desain reaktor batch
DESCRIPTION
sadsadsaTRANSCRIPT
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.
Reaktor Batch (reaktor tumpak)
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
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
Algoritma Perncangan
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
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)
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
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
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
Penjadwalan Operasi 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
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
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
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.
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.