Pada umumnya reaktor batch digunakan untuk reaksi fasa cair yang memerlukan waktu reaksi agak lama (proses fermentasi) atau proses dengan kapasitas produksi kecil (industri kedokteran atau pewarna). Pada reaksi fasa cair, reaksi umumnya dilakukan pada titik didih (suhu tertinggi) larutan untuk mencapai konversi optimal. Sedangkan untuk reaksi yang berlangsung dalam fasa cair, tekanan umumnya mempunyai pengaruh yang kecil terhadap laju reaksi.
Neraca Massa
Neraca Massa pada Reaktor Batch
Persamaan kesetimbangan massa diterapkan pada kesetimbangan mol komponen A pada reaktor batch, yang menyatakan bahwa setiap saat tidak ada bahan yang masuk atau keluar reaktor (FAo = FA = 0), sehingga persamaan berikut diambil sebagai dasar persamaan. desain reaktor batch. Pada reaktor aliran tangki berpengaduk, laju alir bahan (mol A/waktu) yang masuk (awalnya) dinyatakan dengan FAo dan keluar reaktor dinyatakan dengan FA. Aliran material pada reaktor aliran tabung dianggap sangat turbulen dan tidak ada distribusi konsentrasi pada arah radial, sehingga reaktor tersebut disebut reaktor aliran sumbat.
Neraca Massa pada Packed Bed Reactor
Volume reaktor yang dihasilkan dapat dinyatakan dengan panjang (tinggi) reaktor yang digunakan (L) dikalikan dengan luas penampang reaktor (Ac). Berat katalis (W) dapat dinyatakan sebagai volume reaktor (V) dikalikan densitas curah katalis yang digunakan (S).
Neraca Energi
Hukum Termodinamika Pertama
Energi (Ei) didefinisikan sebagai penjumlahan energi dalam (Ui), energi kinetik (ui2/2), energi potensial (g.zi) dan energi lain seperti energi magnet atau cahaya. Secara umum, dalam reaktor kimia, energi kinetik, energi potensial, dan energi lainnya dapat diabaikan dibandingkan dengan entalpi (Hi), panas yang dipindahkan (Q), atau usaha yang ditambahkan ke sistem (WS), sehingga dikeluarkan dari kaleng energi. menjadi. perbandingan.
Enthalpy
16 Jika tidak terjadi perubahan fasa dalam suatu reaksi kimia, entalpi bahan pada suhu T dinyatakan dalam persamaan (2.24) dengan kalor jenis senyawa pada suhu T yang dinyatakan dalam persamaan :.
Panas Reaksi
Aplikasi Neraca Energi 1. Neraca Energi pada RATB
Neraca Energi pada Adiabatic Tubular Reactor
Untuk menentukan waktu reaksi perlu dibuat neraca massa dan persamaan laju reaksi sesuai dengan reaksi yang terjadi pada reaktor batch. Selain itu, untuk menentukan banyaknya kalor yang dibutuhkan atau dikeluarkan juga diperlukan neraca kalor. Untuk reaksi yang terjadi pada reaktor batch, reaktan dimasukkan terlebih dahulu ke dalam reaktor dan selama reaksi tidak ada bahan yang masuk atau keluar dari reaktor, sehingga persamaan keseimbangan massa dapat dituliskan :. 0 (3.6) Proses yang terjadi dalam reaktor batch dapat berlangsung secara non-isotermal, isotermal (suhu konstan) atau secara adiab (Q=0) untuk proses yang diasumsikan tidak ada panas yang masuk atau keluar dari sistem.
Proses berlangsung adiabatis
Untuk menjamin proses berlangsung pada suhu tetap atau disebut isotermal (fixed T atau dT/dt = 0), artinya jika reaksi yang terjadi bersifat eksotermik maka selalu ada panas yang harus dikeluarkan dari reaktor. . sebesar Q. Kesetimbangan panas dalam reaktor batch jika prosesnya isotermal atau suhu konstan (dT/dt = 0) dapat dinyatakan dalam persamaan :. 3.12) Untuk menentukan nilai Q keseluruhan perlu diketahui bentuk persamaan laju reaksi (rA) sesuai dengan reaksi yang berlangsung. A + A } (3.15) Untuk menyelesaikan persamaan (3.15), terlebih dahulu perlu diketahui hubungan antara konsentrasi A pada suatu waktu (CA) dan waktu (t), yang dapat ditentukan dari neraca massa menurut persamaan (3.2).
