PENGANTAR. Continuous Stirred Tank Flow Reactor (CSTFR)

KINETIKA REAKSI HOMOGEN PADA

SISTEM REAKTOR ALIR

Siti Diyar Kholisoh PRODI TEKNIK KIMIA - FTI UPN “VETERAN” YOGYAKARTA Kamis, 9 Juni 2011

Kinetika dan Katalisis Semester Genap 2010/2011

PENGANTAR

Klasifikasi sistem reaktor (secara garis besar):

Batch reactor (BR)
Steady-state flow reactor:

a) Plug flow reactor, dan b) Mixed flow reactor

Unsteady-state flow or semibatch reactor

Batch Reactor (BR)

Biasanya dimodelkan sebagai reaktor tangki berpengaduk.
Reaktan mula-mula dimasukkan

sekaligus ke dalam sebuah wadah yang dilengkapi dengan sistem pengadukan yang baik

(well mixed)

Reaksi dibiarkan berlangsung selama periode waktu tertentu sampai dicapai tingkat konversi yang diinginkan

BR

Uniformly mixed

Plug Flow Reactor (PFR)

Biasa disebut juga sebagai piston flow, ideal

tubular, atau unmixed flow reactor.

Reaktor ini juga disebut sebagai reaktor alir pipa (RAP) ini biasanya dipakai untuk proses alir/kontinyu tanpa pengadukan.

Di dalam RAP, fluida mengalir dengan pola seperti plug flow (aliran sumbat). Fluida mengalir di dalam pipa dengan arah yang sejajar dengan sumbu pipa, dengan kecepatan yang sama di seluruh penampang pipa.

Biasanya diasumsikan tidak ada difusi arah aksial maupun pencampuran balik (backmixing).

Continuous Stirred Tank Flow

Reactor (CSTFR)

Reaktor ini disebut juga mixed flow reactor atau reaktor alir tangki berpengaduk (RATB)

Pada reaktor jenis ini, reaktan dimasukkan secara kontinyu ke dalam reaktor.
Pada saat yang bersamaan juga ada hasil

reaksi yang dikeluarkan dari reaktor secara kontinyu dengan kecepatan massa yang sama.

Umpan atau

reaktan Produk atau

hasil reaksi RAP Uniformly mixed Produk atau hasil reaksi Umpan reaktan RATB

Semibatch Reactor

Biasanya berbentuk tangki berpengaduk
Pada pengoperasian reaktor jenis ini,

sebagian reaktan atau salah satu reaktan dimasukkan ke dalam reaktor, sedangkan reaktan yang lain atau reaktan sisanya dimasukkan secara kontinyu dan produk reaksi dibiarkan di dalam reaktor
Atau reaktan dimasukkan sekaligus dan

hasil reaksinya dapat dikeluarkan secara kontinyu sampai konversi yang diinginkan

BATCH VERSUS CONTINUOUS OPERATION

No Operasi batch Operasi kontinyu

1. Biasanya lebih baik untuk produksi volume kecil (A)

Lebih baik untuk produksi jangka panjang dari satu produk atau sejumlah produk (A)

2. Lebih fleksibel untuk operasi multi produk (multi proses) (A)

3. Biaya modal biasanya relatif rendah (A)

Biaya modal biasanya relatif tinggi (D)

4. Mudah diberhentikan dan membersihkan pengotor (A)

5. Memerlukan waktu-berhenti (pengosongan, pencucian, dan pengisian) antar batch (D)

Tidak memerlukan waktu berhenti kecuali untuk perawatan terjadwal dan emergensi (A); tetapi kehilangan produksi pada penghentian lama dapat menjadi mahal (D) 6. Biaya operasi dapat

menjadi relatif tinggi (D)

Biaya operasi relatif rendah (A) 7. Operasi tidak ajeg berarti

lebih sukar mengendalikan dan mendapatkan keseragaman produksi (D)

Operasi ajeg berarti lebih mudah mengendalikan dan mendapatkan keseragaman produksi (A)

BATCH VERSUS CONTINUOUS OPERATION (lanjutan)

Space Time versus Holding Time

Space time:time needed to treat one reactor

volume of feed: 0 0 0 A A C V V Q F τ = =

Holding time:mean residence time of flowing material in the reactor:

