PHYSICALPROCESSES

(PRETREATMENT)

CHEMICALREACTIONS

PHYSICALPROCESSES

(SEPARATION)raw

materials

products

(main & by-products or waste

recycle (unconverted reactants & sometimes catalysts)

ENERGY& UTILITIES

1. Untuk ilangin bahan pengotor, 2. Jantung proses karena nentuin proses untung/gak, 3. Pemisahan: recycle reaktan sisa, cari produk yg sesuai dgn spesifikasi yg diminta, memurnikan produk

Aspek desain reaktor: ukuran; jenis operasi (batch, dll); jenis reaktor dan konfigurasi (seri/paralel); kondisi reaktor (adiabatik/isoterm)(dasar perancangan reaktor); heat removal (tambahan).What we need: prinsip2 konservasi; kinetik & thermo reaksi; design guidlines; neraca massa & energi momentum; computing tools.Reactor Types:Homo Liquidtank reactor, tubular reactorHomo gastubular reactorGas-liquidbubble R, fixed bed or packed bed reactorSolid-liquidfluidized bed R, packed bed reactorSolid-gassdaSolid-liquid-gastower R, bubble R, spray chamber

CHP 2 – Ideal Reactors ConceptCHAPTER 2 – IDEAL REACTOR CONCEPTIdealjika ddalam campuran reaktor tidak terdapat perbedaan konsentrasi dan T (homogen) , steam yg digunakan dlm pemanasan sat.steam krn dalam mengkondensasi koef.perpindahan panas bisa berkali lipat lebih besar dibandingkan dengan superheated steam. Reaktor Ideal kontinu.PFR syarat reaktor PFR ideal adalah Nre besar sehingga terjadi flat velocity profile yang baik, L/D > 50,komposisi dan T di arah radial seragam tidak ada gredien konsentrasi di arah radial. CSTR : tidak ada perbedaan T dan C untuk waktu reaksi yang cepat. Batch : untuk reaksi lambat, watu pengisian dan pengosongan cepat,waktu reaksi lama, skala kecil,biaya mahal dan fleksibel (dapat diganti2 reaktan dan produknya).Semibatch : untuk reaksi lambat dgn tujuan tertentu yang tidak bisa dicapai jika digunakan reaktor batch, digunakan dalam rekasi pararel (utk mendapatkan produk berbeda lebih banyak) dan dalam rx yg eksotermis pengendalian T lebih mudah sehingga laju reaksi bisa diatur konsentrasi bisa diatur. Kontinu : u/rx cepat umpan dan produk terus menerus masuk dan keluar , skala besar, biaya murah, tidak fleksibel untuk rx berkatalis padat fasa cair maupun gas.PBR /FBR: reaktor unggun tetap yg terdiri dari tumpukan katalis padat reaktan yang mengontak katalis akan membentuk produk. Didalam PBR banyak pipa2 kecil berisi katalis sehingga L/D besar aliran jd plug flow. Perpindahan massa dan energinya lambat resikonya katalis overheating ,pusat aktif akan hilang. Aliran fluida dari atas ke bawah. FBR reaktor unggun terfluidakan, perpindahan massa dan panasnya cepat sehingga dapat digunakan untuk rx eksoterm. Waktu tinggal sebentar supaya cepat ,ukuran katalis diperkecil agar ringan dan mudah terangkat. Aliranfluida dari bawah ke atas. PFR: kec. Fluida sejajar (turbulen) dan sama kearah radial; Nre makin besar; gak ada beda kec, konsentrasi & T di arah radialCSTR: tercampur sempurnaBatch ideal reactors

Jika volume dan densitas konstan

Isotermal: nilai k konstan, non-isotermal: k berubah, waktu rx juga berubah2Cycle time:Start up: filling, heating; reaction: laju reaksi; shut down: cooling, discharging; preparation next batch: cleaning. Rx jgn di tunggu sampai konversi maks/reaktan habis, tapi liat

saat perubahan laju sdh kecilKalo V dan ρ gak konstanJika V berubah-ubah

Jika V dan ρ gak konstan

Space time (u/ 1 vol reaktor)

FA0=CA0.Q0

Space velocity:

General PFR:

Untuk fasa liquid rekasi pencampuran densitas dianggap konstan

Untuk fasa gas densitas tidak kostan kecuali 𝜺A = 0 maka persamaannya :

PFR desain mengarah ke 4 aspek penting yaitu informasi umpan, volume reaktor, kinetika, konversi akhir. Perhitungan dapat diselesaikan scr analitik,grafis,numerik. General

CSTR : karena densitas dianggap

konstan maka

persamaannya jadi :

Performa CSTR vs PFR

Untuk reaksi orde positif PFR lebih efisien dibanding CSTR, untuk orde 0 PFR dan CSTR sama tetapi harus dituliskan bahwa diakhir reaksi ordenya harus positif.

Home reading : waktu ruang adalah waktu yang diperlukan untuk memproses umpan sebesar volume reaktor. Waktu tinggal adalah waktu yang dibutuhkan agar umpan dapat diproses dalam satuan waktu.

