Pemilihan Dan Perancangan Reaktor Kimia [PDF]

Citation preview

PEMILIHAN DAN PERANCANGAN REAKTOR KIMIA



Dasar-dasar Perancangan Alat Proses-Minggu V



UNTUK APA REAKTOR ? • Mengubah bahan baku/½ jadi menjadi bahan jadi yang lebih berharga U3O8 + 8 HNO3 → 3UO2(NO3)2 + 2 NO2 + 4H2O A + 8B → 3C + 2D +4E Th(NO3)4 + 2 H2C2O4 → Th(C2O4)2 + 4HNO3 F + 2G → H + 4B



APA SAJA YANG BERPENGARUH ? • Tipe reaksi : – Homogen : reaktan = hasil reaksi – Heterogen : reaktan ≠ hasil reaksi → Fase : gas ? Cair ? Padat ?



• Jenis/susunan reaktor • Reaktor Batch/semi batch • Reaktor Alir Pipa ( Plug Flow Rector ) • Reaktor Alir Tangki Berpengaduk ( Mixed Flow Reactor-CFSTR) • Reaktor berkatalisator. → seri, paralel, seri-paralel.



• Suhu Reaktor. • Isotermal • Adiabatis • Non isotermal-non adiabatis



JENIS-JENIS REAKTOR • Reaktor Batch/Semibatch



Reaktor Tunggal, Seri, Paralel



Reaktor Alir/Kontinyu



Neraca Massa: Input-Output-Reaksi = Akumulasi • Reaktor Batch : 0 – 0 + (-r)VR = dnA/dt = nA0 .dx/dt • Reaktor Alir Pipa (RAP-Plug Flow Reactor): FA – (FA +dFA) + (-r)dVR = FA0.dx/dt • Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB-CFSTR) : FvA. CAo - FvA. CA + (-rA)V = d(CA.V)/dt -r : kecepatan reaksi VR : volume reaktor nA : mol A X : konversi, X = mula2-bereaksi



FA : laju alir masa A FVA : laju alir volume A (debit A) CA : konsentrasi A Cao : konsentrasi A mula-mula



Pemilihan Reaktor Berdasarkan Mekanisme Reaksi



Parameter Kinerja Reaktor reak tan yang bereaksi Konversi = reak tan dlm umpan produk yang dikehendaki Selektivit as = reak tan yang bereaksi



Contoh : C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4 Kompone Inlet, Outlet, n kmol/jam kmol/jam



COBA : 1. Konversi Toluena ? 2. Selektifitas Benzena dari Toluena ?



H2



1858



1583



CH4



804



1083



C6H6



13



282



C6H5CH3



372



93



C12H10



0



4



reak tan yang bereaksi Konversi = reak tan dlm umpan



produk yang dikehendaki Selektivit as = reak tan yang bereaksi



SUHU REAKTOR 1. REAKSI TUNGGAL • Reaksi Endotermis →konversi > jika T> Reaksi dijalankan pada suhu setinggi mungkin sesuai batas kekuatan bahan dan keselamatan operasi • Reaksi Eksotermis Reaksi ireversibel dijalankan pada suhu setinggi mungkin sesuai batas kekuatan bahan dan keselamatan operasi Reaksi reversibel dijalankan pada suhu rendah, untuk menaikkan konversi, volume reaktor >.



2. REAKSI KOMPLEKS Parameter selektifitas sangat dominan, untuk mendapat konversi produk, atur suhu agar (k 1) >(k2).



3. KONTROL SUHU Reaksi adiabatis disukai karena murah dan sederhana. Jika kondisi adiabatis menyebabkan kenaikan suhu untuk reaksi ekso dan penurunan suhu untuk reaksi endo : – Pemanasan/pendinginan reaktor cara tak langsung – Cold shot/hot shot (pendinginan/pemanasan umpan) – Heat carrier : bahan inert diumpankan untuk menaikkan panas flow rate dan kapasitas panas, mengurangi kenaikan suhu reaksi ekso dan penurunan suhu reakso endo.



3. KONTROL SUHU • Jika suhu reaktor dikontrol dg suatu batasan, sering dilakukan quenching agar tidak dihasilkan byproduct. • Quenching dg cara langsung dan tak langsung • Produk bersuhu sangat tinggi menyebabkan bahan pada komponen reaktor dan penunjangnya cepat berkarat • Pendinginan suhu produk sering mempercepat fouling.



TEKANAN REAKTOR • Kenaikan tekanan reaksi fase uap ireversibel menyebabkan kenaikan konversi, shg volume reaktor dan waktu tinggal bisa lebih kecil.



• Pemilihan tekanan reaktor untuk reaksi fase uap reversibel tergantung pada kenaikan/penurunan molaritas : Reaksi Tunggal Penurunan molaritas menurunkan volume reaktan. Sehingga tekanan harus dijaga setingginya dengan mempertimbangkan batas kemampuan kompresor, konstruksi, dan keselamatan



Contoh Reaktor Untuk Reaksi Pengendapan Pembuatan Th-oksalat • Akan dirancang Reaktor berupa RATB (reaktor alir tangki berpengaduk) karena akan digunakan reaksi fase cair.



