06 tk3103 reaktor tangki idealscd

BAB 6 REAKTOR TANGKI IDEAL (CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR)

Dr. Subagjo

Dr. IGBN Makertihartha

Program Studi Teknik Kimia FTI ITB

1 TK3103 TRK2 - mkt

Reaktor Tangki Ideal

Akibat pengadukan sempurna: Media reaksi tercampur/terdispersi secara sempurna di

dalam reaktor tangki

Seluruh sifat fisiko-kimia-transport-kinetika terdistribusi homogen di seluruh bagian reaktor

Sifat-sifat fisiko-kimia-transport-kinetika media reaksi keluaran reaktor sama dengan media reaksi dalam reaktor

Neraca massa:

Laju alir masuk reaktor

+ Laju reaksi

pembentukan =

Laju alir keluar reaktor

, + = ,

TK3103 TRK2 - mkt 2

, + =

, + =

, =

,

=

,=

Neraca Massa Reaktor Tangki Ideal

Neraca massa reaktor

=

= , 1

TK3103 TRK2 - mkt 3

Variabel yang terlibat dalam persamaan perancangan ini: Volume reaktor

Laju kinetika reaksi kimia

Spesifikasi bahan baku (laju alir molar, laju alir volumetrik, konsentrasi awal)

Unjuk kerja reaktor (konversi)

Tiga variabel diketahui, variabel lainnya dapat dihitung

Konsentrasi Reaktan

,

,

Titik umpan Titik keluaran

di dalam reaktor

Neraca Massa Reaktor Tangki Ideal Volume media reaksi tetap

Neraca massa reaktor tangki ideal Bila tidak ada perubahan densitas

selama reaksi berlangsung, maka laju alir volum akan konstan

TK3103 TRK2 - mkt 4

, + =

, + =

, + =

==,

Neraca Massa Reaktor Tangki Ideal Volume medi reaksi berubah selama reaksi berlangsung

Jika volume/densitas media reaksi berubah selama reaksi berlangsung, maka berlaku:

Karena densitas media reaksi berubah, maka laju alir volumetrik akan berubah selama reaksi berlangsung.

TK3103 TRK2 - mkt 5

, + =

,

=

,=

1o A A

AoA

A oT

V V x

n

n

Laju reaksi rA harus dinyatakan sebagai fungsi XA dengan mempertimbangkan perubahan densitas selama reaksi berlangsung.

Contoh 1: Reaksi Orde ke-1

Sebuah reaksi orde ke-1 diselenggarakan dalam sebuah reaktor tangki ideal kontinyu. Turunkan persamaan unjuk kerjanya.

=

Jika densitas media reaksi tetap:

==,

=,

,

=1

1 +

TK3103 TRK2 - mkt 6


Jika densitas media reaksi berubah:

,

=

,=

= =

= 0 1 0 1 +

= ,1 1 +

Subsitusikan ke persamaan evaluasi unjuk kerja:

=1 + 1

TK3103 TRK2 - mkt 7

Jika unjuk kerja reaktor diketahui, dan waktu ruang atau volume reaktor harus dihitung, masalah ini adalah masalah perancangan.

Jika waktu ruang atu volume reaktor diketahui, dan konversi reaksi harus dihitung, masalah ini adalah masalah evaluasi unjuk kerja.


Turunkan persamaan evaluasi unjuk kerja reaktor tangki ideal kontinyu (RTIK) untuk reaksi orde ke-2.

= 2

Jika densitas media reaksi tetap

=,

=,

2

2 + 0 = 0

00

2

+0

1 = 0

TK3103 TRK2 - mkt 8

0

=1 + 1 + 40

20


Jika densitas media reaksi berubah

,

=

,=

= 2 =

2

= 00

21 1 +

2

= ,2 1

1 +

2

Subsitusikan ke persamaan evaluasi unjuk kerja:

=,

1 + 1

2

TK3103 TRK2 - mkt 9

Contoh 3: Reaksi Dua Reaktan, Berorde ke-2

Reaks order kedua berikut: + diselenggarakan dalam sebuah reaktor tangki ideal kontinyu berdensitas tetap. Turunkan persamaan unjuk kerja reaktor ini jika persamaan laju reaksi: = = .

