BAB 8

DESAIN REAKTOR NONISOTERMAL

Pendahuluan

Reaktor nonisotermal : temperatur bervariasi sepanjang reaktor PFR.

Reaktor Isotermal : temperatur konstan sepanjang reaktor PFR.

Dalam desain reaktor nonisotermal diperlukan:

a. Neraca mole, rate law, stoikhiometri, dan

b. Neraca energi.

Contoh : Reaksi eksotermik berlangsung secara adiabatis dalam PFR. Hitung

volume reaktor untuk mencapai konversi 70 % dari reaksi irreversible

elementary liquid – phase:

A B

Karena reaksi eksotermik dan adiabatis, Temperatur naik sejalan dengan

konversi sepanjang reaktor.

Penyelesaian :

1. Persamaan desain :

(1)

2. Rate law

(2)

3. Liquid phase

(3)

4. Stoikhiometri

(4)

Dengan menggabung persamaan (1) s/d (4) diperoleh persamaan:

(5)

Persamaan Arrhenius:

(6)

k = f(T), T bervariasi dengan x, maka k bervariasi sepanjang PFR.

(7)

Hubungan X dan T dibutuhkan melalui neraca energi untuk menyelesaikan

persamaan ini.

Neraca Energi

Hukum Pertama Thermodinamika

Sistem adalah suatu bagian yang dibatasi dengan kondisi diam atau bergerak.

S i stem Tertutup (Closed System)

Pada sistem tertutup tidak terjadi perpindahan massa dari luar ke dalam sistem,

namun terjadi perubahan energi total dE :

(8)

= Panas masuk ke system

= Kerja yang dilakukan sistem pada lingkungan

Sistem Terbuka ( Open System )

Pada sistem terbuka terjadi perpindahan massa dan energi dari luar ke dalam sistem.

Energi dibawa oleh aliran massa yang melalui system boundary.

Neraca Energ i untuk satu species yang memasuki dan keluar sistem :

(9)

Open system dengan n species

Unsteady – state energy balance :

(10)

(Laju akumulasi energi di dalam sistem)

=(Laju aliran panas ke sistem dari lingkungan)

-

(Laju kerja yang dilakukan sistem pada lingkungan)

+ (Laju energi yang ditambahkan ke sistem oleh aliran massa ke dalam sistem

(Laju energi yang keluar dari sistem oleh aliran massa yang keluar sistem

-

Kerja, W

Kerja terdiri dari flow work dan shaft work. Flow Work dibutuhkan agar massa masuk

dan keluar system. Shaft Work dihasilkan oleh stirrer pada CSTR atau turbine pada

PFR.

(11)

Flow work

P = Tekanan (kPa)

Vi = Specific volume (mol3/mole i)

Ws = Shaft work

Dengan menggabung Persamaan (10) dan ( 11 ) diperoleh:

(12)

Energi Ei adalah jumlah dari internal energi (Ui), energi kinetik (ui2/2), energi

potensial (gzi) dan energi lainnya seperti energi listrik dan magnit atau cahaya.

(13)

Dalam reaktor kimia, energy kinetik , energi potensial (gzi) dan energi lainnya

diabaikan dibandingkan dengan enthalpy, perpindahan panas dan kerja, sehingga:

(14)

Enthalpy

(15)

Dengan menggabung persamaan (12), (14) dan (15) :

(16)

(17)

Fi,o = Inlet molar flowrates

Hi,o = inlet enthalpy

Reaksi

Inlet term :

(18)

Outlet term :

(19)

Fi =

Fi = Molar flow rate species i

vi = Stoichimetric coefficient

A + +

(20)

(21)

Panas reaksi pada T:

(22)

Persamaan (21) dapat ditulis sebagai

(23)

Persamaan (23) disubtitusikan ke persamaan (17) pada kondisi steady state

(24)

Persamaan (24) dapat digunakan untuk reaksi disertai perubahan fasa.

Molal Enthaply, Hi

(25)

= Entalpy pembentukan species i pada TR

TR = Reference temperature (25 OC)

= Perubahan entalpy bila temperatur dinaikkan dari TR ke T

(26)

Persamaan (26) tanpa perubahan fasa

Contoh :

Entalp h y dengan perubahan fasa

Species A berupa padatan pada 25 OC. Entalpy pembentukan = .

Tentukan HA (T) pada keadaan gas pada temperatur T.