• RATB : – Ukuran tertentu dilengkapi pengaduk, pemanas/pendingin shg terjadi pencampuran sempurna – Pereaksi dimasukkan dalam tangki pada saat yang sama dengan zat hasil secara kontinyu dengan kecepatan yang sama – Kualitas hasil lebih terkontrol karena steady state, komposisi aliran yang keluar reaktor setiap saat sama. • Dasar Perancangan RATB – Volume reaktor dirancang berdasar konversi optimum, yaitu volume reaktor yang memberi konversi terbesar, waktu tinggal dan biaya operasi minimum.



• Reaksi pengendapan : • Th(NO3)4 + 2 H2C2O4 → Th(C2O4)2 + 4HNO3 …..(1) • A + 2B → C + 4D



CAo,CBo, CA,CB,FvA,Fv



CAo,CB, FvA,FvB



B



CAo: konsentr A mula-mula CA : konsentr A pada wkt tertentu FVA : laju alir massa A



VR



• Pers NM A : input = output+bereaksi+ akumulasi FvA. CAo = FvA. CA + (-rA)V + d(CA.V)/dt ……SS FvA. (CAo- CA) = kCACB2.V……….V → dapat diketahui • Ukuran dimensi reaktor ( D?,H?) diketahui dari : V= π/4 D2H



FvA. (CAo- CA) = kCACB2.V misal : M = CB0/CA0 CA= A mula-mula – A bereaksi = CAo-CAoX = CAo(1-X) CB = B mula-mula – B bereaksi = CBo-CBoX = CBo -2CAoX



FvA. (CAo- CA) = kCACB2.V = kCA03(1-X)(M-2X)2V V = (FA0 + FB0)t = Fv0 t



C A0 x t= kC A0 (1 − x)(C B 0 − 2C A0 x) 2



x t= 2 2 kC A0 (1 − x)( M − 2 x) Untuk konversi (x) tertentu → perlu t ? → V reaktor ?



Pengadukan → Menentukan Daya Motor • Masalah : menentukan daya motor, bentuk pengaduk, kecepatan pengadukan shg pencampuran 2 pereaksi menjadi sempurna. • P = f( N, Di, gc, μ, ρ) • Bila dinyatakan dlm hubungan antar kel tak berdimensi diperoleh :



 NDi2   Pg c = f  3 5 N Di     Bil Tenaga ( NP)= Bil Reynold (NRe) • Dari hasil eksperimen diperoleh hub NRe thd NP dan pada NRe >104, tenaga motor dianggap tetap, sehingga pada keadaan turbulen dicapai keadaan homogen.



Pengadukan • Pengadukan adalah operasi yang menciptakan terjadinya gerakan dari bahan yang diaduk seperti molekul- molekul, zat-zat yang bergerak atau komponennya menyebar (terdispersi). • Tujuan Pengadukan : – Mencampur dua cairan yang saling melarut – Melarutkan padatan dalam cairan – Mendispersikan gas dalam cairan dalam bentuk gelembung – untuk mempercepat perpindahan panas antara fluida dengan koil pemanas dan jacket pada dinding bejana.



Faktor-faktor yang mempengaruhi proses pengadukan dan pencampuran 1. Perbandingan antara geometri tangki dengan geometri pengaduk, 2. Bentuk dan jumlah pengaduk, 3. Posisi sumbu pengaduk, 4. Kecepatan putaran pengaduk, 5. Penggunaan sekat (baffle) dalam tangki 6. Properti fisik fluida yang diaduk yaitu densitas dan viskositas.



Dimensi dan Geometri Tangki • Fluida dalam kapasitas tertentu ditempatkan pada sebuah wadah dengan besarnya diameter tangki sama dengan ketinggian fluida. • Tangki dengan diamter yang lebih kecil dibandingkan ketinggiannya memiliki kecenderungan menambah jumlah pengaduk yang digunakan.



• dengan D = t ……(t: tinggi)



Kondisi Optimum perancangan • Da/dt = 1/3 • E/Da = 1 • J/Dt = 1/12



J



H



Da



Dt



Perancangan RATB untuk reaksi yellow cake → uranil nitrat Dipilih pengaduk : flat blade turbine, 6 buah blade, tangki tanpa baffle



Pusaran (Vortex) • Salah satu upaya untuk menghilangkan pusaran ini adalah dengan merubah posisi sumbu pengaduk. Posisi tersebut berupa posisi sumbu pengaduk tetap tegak lurus namun berjarak dekat dengan dinding tangki (off center) dan posisi sumbu berada pada arah diagonal (incline).



