desain reaktor batch

18
Reaktor Batch

Upload: southeast90

Post on 20-Dec-2015

438 views

Category:

Documents


40 download

DESCRIPTION

sadsadsa

TRANSCRIPT

Page 1: Desain Reaktor Batch

Reaktor Batch

Page 2: Desain Reaktor Batch

Pendahuluan

Reaktor ini dapat digunakan baik skala laboratorium untuk memperoleh

data reaksi tertentu atau untuk skala komersial industry.

Umumnya industri obat-obatan sering menggunakan jenis ini karena dapat

dengan mudah dioperasikan untuk memproduksi obat yang berbeda-

beda setiap harinya.

Namun banyak juga produk kimia yang diproduksi dengan reactor ini

seperti polimer, dan produk dengan bamyak reaksi samping.

Page 3: Desain Reaktor Batch

Reaktor Batch (reaktor tumpak)

Page 4: Desain Reaktor Batch

Karakteristik

Reaktor dalam system tertutup

Massa total dalam reactor tetap

Volume atau densitas dalam reactor mungkin bervariasi

Terjadi perubahan energy dalam reactor selama reaksi

Waktu tinggal setiap komponen sama

Beroperasi secara tidak tunak karena komposisi berubah seiring waktu

Diasumsikan pencampuran homogen

Page 5: Desain Reaktor Batch

Perbedaan Sistem Batch dan Sistem

Kontinyu

No Batch Kontinyu

1. Produksi skala kecil Produksi jangka panjang, skala besar

2. Lebih fleksibel untuk

memproduksi dua atau lebih

produk

Produk sesuai desain awal reaktor

3. Modal awal relatif rendah Modal awal tinggi

4. Mudah di shutdown dan start-up Harus terjadwal

5. Membutuhkan waktu antar

batch (down time)

Tidak ada down time, tetapi sekali

ada, akan membutuhkan biaya yang

tinggi

6. Biaya operasional tinggi (tenaga

kerja lebih banyak)

Biaya operasional lebih rendah

7. Karena beroperasi tak tunak,

keseragaman kualitas produk

sulit dicapai.

Kontrol proses lebih mudah,

keseragaman kualitas terjamin

Page 6: Desain Reaktor Batch

Algoritma Perncangan

Reaktor Batch

Page 7: Desain Reaktor Batch

Neraca Massa Reaktor Batch

[input] – [output] + [pembentukankarenareaksi] = [akumulasi]

Dalam reactor batch tidak ada aliran masuk dan keluar, dan A adalah

reaktan, maka:

0 − 0 + −𝑟𝐴𝑣 = [𝑑𝑁𝐴𝑑𝑡]

𝑑𝑁𝐴𝑑𝑡

= −𝑟𝐴𝑉

𝑁𝐴0𝑑𝑋

𝑑𝑡= −𝑟𝐴𝑉

𝑑𝐶𝐴𝑑𝑡= −𝑟𝐴

Persamaan tersebut berlaku jika densitas konstan.

Waktu reaksi dapat dihitung menjadi: 𝑡 = 𝑁𝐴0 0𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴

−𝑟𝐴𝑉= 𝐶𝐴0 0

𝑋𝐴 𝑑𝑋𝐴

−𝑟𝐴=− 𝐶𝐴0

𝐶𝐴 𝑑𝐶𝐴

−𝑟𝐴

Page 8: Desain Reaktor Batch

Neraca Energi Reaktor Batch

Secara umum neraca energi reaktor batch adalah:

dimana:

U = koef. Heat transfer (W/m2.K)

Ac = Luas area perpindahan panas (m2)

Ta = Suhu coil pemanas/pendingin (K)

T = Suhu reaksi (K)

HRx = Panas reaksi (J/mol)

Page 9: Desain Reaktor Batch

Laju Produksi Reaktor Batch

Jika waktu reaksi (t), waktu down-time (td), makawaktu 1 siklus produksi

(tc)adalah

tc = t + td

Waktu down-time adalah penjumlahan dari waktu pemasukan reaktan,

pemanasan, pengambilan produk dan pembersihan).

Laju produksi zat C dalam satu siklus reaksi adalah

𝐹𝐶 =𝑚𝑜𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘 𝐶 𝑡𝑒𝑟𝑏𝑒𝑛𝑡𝑢𝑘

𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖𝑥

1

𝑤𝑎𝑘𝑡𝑢 𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑠𝑖

𝐹𝐶 =𝑁𝐶

𝑠𝑖𝑘𝑙𝑢𝑠 𝑟𝑒𝑎𝑘𝑠𝑖𝑥1

𝑡𝑐

Nilai Nc tergantung dari stoikiometri reaksi jika reaksi A→2C, maka𝑁𝐶 = 2𝑁𝐴0𝑋

Page 10: Desain Reaktor Batch

Contoh Soal Reaksi

Pers. Disain reactor Batch :

(utkfasacairan)

Pers. Laju untuk reaksi order satu :

Dari kedua pers. di atas diperoleh :

Jika diketahui k = 0,311/men dan x = 0,8 maka :

t = 5,175 menit ≅ 5 menit.

Jika diketahui tf,tc,te, dan tu= 10, 10, 5, dan 5 men, maka :

Jumlah reaktor Batch = tt/t= 7 buah

𝑟𝐴 = 𝑑𝐶𝐴

𝑑𝑡

−𝑟𝐴=𝑘. 𝐶𝐴

𝑡 =1

𝑘𝑙𝑛

1

1 − 𝑥

Tf= waktu pengisian, tc= waktu pengosongan, te=waktu pembersihan, tu= waktu pendinginan

Page 11: Desain Reaktor Batch

Reaksi: A + B C , atau

Bila dikehendaki produk C = 200 jutalb/tahun, F𝐶= 6,137 lbmol/menit =𝐹𝐴𝑜. 𝑋,

maka : F𝑎= 7,67 lbmol/menit.