0 0 ( ) (1 ) A X A A A A A dX t C r ε X = − +

∫

V t Q τ= = For constant density system(all

liquid and constant density gases):

Untuk sistem varying density (secara umum):

(

)

0 0 0 1 _{A A} P T V V X P T

ε

= +

(

)

0 0 0 1 A A P T Q Q X P T ε = + (batch) (alir)

V ≡ volume sistem reaksi

Q ≡ laju alir volume (debit) P ≡ tekanan total sistem reaksi T ≡ suhu absolut sistem reaksi Pada sistem alir: V ≡ volume reaktor

STEADY-STATE MIXED FLOW REACTOR

Peneracaan massa sistem (mol/waktu):

Input – Output – Berkurang karena reaksi = Akumulasi

Jika XA0= 0, maka: 0 V ) r ( F F_A0− _A− −_A = 0 V ) r ( ) X 1 ( F FA0− A0 − A − −A = V ) r ( X F_{A0 A}= −_A A A A A 0 A 0 A r X r X C F V − = − = = τ ∆ A A 0 A 0 A 0 A 0 r X C F C V Q V s 1 − = = = = τ

Dalam hal ini, XAdan rAdiukur pada aliran keluar

reaktor (sama dengan kondisi di dalam reaktor)

Jika εA= 0, maka:

( )

A 0 A A 0 A A A 0 A C r C C r X F V − − = − = A A 0 A A A 0 A r C C r X C Q V − − = − = =

τ

atau: Keterangan:

τ ≡space-time, yakni waktu yang dibutuhkan oleh proses untuk mereaksikan satu volume reaktor, dengan umpan tertentu, pada kondisi tertentu s ≡space-velocity(1/τ)

CONTOH SOAL: Gas A murni pada 3 atm dan 30o_{C (120 mmol/liter)}

diumpankan ke dalam sebuah reaktor alir tangki berpengaduk yang bervolume 1 liter, pada berbagai laju alir yang berbeda. Reaksi yang terjadi: A →3 R dan konsentrasi A yang keluar reaktor di ukur pada setiap variasi laju alir tersebut. Dari data berikut, tentukan persamaan kecepatan reaksinya (reaksi penguraian A)!

Asumsi: Hanya reaktan A yang mempengaruhi kecepatan reaksi

Hasil perhitungan:

Jadi: -rA= k CA2

STEADY-STATE PLUG FLOW REACTOR

Pada plug flow reactor (PFR), komposisi fluida berubah/bervariasi terhadap posisi aksial (sepanjang pipa). Neraca massa (mol/waktu) dalam elemen volume diferensial dV:

Input – Output – Berkurang karena reaksi = Akumulasi FA– (FA+ dFA) – (−rA) dV = 0

Karena: dFA= d{FA0(1 – XA)} = −FA0dXA

maka: FA– FA+ FA0dXA= (−rA) dV

atau: FA0dXA= (−rA) dV

Jika XA0= 0 dan diintegralkan untuk keseluruhan

volume reaktor V:

∫

=

∫

₋ V 0 X 0 A A 0 A Af r X d F V d

∫

₋ = = Af X 0 A A 0 A 0 A r X d C F V

τ

∫

₋ = = = Af X 0 A A 0 A 0 A 0 A 0 r X d C F C V Q V τ (Pada berbagai εεεεA)

Pada constant-density system (εεεεA= 0):

∫

∫

=− ₋ − = = Af 0 A Af C C A A X 0 A A0 A 0 A 0 A r C d C 1 r X d C F V τ

∫

∫

=− ₋ − = = Af 0 A Af C C A A X 0 A A 0 A 0 r C d r X d C Q V

τ

(Silakan Anda jabarkan sendiri untuk kasus-kasus reaksi homogen sederhana, seperti: reaksi searah

Perhatikanlah bahwa:

Harga kecepatan reaksi (-r_A) di dalam reaktor:

Konstan, pada SS mixed flow reactor
Bervariasi sepanjang reaktor, pada SS plug

flow reactor

Keterangan:

XAf≡ konversi reaktan A keluar reaktor (final) CAf≡ konsentrasi molar reaktan A keluar reaktor

(final)

