NERACA ENERGI DI REAKTOR KIMIA

NERACA ENERGI DI REAKTOR KIMIA

Dr. Ir. Melia Laniwati Gunawan, M.Sc Dr. Ir. IGBN Makertihartha Dr. Jenny Rizkiana Dr. Haryo PW dan Fadhli, MT.

Program Studi Teknik Kimia FTI – ITB 2021

Contoh 1

Konversi Kesetimbangan

0 298

0 298

14130 / 75300 /

konstan

A R

A R

G J mol

H J mol

Cp Cp

⎯⎯→

⎯⎯

 = −

 = −

= =

Reaksi elementer fasa cair:

Tampilkan pengaruh temperatur pada konversi kesetimbangan.

jawab

2

1

2 1

T

r r p

T

H H C dT

 =  +  

0

298

75300 /

H

r

H J mol

 =  = −

Karena C

_p

konstan, maka:

Evaluasi panas reaksi:

Evaluasi tetapan kesetimbangan:

( )( )

0 298 298

14130

exp exp 300

8,134 298 K G

RT

 

  

=   −   =       =

Karena panas reaksi bukan merupakan fungsi T, maka persamaan tetapan

kesetimbangan sebagai fungsi T adalah:

298

298

+3

1 1

ln 8, 314 298

1 1

exp 8, 314 298 75300 1 1 300 exp

8, 314 298 9.0570x10

300 exp 30, 3927

r

r

K H

K T

K K H

T

K T

K

  

= −  − 

−  

=   − 

  

=   − 

 

=  − 

Evaluasi konversi

kesetimbangan sebagai fungsi T

( ) (

⁰

)

0

1

1

A Ae

R

A A Ae

Ae

C X K C

C C X

X K

K

= =

−

= +

Reaksi :

A R

0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

Konversi Kesetimbangan

Kurva Konversi Kesetimbangan (X_Ae ) sebagai fungsi T

Contoh 2

Laju-Konversi-Temperatur dari Data Kinetika

⚫ Kondisi sama dengan Contoh 1.

⚫ Dimulai dari larutan bebas R. ( keadaan awal hanya ada reaktan A)

⚫ Percobaan kinetika pada reaktor Partaian:

⚫ Pada 65 ^oC : t = 1 menit, → X = 58,1%

⚫ Pada 25 ^oC : t = 10 menit, → X = 60%

⚫ Laju reaksi berorde pertama.

Buat gambar profil: Laju reaksi – Konversi - Temperatur

Hitung tetapan laju reaksi kimia :

( )

1

-1 1,338

o

-1

1 menit 0, 581

0,89 ln 1 0,89 0, 942 menit

dengan cara yang sama untuk 25 C:

0, 0909 menit k

k

k

 

= −  − 

 

=

=

T₁ = 338 K & t= 1 mnt

→ X = 0,581

T₂ = 298 K & t= 10 mnt

→ X = 0,60

Jawab :

Unjuk Kerja Reaktor Partaian :

0 0

1 2 1 0

1

1

1

ln 1

XA

A A A

A A

A A R A

Ae

A

Ae Ae

dX dX dX

t C C

r k C k C k X

X

k t X

X X

= = =

− − −

 

= −  − 

 

  

( )

( )

10 1,338

1,298

10

10

1 2

exp 338

0, 942 0, 0909

exp 298

34 6

48900 J/mol

A

A

A

k E k R

k E

k R

k E

E k k

K

 

 − 

 

= =

 

 − 

 

= +

=

=

Persamaan Laju Reaksi



 −

=



 −

=

−

=

−

=

k RT K RT

C k

C k C r

K C _{A A R}

AE RE

48900 34

, 17 exp

7 , 75300 24

exp

1

2 1

A R

k₁ k₂

R = 8,134 J/mol

1

2 1 2

1

2

;

75300

exp 24, 30

48900 exp 17, 2

123800 exp 41, 9

k RE

A R A R

k AE

A R K C r r k C k C

C

K RT

k RT

k RT

⎯⎯→ = − = = −

⎯⎯

 

=  − 

 

=  − 

 

=  − 

Kurva Konversi – T pada berbagai -r_A

Reaktor Adiabatik

⚫

RTIK atau RAS

⚫

Konversi = X

_A

.

input = output + akumulasi + hilang energi akibat reaksi

( )

( ) ( ) ( )( )

' '