Jawab:

Persamaan neraca massa A dan B untuk sistem berdensitas tetap:

0 =

0 =

TK3103 TRK2 - mkt 10

Sistem persamaan aljabar ini dapat diselesaikan secara simultan untuk menghitung harga CA dan CB. Menyelesaikan sistem persamaan aljabar tak linier dapat dilakukan dengan:

Analitis

Metoda numerik

Metoda analitis: substitusikan persamaan ke-2 ke persamaan ke-1 dan selesaikan persamaan yang mengandung sebuah variabel saja.

Metoda numerik: newton atau dengan solver dalam Excel.

Contoh 3: Reaksi Dua Reaktan, Berorde ke-2 Penyelesaian analitik

kC

kCkCCkCC

C

C

Ao

AoAoBoAoBo

Ao

A

2

4112


Dengan mensubstitusi persamaan ke-2 ke persamaan ke-1, maka diperoleh penyelesaian analitik:

Contoh 4: Unjuk Kerja Reaktor Tangki Ideal

Sebuah reaksi elementer fasa cair + 2 diselenggarakan dalam sebuah reaktor tangki ideal dengan laju reaksi :

= 1

2 = 12,5

2 1,5 mol

liter.menit

Volume reaktor tangki = 6 liter. Terdapat dua buah aliran umpan yang memiliki laju alir volumetrik yang sama. Aliran umpan pertama mengandung 2,8 mol A/liter, dan aliran umpan kedua mengandung 1,6 mol B/liter. Konversi yang diinginkan adalah 75% komponen pembatas. Jika diasumsikan bahwa densitas media reaksi tetap selama reaksi berlangsung, perkirakan berapa laju alir masing-masing aliran umpan.



Jawab:

Jika kedua aliran umpan yang memiliki laju alir yangs ama dipertemukan, maka konsentrasi awal dari masing-masing reaktan adalah:

0 = 1,4

; 0 = 0,8

; 0 = 0

Dari sini dapat dilihat bawa B adalah komponen pembatas reaksi kimia, sehingga konversi yang dimaksud adalah konversi B sebesar 75%.

Dari neraca massa, konsentrasi masing-masing komponen dalam (atau keluaran) reaktor:

= 0 1 = 0,8 1 0,75 = 0,8 0,6 = 0,2

= 0 1

20 = 1,4

0,6

2= 1,1

= 0 +1

20 = 0,3

Dengan demikian, laju reaksi konsumsi B :

= 2 = 2 12,5 1,1 0,22 2 1,5 0,3 = 0,2

.



Jika tidak terdapat perubahan densitas selama reaksi berlangsung:

=

=0

=0,8 0,2

0,2= 3

=

3=6

3= 2

Jadi, laju alir masing-masing aliran umpan adalah QA,in = QB,in = 1 liter/menit


Contoh 5: Perancangan Reaktor Tangki Ideal

Reaksi sintesis biodiesel fasa cair: + 3 3 + [TG=trigliserida, M=metanol, B=biodiesel, G=gliserol] dilaksanakan pada sebuah reaktor tangki ideal kontinyu. Reaksi dilaksanakan pada temperatur 70 C dan tekanan 1 atm.

Persamaan laju reaksi ini adalah = 0,781,5

; . Umpan adalah

campuran TG dan M dengan laju alir 50 liter/menit, dengan konsentrasi mula-

mula: , = 0,8

dan , = 3

. Jika diinginkan konversi TG sebesar

90%, hitung volume reaktor tangki ideal yang dibutuhkan.

Jawab.

