makalah reaktor industri kimia

MAKALAHALAT INDUSTRI KIMIA

REAKTOR

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS BANDUNG RAYA

Jl. Banten No. 11 Bandung 40272 Tlp. 022-72307782015

DISUSUN OLEH :

ARIF BUDIMAN

1621112001

i

Arif Budiman 162112001 Makalah Reaktor Kimia

KATA PENGANTAR

Assalamualaikum Wr.Wb

Puji syukur ke hadirat Allah SWT, yang karena nikmat dan karunia-Nya lah

penyusun dapat menyusun makalah sebagai salah satu tugas pada mata kuliah Alat

Industri Kimia. Makalah ini berisi informasi tentang ”Reaktor”.

Besar harapan penyusun agar makalah ini dapat menjadi sumber tambahan

ilmu bagi setiap pembaca, menjadi wacana penambah wawasan, dan memperluas

pengetahuan umumnya bagi pembaca dan khususnya bagi penyusun sendiri.

Penyusun menyadari bahwa dalam makalah ini masih banyak kekurangan

serta kekeliruan, untuk itu penyusun memohon maaf dan saran serta kritik yang

membangun dari pembaca sangat penyusun harapkan. Akhir kata penyusun

mengucapkan Terima Kasih.

Wassalamualaikum Wr.Wb

Penyusun

ii


DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR.................................................................................................................... i

DAFTAR ISI...............................................................................................................................ii

DAFTAR GAMBAR................................................................................................................... iii

BAB I PENDAHULUAN..............................................................................................................1

A. Definisi Reaktor Kimia.................................................................................................1

B. Pemilihan Jenis Reaktor & Tujuannya.........................................................................2

BAB II JENIS-JENIS REAKTOR KIMIA.........................................................................................5

A. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan bentuk.......................................................................7

B. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Keadaan Operasi.......................................................7

C. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Keadaan Proses.........................................................8

D. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Penggunaan............................................................13

E. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Fasa.........................................................................13

BAB III JENIS REAKSI & KATALIS PADA REAKTOR...................................................................14

A. Jenis Reaksi Pada Reaktor.........................................................................................14

B. Katalis Pada Reaktor..................................................................................................14

KESIMPULAN.........................................................................................................................17

DAFTAR PUSTAKA..................................................................................................................18

iii


DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Internal Coil...............................................................................................3

Gambar 2. Jacket.........................................................................................................3

Gambar 3. External heat Exchanger............................................................................4

Gambar 4. Cooling by vapour phase...........................................................................4

Gambar 5. Klasifikasi reaktor......................................................................................6

Gambar 6. Reaktor CSTR.............................................................................................9

Gambar 7. CSTR seri..................................................................................................10

Gambar 8. CSTR paralel.............................................................................................10

Gambar 9. Reaktor PFR.............................................................................................11

Gambar 10. PFR paralel.............................................................................................12

Gambar 11. PFR seri..................................................................................................12

Gambar 12. Trickle bed reactor................................................................................13

Gambar 13. Shell and Tube reactor...........................................................................14

Gambar 14. Fix bed reactor.......................................................................................15

Gambar 15. Schematic of Fluidized bed reactor.......................................................15

Gambar 16. Fludized bed reactor..............................................................................15

Gambar 17. Slurry reactor.........................................................................................16

1


BAB I

PENDAHULUAN

Dalam teknik kimia, Reaktor kimia adalah suatu bejana tempat

berlangsungnya reaksi kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak

variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia. Perancangan suatu reaktor kimia

harus mengutamakan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil produk

(output) yang besar dibandingkan masukan (input) dengan biaya yang minimum,

baik itu biaya modal maupun operasi.

Tentu saja faktor keselamatan pun tidak boleh dikesampingkan. Biaya operasi

biasanya termasuk besarnya energi yang akan diberikan atau diambil, harga bahan

baku, upah operator, dll. Perubahan energi dalam suatu reaktor kimia bisa karena

adanya suatu pemanasan atau pendinginan, penambahan atau pengurangan

tekanan, gaya gesekan seperti pengadukan, dll.

A. Definisi Reaktor Kimia

Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi

berlangsung, baik itu reaksi kimia, nuklir, dan biologis, dan bukan secara fisika.