1 1 1

" ' " '

2 2 2 1 2 1

Entalpi masuk reaktor:

Entalpi keluar reaktor:

1 1

p

A A p A p A

H C T T

H X H X C T T X C T T X

= −

+ − = − + − −

T₁

H₁^’ X_A0

T₂ H’₂ H”₂ X_A

Dalam keadaan tunak

( ) ( )( )

" '

2 1 2 1

0 = C

_p

T − T X

_A

+ C

_p

T − T 1 − X

_A

+  H X

_{r A}

( )

( ) ^{( )} ( )

' '

2 1

" ' " '

1 2 1 1

'

2

p p

A

r p p r p p

p A

r

C T T C T

X H C C T T H C C T

C T

X H

− 

= =

− − − − − − − 

= 

−

^{Hr2 =Hr1+(C”p-C’p)T}

Aluran antara ∆T Vs X

_A

A

r

r

X Cp T

H slope Cp

H

= 

−

= −

Endoterm Eksoterm

Jenis Reaktor Terbaik

⚫

Yang meminimalkan V/F

_Ao

diperoleh langsung dari grafik X

_A

vs T.

⚫

Jika laju reaksi berkurang secara progresif

dengan bertambahnya konversi, gunakan RAS.

⚫

Reaksi Endotermal

⚫

Isotermal

⚫

Untuk reaksi eksotermal:

⚫

Slope kecil: RTIK

⚫

Slope besar: RAS

Contoh 3

Unjuk Kerja Reaktor Pipa

Data dan kondisi seperti untuk kasus reaksi sebelumnya, namun diselenggarakan pada reaktor Pipa Ideal (reaksi eksoterm)

Hitung waktu ruang dan volume reaktor yang dibutuhkan

untuk konversi sebesar 80%, F

_Ao

= 1000 mol/menit, dan C

_A0

= 4 mol/liter.

Temperatur max = 95 °C.

Evaluasi Waktu Ruang Minimum

⚫ Gambar lokus konversi maksimum pada Kurva X_A-T.

⚫ Gambarkan kurva X_A-(1/r_A).

⚫ Hitung waktu ruang

( )

0,8

0 0 0 garis optimum ABCDE

0, 405 liter/mol.menit 1, 62 menit

405 liter

A

A A A

V dX

C F r

V





= = =

−

=

=



F_Ao = 1000 mol/menit C_A0 = 4 mol/liter.

Profil Temperatur di Sepanjang Reaktor

Contoh 4

Unjuk Kerja RTIK

Sistem reaksi yang sama:

C_A0

= 4 mol/liter, F

_A0

= 1000 mol/menit Konversi = 80%

Cp_A

= 250 cal/mol.K

∆H

_r

= 18000 cal/mol

1. Volume reaktor?

2. Heat duty? Jika umpan yang tersedia pada temperatur 25

o

C

Volume reaktor:

Gambar X

_A-T dapat digunakan dengan mengalikan seluruh

harga laju alir dengan 4, karena

C_A0,awal

= 1 mol/liter (yg digunakan untuk menggambar)

Dalam kasus ini, C_A0

= 4 mol/liter

Kondisi operasi:

Nilai optimum pada titik 80%

-r

_A

= 0,4

mol/menit.liter

(

₀

) (

¹⁰⁰⁰

)(

^0,8

)

(mol/menit)

0, 4 (mol/menit.liter) 2000 liter

A A

A

V F X

r V

= =

−

=

Heat duty

250 1

18000 72

slope = =

Precooler:

(250)(20) 5000 kal/mol A

(5000)(1000) 5000000 kal/menit 348, 7 kW

Postcooler:

(250)(37) 9250 kal/mol A

AB AB AB

Q Q Q

Q

= =

= =

=

= =

1

2

A

Cp T Q

X Hr

=  −

−

Neraca Energi :

slope Cp

= Hr

−

( T = 25-4.4  20 K)

( T = 62-25  37K)

Aspek Energi dan

Neraca Energi

Kelakuan Arrhenius

⚫

dimana m = 0, ½, 1

⚫

Jika m = 0, maka persamaan di atas berkorespondensi dengan teori Arrhenius klasik;

⚫

jika m = ½, persamaan di atas diturunkan dari teori tumbukan bimolekular fasa gas yang bereaksi satu sama lainnya;

⚫

jika m = 1 persamaan di atas berkorespondensi dengan teori kompleks teraktifkan.

