Desain Reaktor Isotermal

DISAIN REAKTOR DISAIN REAKTOR ISOTERMALISOTERMAL

Reaktor Batch, CSTR, PFRReaktor Batch, CSTR, PFRPBR: Pipa, BolaPBR: Pipa, BolaReaktor MembranReaktor MembranMicroMicro--ReactorReactorPemodelan Reaktor dr Fenomena AlamPemodelan Reaktor dr Fenomena Alam

21. Neraca MOL dlm bentuk

KONVERSI

AlgoritmaAlgoritma disaindisainreaktorreaktor isotermalisotermal

32. Neraca MOL dalam bentuk

MOL FLOWRATE

AlgoritmaAlgoritma disaindisainreaktorreaktor isotermalisotermal

4DISAIN REAKTOR ISOTERMALNeraca mol :

lajualir jmasuksistemmol waktu

lajugenerasijolehreaksikimia

mol waktu

lajualir jkeluarsistemmol waktu

lajuakumulasijdalamsistemmol waktu( / ) ( / ) ( / ) ( / )

+

=

Fjo + Gj - Fj = dNj/dt (1)

I. REAKTOR BATCH Pers. disain reaktor BATCH diturunkan dari neraca mol

pers. (1):1

VdN

dt rA

A

= (2)

atau untuk fasa liquid (V=Vo),dC

dt rA

A

= (3)

5 Hukum laju untuk reaksi irreversibel order 2: -rA = k.CA2 (4)

Kombinasi pers.(3) dan (4) diperoleh :

t = 1/k.(1/CA 1/CAo) (5)

Waktu yang diperlukan untuk satu siklus Batch (tt) :

tt = tf + te + tc + tu + t (6)

dengan: tf : waktu pengisian te : waktu pengosongan tc : waktu pembersihan tu : waktu pemanasan/pendinginan awal, dll t : waktu reaksi

6ContohContoh soalsoal disaindisain Reaktor BatchReaktor Batch

Pers. Disain reaktor Batch : (utk fasa cairan)

Pers. Laju utk reaksi order satu : Dari kedua pers. di atas diperoleh :

Jika diketahui k = 0,311/men dan x = 0,8 maka :t = 5,175 menit 5 menit.

Jika diketahui tf, tc, te , dan tu = 10, 10, 5, dan 5 men, maka:

Jumlah reaktor Batch = tt/t = 7 buah

dtdCr AA =

AA Ckr .=

= xkt 11ln1

7 Reaksi : A + B C , atau

Bila dikehendaki produk C = 200 juta lb/tahun, FC = 6,137 lbmol/menit = FAo.X , maka :Fao = 7,67 lbmol/menit.

Jumlah mol A yg dimasukkan ke R. Batch (MA) :MA = (7,67 lbmol/men) x (5 men) = 38,35 lbmol

Jika CAo = 1 lbmol/ft3 , maka volume A (VA) :VA = MA/CAo = 38,35 ft3

Jika diasumsi VA = VB , maka Vol. Reaktor Batch (VR ) = VA + VB = 76,7 ft3 = 2,2 m3 .

Jika Reaktor Tangki Silinder, dengan D = 1 meter, maka L = 2,8 meter.

22242 )(42 OHCHOHOHCSOH +

8PenjadwalanPenjadwalan OperasiOperasi Reaktor BatchReaktor Batch

Waktu, men 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90tf = 10 mentu = 5 ment = 5 mente = 5 mentc = 10 men

Keterangan: = Reaktor - 1 = Reaktor - 4 = Reaktor - 6= Reaktor - 2 = Reaktor - 5 = Reaktor - 7= Reaktor - 3

9II.REAKTOR CSTR

Persamaan disain reaktor CSTR diturunkan dari neraca molpers. (1):

VF X

rAo

A exit

= .

( )(7)

Jika V tidak berubah dengan reaksi, V vC C

roAo A

A

=

. (8)

Waktu tinggal (space time) : = = Vv

C Cro

Ao A

A(9)

Untuk reaksi irreversibel order satu, = C Ck CAo A

A.(10)

10

CC

kAAo= +( )1 (11)

Xk

k= +

( )1 (12)

Vv X

k Xo= .

( )1 (13)

k = Da = Bilangan DAMKOHLER, untuk estimasiderajat konversi

Untuk reaksi irreversibel : - order 1 Da = k- order 2 Da = k CAo.

Da XDa X

< >

0 1 10%10 90%,

11

(a). Reaktor CSTR Seri

Konsentrasi A dari reaktor 1 : )k(CC AoA

111 1 +=

Neraca massa di reaktor 2:( )

22

21

2

212

A

AAo

A

AA

C.kCCv

rFFV

==

)k)(k(C

)k(CC AAA

2211

0

22

12 111 ++=+=

-rA1V1

-rA2V2

CAo CA1X1

CA2X2

12

Jika

Maka : nAo

An )k(CC += 1 (14)

dan n)k(X += 1

11 (15)

n = jumlah reaktor yang dipasang seri

(b). Reaktor CSTR Paralel

Vi = V/n

k....kk....======

21

21

(16)

