REAKTOR BATCH 9/22/2011. Handout_Reaktor_04_05_06 1 DESIGN EQUATIONS FOR A BATCH REACTOR (BR) IGS Budiaman ( C) BATCH VERSUS CONTINUOUS OPERATION

Transkripsi

1 9/22/2 TH VERSUS OTIUOUS OPERTIO REKTOR TH IGS udiaman o Operasi bach Operasi koninyu. iasanya lebih baik unuk produksi volume kecil () 2. Lebih fleksibel unuk operasi muli produk (muli proses) () 3. iaya modal biasanya relaif rendah () 4. Mudah diberhenikan dan membersihkan pengoor () Lebih baik unuk produksi jangka panjang dari sau produk aau sejumlah produk () iaya modal biasanya relaif inggi (D) TH VERSUS OTIUOUS OPERTIO (lanju) 5. Memerlukan wakuberheni (pengosongan, pencucian, dan pengisian) anar bach (D) 6. iaya operasi dapa menjadi relaif inggi (D) 7. Operasi idak ajeg berari lebih sukar mengendalikan dan mendapakan keseragaman produksi (D) Tidak memerlukan waku berheni kecuali unuk perawaan erjadwal dan emergensi(); eapi kehilangan produksi pada penghenian lama dapa menjadi mahal(d) iaya operasi relaif rendah () Operasi ajeg berari lebih mudah mengendalikan dan mendapakan keseragaman produksi() DESIG EUTIOS FOR TH RETOR (R) Perimbangan umum adalah waku reaksi yang diperlukan unuk mencapai konversi f sampai f 2 adalah limiing reacan esaran yang dikeahui:, f, & f 2 esaran yang idak dikeahui:, (-r ), V, dan T Perimbangkan reaksi: + ν + Penjabaran Kecepaan reaksi - r f(f, T) eraca Energi Memberikan T f(f, V) Persamaan keadaan V f(, T, P) Inerpreasi nilai / dapa dienukan melalui grafik /(-r)v Kecepaan produsi (pembenukan) pada basis koninyu Waku siklus adalah oal waku per bach c + d, waku reaksi d down ime adalah waku yang diperlukan unuk pengisian, pengeluaran, dan pencucian mol erbenuk bach Pr( ) bach waku 2 ν Pr( ) c + d rea / f f f 2 Dalam konversi f Pr ( ) ν 2 + d ( f f ) Dalam banyak kasus f dan f 2 X Handou_Reakor_4_5_6

2 9/22/2 ER EERGI; TEMPERTUR ERUH enuk umum: R in R Ou + R gen R acc Unuk R: Panas masuk dapa dari pemanas koil/ jake, panas keluar dapa dari pendingin koil/ jake, dan panas generasi adalah panas yang dihasilkan aau dibuuhkan oleh reaksi Transfer panas: R in/ R ou diunjukkan dengan pers.: Uc(Tc T) m U koef. Transfer panas keseluruhan, J m -2 s - K - aau w m -2 k - dienukan dengan perc. au korelasi empiris c Luas pemanas/ pendingin koil Tc Suhu koil (Tc T)m beda suhu raa2 Tm uk rasfer panas ila > (Tc>T) Panas masuk < (Tc<T) panas keluar Panas generasi R gen (- H R )(-r )V aau (- U R )(-r )V ila H R > (reaksi endoermis) H R < (reaksi eksoermis) Panas akumulasi: R acc dh/ p dt/ m p dt/ Toal mole: n i i (ermasuk iner) Kapasias panas sisem pada P eap: dengan xi fraksi mole komponen i Massa oal sisem Kapasias panas spesifik sisem: dengan wi fraksi massa komponen i eraca energi R non isoermal dan non adiabais: R Operasi Isoermal f f 2 df r onoh 2- Missen (densias konsan) (densias konsan) Deermine he ime required for 8% conversion of 7.5 mol in a 5-L consan-volume bach reacor operaing isohermally a 3 K. The reacion is firs-order wih respec o, wih k.5 min - a 3 K. onoh 2-2 Missen liquid-phase reacion beween cyclopenadiene () and benzoquinone () is conduced in an isohermal bach reacor, producing an produc (). The reacion is firs-order wih respec o each reacan, wih k 9.92 X e 3 L mol - s - a 25. Deermine he reacor volume required o pr oduce 75 mol h -, if f.9,.5 mol L -, and he down-ime d beween baches is 3 min. The reacion is +. Handou_Reakor_4_5_6 2