Jenis-jenis Pengaduk 1. pengaduk 2. pengaduk 3. pengaduk 4. pengaduk



baling-baling (propeller), turbin (turbine), dayung (paddle) dan helical ribbon



Pengaduk Dayung (Paddle) • Biasanya digunakan pada kecepatan rendah diantaranya 20 hingga 200 rpm. • Panjang total dari pengadukan dayung biasanya 60 - 80% dari diameter tangki dan lebar dari daunnya 1/6 - 1/10 dari panjangnya. • Pengaduk Jenis Dayung (Paddle) berdaun dua • Pengaduk dayung menjadi tidak efektif untuk suspensi padatan, karena aliran radial bisa terbentuk namun aliran aksial dan vertikal menjadi kecil. Jenis ini digunakan pada cairan kental



Pengaduk Turbin



• Pengaduk turbin adalah pengaduk dayung yang memiliki banyak daun pengaduk dan berukuran lebih pendek, • pada kecepatan tinggi untuk cairan dengan rentang kekentalan yang sangat luas. Diameter dari sebuah turbin biasanya antara 30 - 50% dari diamter tangki. • Jenis ini juga berguna untuk dispersi gas yang baik, gas akan dialirkan dari bagian bawah pengadukdan akan menuju ke bagian daun pengaduk lalu tepotong-potong menjadi gelembung gas.



Pengaduk Helical-Ribbon • Pada kekentalan yang tinggi dan beroperasi pada rpm yang rendah pada bagian laminer. • Ribbon (bentuk seperti pita) dibentuk dalam sebuah bagian helical (bentuknya seperti baling-balling helicopter dan ditempelkan ke pusat sumbu pengaduk).



Jenis-jenis Pengaduk



Pemilihan Pengaduk • Pengaduk jenis baling-baling digunakan untuk viskositas fluida di bawah Pa.s (3000 cP) • Pengaduk jenis turbin bisa digunakan untuk viskositas di bawah 100 Pa.s (100.000 cp) • Pengaduk jenis dayung yang dimodifikasi seperti pengaduk jangkar bisa digunakan untuk viskositas antara 50 - 500 Pa.s (500.000 cP) • Pengaduk jenis pita melingkar biasa digunakan untuk viskositas di atas 1000 Pa.s dan telah digunakan hingga viskositas 25.000 Pa.s. Untuk viskositas lebih dari 2,5 - 5 Pa.s (5000 cP) dan diatasnya, sekat tidak diperlukan karena hanya terjadi pusaran kecil.



Dari gambar di atas terlihat bahwa untuk Re > 104, tenaga motor dianggap tetap, sehingga pada keadaan turbulen dicapai pengadukan yang homogen.



Desain Turbin Standar menurut Rushton



Shape Factor: S1= Da/Dt S2 = E/Dt S3 = L/Da



S4 = W/Da S5 = J/Dt S6 = H/Dt



Geometri Reaktor • Waktu tinggal : 8 jam →dicari volume yang dibutuhkan • Jika volume total larutan 11939,8763 cc/jam, maka V= 8 jam x 11.939,8763 cc/jam = 95.519,0104 cc



 2  3 V = D H = D ...( D = H ) 4 4 • • • • • • •



D = 49,545 cm Toleransi volume 25%, maka h = 1,25 D = 61,9cm D=H →t = 3/16 inch. Da = 1/3 D = 16,515 cm = 0,5418 ft E = Da = 16,515 cm = 0,5418 ft L = ¼ Da = 4,1288 cm W = 1/5 Da = 3,303 cm



Power Pengaduk P= • • • • • • • •



N Frm n 3 Da5  m gc



....Pers McCabe & Smith



Ф : faktor koreksi Bil Re NFr: Bil Froude n : kec putar, rps Da : diameter impeler, ft ρm : berat jenis larutan atau campuran, pcf gc : konstanta gravitasi = 32,17 ft/det2 m: koreksi, ft.lb/det P: power pengaduk



Ф : faktor koreksi Bil Re, Bil Froude



N Re =



Da2 n m



m



2



N



m Fr



n Da = gc



 m1/ 3 = x111/ 3 + x2  21/ 3 + ... Pers 3 − 122 Perry



m: koreksi • Unbaffle :



a − log Re m= b



a=1; b= 40 ; Re = 1.501.212 → m = - 0,1294



• Power Pengaduk :



P=



N Frm n 3 Da5  m gc.550



P = 0,0038 HP



HP



Harga tangki



Biaya tangki reaktor berpengaduk



Contoh : • Sebuah reaktor berupa tangki silinder dengan diameter terdalam (di) : 9 ft dn panjang 30 ft terbuat dari CS SA-285,Gr,C. Beroperasi pada suhu 750oC dan tekanan internal 100 psig. Tangki diletakkan secara horisontal dengan materi reaktif di dalamnya. Tidak ada sistem pemanasan/pendinginan. Head tangki berbentuk hemispherical yang tebalnya sama dengan shell tangki. Tebal korosi yang diijinkan 1/8 in. Untuk SA-285 mempunyai stress value 12.000 psi pada suhu 750oC dan efisiensi sambungan 0,85.