Contoh Perancangan Reaktor Batch Contoh 3.1
Tentukan ukuran reaktor dan jumlah awal reaktan yang harus dimasukkan ke dalam reaktor untuk menghasilkan 100 lb/jam ester (butil asetat). Reaksi antara asam asetat (A) dan butanol (B) membentuk ester butil asetat (E) dan air (W) merupakan reaksi orde dua. Reaksi pembentukan etil asetat dari asam asetat dan etanol dengan bantuan katalis asam klorida dilakukan secara batch.
Neraca Massa
Dalam penyusunan neraca massa komponen (A dan B) pada RATB perlu ditentukan besarannya yaitu: laju alir volumetrik umpan (FVo), konsentrasi A dalam umpan (CAo), konsentrasi B dalam umpan. (CBo), dan umpan kepadatan larutan (o). Sebagai contoh, perhatikan reaksi reversibel (reversibel) pada fase cair homogen (A B), yang berlangsung secara isotermal (suhu konstan) dalam reaktor aliran tangki berpengaduk. Untuk proses yang terjadi secara isotermal dan menggunakan reaktor aliran tangki berpengaduk, dengan menyelesaikan persamaan (4.14), waktu tinggal dalam reaktor () dapat dihitung jika konstanta laju reaksi (k), konstanta kesetimbangan (Kc), dan konversi ( xA) telah diketahui.
Neraca Panas
A pada reaktor ke-m dinyatakan dalam xAi, konsentrasi komponen A yang masuk dan keluar reaktor dinyatakan: CAi-1= CAo(1–xAi-1) dan CAi= CAo(1– xAi), dan konsentrasi B setelah keluar dari reaktor: CBi= CAoxAi , maka waktu tinggal di dalam reaktor i (i) dapat dihitung berdasarkan persamaan :. Pada reaksi reversibel, perbandingan konstanta laju reaksi di sebelah kanan (k1) dan konstanta laju reaksi di sebelah kiri (k2) disebut tetapan kesetimbangan termodinamika, yang dinyatakan dengan Kc atau K. Untuk reaksi ireversibel, persamaan Konversi maksimum terjadi ketika keseimbangan tercapai, sedangkan secara umum konversi yang dapat terjadi dapat dianggap 80% - 90% dari konversi keseimbangan.
Reaktor Alir Tangki Berpengaduk dengan External Heater
40 Sebagian produk reaksi yang keluar dari reaktor pada laju alir (FR) tertentu dipanaskan dalam pemanas luar dan kemudian dikembalikan ke reaktor. Uap jenuh pada suhu TS dengan panas laten , dengan laju aliran massa uap S per satuan waktu. Konversi kesetimbangan (xe) dapat ditentukan jika mengetahui hubungan antara tetapan laju reaksi (k) dengan tetapan kesetimbangan (Kc) dan suhu.
Suhu di mana kesetimbangan tercapai dan jumlah konversi maksimum (x=xe) dapat ditentukan dari kedua persamaan ini. Persamaan (c) merupakan persamaan nonlinier pada variabel T. Nilai T sebagai akar persamaan nonlinier dapat dicari dengan berbagai cara, antara lain dengan metode Secant, metode Bisection, atau metode Newton-Raphson. Dari hasil perhitungan dengan metode Newton-Raphson diperoleh konversi kesetimbangan xe = 71,41% dan keadaan setimbang terjadi pada suhu 360,99K.
Berdasarkan data sesuai contoh 4.1, konversi yang terjadi pada reaksi isomerisasi butana normal (xA) adalah 0,6784 dan diketahui proses berlangsung pada suhu konstan (T=330 K), volume reaktor yang dibutuhkan. dapat ditentukan dengan menyiapkan neraca massa dengan menentukan jumlah reaktor yang digunakan. Dalam hal ini kita ingin menentukan kebutuhan reaktor yang dibutuhkan dengan harga yang relatif terendah atau termurah (mengoptimalkan jumlah reaktor). Penentuan volume reaktor (RATB) bila menggunakan satu reaktor atau lebih dari satu reaktor (dua, tiga, dan empat) yang disusun secara seri dijelaskan sebagai berikut.