Contoh Soal Kinetika Reaksi Homogen

pada

Steady-State PFR ##

Reaksi homogen fase gas ireversibel elementer: A + B  R

berlangsung dalam sebuah reaktor alir pipa steady-state pada kondisi isotermal. Reaktor bervolume 0,1 liter dan percobaan dilakukan dengan mengukur konsentrasi A yang keluar reaktor pada berbagai variasi laju alir volumetrik umpan (Q0), dengan data sbb.:

Umpan reaktor mengandung A dan B dengan perbandingan

ekuimolar. Jika konsentrasi A di dalam umpan tetap, sebesar

CA0= 100 mmol/liter, tentukan persamaan laju reaksinya. Perco-baan Q0 (liter/ jam) CA (mmol/ liter) 1 10 85 2 4,1 66 3 2,5 50 4 1,5 33

Hasil Perhitungan:

Harga k, dengan metode k-averaging: 2 2 0 (1 ) (1 ) 0, 5 ln(1 ) 0, 25 0, 25 1 A X A A A A A A A A X I d X X X I X X X ε + = − = − − + + −

∫

Atau, jika harga k dihitung dengan metode grafik:

Jadi, persamaan laju reaksinya adalah: 0, 304 A A B r C C

− = Jangan lupa, tuliskan satuannya…!

Problem 14-6, Missen, 1999

A pure gaseous reactant A is fed at a steady-state (q₀) of 30 L h-1_{and a concentration (C}

A0) of

0,1 mol L-1_{into an experimental CSTR of}

volume (V) 0,1 L, where it undergoes dimerization (2 A A2). If the steady-state

outlet concentration (C_A) is 0,0857 mol L-1_{, and}

if there is no change in T or P, calculate: (a) The fractional conversion of A (b) The oulet flow rate

(c) The rate of reaction, -r_A, mol L-1_h-1

(d) The space time based on the feed rate

From: Problem 14-13, Missen, 1999

Determine the rate constant of a first-order reaction: A _P, conducted in a steady-state CSTR (V = 3700 L), given that q₀= 5 L s-1_{, the density of the system}

is constant, C_A0= 4 mol L-1_{, and X}

Contoh Soal (RATB, reversible):

Reaksi fase-cair elementer: A ⇔⇔⇔⇔R berlangsung dalam RATB isotermal. Pada kesetimbangan: XA= 66,67%. Pada pengoperasian reaktor dengan waktu tinggal 12 menit: XA= 40%. Umpan reaktor mengandung A [CA0= 0,5 M dan CR0= 0]. Tentukan nilai k1dan k2!

Soal Latihan Nomor 12:

Reaksi homogen fase-gas: 2 A →→→→B

berlangsung dalam sebuah RATB (bervolume VRliter). P0= 2 atm dan T0= 170oC (kondisi tekanan & suhu tetap). Umpan berupa gas A murni dialirkan dengan laju alir F_A0

mol/menit. Dua percobaan pada kondisi

steady

menghasilkan data sbb.:

Tentukan orde reaksi dan konstanta kecepatan reaksi ini!

Tuliskan juga

satuannya.

F_A0/V_R 0,10 0,15 FA/FA0(= f) 0,20 0,30

Soal Latihan Nomor 16:

Reaksi homogen fase-cair bolak-balik:

2 A ⇔⇔⇔⇔B berlangsung dalam sebuah RATB steady. Umpan reaktor berupa A dan B

dengan konsentrasi: C_A0= 1,5 mol/m3_dan

C_B0= 0,5 mol/m3_{. Kesetimbangan reaksi ini}

tercapai pada rasio C_A/C_A0= 0,20. Pengoperasian reaktor dengan waktu tinggal τ= 1,07 jam menghasilkan rasio C_A/C_A0= 0,60. Jika reaksi tersebut di atas elementer, berapakah nilai k₁dan k₂? Tuliskan juga satuannya.

Soal Latihan Nomor 15:

Reaksi homogen fase-cair:

A →→→→B + C rB= k1 CA A + C →→→→2 D rD= 2 k2 CA CC berlangsung dalam sebuah RATB isotermal

steady

, dengan CA0= 3 mol/liter (CB0= CC0 = C_D0= 0). Jika reaktor dioperasikan pada waktu tinggal (τ) = 15 menit, konsentrasi A dan B keluar reaktor: CA= 1,5 mol/liter dan CB= 1,2 mol/liter.