Jumlah molA yg dimasukkan ke R. Batch M𝐴 :

M𝐴= (7,67 lbmol/men) x (5 men) = 38,35 lbmol

Jika C𝐴𝑜= 1 lbmol/ft3, maka volume A (𝑉𝐴) :

𝑉𝐴= 𝑀𝐴/𝐶𝐴𝑜= 38,35 ft3

Jika diasumsi 𝑉𝐴=𝑉𝐵, maka Vol. Reaktor Batch (𝑉𝑅) =

𝑉𝐴+ 𝑉𝐵= 76,7 ft3= 2,2m3.

Jika Reaktor Tangki Silinder, dengan D = 1 meter, maka L = 2,8 meter.

𝐶2𝐻4𝑂 + 𝐻2𝑂 𝐶𝐻2𝑂𝐻 2𝐻2𝑆𝑂4

Page 12: Desain Reaktor Batch

Penjadwalan Operasi Reaktor Batch

Page 13: Desain Reaktor Batch

Optimasi Kinerja Reaktor Batch

Semakin lama waktu reaksi semakin banyak pula produk yang dihasilkan

namun semakin sedikit jumlah Batch per unit waktu yang dapat dilakukan.

Persamaan yang digunakan, yaitu :

𝑡 + 𝑡𝑑𝑑𝑋 𝑡

𝑑𝑡− 𝑋 𝑡 = 0

Dimana, 𝑡 = Waktureaksi

𝑡𝑑 = Down-time (waktuuntukmemasukan, mengeluarkan, dan pembersihan)

𝑋 𝑡 = Konversi sebagai fungsi waktu

Page 14: Desain Reaktor Batch

Contoh soal

Reaksi ordesatufasecair A C berlangsungdalam reactor batch, dengan𝑡𝑑 = 30 menit. Mula-mula reactor nerisi 8 mol A murni. Jika𝑘 = 0,05/menithitunglahwaktureaksi agar tercapaiproduksimaksimaldanberapaproduksi C yang dihasilkan?

Penyelesaian :

Mencarikonversisebagaifungsi𝑡−𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝑎 = 𝑘𝐶𝐴𝑂 1 − 𝑋

darineracamassa,

−𝑟𝐴=𝑁𝐴𝑂𝑉

𝑑𝑋

𝑑𝑡= 𝐶𝐴𝑂

𝑑𝑋

𝑑𝑡

𝑘𝐶𝐴𝑂 1 − 𝑋 = 𝐶𝐴𝑂𝑑𝑋

𝑑𝑡𝑑𝑋

𝑑𝑡= 𝑘 1 − 𝑋

𝑂

𝑋 𝑑𝑋

1 − 𝑋=

𝑂

𝑡

𝑘 𝑑𝑡

Page 15: Desain Reaktor Batch

𝑋 = 1 − 𝑒−𝑘𝑡

Sehingga,

𝑘 1 − 𝑋 =𝑑𝑋

𝑑𝑡

𝑘 1 − 1 − 𝑒−𝑘𝑡 =𝑑𝑋

𝑑𝑡𝑑𝑋

𝑑𝑡= 𝑘𝑒−𝑘𝑡

Mendistribusikanpersamaan point (1) kedalam persamaan di atas

𝑡 + 𝑡𝑑𝑑𝑋 𝑡

𝑑𝑡− 𝑋 𝑡 = 0

𝑡 + 30 0,05𝑒−𝑘𝑡 − 1 − 𝑒−𝑘𝑡 = 0

Sehingga diperoleh nilai 𝑡 = 26,95menit

Menghitungproduksimaksimum

saat𝑡 = 26,95, maka𝑋 = 0,74sehingga𝑁𝑐 = 0,74 × 8mol = 5,92 mol C diproduksi

tiap batch atau,

𝑃𝑟𝑜𝑑𝑢𝑘𝑠𝑖 𝐶 =5,92 mol × 60 min

𝑗𝑎𝑚

26,95 + 30 min= 6,24 𝑚𝑜𝑙 𝐶

𝑗𝑎𝑚

Page 16: Desain Reaktor Batch

Reaktor Semi-Batch

Dikarenakan kondisi reaksi, misalnya pengaturan konsentrasi salah satu

reaktan serendah mungkin untuk menghindari reaksi samping, maka

reaktor batch dapat dioperasikan secara semi kontinyu.

Kelebihannya:

Jika reaksi bersifat eksotermis, pengontrolan suhu dapat dilakukan dengan

penambahan salah satu reaktan secara bertahap.

Konsentrasi reaktan dapat dibuat sedemikian rupa sehingga selalu rendah atau

tinggi.

Jika reaksi yang berlangsung merupakan reaksi kesetimbangan, maka salah satu

produk dapat segera dipisahkan sehingga kesetimbangan bergeser ke arah

produk.

Page 17: Desain Reaktor Batch

Reaktor Semi-Batch

Kekurangannya:

Sama seperti reaktor batch, kapasitas produksinya lebih kecil dikarenakan

adanya siklus operasional.

Biaya operasional relatif tinggi

Karena beroperasi tak tunak, maka analisa proses dan perancangannya lebih

kompleks.

Pemipaan dan valvingnya lebih rumit.

Page 18: Desain Reaktor Batch