 

 

  −

= RT

T E k

k

_o ^m

exp

⚫

Laju reaksi yang diturunkan dari teori tumbukan bimolekular dapat digambarkan oleh persamaan:

 

 

 −

 

 



 +

= RT

E M

M

M RT M

C C

r

B A

B A

AB B

A

8 exp

12

2





dimana M_A, M_B adalah berat molekul A dan B, sedangkan



_AB adalah diameter tumbukan.

⚫

Laju reaksi kimia yang diturunkan dari teori kompleks teraktifkan dapat digambarkan oleh persamaan

^:



 

−

= k T G

C C

r ^{b A B}

#



exp



Kelakuan Arrhenius

⚫

Pada umumnya, plot ln(k) versus T

^-1

adalah linear.

Gambar 6.1

Kelakuan Normal plot Arrhenius dari Reaksi Sangat Endotermal (J.P. Monat et.al., “Seventeenth Sympo-sium (International) on Combus-tion”, The Combustion Intitute, Pittsburgh, 1979,

Kelakuan Arrhenius

⚫

Tidak seluruh reaksi akan memperlihatkan kelakuan Arrhenius normal.

⚫

Reaksi kompleks akan memiliki harga E yang berbeda pada setiap tahap elementernya.

Sebagian besar reaksi elementer menunjukkan kelakuan yang sesuai dengan hukum Arrhenius.

Namun reaksi bimolekular fasa gas pada tekanan

rendah memperlihatkan penyimpangan dari

Gambar 6.2

Reaksi Elementer yang

Menyimpang dari Kelakuan Arrhenius (A, Fontijn dan W.

Felder, J. Chem. Phys., 67,

Gambar 6.3

Reaksi Elementer yang Memiliki Energi Pengaktifan Mendekati Nol.

Energi Aktivasi = 0

Energi Aktivasi Berubah +/-

Gambar 6.4

Energi Pengaktifan dari Sebuah Reaksi Elementer yang Berubah Dari Positif Menjadi Negatif pada Temperatur Tertentu (E. Wurzburg dan P.L. Houston, J. Chem. Phys., 72, 1, 1980)

Energi Aktivasi = f(T) ?

⚫

Menurut teori kompleks teraktifkan, G

^#

dapat dianggap sebagai energi pengaktifan yang bergantung secara

langsung pada temperatur:

#

#

#

H T S

G

E   =  − 

 

  

 −

= S H

T k

k

#

#

exp

Temperatur Optimal pd Reaktor Isothermal

⚫

Pada reaksi kompleks, temperatur optimal selalu dihubungkan dengan perolehan maksimal dari

produk reaksi yang diinginkan.

⚫

Sering kali pertimbangan konsumsi energi untuk

reaksi tidak begitu diperhatikan, namun menentukan kondisi isotermal terbaik bagi operasi sebuah reaktor tetap menjadi sebuah kegiatan pokok yang sering

dilakukan oleh seorang insinyur teknik kimia.

Contoh

⚫

Reaksi ini diselenggarakan dalam sebuah reaktor tangki ideal berdensitas tetap.

⚫

Untuk mengetahui temperatur reaksi yang

menghasilkan perolehan produk P yang maksimal, diperlukan beberapa observasi.

f

r

k

A ⎯⎯ ⎯⎯→

k

P

⚫

E

_f

>E

_r

⚫ maka biasanya reaksi tersebut adalah reaksi endotermik.

⚫ Temperatur reaksi terbaik adalah temperatur yang setinggi mungkin.

⚫

E

_f

<E

_r

⚫ maka reaksi tersebut eksotermik

⚫ Kesetimbangan reaksi akan bergeser ke kanan jika

temperatur reaksi diturunkan, namun juga menurunkan laju reaksi ke arah kanan.

⚫ T rendah mungkin akan memaksimalkan jumlah mol P yang terbentuk per mol jumlah A yang bereaksi, C_P,out/(C_A,in –

C_A,out).

⚫ Temperatur rendah tidak memaksimalkan jumlah P yang dapat dihasilkan.

