Slide 1
1Aliran Non IdealOleh:Iryanti F. Nata, MTBAB V5.1.
PENDAHULUAN2Pola alir (faktor hidrodinamika) menentukan unjuk kerja
reaktor (konversi, laju reaksi keseluruhan)
Pola alir menentukan hubungan persamaan neraca masa dalam
reaktor konversi reaksi.
Pola alir dalam reaktor ideal adalah mixed flow dan plug
flow3POLA ALIR
IDEALMixedFlowPlugFlowDeviasi-Chanelling-Recycling-StagnantAliran
Non-Ideal 4
Gambar 5.1b. Skema berbagai pola alir 5Aliran Non-Ideal :Tidak
semua molekul tinggal dalam reaktor dalam waktu yang sama.Terjadi
deviasi aliran : Channeling, Recycling, Dead Zone,- Kualitas
pencampuran (Quality of Mixing)Tiga faktor yang saling terkait
dapat menimbulkan ketidakidealan aliran :Distribusi waktu Tinggal
(Residence Time Distribution)- Keadaan campuran (State of
Aggregation)Cepat dan lambatnya pencampuran (Earlierness &
Lateness of Mixing)65.2. Distibusi waktu tinggal fluida dalam
reaktorDistribusi waktu tinggal dari elemen-elemen fluida
dinyatakan dengan kurva Distribusi Waktu Tinggal (RTD). Hasil
pengukuran konsentrasi tracer keluar reaktor melalui pulse
injection diperoleh kurva C seperti dibawah ini dan luasan kurva
akan menunjukkan jumlah tracer yang diinjeksikan.7
C(t)
0tt1E0Total area = 1tRTD atau Kurva EFraksi aliran keluarpada t
> t1
Residence Time Distribution (Kurva E)8Dimana
: fraksi fluida yang umurnya lebih muda dari t: fraksi fluida
yang umurnya lebih lama dari tWaktu tinggal rata-rata :Varian :
5.3. KARAKTERISTIK KURVA RTD9Kurva RTD /fungsi distribusi umur
keluar (exit-age distribution function) atau Kurva E(t) karena
kurva ini menggambarkan lamanya molekul-molekul tinggal dalam
reaktor.
Kurva RTD ini berguna untuk :Mengetahui distribusi waktu tinggal
molekul-molekul dalam reaktor.2. Menganalisis ketidakidealan
reaktor (chanelling, short circuiting, stagnant zone, recycling).3.
Mengetahui volume reaktor sebenarnya.4. Mengetahui konversi di
dalam reaktor non-ideal5. Menentukan model reaktor non-ideal.5.4.
Distribusi waktu tinggal (RTD) dari Reaktor Ideal10a. RTD reaktor
piston (PFR)Semua molekul yang meninggalkan reaktor mempunyai umur
(waktu tinggal) yang sama dalam reaktor, E(t) = (t-)in0toutWaktu
tinggal rata-rata:
11
Varian :
b. RTD reaktor MFRKonsentrasi zat pada aliran keluar reaktor
identik dengan konsentrasi di dalam reaktor
inEt1/Waktu tinggal rata-rata:
12
Varian :
c. PMR/MFR dipasang seri
MFRPFRE(t) = 0 t< p
tp P1/M135.5. Distribusi waktu tinggal (RTD) dari Reaktor non
Ideal
Dead Zone (Stagnant)Adanya bagian reaktan yang diam (stagnant)
pada bagian-bagian tertentu dalam reaktor sebagian reaktan tinggal
lebih lama.
Hal ini ditunjukkan dengan adanya ekor (tailing) pada kurva
RTD.
E(t)tb. Channelling (Short circuiting)Adanya bagian reaktan yamg
melalui jalan pintas (channeling) pada bagian-bagian tetentu dalam
reaktor maka ada sebagian reaktan yang tinggal jauh lebih singkat
dari yang lain.
Hal ini ditunjukkan dengan adanya 2 puncak pada kurva RTD.