Jenis reaktor sangat beragam, karena itulah pada makalah ini hanya dibahas

salah satu jenis reaktor, yakni reaktor kimia.

Reaktor Kimia adalah segala tempat terjadinya reaksi kimia, baik dalam

ukuran kecil seperti tabung reaksi sampai ukuran yang besar seperti reaktor

skala industri. Tidak seperti skala kecil dalam tabung reaksi, reaktor ukuran

komersil industri perlu perhitungan yang teliti karena menyangkut jumlah

massa dan energi yang besar.

Perbedaan antara reaktor kimia dengan reaktor nuklir adalah pada

Reaktor kimia, tidak ada perubahan massa selama reaksi dan hanya perubah

dari satu bahan ke bahan lain, sementara pada reaktor nuklir ada perubahan

massa yang berubah menjadi energi yang sangat besar.

http://id.wikipedia.org/wiki/Gaya_gesek

http://id.wikipedia.org/wiki/Tekanan

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Pendinginan&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Pemanasan&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Operator

http://id.wikipedia.org/wiki/Bahan_baku

http://id.wikipedia.org/wiki/Bahan_baku

http://id.wikipedia.org/wiki/Energi

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Biaya_operasi&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Biaya_modal&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Produk

http://id.wikipedia.org/wiki/Efisiensi

http://id.wikipedia.org/wiki/Reaksi_kimia

http://id.wikipedia.org/w/index.php?title=Bejana&action=edit&redlink=1

http://id.wikipedia.org/wiki/Teknik_kimia

2


B. Pemilihan Jenis Reaktor & Tujuannya

Reaktor kimia memiliki berbagai macam jenis dan bentuk yang dapat

diklasifikasikan berdasarkan beberapa faktor, jenis-jenis reaktor ini akan di

bahas lebih lanjut pada bab berikutnya. Untuk itulah alasan pemilihan jenis

reaktor yang tepat tujuan pemilihannya serta parameter yang mempengaruhi

rancangan nya untuk proses kimia tertentu perlu diketahui.

1. Faktor dalam memilih jenis reaktor

Pemilihan jenis reaktor yang akan digunakan dipengaruhi oleh beberapa

faktor, antara lain :

a) Fase zat pereaksi dan hasil reaksi

b) Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi

samping

c) Kapasitas produksi

d) Harga alat (reaktor) dan biaya instalasinya

e) Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup

untuk perpindahan panas

2. Tujuan dalam memilih jenis reaktor

Tujuan utama dalam memilih jenis reaktor adalah alasan ekonomis,

keselamatan, dan kesehatan kerja, serta pengaruhnya terhadap lingkungan.

Berikut ini merupakan faktor-faktor yang menjadi pertimbangan dalam

memilih jenis reaktor tertentu:

a) Mendapat keuntungan yang besar, konversi, dan efisiensi terbesar

b) Biaya produksi rendah

c) Modal kecil/volume reaktor minimum

d) Operasinya sederhana dan murah

e) Keselamatan kerja terjamin

f) Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya

3


3. Beberapa parameter yang memengaruhi rancangan reaktor

Dalam merancang suatu reaktor perlu diperhatikan parameter-

parameter tertentu agar reaktor yang dibangun dapat memenuhi unjuk

kerja yang diharapkan. Parameter nya antara lain:

a) Waktu tinggal

b) Volum (V)

c) Temperatur (T)

d) Tekanan (P)

e) Konsentrasi senyawa (C1, C2, C3, …,Cn

f) Koefisien perpindahan panas (h, U)

Pada dasarnya dalam merancang reaktor perlu diperhatikan faktor neraca

massa dan energinya. Secara garis besar umumnya reaktor dianggap ideal atau

beroperasi dalam keadaan steady state, dengan kata lain besarnya massa yang

masuk akan sama dengan massa yg keluar ditambah akumulasi.

