UNIVERSITAS
INDONESIA
2012
Teknik Reaksi Kimia Lanjut
Pasca Sarjana
Dicka A Rahim
[ 1106107952 ]
Rindang Isnaniar Wisnu Aji
[ 1106109043 ]
2
P4 – 5 A
Reaksi fase liquid :
A + B C
Mengikuti persamaan laju reaksi elementer dan berlangsung pada kondisi isotermal pada suatu sistem aliran. Konsentrasi aliran umpan A dan B adalah 2 M sebelum pencampuran. Laju alir volumetrik setiap aliran sistem adalah 5 dm3/min dan temperatur masuk adalah 300K. Aliran langsung dicampur sebelum memasuki reaktor. Ada dua reaktor yang tersedia. Satu reaktor CSTR berwarna abu-abu dengan volume 200 dm3 yang dapat dipanaskan sampai 77oC atau didinginkan sampai 0oC. Reaktor yang lain adalah reaktor PFR berwarna putih dengan volume 800dm3 yang dioperasikan pada 300 K yang tidak dapat dipanaskan atau didinginkan tapi dapat dicat merah atau hitam.
(note : k = 0.07 dm3/mol.min at 300 K and E = 20 kCal/mol)
A. Reaktor mana dan kondisi apa yang kamu rekomendasikan (misalnya warna, biaya, luas tempat yang tersedia, kondisi cuaca)? Jelaskan alasan pemilihannya? Lengkapi alasanmu dengan perhitungan yang sesuai. B. Berapa Lama yang akan dibutuhkan untuk mencapai konversi 90% dalam
200 dm3 Reaktor Batch dengan CA0 = CB0 = 1 M setelah dicampur pada temperatur 70 0C ?
C. Terkait dengan jawaban B jika reaktor didinginkan sampai 0 0C?
D. Berapa konversi yang akan diperoleh jika CSTR dan PFR dioperasikan pada 300 K dan disusun seri? Bagaimana jika reaktor disusun pararel dengan laju alir masing-masing adalah 5 mol/min?
3
E. Berdasarkan pada Tabel 4-1 (halaman 150), berapa volume reaktor batch yang akan dibutuhkan untuk memproses spesies A per hari dengan jumlah yang sama sebagai laju aliran reaktor untuk mencapai konversi 90%? Berdasarkan pada Tabel 1-1 (halaman 22), estimasikan biaya reaktor batch.
F. Tuliskan beberapa kalimat yang menjelaskan apa yang Anda pelajari dari soal ini dan apa yang menurut Anda menjadi inti dari permasalahan di soal ini.
Penyelesaian :
Diketahui:
Reaksi elementer fasa cair :
A B C K =0,07 dm3/mol.menit pada T = 300 K. E = 20 kcal/mol Sebelum dicampur : CAOB = 2 M Vo = 5 dm3/menit CBOB = 2 M Vo = 5 dm3/menit
4
Tipe Reaktor: CSTR
Volume 200 dm3 Warna abu-abu
Temperatur operasi maximum 77oC , Temperatur operasi minimum 0oC
PFR
Volume = 800 dm3
Warna Putih, dapat dicat merah atau hitam Dioperasikan hanya pada suhu 300 K
A. Pemilihan Jenis Reaktor
1. Berdasarkan temperatur Operasi dan Konversi
Reaktor CSTR ( suhu operasi 77oC = 350 K)
5
2 1 1 1 2 1 1 1 2 3 2 0 2 0 2 2 0 2 1 1 1 1 exp 20.000 1 1 0.07 exp 1,987 300 350 8.4469 / .min . . . . . . 1 . 2. (1 )( ) (1 B B k E Ln k R T T E k k R T T k k dm mol FAo X V rA FA X V k CA CB FA X V k CA X X FAo X V k CAo X X X 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1,2 2 1,2 ) 1 2 1 2 1 10 2 8, 4469.1.200 1 2, 0059 1 2, 0059 0 4 2.1 2.0059 ( 2, 0059) 4(1)(1) 2.1 1 1, 0798 2 0,9255 To To To V X k CAo v V X X X k CAo v V X X k CAo v X X X X X X b b ac X X X X Maka besarnya konversi (X) dari reaktor CSTR dengan temperatur operasi pada T = 77oC (350 K) adalah:
6 1 1,0798 2 0,9255 X X Reaktor CSTR ( T operasi 0oC = 273 K) Dengan menggunakan persamaan arhenius:
2 1 1 1 2 1 1 1 2 3 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 exp 20.000 1 1 0, 07 exp 1,987 300 273 0, 0025 / .min . . 2. (1 )( ) (1 ) 1 2 1 2 To To k E Ln k R T T E k k R T T k k dm mol FAo X V rA FAo X V k CAo X B X V X X k CAo v V X X X k CAo v X 2 2 2 2 2 1,2 2 1,2 1 10 2 0, 0025 1 200 1 22 1 22 0 4 2 22 ( 22) 4(1)(1) 2.1 To V X k CAo v X X x x X X X X b b ac X a X
7
Maka diperoleh konversi reactor CSTR sebesar :
1 2 0,0455 4,55% 21,954 X X PFR (Temperatur operasi 300 K) 2 2 2 . (1 ) . 1 . 1 (0,07).(1).(800) 1 10 10 56(1 ) 10 56 56 56 66 0,84845 84,85% dx V FAo dA CAo V o dx V kCAo X CAo V o X V X k CAo X kCAoV X V o X X X X X X X X
Berdasarkan hasil perhitungan nilai konversi (X) untuk reactor CSTR
(temperature operasi 77 0C dan 0 0C ) dan reactor PFR (temperature operasi 300 K) maka jenis reactor yang kami rekomendasikan adalah jenis reactor CSTR dengan temperature operasi 77 0C.