Puncak pertama ini menandakan adanya reaktan yang berumur
pendek.14E(t)t5.5. PENGUKURAN RTDRTD ditentukan secara eksperimen
dengan menginjeksikan bahan inert yang disebut pelacak (tracer) ke
dalam reaktor pada saat tertentu, t = 0, kemudian mengukur
konsentrasi pelacak, C pada aliran keluar sebagai fungsi
waktu15REAKTORINJEKSIDETEKSI1516Syarat-syarat pelacak :- bahan
inert (tidak bereaksi dengan zat dalam reaktor)dapat diukur
(dideteksi) dengan mudah.- sifat-sifat fisiknya mirip dengan
campuran reaktannya. tidak diserap oleh dinding atau permukaan lain
dalam reaktor.Macam-macam pelacak yang umum dipakaibahan-bahan yang
berwarnabahan-bahan radioaktifMetoda injeksi ada 4 (empat):pulse
inputstep inputsinusoidaidal inputAny input
A. PULSE INPUTSejumlah pelacak diinjeksikan secara tiba-tiba
pada suatu titik aliran masuk reaktor dalam waktu yang singkat
sekali. Konsentrasi pelacak pada aliran keluar diukur fungsi waktu,
maka diperoleh Kurva konsentrasi C fungsi waktu17
Ct 0Ct
B. STEP INPUTPenambahan (peningkatan konsentrasi pelacak secara
konstan pada aliran masuk reaktor dan dilakukan pengukuran
konsentrasi pelacak pada aliran keluar sampai dicapai konsentrasi
keluar sama dengan konsentrasi masuk.CO(t) = 0, t < 0CO(t) =
konstan, t 018
Ct 0Ct19Integrasi konvolusiCout (t) =
Cout (t) =
Dengan mengdifferensialisasikan persamaan ini dapat diperoleh
RTD fungsi E(t)
C. SINUSOIDAL INPUTSejumlah pelacak diinjeksikan secara
tiba-tiba pada suatu titik aliran masuk reaktor dalam bentuk
mengikuti pola sinosoidal. Untuk reaktor riil ini relatif sulit
pelaksanaanya.20D. ANY INPUTSejumlah pelacak diinjeksikan secara
sebarang dengan tiba-tiba pada suatu titik aliran masuk reaktor
dalam waktu yang relatif singkat tetapi tidak berprilaku seperti
pulse input. Untuk itu perlu pengukuran kurva pada bagian masuk dan
bagian keluar reaktor. Dengan menggunakan integral konvolusi antara
kurva masuk dan keluar akan diperoleh kurva RTDnya. Injeksi dengan
cara ini termasuk yang paling teliti tetapi memerlukan perhitungan
yang relatif panjang.21e. Prosedur Eksperimen Membuat Kurva RTD
Jika volume reaktor, V m3, laju alir, v m3/s, tracer yang
dimasukkan, M kg atau kgmol, maka Pengambilan data eksperimen sbb
:Waktu t, mint0t1t2t4Cpulse, g/lC0C1C2CnE=C/A, min-1E0E1E2EnLuas
daerah di bawah kurva Cpulse
Buat kurva Exit age distribution, E22
Waktu tinggal rata-rata
Variance :Variance menunjukkan luasnya tebaran distribusi saat
melalui keluaran tangki.
23Contoh 5.1 : Membuat kurva C(t) dan E(t)
Suatu pelacak diinjeksikan ke dalam reaktor dengan pulse input,
kemudian konsentrasi pada aliran keluar diukur, hasilnya sebagai
berikut :Waktu t, min0123456789101214C,
g/m30158108643,02,21,50,60Gambarkan C(t) dan E(t) sebagai fungsi
waktuTentukan fraksi bahan yang meninggalkan reaktor antara 3
sampai 6 menit24Penyelesaian :14C(t)g/m30t (min)12
= 47,4 gmin/m3
25Maka diperoleh tabel berikut :Fraksi bahan yang meninggalkan
reaktor antara 3 dan 6 menit
Waktu t, min123456789101214C, g/m3158108 6432,21,50,60E(t),
min0,020,10,160,20,160,120,080,060,0040,030,0120E(t)min-10t123456Fraksi
keluar = 70%
5.7. KONVERSI Dalam Reaktor Alir Non-Ideal26Reaksi orde 1
Reaksi orde 2
Reaksi orde n
27Contoh 5.2 :Suatu reaktor (space time = 15 menit) digunakan
untuk reaksi dekomposisi dengan laju :-rA = kCAk = 0,307
min-1Tentukan konversi reaksinya jika reaktornya bersifat :a. plug
flowb. mixed flowc. tidak ideal, pola alirnya seperti
contoh-1Penyelesaian :Reaktor Plug Flow :XA = 99 %28Non ideal, pola
alirnya
XA = 95 %
Reaktor Mixed Flow :
XA = 82 %29a. Model Dispersed Plug FlowModel aliran yang
menggambarkan adanya dispersi pada aliran ideal plug flow. Dispersi
ini digambarkan seperti adanya diffusi dengan koefisien diffusinya
dinamakan koefisien dispersi (D). Model 1 ParameterModel multi
ParameterDispersed Plug FlowTangki Serimodel aliran5.8. MODEL-MODEL
UNTUK ALIRAN NON- IDEAL30Besarnya harga D ini sangat tergantung
dari ketidak idealan aliran tersebut dibandingkan dengan aliran
plug flow.
a. Plug flowb. Dispersed plug flow
RTD :L = panjang reaktor (m)U = kecepatan superfisial dalam
reaktor (m/s) = waktu tak berdimensi (= t/)31 bilangan dispersi
;
bilangan Peclet (Pe) Ketidak idealan reaktor dapat diketahui
dari harga D/UL
0 aliran bersifat plug flow
aliran bersifat mixed flow Varian dari kurva RTD ini dapat
dinyatakan dengan
deviasi besar (closed vessel) deviasi kecil (d/uL < 0,01)
deviasi besar (open vessel)32b. Model Tangki SeriModel aliran
yang menggambarkan ketidakidealan suatu reaktor dengan reaktor
mixed flow yang disusun seri. Dispersi ini digambarkan seperti
adanya diffusi dengan koefisien diffusinya dinamakan koefisien
dispersi (D).123QC0C1C2C3QNCN-1CNRTD :
N = jumlah tangki33Ketidak idealan reaktor dapat diketahui dari
harga N :Jika harga N 1 maka pola alirnya mixed flowJika harga N
maka pola alirnya plug flowVarian dari kurva RTD ini dapat
dinyatakan dengan :
34The End!
