Kuliah TA Perancangan Reaktor. Oleh: Damayanti, S.T., M.Sc. Dr. Jabosar R. H. Panjaitan, S.T., M.T.

Perancangan Reaktor

Oleh:

Damayanti, S.T., M.Sc.

Dr. Jabosar R. H. Panjaitan, S.T., M.T.

Reaktor Kimia

Reaktor Ideal

Batch

(Partaian) Kontinyu

Reaktor

Pipa Ideal Reaktor Tangki Ideal

•

Reaktor adalah wadah tempat berlangsungnya reaksi kimia

•

Reaktor merupakan salah

satu unit operasi teknik

kimia di mana terjadi

reaksi bahan baku mejadi

produk



Dalam perancangan reaktor, beberapa tipe reaktor selalu dipakai di industri kimia antara lain reaktor batch (berpengaduk), reaktor alir tangki berpengaduk dan reaktor alir pipa.



Karena sering dipakai, ketiga tipe ini dalam pengoperasiannya dimodelkan dalam kondisi ideal. Hal ini dilakukan untuk memudahkan perancangan reaktor .



Pada kondisi ideal, reaktor batch berpengaduk dan reaktor alir tangki berpengaduk beroperasi perfectly mixed sehingga konsentrasi dan suhu sama pada setiap titik di reaktor. Selain itu, reaktor alir pipa akan dikatakan ideal apabila reaktan terkonsumsi mengikuti arah sumbu pipa reaktor alir pipa.



Oleh sebab itu, ketiga reaktor diatas sering disebut reaktor ideal.



Namun ada beberapa faktor yang dapat menyebabkan ketiga reaktor tersebut tidak

memenuhi kondisi ideal tersebut dan faktor ini tidak dapat diabaikan. Oleh sebab itu,

diperlukan bentuk pemodelan baru selain ketiga reaktor diatas. Reaktor model baru

inilah yang disebut reaktor non-ideal.

Reaktor Pipa Ideal

• Reaktan terkonsumsi di sepanjang reaktor akibat reaksi kimia

• Produk terbentuk di sepanjang reaktor akibat reaksi kimia

• Tidak ada pencampuran (dispersi) ke arah aksial (z)

• Terjadi pencampuran sempurna ke arah radial (r)

𝑧 𝑟

𝑄_𝑖𝑛, 𝐶_{𝐴,𝑖𝑛}, 𝑇_𝑖𝑛 𝑄_𝑜𝑢𝑡, 𝐶_{𝐴,𝑜𝑢𝑡}, 𝑇_𝑜𝑢𝑡

𝑧₁ 𝑧₁ + ∆𝑧

• Konsentrasi, temperatur dan seluruh sifat fisiko-kimia-transport-kinetika terdistribusi homogen ke arah radial.

• Layaknya sumbat yang mengalir.

• REAKTOR ALIRAN SUMBAT (RAS)

∆𝑉

Neraca Massa Reaktor Pipa Ideal

•

Konsentrasi dan seluruh sifat fisiko-kimia-transport-kinetika akan terdistribusi secara gradual di sepanjang reaktor, sehingga harus disusun sebuah neraca massa pada volume deskritif 

V.

•

Neraca massa komponen A pada reaktor pipa ideal dapat disusun dengan mengintegrasikan neraca massa deskritif tersebut di sepanjang pipa.

•

Untuk volume diskretif 

V yang tebalnya



z:

 ^{laju alir A input}   ^{+ laju pembentuka n A}   ^{= laju alir A output} 

( )

^{+  =} _^

( )

^{+ z}_^

dz z dC C

Q V r z

QC_{A A A} ^A

• Untuk densitas media reaksi tetap selama reaksi berlangsung, harga Q tetap di sepanjang reaktor

• Q = R²u

• V = R²z

Neraca Massa Reaktor Pipa Ideal

A A

A A

A A

A A

A A

A A

dz r u dC

dz z u dC R z

R r

dz z C dC

C u R z

R r

dz z C dC

u R z

R r uC R

=



=





 − + 

=





 + 

=

 +

2 2

2 2

2 2

2















•

Syarat batas:

• z = 0, C_A= C_A,in

• Harga C_A,outdihitung pada z = L

• Mengintegrasikan persamaan ini di sepanjang z akan menghasilkan distribusi konsentrasi di sepanjang reaktor.

• Jika diketahui:

• Model kinetika reaksi kimia

• Spesifikasi bahan baku (C_A,in)

• Panjang reaktor

• Dapat dihitung:

• Konsentrasi keluaran reaktor (atau)

• Konversi

𝑧 𝑧

𝐶_𝐴 𝑋_𝐴

𝐶_{𝐴,𝑖𝑛}

0,0 0,0

Dasar Perancangan Reaktor Pipa Ideal

•

Laju alir molar

•

Neraca massa Reaktor Pipa Ideal (RAS)

Jika:

𝐹

_𝐴

= 𝑄𝐶

_𝐴 ^• Satuan: mol/detik

• Terminologi ini sering digunakan dalam peneracaan massa.