Penyelesaian :

Neraca Energy

TR

TM TM

TB TB

T

(Enthalpy species A pada A)

=

(Enthalpy pembentukan species A pada TR)

+pada pemanasan solid dari TR ke TM

+

(27)

Single – Phase Chemical Reaction

(28)

(29)

Perubahan Enthaply

(30)

Subtitusi (30) ke (24) :

(31)

Hubungan

Panas reaksi pada T

(32)

Panas pencairan pada TM

+pada pemanasan liquid dari TM ke TB

+

Panas penguapan pada TB

+pada

pemanasan gas dari TB ke T

Enthalpy Species

(33)

(34)

Subtitusi persamaan (33) ke (32) untuk masing-masing species:

(32)

Panas Reaksi pada TR

(33)

Dimana

= Enthalpy pembentukan (pembentukan senyawa i pada 25 OC)

TR = 25 OC

(34)

Subtitusi persamaan (33) & (34) ke persamaan (32) :

(35)

Constant atau Mean Heat Capacity

Dengan cara yang sama :

Dari persamaan

Variable Heat Capacity (Cp = f(T))

(36)

Subtitusi persamaan (36) ke persamaaan (35) didapat :

(37)

(38)

Dimana :

(39)

(40)

Subtitusi persamaan (37 & 39) ke persamaan ( 40 ):

Contoh : Panas reaksi

Hitung panas reaksi sintesa Ammonia dari H2 dan N2 pada 150 OC dalam :

a. Kcal/mol N2 yang bereaksi

b. Kj/mole H2 yang bereaksi

Penyelesaian :

(pada TR = 25OC)

N2 + 3H2 2NH30 0

Metoda 1 : Cpi diketahui pada T = 25 OC 150 OC

8.2.8. Heat Added to the Reactor,

(8-34)

(8-35)

(8-36)

Exhothermic

8.3. Nonisothermal Continuous – Flow Reactors Steady State

(8-37)

(8-38)

(8-39)

8.3.1. Application to the CSTR

(2-13)

(8-40)

(8-41)

A B

1. CSTR design equation :

(2-13)

2. Rate Law :

With

3. Stoichimetry : liquid phase (i.e., v=vo):

4. Combining yields

(8-42)

8.3.2. Adiabatic Tubular Reactor

(8-43)

State-State Tubular Reactor Dengan Pertukaran PanasCracking fasa uap

Acetone menjadi ketene dan methane :

Reaksi order satu terhadap acetone dan laju reaksi spesifik dinyatakan dengan

persamaan :

Acetone 8000 kg/hari diumpankan kedalam tubular reactor yang dilengkapi

dengan jaket yang berisi aliran gas pada T = 1150 k untuk mensuplai energy

yang dibutuhkan oleh reaksi endotermis. Acetone murni masuk reactor pada

1035 K. Reaktor terdiri dari bank 1000 tube dengan diameter 1 in schedule

number 40.

Overall heat transfer coefficient = 110 j/m2.s.k

Tentukan profile temperatur gas sepanjang reaktor.

Penyelesaian : A = Acetone

B = Ketene

C = Methane

1) Mole Balance :

2) Rate law :

3) Sstoichimetry :

Gas – phase

Gabung persamaan 2 & 3

Gabung persamaan 1 & 4

1

2

3

4

5

Energy Balance :

Karena Acetone murni masuk reactor

Persamaan 6 menjadi :

Persamaan 5 dan 7 diselesaikan secara numeric untuk menentukan X

dan T sepanjang volume reactor

Parameter :

Per tube basis :

6

7

Heat-Transfer area per unit volume pipa :

Digunakan :

Simulasi

Persamaan 5 dapat diganti dengan

Algoritma :

1) Set Input T awal, X awal

2) Input semua parameter

3) Hitung -rA

4) Selesaikan persamaan 8 dan 7 secara numeric

8.3.3. Steady – state Tubular Reactor with Heat Exchange

(8-44)

(8-45)

(8-46)

(8-47)

8

(8-48)

(8-49)

(8-50)

(8-51)

(8-52)

(8-53)

(8-54)

(8-55)

(8-56)

(8-57)

(8-58)

(8-59)

(8-60)

(8-61)

(8-62)

(8-63)

(8-64)

(8-65)

(8-66)

(8-67)

(8-68)

(8-69)

(8-70)

(8-71)

(8-72)

(8-73)

(8-74)

(8-75)