Bubble Column Reactor Design and Calculation [PDF]

Citation preview

Bazlina Dawami Afrah, ST., MT., M.Eng



BUBBLE COLUMN REACTOR 1. Perhitungan Desain Bubble Colum Reaktor Dalam perhitungan spesifikasi bubble column reaktor pada proses oksidasi paraxylene menjadi terephthalic acid, terskema sebagai berikut : 1.1. Desain Bubble Column Reaktor Skema perhitungan yang diperlukan antara lain : 1.1.1. Konstanta Kecepatan Reaksi Dan Waktu Reaksi Pada Reaktor  Liquid Umpan WL = (kg/jam) FAO= (kmol/jam) ρ = (kg/m3) VA = (m3/jam) 



Gas Umpan WG = (kg/jam) FBO = (kmol/jam) ρ = (kg/m3) VB = (m3/jam)



Persamaan Archenius : Dimana : k



= A. e –E/RT



k



  B  N  = A 3 2   10



2



 1 1   e 8. .K .T   M B   MA



Levenspiel)



Keterangan : A



= diameter molekul A



B



= diameter molekul B



N



= bilangan avogadro



198



 E / RT



(Pers.2.39.



K



= konstanta Boltzmann



MA



= berat molekul A



MB



= berat molekul B



E



= energi aktivasi



R



= konstanta umum gas







A = 1,18 (VA)1/3



(Pers.11-14. JM.Smith)







B = 1,18 (VB)1/3



(Pers.11-14. JM.Smith)



Energi Aktivasi = H298 - R.T



E



(Pers.2-47. Levnspiel)



= (kkal/mol) Sehingga ; 2



  B  N  K = A 3 2   10



 1 1 8. .K .T   MB  MA



  e 



 E / RT



= (cm3/mol det ; m3/ Kmol. Det ; m3/kmol jam) Waktu Reaksi Data Yang Perlu Diketahui : Konversi



= (%)



Laju alir massa



= (kg/jam)



Densitas campuran



= (kg/m3)



Volumetrik flowrate, Q



=



laju alir massa densitas



= (m3/jam) Mol liquid umpan mula-mula, nAO



= (kmol/jam)



Konsentrasi mula-mula, CAO



=



n AO volumetrik flowrate



199



= (kmol/m3) Mol gas umpan mula-mula, nBO



= (kmol/jam)



Konsentrasi mula-mula, CBO



=



n AO volumetrik flowrate



= (kmol/m3) Sehingga ; CA



= CAo (1 - XA) = (kmol/m3)



CB



= CBo – b/a (CAo – CA) = CBo – b/a (CAo – CAo (1-XA)) = CBo – b/a (CAo – CAo + CAo . XA) = CBo – b/a CAo . XA = (kmol/m3)



Asumsi persamaan reaksi mengikuti reaksi orde kedua, sehingga : ln



CB . C Ao = CAo (M – b/b) k . t1 CBo . C A



M ln



=



CBo C Ao



CB . C Ao = CAo (M - b/a) k . t1 CBo . C A



t 



1 CAo (M - b ) k a



ln



C B . C Ao C Bo . C A



t = (jam ; menit)



200



1.1.2. Desain Vessel a. Menghitung Volume Reaktor, VR Untuk menentukan volume reaktor plug flow (PFR) digunakan persamaan : Neraca massa PFR : Input



= Output + Reaksi



FAO



= FA +



(-rA) V +



Dalam keadaan steady state,



+



Accumulasi



dC A dt



dC A =0 dt



Sehingga : FAO



= FA + (-rA) V



Dimana :



FA = FAO (1 – XA)



Maka, V =



FAO X A  rA







V V C Ao C . XA   Ao vo FAo  rA



=



 



V vo



 



V Q



Untuk densitas konstan,  = t



(Octave Levenspiel, hal 116)



Maka : V



=.Q =t.Q = (m3)



Faktor keamanan, f



= 20 %



Volume total, Vtotal



= (100% + 20%) x V = (m3)



201



b. Menghitung Ukuran Kolom Reaktor Perbandingan tinggi kolom terhadap diameter kolom (H/D) berada pada range 4 -12 (Perry’s ed 7, hal : 23 - 49). Untuk Bubble Column terdiri dari silinder shell dengan dua tutup ellipsoidal, ditentukan dimensi : H  12 DR



h



DR 4



(Tabel 3. Walas)



Dengan : H = Tinggi silinder h = Tinggi ellipsoidal DR = Diameter reaktor



a. Diameter reaktor, DR VR



= Vsilinder + Vellipsoidal



VR



=



  2 3 DR H  2  DR  4 24  



=



  2 3 D R  6 DR   DR 4 12



=



19  DR 3 12



=



3



=



(m)