⚫

Evaluasi konsentrasi keluaran reaktor dilakukan dengan menyusun neraca massa komponen A dalam RTIK berikut:

(

_{, ,}

) ⁰

,

,_in

−

_{out A out}

+

_{r P out}

−

_{f A out}

=

A

in

C Q C V k C k C

Q

⚫

Jika densitas media reaksi tetap, maka Q

_in

= Q

_out

= Q, sehingga waktu tinggal  dapat dihitung sebagai V/Q. Konsentrasi A keluaran reaktor dapat dihitung

dari: _{− =}

( )

, , , ,

0

P out r P out f A in P out

C +  ^  k C − k C − C ^  =

f r

in A f

out

P k k

C C k







+

= + 1

, ,















 



−

 +



 

 − +



 



 −

=

RT k E

RT k E

RT k E

C C

f f

o r

r o

f f

o in A out

P

exp exp

1

exp

, ,

, ,

,





Jika Er > Ef, maka temperatur optimal yang menyebabkan konsentrasi P

maksimal dievaluasi dengan

mengevaluasi dC_P,out/dT = 0, sehingga

diperoleh: _^_^

(

⁻

)

_^_^

= −



f r opt

k E

E R E

T E

ln

Strategi Penyelesaian

⚫ Pendekatan yang sama juga dilakukan dalam

mengevaluasi temperatur reaksi optimal pada reaktor partaian atau RAS.

⚫ Namun, sering kali penentuan temperatur optimal harus dilakukan secara numerik, karena kompleksitas

persamaan neraca massa yang dihasilkan ketika variabel temperatur harus dipertimbangkan.

Contoh

⚫ Jika reaksi ini diselenggarakan pada reaktor partaian, dan diketahui k_f = 10⁸e^-5000/T detik^-1 dan k_r = 10¹⁶e^-10000/T detik^-1,

dimana T dalam K, hitung temperatur optimal yang menyebabkan perolehan maksimal produk P pada waktu reaksi 1 detik.

f

r

k

A ⎯⎯ ⎯⎯→

k

P

⚫ Neraca massa P dalam reaktor partaian:

( )

(

f r

)

P f Ao

P

P r

P Ao

f P

r A

f P

C k

C k

dt k dC

C k

C C

k C

k C

dt k dC

= +

+

−

−

=

−

=

⚫ Penyelesaian persamaan ini adalah:

( ( ) )

r f

t k k

f Ao

P

k k

e k

C C

r f

+

= −

+

1

−

Untuk mencari harga temperatur optimal yang menyebabkan perolehan P yang maksimal digunakan metoda optimasi. Dengan menggunakan rutin optimasi yang ada pada perangkat lunak MATLAB^®, temperatur optimal yang diinginkan dapat dievaluasi.

Contoh

⚫

Sebuah reaksi kompleks yang diselenggarakan pada sebuah reaktor tangki ideal dapat ditulis sebagai:

⚫

Tentukan temperatur optimum yang menyebabkan produk B maksimal pada waktu tinggal 1 jam, jika diketahui

k

₁

= 10

¹⁵

e

^-12000/T

jam

^-1

dan k

₂

= 10

¹⁶

e

^-15000/T

jam

^-1

.

Anggap densitas media reaksi tidak berubah selama reaksi berlangsung.

C B

A ⎯ ⎯→

^k1

⎯ ⎯→

^{k 2}

⚫

Neraca massa komponen A :

, , 1 ,

, ,

1

0

1

A in A out A out

A in A out

QC QC Vk C C C

 k

− − =

= +

⚫

Neraca massa komponen B :

( )( )

, , 1 , 2 ,

1 ,

,

1 2

0

1 1

B out B in A out B out

A in B out

QC QC Vk C Vk C

C k C

k k



 

− + − =

= + +

k₁ = 10¹⁵ exp (- 12000/T) jam^-1

Persoalan optimasi:

⚫

Fungsi obyektif yang akan dimaksimalkan adalah C

_B,out

/C

_A,in

atau meminimalkan harga C

_A,in

/C

_B,out

. Dengan perangkat lunak MATLAB

^®

, temperatur

optimum dapat dihitung dengan menggunakan rutin optimasi yang ada.

