REAKTOR BATCH Chp. 12 Missen, 1999

Transkripsi

1 REKTOR BTCH Chp. 12 Missen, 1999

2 BTCH VERSUS CONTINUOUS OPERTION

3 DESIGN EQUTIONS FOR BTCH RECTOR (BR) Pertimbangan umum t adalah waktu reaksi yang diperlukan untuk mencapai konversi f 1 sampai f 2 adalah limiting reactant Besaran yang diketahui: N 0, f 1, & f 2 Besaran yang tidak diketahui: t, (-r ), V, dan T Pertimbangkan reaksi: + ν C C + Waktu reaksi: r t V = ( f ) dn dn N 0df = = = dt dt dt N 0 f 2 df r V f 1 0 1

4 Kecepatan reaksi -r = f(f, T) Neraca Energi Memberikan T = f(f, V) Persamaan keadaan V = f(n, T, P) Interpretasi nilai t/n 0 dapat ditentukan melalui grafik 1/(-r)V rea = t/n 0 rea t/n 0 f 1 f 2 f

5 Kecepatan produsi (pembentukan) C pada basis kontinyu Waktu siklus adalah total waktu per batch tc = t + td, t = waktu reaksi td = down time adalah waktu yang diperlukan untuk pengisian, pengeluaran, dan pencucian Pr Pr mol C terbentuk C = batch ( ) ( C) = N C 2 batch waktu NC1 NC ν C N = = tc tc t + td C Dalam konversi f ν C N 0 ( ) ( f 2 f 1 ) Pr C = t + td Dalam banyak kasus f 1 = 0 dan f 2 = X

6 NERC ENERGI; TEMPERTUR BERUBH Bentuk umum: R in R Out + R gen = R acc Untuk RB: Panas masuk dapat dari pemanas koil/ jaket, panas keluar dapat dari pendingin koil/ jaket, dan panas generasi adalah panas yang dihasilkan atau dibutuhkan oleh reaksi

7 Transfer panas: R in/ R out ditunjukkan dengan pers.: Q = Uc(Tc T) m U = koef. Transfer panas keseluruhan, J m -2 s -1 K -1 atau w m -2 k -1 ditentukan dengan perc. tau korelasi empiris c = Luas pemanas/ pendingin koil Tc = Suhu koil (Tc T)m = beda suhu rata2 Tm utk trasfer panas Bila Q > 0 (Tc>T) Panas masuk Q < 0 (Tc<T) panas keluar

8 Panas generasi R gen = (- H R )(-r )V atau (- U R )(-r )V Bila H R > 0 (reaksi endotermis) H R < 0 (reaksi eksotermis) Panas akumulasi: R acc = dh/dt = N t Cp dt/dt = m t Cp dt/dt Total mole: n N t = N i i= 1 (termasuk inert)

9 Kapasitas panas sistem pada P tetap: dengan xi = fraksi mole komponen i Massa total sistem Kapasitas panas spesifik sistem: dengan wi = fraksi massa komponen i Neraca energi RB non isotermal dan non adiabatis:

10 RB Operasi Isotermal t = C 0 f 2 df r f 11 (densitas konstan) (densitas konstan) Contoh 12-1 Missen Determine the time required for 80% conversion of 7.5 mol in a 15-L constant-volume batch reactor operating isothermally at 300 K. The reaction is first-order with respect to, with k = 0.05 min -1 at 300 K. Solusi

11 Contoh 12-2 Missen liquid-phase reaction between cyclopentadiene () and benzoquinone (B) is conducted in an isothermal batch reactor, producing an product (C). The reaction is first-order with respect to each reactant, with k = 9.92 X 10e 3 L mol -1 s -1 at 25 C. Determine the reactor volume required to produce 175 mol C h -1, if f = 0.90, C 0 = C B0 = 0.15 mol L -1, and the down-time td between batches is 30 min. The reaction is + B C. Solusi

12 Densitas sistem berubah Berimplikasi pada volume reaktor atau sistem reaksi tidak konstan Untuk RB dapat dilihat pada reaktor vessel yg dilengkapi piston Densitas berubah biasanya fasa gas Densitas dapat berubah bila minimal salah satu T, P, atau N t (mole total) berubah

13 Contoh 12-3 Missen Reaksi fasa gas B + C dilangsungkan dalam 10 L (mula-mula) reaktor batch isotermal pada 25 o C tekanan tetap. Reaksi orde 2 terhadap dengan k 023 = 0,023 L mol -1 s -1. Tentukan waktu yang diperlukan untuk konversi 75% dari 5 mol. Solusi