(CHP 3) PFR with Recycle u/ meningkatkan kinerja reaktor secara overall

R= rasio daur ulang

If eA = 0 (eg for liquid system)

U/ rx (+) recycle tdk menguntungkan, pasti lebih jelek drpd pfr tanpa R. u/ rx (-) dan gas ga bisa pake CSTR, jadi pake pfr recycle. u/ fasa cair pk CSTR seri = mirip PFR

AUTO-CATALYTIC rx yang kinetikanya gab rx orde (+) dan orde (-)PFR with Recycle

Rekator PFR baik u/ Xaf yg besar dan reaktor CSTR baik u/ Xaf yg kecil. ada rasio R yang plg optimum agar dpt Volum rktr min. u/ rx orde ½ ga ada Roptimum krn PFR recycle mw brapa pun R nya, V reaktor akan lebih besar, jd Roptimum Cuma ada di rx autokatalitik.cara mencari Ropt:

Auto catalityc combination

Facts :

if final conversion till the maximum rate – CSTR is better (more effective) than PFR. if final conversion pass the maximum rate – PFR is better than CSTR. Combination of CSTR (operated @ max rate) with PFR (from max rate until final conversion) will be the best combination .

(CHP-4) focus utama:distribusi produk

Optimasi ekonomi: mencari balance antara ukuran reaktor dgn distribusi produknya = cari yg paling optimal. Klo ukuran reaktor di push min dpt distribusi produk yg jelek ( ada produk samping,produk utama sedikit). Klo mau distribusi produk baik = ukuran reaktor yg digunakan harus sangat besar. u/ rx kompleks dihadapkan pd 2 faktor utama: ukuran reaktor dan distribusi produk yg saling bertolak blkg.

PARALLEL REACTIONS

If ER ≠ ES (E = activation energy), another important factor is the effect of T (reaction temperature) on the reaction constants, which eventually influence the product distribution. Sometimes, it is possible to use a catalyst to speed up the wanted reaction (increase selectivity)

Ada 3 kunci u/ dpt distribusi produk yg baik : 1) memilih rekator yg tepat spy bisa ngatur konsentrasi reaktan A mjd produk utama. 2) atur T rx spy lbh banyak m’hasilkan produk utama. 3)peran katalis yaitu mengarahkan rx (mempercepat rx ke produk yang diinginkan tapir x samping ga di pengaruhi). Energi aktivasi rendah = rx lebih cepat. total selectivity (selektivitas = brp banyak R yg dihasilkan thd A yg brx)

Selektivitas bergantung dari : tipe reaktor, kinetika rx ( T, orde) dan katalis. u/ dpt yield yg besar harus memperhitungkan : tipe reaktor, kinetika, dan penggunaan katalis. Selektivitas lokal/sesaat :1)PFR/batch: tidak konstan krn konsentrasi dlm reaktor dr awal masuk sampai keluar berubah sepanjang rekator. 2) CSTR: konstan.

Dalam PFR/BATCH :

CSTR

N-CSTR in series

Best Reactor Choice

SERIES REACTIONS

if R is the main product : PFR/batch is the best (or N-CSTR in series). if S is the main product : CSTR is the best (or PFR with recycle. Kunci u/ dapet distribusi produk yg baik = pola pencampuran. u/ CSTR :perfect mixing dan u/ PFR : alirannya ygn masuk tdk bercampur dgn bhn2 yg ada dlm reaktor sebelumnya.

PFR reactor

CSTR reactor :

The product distribution of PFR is compared to that of CSTR:

i. the time or t to reach CR,max @ PFR is less than CSTR

ii. CR,max @ PFR is bigger than CSTR

iii. Rx seri dgn R=produk utama, PFR lebih baik drpd CSTR ( dari segi uk reaktor dan waktu)

Therefore, for series reaction in which R is the main product: PFR is better than CSTR in terms both t and CR,max

Therefore, optimization should be carried out because: @ XA too small – although FR is very good, the separation and recycle of A will increase significantly (costly). @ XA too big – the separation and recycle of A will be minimum, however FR is very poor. Klo k2/k1 kecil : selektivitas ke produk utama bisa tinggi, konversi reaktan besar. Klo k2/k1 besar : klo mau Xa besar, harus ngorbanin selektivitas ke R, tp klo mw selektivitas besar = Xa keci. Klo terpaksa pk k2/k1 besar maka harus dilakukan optimasi.

SERIES-PARALLEL REACTIONS

if R is the main product : PFR/batch is the best (or N-CSTR in series. if S is the main product : CSTR is the best (or PFR with recycle). PFR reactor:

PFR reactor : mole A balance:

mole B balance:

CSTR reactor :

The series OR parallel EQUILIBRIUM reactions are highly complex problems, which require numerical solution methods. Therefore, in this chapter only some QUALITATIVE overviews for common reactions are given. In series equilibrium reaction case, not all cases have a maximum R (intermediate) concentration as found in irreversible series reaction.In contrast to irreversible parallel reaction, parallel equilibrium reaction may have a maximum R (intermediate) concentration as found in irreversible series reaction.NOTE that for series reactions, the initial (t=0) slope of S curve is always ZERO, but NOT in the case of parallel reactions !!