DR



12 V R 19 



b. Tinggi silinder, H



202



H  12 DR



H



= 12 . DR = (m)



c. Tinggi ellipsoidal, h h



DR 4



= (m) d. Tinggi reaktor, HR HR = H + 2 h = (m)



e. Menghitung ketebalan dinding reaktor, tw untuk silinder



:



t



=



P  r C S  E - 0,6  P



untuk ellipsoidal head



:



t



=



P  D C 2 S  E - 0 ,2  P (Peters, Tabel 4)



c. Menghitung Desain Perforated Plate Berdasarkan literatur Treyball



hal. 140, digunakan sparger yang berbentuk



lingkaran dengan diameter orifice yang memiliki range 1.5 mm – 5 mm. a) Diameter bubble, dB dB



=



 6.d O . .q c   g . 



   



1



3



Treyball)



203



(Pers.6.1.



Dengan : dO = (mm ; cm)







= (dyne/cm)



g



= (cm/s2)



qc



= 1







=  L  G



gr . cm / s 2 dyne



= (g/cm3) maka : dB



=



 6.d O . .q c   g . 



   



1



3



= (cm ; mm) b) Luas tiap lubang orifice, AO



d  AO = O 4 2



= (cm2) c) Volume tiap bubble, VB



d . = B 6 3



VB



= (cm3) d) Laju volumetrik gas pada tiap lubang, Q



204



dB3 = 1,378



6Q



g



6



5



3



(Pers. 18.31. 5



Perry)



Q



=



6



3



5



3



d B . .g 5 1,378 6



= (cm3/det) e) Kecepatan gas masuk pada tiap lubang, Ug Ug =



Q AO



= (cm/det) f) Kecepatan terminal bubble, Ut Ut =



 2    (0.5. d B . g )   d .   B g 



(Pers. 7.44.



Deckwer)



= (cm/det) g) Gas hold up,



g 



g 0.0661.U g



0.69



(Pers. 7.25 b.



1  0.0661.U g



Deckwer)



= (%) h) Kecepatan superfacial gas, Us







Us = Ut . 1   g 



n 1







(Pers. 7.15.



Deckwer)



205



Dengan : n = fungsi Reynold Number di bubble = 2,39 maka,







Us = Ut 1   g 



1,.39



(Hal 168. Deckwer)







= (cm/det) i) Interfacial area bubble per unit volume liquid, a a =



6 . g dB



= (cm-1 ; m-1) j) Diameter perforated plate, Dpp Asumsi : jarak antara dinding reaktor dengan lubang orifice terluar ditentukan 3 inchi = 7,62 cm. DR = Dpp + 2 (7,62 cm) Dpp = DR – 2 (7,62 cm) = (cm ; m) k) Luas perforated plate, App App =



 . D pp 2 4



= (m2) l) Jumlah lubang orifice, Nor N



0,29 or



 g  d O . DR 2  = 0,0083  L p



   



0 , 29



Dengan : 206



Lp = jarak pitch



= (in ; m)



 g = gas hold up



= (%)



do = diameter orifice = (m) DR = diameter reaktor



= (m)



maka, Nor0,29



 g  d O . DR 2  = 0,0083  L p



Nor



= (hole)



   



0 , 29



1.1.3. Desain Jaket Pendingin id



OD



H



Keterangan Data Yang Diketahui OD



= Outside diameter R-01



= (m)



H



= Tinggi silinder



= (m)



id



= Diameter reaktor beserta jaket bagian dalam



Flowrate cooling water (m)



= (kg/jam)



Densitas air 30 oC ()



= (kg/m3)



Residence time



= (jam)



207



Volumetric flowrate air pendingin



m



= 



= (m3/jam) Volume jaket air pendingin



= Volumetric flowrate x Residence time = (m3)



V Jaket



= (Volume Reaktor + Jaket) – (Volume Reaktor)



V Reaktor + Jaket



= Volume Silinder + Volume head ellipsoidal (2:1) =



V Reaktor



1 1  (id ) 2 H   (id ) 3 4 24



= Volume Silinder + Volume head ellipsoidal (2:1) =



1 1  (OD) 2 H   (OD) 3 4 24



Maka : V Jaket



=



1 1 1  1  2  (id ) 3     (OD ) 2 H   (OD ) 3    (id ) H  4 24 4 24    



V Jaket



=



1 1  H  id 2  OD 2     id 3  OD 3  4 24



Jika disubstitusikan data yang diketahui dari persamaan ini akan didapat harga id , dalam ( m ) Tebal jaket pendingin



= id – OD =(m)



208