8 2. Berdasarkan Estimasi Harga Reaktor
a). Estimasi (perkiraan) harga reaktor CSTR adalah : Volume Reaktor CSTR = 200 dm3 X 1 gallon/ 3.785 dm3
= 52.8401 gallon ≈ 53 gallon
Dari Tabel 1.1 Buku Foggler diketahui harga reaktor CSTR untuk volume 50 gallon (189.25 dm3) = $ 35000. (th 2004)
Sehingga bila dilakukan pendekatan interpolasi, didapatkan prediksi harga reaktor CSTR untuk volume 53 gallon ≈ $ 37100
b). Estimasi (perkiraan ) biaya reaktor PFR adalah :
Volume PFR = 800 dm3 = 800 dm3 x 3 3 3 25158 . 28 317 . 28 1 ft dm ft ≈ 30 ft3
Dengan asumsi diameter reaktor yang digunakan 2 ft (D), maka dapat diketahui panjang reaktor PFR yang diperlukan.
Luas penampang PFR = л r2 = л (1)2 = 3,14 ft2 Panjang PFR = ft ft ft angPFR LuasPenamp VolumePFR 5 , 9 14 , 3 30 2 3 ≈ 10 ft (H)
9
Mengacu pada Cost Data (Apendix E) buku Conceptual Desing of Chemical Processes (J.M. Douglas) Halaman 574. Dapat dihitung estimasi harga reaktor PFR dengan diameter (D) 2 ft dan panjang (H) 10 ft pada tahun 2004 yaitu sebesar $ 7110.
Berdasarkan perbandingan harga untuk reaktor CSTR dan reaktor PFR
maka jenis reaktor yang kami rekomendasikan adalah jenis reaktor PFR dengan harga yang lebih murah.
3. Berdasarkan Tempat, Warna, dan Kondisi Cuaca
Warna cat pada reaktor dapat mempengaruhi penyerapan panas reaktor akibat paparan cahaya. Reaktor dengan warna abu-abu dan merah menyerap panas lebih baik bila dibandingkan reaktor yang berwarna putih. Karena warna putih bersifat memantulkan cahaya. Namun perbedaan warna ini hanya berpengaruh bila reaktor ditempatkan pada posisi outdor dan bukan di dalam ruangan (indoor). Sehingga kondisi cuaca / radiasi sinar matahari dapat mempengaruhi penyerapan panas pada reaktor.
B. Reaktor Batch (Temperatur operasi 77 0C)
Menghitung waktu untuk mencapai konversi (X) 90 % pada suhu 77 0C sebagai berikut :
0
0 1 / 1 1 dNA rA V dt NA V dNA dNA d rA V dt V dt dt dCA rA dt 10
2 2 0 0 . . (1 ) . 1 0.9 8, 4469.1.(1 0, 9) 1, 06548 rA k rA dX k CA X dt x t k CA X menit Jadi waktu yang dibutuhkan oleh reactor Batch untuk mencapai konversi sebesar 90 % pada temperature 77 0C adalah 1,06548 menit.
C. Reaktor Batch (Temperatur operasi 0 0C)
Dengan perhitungan menggunakan persamaan yang sama seperti pada solusi nomor 2 untuk reactor Batch, maka diperoleh:
0
0 1 / 1 1 dNA rA V dt NA V dNA dNA d rA V dt V dt dt dCA rA dt Untuk reaksi orde 2:
2 2 0 0 . . (1 ) . 1 0.9 0, 0025.1.(1 0, 9) 3600 rA k rA dX k CA X dt x t k CA X menit 11
Jadi waktu yang dibutuhkan oleh reactor Batch untuk mencapai konversi sebesar 90% pada temperature 0 0C adalah 3600 menit.
