Download - BAB 8A.doc
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)