Apabila digunakan dua reaktor
45 Nilai xA1 dapat dihitung dengan metode Newton-Raphson (menentukan akar persamaan non-linier) menggunakan Excel sehingga diperoleh nilai xA1= 0,5137 dan waktu retensi dalam jam.
Apabila digunakan tiga reaktor
Apabila digunakan empat reaktor
- Reaktor Gelembung
Kemampuan: Memahami dan menjelaskan langkah-langkah perhitungan perancangan reaktor aliran tubular dengan menyusun persamaan matematis dan menyelesaikannya untuk menentukan waktu tinggal dan volume reaktor. Contoh penerapan desain reaktor aliran tubular (kondisi isotermal, adiabatik dan non isotermal dan non adiabatik). Untuk menyusun keseimbangan massa dan keseimbangan panas pada reaktor aliran tabung ideal (reaktor aliran plug), perlu dibuat skema reaktor aliran tabung berikut.
Mampu menjelaskan langkah-langkah dalam merancang reaktor unggun tetap dengan mengerjakan persamaan matematis dan menyelesaikannya untuk menentukan volume reaktor. Mampu menjelaskan langkah-langkah dalam perancangan reaktor dengan menyusun persamaan matematis dan menyelesaikannya untuk menentukan volume reaktor pada pra-desain pabrik kimia. Contoh penerapan langkah-langkah perancangan reaktor yang mencakup penjelasan kinetika reaksi suatu reaksi kimia dan jenis reaktor yang digunakan.
NA = laju difusi gas dari lapisan film cair ke dalam sebagian besar cairan dan reaksi kimia antar gas yang terlarut dalam cairan, 𝑘𝑔𝑚𝑜𝑙. Dari persamaan reaksi kimia antara gas asetilen (C2H2) dan air (H2O) dengan katalis HgSO4 dalam pelarut asam sulfat (H2SO4). rA) = laju reaksi penurunan konsentrasi C2H2, 𝑗𝑎𝑚. 𝑘𝑔𝑚 𝑜𝑙.
Penentuan konstanta kecepatan reaksi
Koefisien perpindahan massa C2H2 dalam fasa cair (kL), untuk ukuran butir gelembung db > 2 mm dihitung menggunakan persamaan Carldernank. Komposisi gas yang masuk ke dalam reaktor dengan tekanan 1 atm dan suhu 70oC ditunjukkan pada tabel 7.1.2.
Penentuan waktu tinggal Dalam hal ini diambil asumsi
Penentuan Panas Reaksi
- Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB)
- Penentuan konstanta kecepatan reaksi
- Penentuan volume reaktor
- Neraca Massa di Reaktor 1. Neraca massa di reaktor pertama
Reaktor aliran tangki berpengaduk adalah suatu alat untuk reaksi yang berlangsung dalam fasa cair. Pada perancangan reaktor aliran tangki berpengaduk (RATB) ini diambil contoh reaksi benzil klorida (C6H5CH2Cl) dengan natrium karbonat (Na2CO3) dan air (H2O) menjadi benzil alkohol (C6H5CH2OH). Berdasarkan hasil perhitungan neraca massa, diperoleh komposisi bahan umpan yang masuk ke reaktor dan komposisi keluaran reaktor sebagai berikut.
Berdasarkan paten Amerika, reaksi yang terjadi antara benzil klorida dengan natrium karbonat dan air menghasilkan konversi sebesar 97%. Waktu tinggal dalam reaktor i (ϴi) dapat ditentukan: .. CB0− 0.5 CA0.XA i) (7.2.6) Persamaan (7.2.6) adalah persamaan umum yang digunakan untuk menghitung waktu tinggal dan volume masing-masing untuk menentukan . . Ketika memilih jumlah reaktor aliran tangki berpengaduk (RATB) yang dipasang secara seri, biasanya diasumsikan dua atau tiga reaktor yang dihubungkan secara seri, sehingga penggunaan lima reaktor tidak harus diperhitungkan dalam desain ini.