( )

^{+  =} _^

( )

^{+ z}_^

dz z dC C

Q V r z

QC_{A A A} ^A

A A

A A

A A

dF dV

r

dF F

dV r F

=

+

= +

𝐹_𝐴 = 𝐹_𝐴0 1 − 𝑋_𝐴

𝑑𝐹_𝐴 = −𝐹_𝐴0𝑑𝑋_𝐴

𝐹

_𝐴0

𝑑𝑋

_𝐴

= −𝑟

_𝐴

𝑑𝑉

𝑉

𝐹

_𝐴0

= න

0 𝑋_{𝐴,𝑜𝑢𝑡}

𝑑𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

Jika diketahui:

• Model kinetika reaksi kimia

• Unjuk kerja yang diinginkan

• Spesifikasi/kapasitas bahan baku

volume reaktor yang dibutuh- kan dapat dihitung.

Dasar Perancangan Reaktor Pipa Ideal

• Volume reaktor pipa ideal dan waktu ruang yang dibutuhkan dapat dihitung dengan integrasi persamaan peracangan:

• Data yang dibutuhkan:

• Model laju reaksi kimia

• Laju alir molar mula-mula atau konsentrasi awal

• Unjuk kerja (konversi) yang diinginkan

𝑉

𝐹

_𝐴0

= න

0 𝑋_{𝐴,𝑜𝑢𝑡}

𝑑𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

𝜏

𝐶

_𝐴0

= න

0 𝑋_{𝐴,𝑜𝑢𝑡}

𝑑𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

Dasar Perancangan Reaktor Pipa Ideal

Volume Media Reaksi Tetap

• Jika volume media reaksi (densitas) tetap selama reaksi berlangsung, maka

• Volume reaktor atau waktu ruang dapat dievaluasi dengan persaman perancangan:

• Model perancangan reaktor adalah inter- relasi antar variabel² berikut:

• Kinetika reaksi kimia

• Koordinati reaksi (unjuk kerja reaktor)

• Laju alir umpan

• Volume reaktor

𝑑𝑋_𝐴 = −𝑑𝐶_𝐴 𝐶_𝐴0 𝜏

𝐶_𝐴0 = 𝑉

𝐹_𝐴0 = න

0

𝑋_𝐴𝑑𝑋_𝐴

−𝑟_𝐴

𝜏

𝐶_𝐴0 = 𝑉

𝐹_𝐴0 = − 1 𝐶_𝐴0න

𝐶_𝐴0 𝐶_𝐴𝑑𝐶_𝐴

−𝑟_𝐴

𝜏 = 𝑉

𝑄

₀

= − න

𝐶_𝐴0 𝐶_𝐴𝑓

𝑑𝐶

_𝐴

−𝑟

_𝐴

Volume Media Reaksi Berubah

• Persamaan perancangan:

• Jika volume (densitas) media reaksi berubah karena reaksi

diselenggarakan dalam:

• Fasa gas

• Reaksi non-equimolar

𝑉

𝐹

_𝐴0

= න

0 𝑋_{𝐴,𝑜𝑢𝑡}

𝑑𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

𝜏

𝐶

_𝐴0

= න

0 𝑋_{𝐴,𝑜𝑢𝑡}

𝑑𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

𝑉 = 𝑉

_𝑜

𝛽 1 + 𝜀

_𝐴

𝑋

_𝐴

𝛽 = 𝑃

₀

𝑇

𝑃𝑇

₀ ^{𝜀𝐴 =}

∆𝜗

−𝜗

_𝐴

𝑦

_𝐴0

Catatan

• Selesaikan persamaan perancangan dalam domain X_A.

• Nyatakan laju reaksi sebagai fungsi dari X_A.

• Persamaan diferensial yang dihasilkan untuk kasus nyata sering kali merupakan sebuah

persamaan diferensial tak-linier, yang memerlukan penyelesaian numerik (atau metoda grafik).

Reaktor Tangki Ideal

• Akibat pengadukan sempurna:

• Media reaksi tercampur/terdispersi secara sempurna di dalam reaktor tangki

• Seluruh sifat fisiko-kimia-transport-kinetika terdistribusi homogen di seluruh bagian reaktor

• Sifat-sifat fisiko-kimia-transport-kinetika media reaksi keluaran reaktor sama dengan media reaksi dalam reaktor

•

Neraca massa:

Laju alir 𝐴

masuk reaktor + Laju reaksi

pembentukan 𝐴 = Laju alir 𝐴 keluar reaktor

𝑄

_𝑖𝑛

𝐶

_{𝐴,𝑖𝑛}

+ 𝑉𝑟

_𝐴

= 𝑄

_𝑜𝑢𝑡

𝐶

_{𝐴,𝑜𝑢𝑡}

𝑄

_𝑖𝑛

𝐶

_{𝐴,𝑖𝑛}

+ 𝑉

_𝑅

𝑟

_𝐴

= 𝑄𝐶

_𝐴

𝐹

_{𝐴,𝑖𝑛}

+ 𝑉

_𝑅

𝑟

_𝐴

=𝐹

_𝐴

𝐹

_{𝐴,𝑖𝑛}

𝑋

_𝐴

= −𝑉

_𝑅

𝑟

_𝐴

𝑉

_𝑅

𝐹

_{𝐴,𝑖𝑛}

= 𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

𝜏

𝐶

_{𝐴,𝑖𝑛}

= 𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

Neraca Massa Reaktor Tangki Ideal

•

Neraca massa reaktor

𝑄𝐶

_𝐴

= 𝐹

_𝐴

𝐹

_𝐴

= 𝐹

_{𝐴,𝑖𝑛}

1 − 𝑋

_𝐴

• Variabel yang terlibat dalam persamaan perancangan ini:

• Volume reaktor

• Laju kinetika reaksi kimia

• Spesifikasi bahan baku (laju alir molar, laju alir volumetrik, konsentrasi awal)

• Unjuk kerja reaktor (konversi)

• Tiga variabel diketahui, variabel lainnya dapat dihitung

KonsentrasiReaktan

𝐶_{𝐴,𝑖𝑛}

𝐶_{𝐴,𝑜𝑢𝑡}

Titik umpan Titik keluaran di dalam reaktor

Neraca Massa Reaktor Tangki Ideal

Volume media reaksi tetap

•

Neraca massa reaktor tangki ideal

• Bila tidak ada perubahan densitas selama reaksi berlangsung, maka laju alir volum akan konstan

𝑄

_𝑖𝑛

𝐶

_{𝐴,𝑖𝑛}

+ 𝑉

_𝑅

𝑟

_𝐴

= 𝑄𝐶

_𝐴

𝑄𝐶

_{𝐴,𝑖𝑛}

+ 𝑉

_𝑅

𝑟

_𝐴

= 𝑄𝐶

_𝐴

𝐶

_{𝐴,𝑖𝑛}

+ 𝜏𝑟

_𝐴

= 𝐶

_𝐴

𝜏 = 𝑉

_𝑅

𝑄 = 𝐶

_{𝐴,𝑖𝑛}

− 𝐶

_𝐴

−𝑟

_𝐴

Volume media reaksi berubah selama reaksi berlangsung

• Jika volume/densitas media reaksi berubah selama reaksi berlangsung, maka berlaku:

• Karena densitas media reaksi berubah, maka laju alir volumetrik akan berubah selama reaksi

berlangsung.

𝐹

_{𝐴,𝑖𝑛}

+ 𝑉

_𝑅

𝑟

_𝐴

=𝐹

_𝐴

𝑉

_𝑅

𝐹

_{𝐴,𝑖𝑛}

= 𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

𝜏

𝐶

_{𝐴,𝑖𝑛}

= 𝑋

_𝐴

−𝑟

_𝐴

(

¹

)

o A A

Ao A

A oT

V V x

n n



 



= +

= 

−

• Laju reaksi r_Aharus

dinyatakan sebagai fungsi X_A dengan mempertimbangkan perubahan densitas selama reaksi berlangsung.

Tahap

Perancangan Reaktor

✓

Penentuan konstanta reaksi

✓

Menentukan laju reaksi

•

Algoritma Perancangan Dimensi Reaktor

✓

Penentuan volume reactor

✓

Penentuan tekanan design

✓

Penentuan ketebalan shell

✓

Perancangan head tangki

✓

Perancangan pengaduk

✓

Sambungan head dengan shell

✓

dll

•

Aksesoris Reaktor

✓

Penyangga reactor

✓

Pondasi

✓

Penentuan Manhole

✓

Perancangan isolasi reactor

✓

Nozzle dan Perpipaan

✓

dll

• Fogler, H.S., Elements of Chemical Reaction Engineering (5th ed)

• Levenspiel, O., 1999, Chemical Reaction Engineering, Third Edition, John Wiley and Sons, Singapore.

• Brownell, L.E. and Young, E.H., 1959, Process Equipment Design, John Wiley & Sons, New York

• Coulson, J.M. and Richardson, J.F., 1999, Chemical Engineering Design, Vol. 6, 3nd ed, Pergamon Press, Oxford.

• Geankoplis, C.J., 1982, Transport Process and Unit Operation, Allyn and Bacon, Inc., London.

• Kern, D.Q., 1965, Process Heat Transfer, International Student Edition, McGraw – Hill Book Co., Singapore.

• Perry, R.H., Green, D.W. and Maloney, J.O., 1984, Perry’s Chemical Engineers’ Handbook, McGraw – Hill, Singapore.

• Peter, M.S., Timmerhaus, K.D. and West, R.E., 2003, Plant Design and Economics for Engineers, 5th ed., Mc Graw Hill Book Co., Singapore.

• Walas, S.M., 1990, Chemical Process Equipment, Butterworths, London.

• Yaws, C.L., 1999, Chemical Properties Handbook, Mc Graw Hill, New York

• Peter, M.S., Timmerhaus, K.D. and West, R.E., 2003, Plant Design and Economics for Engineers, 5th ed., Mc Graw Hill Book Co., Singapore.

• TERIMA KASIH