⚫

Temperatur optimum yang menyebabkan perolehan B maksimal pada waktu tinggal,  = 1 jam adalah

⚫ T_opt = 377.00 K

Neraca Panas pada Reaktor

⚫ Secara umum neraca panas dalam keadaan tunak pada sebuah reaktor dapat ditulis

sebagai berikut: Panas yang dihasilkan akibat reaksi kimia

Entalpi masuk

Entalpi keluar

Panas yang dikeluarkan melalui proses perpindahan panas

0 panas

n perpindaha

proses melalui

n dikeluarka yg

Panas

kimia reaksi

dari terbentuk

yg Panas

keluar Entalpi masuk

Entalpi

=

















−

















 +



 



− 



 





Neraca Panas

⚫

Sering kali entalpi masuk ke dalam reaktor maupun entalpi keluar reaktor dinyatakan dalam:

(

ext

)

ext out

out out

R in

in

in

H H r V Q H U A T T

Q  −  ˆ =  + ˆ ˆ −

( )

 ^

=



Reaksi

ˆ

ˆ

_{R i i}

R

r H r

H

out out

in in

pT C

H

pT C

H

=

=

Reaktor Tangki Non-isothermal

⚫

Neraca massa komponen A:

⚫

Neraca energi reaktor:

out A

out A

in A

in

C r V Q C

Q

_,

+ =

_,

(

_{out ext}

)

ext out

out out

R in

in

in

H H r V Q H UA T T

Q  −  ^ˆ =  + −

Some points to be thought

⚫

Penyelesaian persamaan aljabar ini harus diselesaikan secara bersama-sama karena seluruh persamaan yang ada dihubungkan satu dengan lainnya oleh parameter konsentrasi dan temperatur.

⚫

Variabel signifikan yang dipengaruhi oleh konsentrasi dan temperatur adalah laju reaksi kimia.

⚫

Walaupun sifat-sifat fisik media reaksi juga dipengaruhi

oleh konsentrasi dan temperatur, namun laju reaksi kimia merupakan variabel proses utama yang harus

diperhatikan dalam mengevaluasi kinerja reaktor.

Contoh

⚫ Evaluasi kondisi keadaan tunak dari sebuah reaksi polimerisasi styrene yang diselenggarakan pada sebuah RTIK dengan waktu tinggal 2 jam. Densitas media reaksi dianggap tetap selama

reaksi berlangsung. Monomer yang diumpankan ke dalam RTIK memiliki temperatur 300 K, dan reaksi dilangsungkan pada

kondisi adiabatik (UAext = 0), serta reaksi mengikuti pseudo orde pertama dengan harga tetapan laju reaksi sebagai fungsi temperatur dapat digambarkan dengan persamaan Arrhenius

:

1 - 10

10000 jam

exp

10  

 −

=

k

Jawab:

⚫ Neraca massa (a) : ^⚫ Neraca energi (b):

0 10000

exp 10

2 1

1 atau

10000 exp

10

, 10 ,

, 10

, ,

=



 



− +

 −













 =



 



−

−

out in

A out A

out A out

out A in

A

x T C

C

T QC VC

QC _out

out R

out A

in Q CpT

V T H C

CpT

Q  = 



 



−



− 10000

exp 10¹⁰

,

, , 10

,

10000

2 10 exp 0

A in R A out

in out

A in out

C H C

T x T

Cp C T



 

−   

 

+   − − =



 



 − 

=

 Cp

H T_adiabatis C^{A in R}



Jika didefinisikan: ,

⚫

dan diketahui bahwa T

_adiabatis

untuk polimerisasi

styrene ini adalah 400 K, maka neraca energi dapat ditulis :

, 12

,

10000

8 10 exp 0

A out

in out

A in out

T C x T

C T

   

+   −  − =

⚫ Dengan menyelesaikan sistem persamaan aljabar (a / Neraca massa) dan (b / dari neraca energi), parameter (C_A,out/C_A,in) dan T_out dapat dihitung.













in A

out A

C C

,

Kondisi ,

T

_out

[K]

1 0,9999 300,03

2 0,7406 403,74

Jawab

⚫ Keberadaan kondisi meta-stabil ini sangat umum terjadi pada sebuah reaksi yang sangat eksotermik yang diselenggarakan pada reaktor

tangki.

⚫ Namun, umumnya hanya terdapat satu kondisi tunak yang terjadi pada sistem reaksi jenis ini. Pada proses polimerisasi styrene,

keberadaan tiga kondisi tunak ini hanya terbatas pada rentang T













in A

out A

C C

,

Kondisi ,

T

_out

[K]

1 0,9999 300,03

2 0,7406 403,74

3 0,0001 699,97

Titik stabil di mana tidak terjadi konversi A

Titik meta-stabil

Titik stabil di mana terjadi konversi total

Catatan tentang kondisi Stabil

⚫

Lokasi dan jumlah kondisi stabil ini juga akan berubah

dengan memvariasikan harga panas yang dipindahkan ke luar,

UA_ext(T_out – T_ext).