Berdasarkan hasil perhitungan di atas, hubungan harga dengan jumlah reaktor disajikan pada Tabel 7.2.4 dan Grafik 7.2.2. 93 Berdasarkan hasil perhitungan harga reaktor pada Tabel 7.2.4 dan Grafik 7.2.2 mengenai hubungan harga reaktor dengan jumlah reaktor di atas terlihat bahwa harga reaktor tiga dan empat reaktor hampir sama dengan harga reaktor. sama, sehingga jumlah reaktor (optimum) sebanyak tiga reaktor yang dipilih. Dengan demikian, data yang digunakan dalam perancangan reaktor aliran tangki berpengaduk (RATB) adalah data seri dengan waktu tinggal, θ.
Hasil perhitungan neraca massa reaktor pertama (R-01) dengan konversi xA = 0,97 menghasilkan komposisi bahan seperti tercantum pada Tabel 7.2.5.
Neraca massa di reaktor kedua
Neraca massa di reaktor ketiga
Qin = kalor masukan (umpan) Qout = kalor keluaran (produk) QR = kalor reaksi (– ∆HR) Q = kalor yang dipindahkan.
Penentuan panas reaksi standar
Demikian pula panas/entalpi masing-masing komponen dapat dihitung sehingga diperoleh entalpi total bahan masuk (Qin) dan entalpi total bahan keluar (Qout) pada R-01, yang tercantum pada Tabel 7.2.12 dan Tabel 7.2.13. Apabila kehilangan panas dari reaktor diketahui (dihitung tersendiri) Qloss, maka panas yang akan diserap oleh cairan pendingin dapat dihitung.
Neraca Panas di Reaktor Kedua (R-02) Data suhu
- Reaktor Fixed Bed
101 Dengan cara yang sama, panas/entalpi masing-masing komponen dapat dihitung untuk memperoleh entalpi total bahan masukan (Qin) dan entalpi total bahan keluaran (Qout) pada R-02 seperti diberikan pada Tabel 7.2. .15 dan tabel 7.2.16. Dengan cara yang sama, panas/entalpi masing-masing komponen dapat dihitung sehingga diperoleh entalpi total bahan masukan (Qin) dan entalpi total bahan keluaran (Qout) pada R-03 seperti ditunjukkan pada Tabel 7.2. 18 dan tabel 7.2.19. Perancangan reaktor menggunakan reagen gas dengan katalis padat pada reaktor fixed bed multi-tube dilanjutkan dengan reaksi oksidasi propilena (C3H6) membentuk asam akrilat (C3H4O2) dalam fasa gas dengan bantuan katalis padat V2O5- MoO3.
Reaksi bersifat eksotermik dan berlangsung secara non adiabatik, non isotermal pada tekanan (P) 4,4 atm, suhu (T) sekitar 280oC. Reaktor fixed bed multitube menyerupai alat penukar panas yang terdiri dari shell dan tabung vertikal, dalam hal ini umpan masuk ke dalam tabung yang berisi katalis padat dan media pemanas mengalir di dalam shell. Kecepatan masukan – kecepatan keluaran – kecepatan umpan balik = kecepatan akumulasi; dalam keadaan stabil akumulasinya nol.
Perhitungan Tebal Katalis dalam Reaktor
Langkah perhitungan di reaktor
Berdasarkan hasil perhitungan keseimbangan massa dalam reaktor, diperoleh komposisi bahan yang masuk dan keluar reaktor seperti terlihat pada Tabel 7.3.5, serta data kapasitas panas gas (Cp) ditunjukkan pada Tabel 7.3.6. Arumsari, S., 2017, Perancangan Awal Pabrik Produksi Asam Akrilat dari Propilena dan Udara, Skripsi, Jurusan Teknik Kimia, IST AKPRIND, Yogyakarta. Hill, C.G., 1977, Pengantar Kinetika Teknik Kimia & Desain Reaktor, John Willey & Sons Inc., New York.
Pratama, D., 2019, Pradesain Pabrik Benzil Alkohol dari Benzil Klorida, Natrium Karbonat dan Air, Skripsi, Jurusan Teknik Kimia, IST AKPRIND, Yogyakarta. Ristiyaningsih, 2013, Pradesain Pabrik Asetaldehida dari Asetilena dan Air, Skripsi, Jurusan Teknik Kimia, IST AKPRIND, Yogyakarta.
