



k2 .t



 CC



R0



e k2 .t



A0



3) CS dihitung dari neraca massa: → CA0 + CR0 + CS0 = CA + CR + CS



2. Rmaks akan tercapai pada waktu t maks, dimana:



85



Kurva konsentrasi relatif komponen-komponen di dalam reaktor sumbat Untuk reaksi : A → R → S , orde 1



86



 Reaksi Berurutan pada reaktor CSTR



Neraca masa untuk setiap komponen adalah : masa masuk = masa keluar + masa hilang krn reaksi



87



dCR # Konsentrasi R maks diperoleh dengan membuat → dt  0 dCR CA0 k1 (1  k1 ζT )(1  k2 ζT )  CA0 k1 ζT k1 1  k2 ζT   k2 1  k1 ζT  = 0  dt (1  k1 ζT ) 2 (1  k2 ζT ) 2



Sehingga diperoleh : T maks =



1 k1 .k2



CR maks 1  2 1 CA0    k2  2  1  k1    



88



89



 Merupakan kurva fractional Yield dari R sebagai fungsi XA dengan parameter perbandingan k2/k1  Kurva-kurva tersebut menjelaskan hal-hal sebagai berikut : o Fractional Yield untuk R dalam reaktor PFR selalu lebih besar dari reaktor tangki, berapapun besarnya harga XA. o Makin besar XA, fractional Yield akan makin turun. o Bila k2/k1 sangat kecil, kita bisa mendapatkan  besar pada XA yang tinggi, sehingga adanya daur ulang dari reaktan yang tidak terkonversi mungkin tidak diperlukan lagi. o Bila k2/k1 > 1, fractional Yield R akan menurun dengan tajam walau pada konversi yang rendah → dengan dmk untuk menghindari terbentuknya S yang besar, kita harus bekerja pada XA yang rendah, dan mendaur ulang A yang belum terkonversi setelah R dipisahkan terlebih dahulu.



90



Reaksi Seri Paralel  Merupakan reaksi yang mempunyai tahap berurutan dan tahap paralel secara bersamaan. k1



o A+B→ R o R + B k2 →S



atau:



Reaksi berlangsung dengan kecepatan reaksi: rA = dCA/dt = - k1 CA CB rB = dCB/dt = - k1 CA CB - k2 CR CB rR = dCR/dt = k1 CA CB - k2 CR CB rS = dCS/dt = k2 CR CA



91



Distribusi Produk Reaksi Seri Paralel dalam Reaktor PFR atau Batch



92



Distribusi Produk Reaksi Seri Paralel dalam ReaktorCSTR



Hubungan waktu reaksi dengan tingkat konversi yang bersifat linier pada reaksi sederhana tidak lagi berlaku pada reaksi kompl ek baik



Dari persamaan neraca masa A dan R untuk reaktor CSTR :



→ dapat ditentukan CA, CB, CR dan CS pada setiap saat, secara analitis ataupun grafis 93



B yang telah bereaksi



94



Dari gambar-gambar yang memperlihatkan distribusi produk dengan berbagai harga k2/k1 dan CR0 = CS0 = 0 terdapat beberapa hal seperti berikut :  Sederetan garis lurus ( miring titik2) dengan kemiringan = a, menunjukkan jumlah B yang bereaksi  Kedua gambar menunjukkan bahwa pada XA yang rendah akan memberikan hasil fraksi R yang lebih tinggi. Sehingga apabila cukup mungkin untuk memisahkan komponen-komponen dari aliran output dari reaktor, maka kondisi terbaik untuk menghasilkan R adalah dengan membuat XA rendah, kemudian R dipisahkan dari campurannya, kemudian A yang belum terkonversi dikembalikan kedalam reaktor  Seperti halnya pada reaksi berurutan, maka pada reaksi seri-paralel ini, distribusi produk dalam reaktor PFR akan memberikan CR yang lebih tinggi dari pada dalam reaktor CSTR



95



96



97



Resume untuk Reaksi Komplek Hubungan waktu reaksi dengan tingkat konversi yang bersifat linier pada reaksi sederhana tidak lagi berlaku pada reaksi komplek baik reaksi parallel, reaksi seri ataupun reaksi seri parallel. Proses dalam waktu lama bahkan dapat memberikan kualitas produk yang tidak baik. Sehingga disamping penetapan kondisi proses secara tepat, juga diperlukan pengamatan terhadap nilai waktu reaksi atau tingkat konversi yang akan memberikan produk yang dikehendaki dalam nilai yang tertinggi. Pada reaksi komplek pemilihan reactor secara tepat juga dapat memberikan keuntungan disebabkan jenis reactor merupakan factor penting untuk diperoleh produk yang dikehendaki tinggi. 98



Selamat Belajar Secara Maksimal Semoga Berhasil



99