D. Reaktor CSTR dan PFR dioperasikan secara seri.
Ketika reaktor yang dihubungkan secara seri, aliran efluen reaktor pertama menjadi aliran umpan untuk reaktor kedua. sehingga definisi untuk konversi :
Konversi yang sesuai untuk kedua reactor diatas adalah:
Persamaan diatas dapat disusun ulang untuk mendapatkan persamaan laju aliran:
12
( )
Dan persamaan desain untuk PFR:
Substitusi FA2, dan diperoleh ( ) ( )
Karena FA0 adalah konstanta, maka turunannya akan menjadi nol dan dapat dihilangkan dari turunan untuk FA0X2:
( )
Mengintegrasikan atas kondisi batas PFR, maka: ∫ ∫
∫
Sehingga konversi untuk CSTR dan PFR yang dioperasikan secara seri pada T = 300K adalah Untuk CSTR ( ) ( )( )( ) ( ) ( )( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )
13 ( ) Untuk PFR ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ∫ ( ) ∫ ( ) ( )
Reaktor CSTR dan PFR dioperasikan secara Paralel
Untuk CSTR ( ) FA0 = 5 mol/min CA0 = 1 mol/dm 3 ( )( )( ) ( ) ( ) ( ) Untuk PFR FA0 = 5 mol/min CA0 = 1 mol/dm3 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ∫ ( ) ∫
14 ( ) ( )
Jadi bila CSTR dan PFR dioperasikan secara seri, maka konversi total (akhir) adalah 86.9%.
Sementara bila kedua reactor dioperasikan secara parallel, maka konversi di CSTR hanya sebesar 55.48% dan PFR 91,07% atau bila dirata-rata konversinya adalah 73.275%.
E. Reactor batch
Untuk reactor batch dengan konversi 90% pada fasa cair, maka Neraca mol
Pers laju reaksi rA = -k CACB , orde dua
Stoikiometri (V = V0) ( ) Digabungkan menjadi, ( )
Diintegrasikan, maka estimasi waktu reaksi adalah
( ) CA0 = 2 mol/dm3 ; k = ; X = 0.9 ( ) ( )( )
Jika diasumsikan waktu yang dibutuhkan pada reactor batch untuk mengisi, mengosongkan dan memanaskan reactor adalah 3 jam, maka total waktu yang dibutuhkan per batch nya adalah 4 jam. Sehingga dalam satu hari reactor beroperasi sebanyak 6 batch per hari.
15 ( ) ( ) ( ) ( ) Sehingga ( ) ( )
Dari tabel 1-1, maka reactor yang digunakan adalah reactor dengan ukuran 500 gallon, dimana harga reactor tersebut adalah $70,000.- (harga tersebut pada tahun 2004)
F. Pelajaran yang dapat diambil dari problem diatas adalah: Problem Utama Pemilihan Reactor
Berdasarkan penjelasan diatas, maka yang mempengaruhi dalam pemilihan reactor adalah :
1. Besarnya konversi yang diinginkan
2. Kondisi operasi (dalam hal ini adalah temperatur) 3. Biaya (Cost)
4. Faktor Teknis, lingkungan, safety.
Penjelasan tentang yang dipelajari dari permasalahan diatas
1. Proses design, meliputi :
Pemilihan bentuk dan tipe reaktor
Penentuan ukuran reaktor (dalam hal ini volume reaktor)
2. Pembagian reaktor berdasarkan aliran fluidanya
Reaktor Batch
16
Reaktor Alir
3. Perancangan reaktor Batch
Asumsi : tidak ada material yang masuk dan keluar
Total waktu siklus dalam operasi reaktor batch tergolong lama, sewaktu hingga kita perlu memperhitungkan waktu yang
dibutuhkan untuk mengisi (tf) dan mengosongkan (te) reaktor, dan waktu yang dibutuhkan untuk membersihkan reaktor batch
dengan demikian waktu siklus reaktor batch (tt) dapat ditulis :
Ttotal = tf + te + tc + tu + tr
4. Temperatur pada reactor sangat berpengaruh terhadap laju reaksi, dimana ditunjukkan dari soal poin (b) dan (c). Saat temperature dinaikkan, kecepatan reaksi meningkat sehingga waktu yang dibutuhkan untuk reaksi semakin pendek. Sebaliknya saat temperature reactor diturunkan, reaksi berjalan lambat sehingga waktu yang dibutuhkan semakin lama.
5. Jenis reaktor akan berpengaruh terhadap konversi dan volume dari reactor. Ini ditunjukkan dari soal poin (a). Dimana untuk mendapatkan konversi diatas 95%, volume reactor yang dibutuhkan untuk CSTR lebih kecil jika dibandingkan dengan volume yang dibutuhkan pada reactor PFR.
6. Pemilihan reaktor berdasarkan Lokasi
Pemilihan lokasi pabrik secara umum bisa dikelompokkan berdasarkan dua alasan pemilihan, mendekati tempat bahan baku berada
17
atau mendekati tempat pasar berada. Alasan pemilihan tersebut perlu mempertimbangkan biaya pengiriman dan transportasi, sarana dan prasarana di daerah sekitar serta kebijakan pemerintah daerah setempat.
Pada akhirnya pemilihan lokasi mendekati bahan baku atau mendekati pasar juga berdasarkan keuntungan ekonomi (profit) dan keuntungan sosial kemasyarakatan (benefit) dari akibat pemilihan lokasi.