3 9/22/2 Densias sisem berubah erimplikasi pada volume reakor aau sisem reaksi idak konsan Unuk R dapa diliha pada reakor vessel yg dilengkapi pison Densias berubah biasanya fasa gas Densias dapa berubah bila minimal salah sau T, P, aau (mole oal) berubah onoh 2-3 Missen Reaksi fasa gas + dilangsungkan dalam L (mula-mula) reakor bach isoermal pada 25 o ekanan eap. Reaksi orde 2 erhadap dengan k,23 L mol - s -. Tenukan waku yang diperlukan unuk konversi 75% dari 5 mol. Pengendalian Transfer Panas Unuk Menjaga Kondisi Isoermal ila reaksi eksoermis aau endoermis, maka diperlukan pengendalian emperaur (T) unuk menjaga kondisi isoermal dengan memberi pendingin aau pemanas Tinjau reaksi: + Produk Operasi isoermal dt/, sehingga Dari neraca mol reakor bach Subsiusi ke pers. Energi didapa onoh 2-4 Missen Tenukan dan Tc (sebagai fungsi waku) yang diperlukan unuk menjaga kondisi reakor isoermal dalam conoh 2-, jika H R -475 J mol -, dan Uc 25, WK -. pakah mewakili kecepaan penambahan panas aau pengambilan panas? ila diasumsi emperaur koil (Tc) konsan OPERSI O ISOTERML diabais ( ) on diabais ( ) Operasi diabais: Temperaur akan naik dalam reaksi eksoermis dan urun dalam reaksi endoermis Persamaan eraca Energi Sisem diabais, Karena hubungan df / dengan dt/ adalah implisi erhadap, shg pers. menjadi Di inegralkan: ila (- H R ), p, dan n konsan Waku yang diperlukan unuk mencapai konversi f, dari pers. eraca massa: Subsiusi (-r )V dari neraca massa dalam erm f Handou_Reakor_4_5_6 3

4 9/22/2 lgorima menghiung R diabais Pilih harga f : f f f (dienukan) Hiung T pada f dari pers. eraca energi Hiung (-r) dari persamaan kecepaan Hiung volume dari persamaan keadaan Ulangi langkah s.d. 4 unuk beberapa nilai f Hiung dari pers. eraca massa onoh 2-5 Missen Dekomposisi fasa gas R + S, dilangsungkan dalam reakor bach dengan kondisi awal T 3 K, V,5 m 3, dan ekanan oal konsan 5 kpa. Harga p unuk, R, dan S adalah 85,6; 4,7; dan 8,9 J mol - K -. Enalpi reaksi -628 J mol - dan reaksi orde sau erhadap dg k 4 e -/T h -. Tenukan f dan T sebagai fungsi, bila, f,99. MULTIPLE RETIOS I TH RETORS onoh-: Menenukan kecepaan reaksi keseluruhan dari sejumlah reaksi sumsi semua reaksi elemener, shg kec reaksi dapa dinyaakan sebagai: Diawali dengan menenukan koefisien soikiomeri unuk iap komponen dari iap reaksi Menenukan kecepaan reaksi iap komponen menggunakan rumus aau Sehingga diperoleh persamaan eraca mole R unuk komponen dan M se reaksi: Diperoleh se PD ordiner, sau unuk iap komponen dan M se persamaan kec reaksi komponen, sau unuk iap reaksi. Dari se PD ordiner harus dike se kondisi awal dll. Handou_Reakor_4_5_6 4