⚫

Pada keadaan tunak, jumlah panas yang dihasilkan oleh reaksi kimia harus tepat sama dengan jumlah panas yang diabsorb dan dipindahkan ke lingkungan.

















=

















lingkungan ke

n dipindahka

dan entalpi

perubahan akibat

diserap yang

Panas

kimia reaksi

oleh dihasilkan

yang Panas

Kondisi Stabil

Panas yang dipindahkan ke

lingkungan

Panas yang dihasilkan oleh

reaksi kimia

Kondisi tunak “atas Kondisi meta-stabil

Kondisi tunak “bawah”

Panas yang dihasilkan atau panas yang dipindahkan ke lingkungan

Catatan ttg Kondisi Stabil

⚫

Gradien arah dan intercept dari garis hilang panas ke lingkungan dapat diubah-ubah dengan

memanipuasi variabel operasi seperti Q, T

_in

dan T

_ext

atau variabel perancangan seperti UA

_ext

/Q  Cp.

⚫

Besarnya eksoterm reaksi dapat dimanipulasi

dengan mengubah-ubah konsentrasi reaktan.

Contoh

⚫

Untuk mencapai berat molekul yang diinginkan pada polimerisasi styrene, reaksi polimerisasi harus

dilakukan pada temperatur 413 K. Untuk menjaga agar temperatur reaksi tetap berada pada

temperatur ini, digunakan pendingin dengan temperatur air pendingin T

_ext

.

⚫

Perlihatkan hubungan antara variabel perancangan UA

_ext

/  QCp dengan temperatur T

_ext

(variabel

operasi).

Jawab

⚫ UA_ext/QCp disebut sebagai variabel perancangan.

⚫ T_ext disebut sebagai variabel operasi yang harus dimanipulasi agar Tout = 413 K.

⚫ Persamaan aljabar yang harus dievaluasi adalah:

⚫ Neraca massa

⚫ Neraca energi

Neraca massa dan energi

⚫

Neraca massa:

⚫

Neraca energi:

0 10000

exp 10

2 1

1 atau

10000 exp

10

, 10 ,

, 10

, ,

=



 



− +

 −













 =



 



−

−

out in

A out A

out A out

out A in

A

x T C

C

T QC VC

QC

( _{out ext} )

ext out

out R

out A

in Q CpT UA T T

V T H C

CpT

Q  = + −



 



−



− 

 _, 10¹⁰ exp ¹⁰⁰⁰⁰

( )

, , 10

,

10000

2 10 exp 0

A in R A out ext

in out out ext

A in out

C H C UA

T x T T T

Cp C T QCp

 

 

−   

 

+    −  − − − =

Variabel Perancangan (UA

_ext

/  ^{QCp) vs T}

_ext

406 407 408 409 410 411 412 413

Variabel Perancangan vs Temperatur Pendingin

Temperatur Pendingin [K]

Catatan ttg Variabel Perancangan

⚫ Harga variabel perancangan UA_ext/QCp cenderung menurun dengan semakin besarnya volum reaktor.

⚫ Densitas , kapasitas Cp serta koefisien pindah panas U dapat dianggap tidak bergantung pada skala reaktor. Namun luas

permukaan pindah panas A_ext serta laju alir volumetrik Q sangat dipengaruhi oleh skala reaktor.

⚫ Jika L adalah dimensi dari salah satu skala dimensi reaktor, misalnya diameter reaktor, maka A_ext akan bertambah besar sebanding

dengan L²; sedangkan Q akan bertambah besar sebanding dengan L³ karena biasanya waktu ruang  dibuat tetap.

⚫ Dengan demikian, variabel perancangan UA_ext/QCp akan bervariasi sebanding dengan L^-1 dan perpindahan panas eksternal akan jauh lebih kompleks dengan bertambahnya volum reaktor.

Catatan ttg Perancangan

⚫

Untuk merancang tangki berukuran besar, seorang

insinyur perancangan memiliki tiga pilihan yang harus dilakukan :

⚫ Menganggap operasi diselenggarakan secara adiabatis.