Hitunglah: k1dan k2

(beserta satuannya)

Contoh Soal (RATB, paralel, variable-density):

Reaksi fase-gas elementersimultan: A + ½ B  P

2 A  Q

berlangsung dalam sebuah RATBpada kondisi

steady

. Laju alir umpan masuk = 100 dm3_/min pada 5 atm dan 140o_{C. Umpan berupa} campuran: A 66,7% dan B 33,3%-mol.

Pengoperasian reaktor dengan

space time

= 10 menit menghasilkan XA= 71,43%dan yieldP terhadap B = 40%. Reaksi berlangsung pada suhu dan tekanan tetap (5 atm, 140o_C).

Tentukan nilai k

1

dan k

2

!

Soal Latihan Nomor 21:

Dekomposisi dimethyl ether (CH₃)₂O (E) menjadi CH₄, H₂, dan CO merupakan reaksi irreversible berorder satu. Reaksi ini dilangsungkan dalam sebuah PFR steady (V_R= 23,3 m3_{). Umpan reaktor yang}

berupa eter murni masuk pada 504o_{C dan}

1 bar (reaktor beroperasi pada T dan P tetap), dengan laju alir 0,1 mol/detik. Jika 60% eter terkonversi pada aliran keluar reaktor, berapakah konstanta kecepatan reaksi pada kondisi ini?

Soal Latihan Nomor 36:

Reaksi homogen fase-gas: A

→

→

→

→

3 B

berorde dua dan berlangsung pada suhu

dan tekanan tetap. Untuk umpan

dengan laju alir 4 m

3

_{/jam berupa A}

murni pada 5 atm dan 350

o

_{C, sebuah}

reaktor pilot-scale berupa pipa dengan

ID = 2,5 cm dan L = 2 m menghasilkan

60% konversi A. Berapakah konstanta

kecepatan reaksi ini?

Problem 4-11 (Smith, 2

nd

_{ed, 1970, page 197)}

The following conversion data were obtained in a tubular-flow reactor for the gaseous pyrolysis of acetone at 520o_{C and 1 atmosphere. The reaction is:}

CH3COCH3CH2=C=O + CH4

The reactor was 80 cm long and had an inside diameter of 3,3 cm. What rate equation is suggested by these data?

Flow rate, g/hr 130,0 50,0 21,0 10,8 Conversion of acetone 0,05 0,13 0,24 0,35

Soal (Smith, 1970):

Studi kinetika dekomposisi fase-gas asetaldehida pada 518o_{C dan 1 atm: CH}

3CHO  CH4+ CO

dalam sebuah reaktor alir pipa isotermal (ID = 3,3 cm, L = 80 cm). Reaksi ini berorde satu. Jika umpan berupa asetaldehida murni yang dialirkan dengan laju 50 g/jam menghasilkan 13% konversi asetaldehida, berapakah nilai konstanta laju reaksinya?

Example 4-3: Smith, 1970

Reaksi homogen fase-uap/gas: CH4+ 2 S2CS2+ 2 H2S

berlangsung dalam sebuah RAP (V = 35,2 ml).

Sebuah percobaan pada 600o_{C dan 1 atm;}

dengan waktu tinggal 10 menit menghasilkan

0,10 g CS2. Laju alir uap S2: 0,238 gmol/jam

(steady-state). (a) Berapakah r, dinyatakan

dalam gmol CS2dihasilkan/jam/ml volume

reaktor. (b) Kecepatan pada 600o_{C: r = k p}

CH4

pS2(atm). Hitung specific reaction rate, dalam

gmol/(ml.atm2_{.jam). F}

CH4,0= 0,119 gmol/jam.

FCS2,0= FH2S,0= 0.

Example:

The decomposition of ozone (O3) to produce oxygen (O2) observes the following stoichiometry: 2 A  3 R

The apparent rate law (derived using the pseudo-equilibrium approximation) is:

The reaction is carried out in a 2,0 L CSTR at constant temperature and pressure. When pure A is fed at 1,00 L/min, the flow rate out of the reactor is 1,30 L/min.