5 9/22/2 onoh-2: Selesaikan persamaan design reakor bach unuk se reaksi conoh-. sumsi sisem fasa cair dengan densii konsan. Penyelesaian: Unuk densii konsan berari volume reakor adl konsan shg pers design menjadi: Se pers ini akan sukar diselesaikan dengan cara analiis dan akan lebih mudah dg cara numeris onoh-3 Selesaikan persamaan design R unuk reaksi dalam conoh-2. Digunakan k I. mol/(m 3 h), k II.2 h -, k III,6 mol/(m 3 h). Kondisi awal adalah a b 2 mol/m 3. Waku reaksi adalah jam. Tipe reakor semibach REKTOR SEMITH IGS udiaman Reakor semibach ipe - Digunakan unuk reaksi-reaksi sanga eksoermis Salah sau umpan dimasukan secara perlahan selama reaksi berlangsung Konsenrasi >> erjadi reaksi samping Reakor semibach ipe -2 Umpan dimasukan secara bersamaan Salah sau produk diuapkan supaya reaksi eap bergeser kekanan Laju reaksi besar konversi besar Reakor semibach ipe - Reakor semibach ipe -2, Sar-up STR,, Reakor semibach ipe - onoh reaksi: monolisis Khlorinasi Hidrolisis Reaksi secara umum: + eraca mol d F + rv () Handou_Reakor_4_5_6 5

6 9/22/2 Dalam benuk konsenrasi q dv dv + rv + d V (2) Pers 4 dibagi q V V + τ τ + q q (5) Selama reaksi berlangsung volume V berubah hd waku Subsiusi pers. 4 ke 2 eraca massa oal: R R + R in ou gen ( ρv ) d ρ q + R ila densias laruan konsan, berlaku: V acc dv q dv q V V + q V (3) (4) d q + rv q + V d q( ) + rv V chain rule d d d ( ) d (6) (7) Subsiusi 7 ke 6 dan dibagi q d ( ) + rτ τ (7) ila reaksi bukan order nol aau bukn order dan jika idak isoermal, maka sebaiknya penyelesaian model menggunakan meode numerik unuk menghiung konversi aau konsenrasi sebagai fungsi waku. Jika umpan diambahkan secara pelan, awal >> reaksi dianggap order hd ' r k ' k k d + τk τ d + τk + ode τ τ ic : τ τ bila i ( konsenawal dlm reakor ) (8) (9) onoh: Mula-mula dalam reakor hanya berisi, lalu diumpankan perlahan scr koninyu. Reaksi order hd dan order hd + + D r k () Dapa diselesaikan secara analiis aau numeris eraca mol [mol dlm reakor pd ] [mol mula-mula] [mol bereaksi] eraca mol, dengan cara sama unuk kec i + F i F eap + F dari neraca mol d rv aau rv V V + q x x x dx, dan () (2) (3) (4) (5) Persamaan 3, 4, dan 5 dapa diselesaikan secara numeris, misal meode Euler: x i+ inga x + i V ( rv ) i ( ) dan V Handou_Reakor_4_5_6 6

7 9/22/2 Derivaion of ach Reacor Design Equaions Reurn conoh 2- Missen conoh 2-2 Missen from he soichiomery, Since Kembali Kembali conoh 2-3 Missen Persamaan design unuk R Kecepaan reaksi Perubahan jumlah mole dan volume seelah reaksi berlangsung dienukan menggunakan abel sokiomeri Unuk gas ideal Unuk kasus ini R, T, dan P konsan sehingga berlaku aau Subsiusi ke pers. Kecepaan reaksi dan pers desain: Unuk inegral, ambil a f f a df -da, inegral menjadi: Sehingga diperoleh: Reurn Handou_Reakor_4_5_6 7

8 9/22/2 2-4 Missen Dikeahui: n 7,5 mol, V 5 L, f, f,8, k,5 min - eraca mole: Menghiung Tc sebagai fungsi waku, dari neraca energi T 3 ( 475)( 7,5),5,5,5 25, e 6 3,9 e ua grafik Tc (K) versus (meni) Diinegralkan diperoleh: eraca energi unuk operasi isoermal: Karena < panas diambil dari sisem reaksi eksoermis Reurn 2-5 Missen Pers. Laju reaksi: Dari pers. eraca massa: Subsiusikan (-r ) diperoleh: Dengan f df k ( f ) eraca energi operasi adiabais (ila - H R, p, dan n konsan): () () Subsiusikan ke pers. eraca enargi: Pers. (), (), dan () diselesaikan secara simulan pada inkremen f G*,5(G j + G j- ) () f, T/K, k /h - G G*, /h Pers. diselesaikan dengan Trapezoidal Rule raaraa Reurn Handou_Reakor_4_5_6 8