14 Pengendalian Transfer Panas Untuk Menjaga Kondisi Isotermal Bila reaksi eksotermis atau endotermis, maka diperlukan pengendalian temperatur t (T) untuk menjaga kondisi i isotermal dengan memberi pendingin atau pemanas Tinjau reaksi: + Produk Operasi isotermal dt/dt = 0, sehingga Dari neraca mol reaktor batch Substitusi ke pers. Energi didapat Bila diasumsi temperatur koil (Tc) konstan

15 Contoh 12-4 Missen Tentukan Q dan Tc (sebagai fungsi waktu) yang diperlukan untuk menjaga kondisi reaktor isotermal dalam contoh 12-1, jika H R = J mol -1, dan Uc = 25,0 WK -1. pakah Q mewakili kecepatan penambahan panas atau pengambilan panas? Solusi

16 OPERSI NON ISOTERML diabatis (Q = 0) Non diabatis (Q 0) Operasi diabatis: Temperatur akan naik dalam reaksi eksotermis dan turun dalam reaksi endotermis Persamaan Neraca Energi Sistem diabatis, Q = 0 Substitusi (-r )V dari neraca massa dalam term f

17 Karena hubungan df /dt dengan dt/dt adalah implisit terhadap t, shg pers. menjadi Di integralkan: Bila (- H R ), Cp, dan n t konstan Waktu yang diperlukan untuk mencapai konversi f, dari pers. Neraca massa: t

18 lgoritma menghitung t RB diabatis Pilih harga f : f 0 f f (ditentukan) Hitung T pada f dari pers. Neraca energi Hitung (-r) dari persamaan kecepatan Hitung volume dari persamaan keadaan Ulangi langkah 1 s.d. 4 untuk beberapa nilai f Hitung t dari pers. Neraca massa

19 Contoh 12-5 Missen Dekomposisi fasa gas R + S, dilangsungkan dalam reaktor batch dengan kondisi awal T 0 = 300 K, V 0 = 0,5 m 3, dan tekanan total konstan 500 kpa. Harga Cp untuk, R, dan S adalah 185,6; 104,7; dan 80,9 J mol -1 K -1. Entalpi reaksi = J mol -1 dan reaksi orde satu terhadap dg k = /T -1 e h. Tentukan f dan T sebagai fungsi t, bila Q = 0, f = 0,99. Solusi

20 MULTIPLE RECTIONS IN BTCH RECTORS Contoh-1: Menentukan kecepatan reaksi keseluruhan dari sejumlah reaksi Diawali dengan menentukan koefisien stoikiomeri untuk tiap komponen dari tiap reaksi

21 sumsi semua reaksi elementer, shg kec reaksi dapat dinyatakan sebagai: Menentukan kecepatan reaksi tiap komponen menggunakan rumus atau

22 Sehingga diperoleh persamaan

23 Neraca mole RB untuk N komponen dan M set reaksi: Diperoleh N set PD ordiner, satu untuk tiap komponen dan M set persamaan kec reaksi komponen, satu untuk tiap reaksi. Dari N set PD ordiner harus diket N set kondisi awal dll.

24 Contoh-2: Selesaikan persamaan design reaktor batch untuk set reaksi contoh-1. sumsi sistem fasa cair dengan densiti konstan. Penyelesaian: Untuk densiti konstan berarti volume reaktor adl konstan shg pers design menjadi: Set pers ini akan sukar diselesaikan dengan cara analitis dan akan lebih mudah dg cara numeris

25 Contoh-3 Selesaikan persamaan design RB untuk reaksi dalam contoh-2. Digunakan k I =0.1 mol/(m 3 h), k II =1.2 h -1, k III =0,06 mol/(m 3 h). Kondisi awal adalah a 0 = b 0 = 20 mol/m 3. Waktu reaksi adalah 1 jam.

26 REKTOR SEMIBTCH IGS Budiaman

27 Tipe reaktor semibatch Reaktor semibatch tipe -1 Digunakan untuk reaksi-reaksi sangat eksotermis Salah satu umpan dimasukan secara perlahan selama reaksi berlangsung Konsentrasi >> terjadi reaksi samping Reaktor semibatch tipe -2 Umpan dimasukan secara bersamaan Salah satu produk diuapkan supaya reaksi tetap bergeser kekanan Laju reaksi besar konversi besar

28 Reaktor semibatch tipe -1 Q B Start-up CSTR, B Reaktor semibatch tipe -2 C Q Q, B Q, B

29 Reaktor semibatch tipe -1 Contoh reaksi: monolisis Khlorinasi Hidrolisis Reaksi secara umum: + B C Neraca mol Q B F r V = dn dt (1)