(a) Calculate XA, the fractional conversion of A, under these conditions.

(b) Derive expressions for CAand CRin terms of XAand constant parameters.

(c) Estimate the value of the rate constant k and give its units. 2 A A R C r k C − =

Example:

Pure A (gas) is fed at 50,0 L/s (25°C, 1,0 atm) into a well-mixed CSTR (1000 L), maintained at 200°C, 2,0 atm, in which the following reaction occurs: A  2R. The disappearance of A follows first-order 

kinetics, and the exit stream contains 15 mol% A. Estimate:

(a) the rate of reaction, -rA(mol/L-s), and

Example:

Consider the homogeneous, gas-phase reaction: A + 2 B  R + S.

The rate of reaction is first-order with respect to A and zero-order with respect to B. The feed contains 40 mol% A and 60 mol% B and is fed to a 10,0 L PFR at 1 L/s, 25 °C, 1,0 atm. The PFR is operated at 150 °C, 1,0 atm. At steady state, the exit stream is found to contain 20 mol% A. (a) For the PFR run cited above, calculate the fractional

conversion of A.

(b) For this feed, what is the maximum possible fractional conversion of A?

Example:

Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-gas: A + 2 B  R + S

Umpan yang dialirkan ke dalam sebuah reaktor alir (kontinyu) mengandung 40%-mol A dan 60%-mol B. Pada keadaan steady, aliran keluaran reaktor mengandung 20%-mol A.

(a) Untuk reaktor yang digambarkan tersebut di atas, hitunglah konversi A (XA)!

(b)Untuk umpan ini, berapakah konversi maksimum A yang mungkin dicapai?

Example:

Tinjaulah sebuah reaksi homogen fase-cair: A  P, dengan

persamaan kinetika hukum pangkat. Percobaan reaksi dilakukan dengan memvariasikan laju alir ke dalam sebuah

CSTR. Pengukuran pada keadaan steady dilakukan pada 2

laju alir yang berbeda dan pada suhu yang sama. Jika: V = 10 liter dan CA0= 0,10 molar, serta diperoleh data sbb.:

Laju alir (liter/detik) CA(molar)

0,5 0,027

1,5 0,059

(a) Tentukan orde reaksi ini!

(b) Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksi pada suhu ini? Jangan lupa, tuliskan juga satuannya.

Example:

Gas A murni diumpankan dengan laju alir 50 liter/detik (pada 25o_{C, 1 atm) ke dalam sebuah} well-mixed CSTR (bervolume 1000 liter) yang dijaga pada

kondisi 200o_{C dan 2 atm, dengan reaksi homogen:}

A  2 R. Jika laju reaksi berkurangnya A mengikuti

model kinetika berorde satu, dan aliran keluaran reaktor mengandung 15%-mol A:

(a) Berapakah nilai kecepatan reaksi berkurangnya, -rA

(dalam mol/liter.detik)?

(b)Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya

(dalam detik-1_)?

Example:

Umpan gas (60o_{C, 1 atm) yang mengandung}

50%-mol A dan tidak mengandung R dialirkan ke dalam sebuah CSTR (20 liter) yang beroperasi pada T dan P yang sama. Reaksi homogen yang berlangsung adalah: A  2 R, dengan laju reaksi berorde dua.

Pada laju alir umpan sebesar 5 liter/ menit, A terkonversi sebesar 80%.

(a) Berapakah laju alir yang diperlukan untuk mencapai konversi A sebesar 90%?

(b)Berapakah nilai konstanta kecepatan reaksinya?

(Jangan lupa, tuliskan juga satuannya)

Example:

Reaksi homogen fase-cair: A  P berlangsung

dengan mengikuti bentuk kinetika berorde dua. Reaksi dilangsungkan dengan mengumpankan A (pada konsentrasi 0,12 molar) ke dalam sebuah

steady-state plug flow reactor (bervolume 10 liter).

Pada laju alir umpan sebesar 1 liter/ menit, 75% A terkonversi.

(a) Perkirakan nilai konstanta kecepatan reaksinya!

(Tuliskan juga satuannya)

(b)Berapakah A yang terkonversi jika laju alir umpan diperbesar menjadi 3 liter/menit?