13

Profil CSTR-seri utk Reaksi order satu & Isotermal

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

Jumlah Reaktor

K

o

n

v

e

r

s

i

,

-

Da = 0.1

Da = 0.5

Da = 1

Da = 10

14

CSTR - SERI - Isotermal

0100200300400500600700800900

1000

0 5 10 15 20 25Jumlah Reaktor

V

o

l

u

m

T

o

t

a

l

,

c

u

f

t

X = 0.2

X = 0.5

X = 0.8

X = 0.95

k=0,311/menvo=15,34 cuft/men

15

III. REAKTOR TABUNG

Persamaan disain PFR :

FAo(dX/dV) = - rA (17)

Untuk reaksi elementer order 2 :

Untuk P dan T konstan dan reaksi fasa gas,

+=

XXCC AoA 1

1

++++=

)X(X)(

X)Xln()(Ac.C.k

vL

Ao 11

1122

20

(18)

= xA

AoC.kdXFV

02

dX)X(C.k

)X(FVx

AAo += 0 220

2

11

Minggu III

16

Reaktor PFR

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Panjang Reaktor, L (m)

K

o

n

v

e

r

s

i

,

X

A --> B/2 (eps=-0.5)

A --> B (eps=0.0)

A --> 2B (eps=2.0)

A --> 3B (eps=2.0)

Pengaruh Pengaruh pada PFRpada PFR

17

PerbandinganPerbandingan 1 1 buahbuah CSTR dan PFRCSTR dan PFR

18

PerbandinganPerbandingan N N buahbuah CSTR dan PFRCSTR dan PFRuntukuntuk Reaksi Order Reaksi Order SatuSatu

19

PerbandinganPerbandingan N N buahbuah CSTR dan PFRCSTR dan PFRuntukuntuk Reaksi Order Reaksi Order DuaDua

20

Recycle ReactorRecycle Reactor padapada PFRPFRuntukuntuk Reaksi Order Reaksi Order SatuSatu

21

Recycle ReactorRecycle Reactor padapada PFRPFRuntukuntuk Reaksi Order Reaksi Order DuaDua

22

CSTR CSTR ??????

25Mau simulasi ....???Mau simulasi ....???

Example 4-4 (H.S. Fogler)

Perbandingan Satu buah CSTR dan PFR

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Konversi, X

V

o

l

u

m

e

,

V

[

c

u

f

t

]

CSTR

PFR

Mencari Volume Reaktor

0

100

200

300

400

500

600

700

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

X

F

A

o

/

(

-

r

A

)

26

350 K 200 dm3

Reaksi: A + B C (fasa cair)-rA = k.CA ; k = 0.315/min

27

Pressure drop dalam reaktor

Untuk reaksi fasa liquid, konsentrasi reaktan tidak tergantung padatekanan total efek pressure drop dapat diabaikan untuk disainreaktor.

Untuk reaksi fasa gas, konsentrasi reaktan tergantung pada tekanan total(Pt) efek pressure drop sangat berpengaruh pada disainreaktor.

Jika P Po (ada P), pers. Disain reaktor PFR harus dalam bentukdiferensial :

'AAo rdW

dXF = (gmol/g-kat.men.) (19)

28

Pers. Laju untuk reaksi order satu A B adalah:

+==

TTo

PoP

)X()X(C.kC.kr AoA

'A 1

1(20)

Dari pers.(19) dan (20), untuk operasi isotermal :

PoP

)X()X(

vk

dWdX

+=

11

0atau:

(21)

)P,X(FdWdX

1=

Dari neraca momentum, pressure drop aliran gas dalam tumpuka padatandapat dihitung dengan pers. ERGUN :

+

= G.Dp

)(Dp.g.

GdLdP

c

75111501 3

(22)

Untuk reaktor unggun : W = (1-).Ac.L.c , maka pers.(22) menjadi:

+

=cc .Ac

G.Dp

)(Dp.g.

GdWdP

1751115013 (23)

29

Kasus I : Jika densitas konstan

Dari pers.(22), maka diperoleh : =dLdP

PoL.

PoP = 1 atau :

Ac.PoV.

PoP = 1 (24)

atau

W.PoP = 1 (25)

dengan c).(Po.Ac

= 1

30

Kasus II : Jika densitas fungsi tekanan

PoP

XTTo

+

=1

10

maka diperoleh :

)X()Po/P(

PoToT

dWdP += 1

2

(26)

atau : )P,X(FdWdP

2=

dengan :c).(Po.Ac

= 12 0

Jika 0= , maka diperoleh : 211 /)W.(PoP = (27)

Contoh : Fogler , Example 4-5 Example 4-6 Example 4-7

31

Profil Pengaruh Diameter Katalis

dp

X

-p

32

Mole Balance

Stoichiometry

Cross-sectional Area

Pressure Drop Equations

33

Profil X, y, dan W pada Reaktor PIPA

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50 60 70 80

z pipa, ft

X

d

a

n

y

0

10

20

30

40

50

60

70

W

,

l

b

XyW (lb)

Profil X, y, dan W pada Reaktor BOLA

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8

z, ftX

d

a

n

y

0

20

40

60

80

100

120

140

160

W

,

l

b

X

y

W (lb)

H A S I L S I M U L A S I

Example 4-7 (H.S. Fogler)

Mau simulasi ....???Mau simulasi ....???

Documents

Desain Reaktor Isotermal