30 Dalam bentuk konsentrasi q 0 dcv dv C 0 + rv = = C + V dt dt dc dt (2) Selama reaksi berlangsung volume V berubah thd waktu Neraca massa total: Rin Rout + Rgen = ρ q = 0 0 d R ( ρv ) dt acc (3) Bila densitas larutan konstan, berlaku: dv dt V = q0 dv = q V 0 t 0 0 dt V = V 0 + q 0 t (4)

31 Pers 4 dibagi q 0 V q V0 = + t = τ 0 q q 0 0 Substitusi pers. 4 ke 2 q q 0 0 C r V C τ (5) q 0 + = 0 + ( C C ) 0 + rv = chain hi rule dc dt dc d τ dτ = dt dc d τ + t dc V dt dc V dt () = dc d τ (6) = 1 (7)

32 Substitusi 7 ke 6 dan dibagi q 0 dc ( C 0 C ) + rτ = τ dττ Jika umpan ditambahkan secara pelan, CB awal >> reaksi dianggap order 1 thd ' ' = k CCB = k CCB0 r = dc C0 C + τkc = τ dτ dc 1 + τ k C0 + C = dτ τ τ ic : τ = τ 0 bila C = C i kc ode ( konsent awal dlm reaktor ) (7) (8) (9) Dapat diselesaikan secara analitis atau numeris

33 Bila reaksi bukan order nol atau bukn order 1 dan jika tidak isotermal, maka sebaiknya penyelesaian model menggunakan metode numerik untuk menghitung konversi atau konsentrasi sebagai fungsi waktu. Q Contoh: B Mula-mula dalam reaktor hanya berisi, lalu B diumpankan perlahan scr kontinyu. Reaksi order 1 thd dan order 1 thd B + B C + D r = kc C (10) B

34 Neraca mol [mol dlm reaktor pd t] = [mol mula-mula] [mol bereaksi] N = N 0 N 0 Neraca mol B, dengan cara sama N N t x (11) = NBi + FB 0dt N x (12) B 0 0 untuk kec r B V = N Bi F + B0 F B0 tetap t N dari neraca mol V = = V 0 0 x dn atau r V = dt + q t 0 N dx dt 0, dan (13) (14) (15)

35 Persamaan 13, 14, dan 15 dapat diselesaikan secara numeris, misal metode Euler: x i+ +11 = x i + ( r ) V i ( t) N 0 ingat N C = dan CB = V N V B

36

37 Derivation of Batch Reactor Design Equations Return

38 Derivation of PFR Reactor Design Equations Return

39 Solusi contoh o 12-1 Missen Kembali

40 Solusi contoh 12-2 Missen from the stoichiometry, Since C 0 = C B0 t 1 Kembali

41 Solusi contoh 12-3 Missen Persamaan design untuk RB Kecepatan reaksi Perubahan jumlah mole dan volume setelah reaksi berlangsung ditentukan menggunakan tabel stokiometri

42 Untuk gas ideal Untuk kasus ini R, T, dan P konstan sehingga berlaku atau Substitusi ke pers. Kecepatan reaksi dan pers desain: Untuk integral, ambil a = 1 f f = 1 a df = -da, integral menjadi: Sehingga diperoleh: 1 Return

43 Solusi 12-4 Missen Diketahui: n 0 = 7,5 mol, V = 15 L, f 0 =0, f = = -1 0,8, k 0,05 min Neraca mole: Diintegralkan diperoleh: Neraca energi untuk operasi isotermal: Karena Q < 0 panas diambil dari sistem reaksi eksotermis

44 Menghitung Tc sebagai fungsi waktu, dari neraca energi T C = 300 ( )( 7,5 ) 0,0505 0,05t 0,05t 25,0 60 e = ,9 e Buat grafik Tc (K) versus t (menit) Return

45 Solusi 12-5 Missen Pers. Laju reaksi: Dari pers. Neraca massa: Substitusikan (-r ) diperoleh: Dengan t = f df k 1 f 0 ( ) () (B) Neraca energi operasi adiabatis (Bila - H R, Cp, dan nt konstan): t

46 Substitusikan ke pers. Neraca enargi: (C) Pers. (), (B), dan (C) diselesaikan secara simultan pada inkremen ff G* = 0,5(G j + G j-1 )

47 C, B,, f T/K k /h -1 G G* t/h Pers. diselesaikan dengan Trapezoidal Rule rata- rata Return