⚫ Rancang peralatan perpindahan panas internal atau peralatan perpindahan panas eksternal sedemikian rupa sehingga A_ext

bertambah besar sebanding dengan L³.

⚫ Menggunakan mekanisme auto-refrigerasi (misalnya pendinginan dengan penguapan) sehingga peristiwa

Reaktor Aliran Sumbat (Reaktor Pipa) Non-isotermal

qⁱⁿ =  QH q^out =  QH + d( QH) z / dz q^lost = UA(T - T^ext) z

q^reaksi = -H^RrA^c z

z z+z

Neraca Energi pada Volum Tilik Acz

⚫

=  uH atau fluks panas dalam satuan Jm

^-2

detik

^-1

.

( )

^{z UA}

(

^{T T}

)

^z

dz QH QH d

z rA

H

QH −  _{R c} =  +   + _ext^' − _ext 



( ) ( ) (

_ext

)

c ext R

c c

c c

T A T

r UA dz H

A d

A dz

H u A

d

A  = − − −

= 1 ^'

1



Evaluasi Reaktor

⚫ Persamaan neraca energi ini diselesaikan bersama-sama

dengan neraca massa komponen untuk mendapatkan distribusi konsentrasi di sepanjang reaktor.

⚫ Distribusi:

⚫ C

⚫ T

⚫ P atau laju alir

Evaluasi Reaktor

⚫

Neraca Massa

⚫

Neraca Energi

( ) ( ) ( )

A A

C C

A C

A r

dz C u A d A dz

QC d

A dV

QC

d = 1 = 1 =

( ^{C A} ) _{A C A} ( _{C A} )_o

C

A A

z dz r

A d

A  = =  = 

; 0 pada

1

( ) ( ) (

_ext

)

c ext R

c c

c c

T A T

r UA dz H

A d A

dz

H u A

d

A  = − − −

= 1 ^'

1 

( )

r U

dT − H − −

= 2

Contoh

⚫ Reaksi perengkahan hidrokarbon adalah reaksi endotermik.

Temperatur masukan reaktor memiliki batas maksimal

tergantung pada material reaktor dan reaksi samping yang mungkin terjadi seperti misalnya peristiwa coking. Misalkan

temperatur masukan reaktor ditetapkan sebesar T_in, sehingga temperatur media reaksi di sepanjang reaktor T_z < T_in dan

temperatur ini akan secara gradual turun seiring dengan terjadinya reaksi kimia di sepanjang reaktor. Penurunan

temperatur ini, yang dapat mengakibatkan turunnya laju reaksi

kimia, dapat diminimalkan dengan cara penambahan inert dalam jumlah yang besar.

⚫ Laju reaksi perengkahan suatu hidrokarbon dapat dinyatakan dalam persamaan:

CA

r T 



 



 



 

−

= 24000

exp

10¹⁴ gram m^-3detik^-1

⚫ Diketahui bahwa reaksi diselenggarakan pada sebuah reaktor pipa adiabatis dan memiliki waktu tinggal sebesar 3 detik. Beberapa

besaran proses berikut telah diketahui, seperti misalnya komponen reaktan memiliki kapasitas panas rata-rata 0,4 kalori.gram^-1.K^-1, dan komponen inert memiliki kapasitas panas rata-rata sebesar 0,5

kalori.gram^-1.K^-1, konsentrasi komponen reaktan pada masukan

reaktor sebesar 132 gram.m^-3, konsentrasi inert sebesar 270 gram.m^-3, temperatur masukan reaktor 525 °C, panas reaksi H = 203

⚫ Contoh ini adalah contoh sederhana, dimana seluruh sifat-sifat fisik media reaksi dianggap bukan sebagai fungsi temperatur dan konsentrasi. Dalam contoh ini, waktu reaksi dapat

digunakan sebagai substitusi dari operator diferensial z, posisi aksial.

A A

A r

dt dC dz

u dC = =

Cp r H

dt

dT _R





= −

dimana C_A dalam gram.m^-3.

Perhatikan bahwa  dan Cp adalah sifat-sifat fisik dari media reaksi,

= 132 + 270 = 402 gram.m^-3;

Cp = [0,4(132) + 0,5(270)]/402 = 0,467 kalori.gram^-1.K^-1.

Hasil Simulasi

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3

720 730 740 750 760 770 780 790 800

Distribusi Temperatur

Waktu reaksi [detik]

Temperatur reaksi [K]