Reaksi ini adalah reaksi fasa cair, sehingga dapat dianggap bahwa tidak ada perubahan densitas selama reaksi berlangsung. = 0


Contoh 5: Perancangan Reaktor Tangki Ideal

Neraca massa:

Konsentrasi masing-masing komponen di dalam (keluaran) reaktor:

= 0,8 1 0,9 = 0,08

= 3 3 0,8 0,9 = 0,84

= 3 0,8 0,9 = 2,16

= 0,8 0,9 = 0,72

Persamaan perancangan reaktor tangki ideal:

= ,

= 50

0,8 0,08

0,78 0,08 0,84 1,5 = 749,4


Contoh 6: Reaktor Ideal dengan Densitas Media Reaksi Berubah Reaksi fasa gas dekomposisi dioxin : 12424 + 122 122 + 22 + 2 diselenggarakan dalam sebuah reaktor tangki ideal kontinyu pada temperatur 600 C, tekanan 5 atm. Laju reaksi pembakaran dioxin pada kondisi oksigen berlebih adalah:

= 2051,25 .

Umpan dengan laju alir volumetrik 100 liter/detik dan 5%-mol dioxin dalam udara diumpankan ke dalam reaktor pada temperatur dan tekanan yang sama dengan temperatur dan tekanan reaktor. Jika konversi dioxin yang diinginkan adalah 99,9%, hitung volume reaktor tangki yang dibutuhkan.

Jawab.

Reaksi ini adalah sisten non-equimolar, sehingga densitas media reaksi berubah.

=15 13

10,05 = 0,1

Reaksi dianggap isothermal dan isobar, maka = 1.


Contoh 6: Reaktor Ideal dengan Densitas Media Reaksi Berubah

Jika campuran gas umpan dianggap sebagai gas ideal,

=

=5

0,082 600:273= 0,07

, = 0,05 0,07 = 0,0035

, = , = 0,0035 100 = 0,35

Laju reaksi:

= 2051,25 = 205

1,25

= 205,1,25 1

1 +

1,25


Contoh 6: Reaktor Ideal dengan Densitas Media Reaksi Berubah

Persamaan perancangan reaktor tangki ideal:

,=

= 0,350,999

205 0,0035 1,251 0,999

1 + 0,1 0,999

1,25 = 12690,7


Contoh 7 : Evaluasi Unjuk Kerja Reaktor Tangki Ideal

Ulangi contoh 6

Diketahui: temperatur 600 C, tekanan 5 atm, laju alir volumetrik umpan 100 liter/detik, konsentrasi dioxin 5%-mol dalam udara, volume reaktor = 10.000 liter.

Hitung konversi dioxin.


Perbandingan Volume Reaktor Pipa Ideal dan Reaktor Tangki Ideal


,

=

,

0

=

,

=

=

1

,

1

,

<

Reaktor Pipa Ideal Reaktor Tangki Ideal

Contoh 8: Perbandingan volume reaktor pipa dan tangki ideal

Sebuah reaksi fasa gas dehidrogenasi etana menjadi etilen: 26 24 + 2 diselenggarakan secara isotermal dan isobar pada 873 K dan 1 atm. Laju reaksi konsumsi

etana: = 2,51,36

.. Campuran 50%-mol etana dan nitrogen diumpankan ke

dalam reaktor dengan laju alir volumetrik 55000

pada temperatur dan tekanan

operasi. Jika konversi etana yang diinginkan sebesar 90%, hitung volume reaktor pipa ideal dan tangki ideal yang dibutuhkan.

Jawab:

Umpan: campuran 50%-mol etana dalam N2, pada T = 873 K dan P = 1 atm. Jika campuran gas dianggap gas ideal:

=

=1

0,082 873= 0,014

, = 0,5 0,014 = 0,007

, = 0,007 55000 = 385


Contoh 8: Perbandingan volume reaktor pipa ideal dan reaktor tangki ideal

Volume/densitas media reaksi berubah:

Kondisi isotermal dan isobar, = 1

=2;1

10,5=0,5

Reaktor Pipa Ideal (RAS)

Persamaan perancangan:

,

=

0,9

0

= 2,51,36

= 2,5,1,36 1

1 +

1,36



= 2,5,1,36 1

1 +

1,36

=,

2,5,1,36

1 + 1

1,36

0,9

0

=385

2,5 0,0071,365,7074 = 1.011.801,4

1,0. 10

6


XA F(XA) DA

0 1.0000

0.1 1.2332 0.1117

0.2 1.5420 0.1388

0.3 1.9643 0.1753

0.4 2.5669 0.2266

0.5 3.4769 0.3022

0.6 4.9678 0.4222

0.7 7.7334 0.6351

0.8 14.1037 1.0919

0.9 37.9717 2.6038

5.7074 Total A


Reaktor Tangki Ideal Kontinyu (TRIK)


,=

= 2,51,36

= 2,5,1,36 1

1 +

1,36

= 2,5 0,0071,36 0,0263 = 7,71. 10;5

.

= 3850,9

7,71. 10;5= 4.492.355,82 4,5106


Contoh 9:Perbandingan Kinerja Reaktor Pipa dan Tangki Ideal

Reaksi yang sama dengan Contoh 8

Diketahui: temperatur reaktor = temperatur umpan = 800 K, tekanan reaktor =

tekanan umpan = 2 atm, laju alir volumetrik = 55000

, konsentrasi etana =

50%-mol, volume reaktor = 1,1106 liter.

Bandingkan kinerja reaktor pipa ideal dan tangki ideal jika volume reaktor = 9105 liter.

Jawab:

Umpan: campuran 50%-mol etana dalam N2, pada T = 800 K dan P = atm. Jika campuran gas dianggap gas ideal:

=

=1

0,082 800= 0,0152

, = 0,5 0,03 = 0,0076

, = 0,0075 55000 = 419.5


Contoh 9: Perbandingan Kinerja Reaktor Pipa dan Tangki Ideal

Volume/densitas media reaksi berubah:

Kondisi isotermal dan isobar, = 1

=2;1

10,5=0,5

Reaktor Pipa Ideal (RAS)


,

=

0

= 2,51,36

= 2,5,1,36 1

1 +

1,36



= 2,5,1,36 1

1 +

1,36

=,

2,5,1,36

1 + 1

1,36

0

9105 =419,5

2,5 0,00761,36

= 7,0691

Dengan trial & error diperoleh: = 0,92


XA F(XA) DA

0 1.0000

0.1 1.2332 0.1117

0.2 1.5420 0.1388

0.3 1.9643 0.1753

0.4 2.5669 0.2266

0.5 3.4769 0.3022

0.6 4.9678 0.4222

0.7 7.7334 0.6351

0.8 14.1037 1.0919

0.92005 51.9631 3.9656

7.0693 Total A


Reaktor Tangki Ideal Kontinyu (TRIK)


,=

= 2,51,36

= 2,5,1,36 1

1 +

1,36

9105

419,52,5 0,00761,36 = 7,06 =

1 + 0,51

1,36

Dengan trial & error diperoleh: = 74%


Perbandingan Reaktor Ideal


Reaktor Partaian Reaktor Pipa Ideal (RAS) Reaktor Tangki Ideal (RTIK)

Skala kecil

Kualitas produk tidak penting

Membutuhkan konsentrasi

reaktan yang tinggi

Membutuhkan konsentrasi

reaktan rendah

Biaya instrumentasi rendah

Fleksibilitas tinggi

Biaya operasi tinggi

Sering mengalami shut-down

Kualitas produk sulit dikendalikan

Skala besar

Kualitas produk mudah dikendalikan

Biaya operasi rendah

Keuntungan

Biaya instrumentasi tinggi

KerugianFleksibilitas operasi sangat rendah

Skala besar

Membutuhkan kualitas produk yang tinggi

Fleksibilitas operasi tidak pentingMemerlulkan fleksibilitas operasi

yang tinggi

Kegunaan

Rekapitulasi Reaktor Ideal Kontinyu


Pekerjaan Rumah

Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, ed 3, halaman 113-119

No. 5.12 ; 5.16 ; 5.30


06 tk3103 reaktor tangki idealscd

Documents