Sementara untuk menunjang energi yang diperlukan agar terjadinya

reaksi kimia tertentu dalam reaktor, biasanya dilakukan penambahan atau

pengambilan panas dari reaktor dengan menggunakan tipe heat exchanger

tertentu, antara lain:

Gambar 2. JacketGambar 1. Internal Coil

Gambar 4Gambar 3. External heat Exchanger

4


BAB II

JENIS-JENIS REAKTOR KIMIA

Secara umum terdapat dua jenis utama reaktor kimia yang dibedakan

berdasarkan bentuknya, antar lain:

Reaktor tangki atau bejana

Reaktor pipa

Kedua jenis reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun

partaian/batch. Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan ajeg (stabil) namun

kadang-kadang bisa juga beroperasi secara transien (berubah-ubah/tidak stabil).

Biasanya keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali

dioperasikan, misalnya: setelah perbaikan atau pembelian baru, di mana komponen

produk masih berubah terhadap waktu.

Biasanya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas,

namun kadang-kadang ada juga padatan yang diikutkan dalam reaksi, misalnya:

katalisator, reagent inert. Tentu saja perlakuan terhadap bahan yang akan

direaksikan akan berbeda-beda bergantung pada mekanisme reaksinya.

Untuk memudahkan dalam mempelajari jenis-jenis reaktor kimia, maka jenis

reaktor kimia dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa klasifikasi, misalnya :

berdasarkan bentuk, keadaan proses, keadaan operasi, penggunaan, dan fasa.

Sebenarnya klasifikasi ini dapat bermacam-macam dan bukan merupakan aturan

baku, namun dalam makalah ini penulis mencoba untuk menggabungkan beberapa

sumber sehingga diharapkan dapat lebih mudah dipahami. Lebih jelasanya

klasifikasi tersebut dapat dilihat pada diagram berikut :

5


Reaktor

Berdasarkan Bentuk

1. Tangki

2. Alir PIpa

Berdasarkan Keadaan operasi

1. Isotermal

2. Adiabatis

3. Non adiabatis

Berdasarkan Keadaan Proses

1. Batch

2. Semi-Batch

3.Kontinyu

Berdasarkan Penggunaan

1. Polimerisasi

2. Biologi

3. Elektrokimia

Berdasarkan Fasa

1. Homogen

2. Heterogen

6


A. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan bentuk

Reaktor dapat dibedakan yang paling sederhana adalah berdasarkan

bentuknya. Terdapat dua bentuk utama dari reaktor, antara lain :

1. Reaktor tangki

Dikatakan reaktor tangki ideal bila pengadukannya sempurna,

sehingga komposisi dan suhu didalam reaktor setiap saat selalu uniform.

Dapat dipakai untuk proses batch, semi batch, dan proses alir.

2. Reaktor pipa

Biasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor Alir

Pipa. Dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir

didalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa.

B. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Keadaan Operasi

Reaktor dapat dibedakan berdasarkan keadaan operasinya, hal ini dapat

dilakukan karena reaksi kimia biasanya disertai dengan penyerapan atau

pelepasan energi berupa panas (endotermik, dan eksotermik), sehingga dapat

teramati melalui perubahan suhu dari komponen-komponen yang terlibat

dalam reaksi. Klasifikasnya antara lain:

1. Reaktor isotermal

Dikatakan isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalam reaktor, aliran

yang keluar dari reaktor selalu seragam dan bersuhu sama.

2. Reaktor adiabatis

Dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dan

sekelilingnya.

Jika reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat

dipakai untuk menaikkan suhu campuran di reaktor. ( K naik dan –rA

besar sehingga waktu reaksi menjadi lebih pendek).

3. Reaktor Non-Adiabatis

7


C. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Keadaan Proses

Keadaan proses dalam industri terdapat tiga jenis, yakni: Batch, Semi batch, dan

Kontinyu. Berdasarkan tiga jenis proses ini juga dapat digunakan dalam membedakan

jenis reaktor yang digunakan, antara lain:

1. Reaktor batch

Reaktor jenis ini biasanya sangat cocok digunakan untuk produksi

berkapasitas kecil misalnya dalam proses pelarutan padatan, pencampuran produk,

Batch distillation, kristalisasi, ekstraksi cair-cair, farmasi dan fermentasi.

Reaktor jenis ini memiliki ciri tidak terdapat aliran inlet atau outlet selama

operasi, memiliki pengaduk untuk mencampur reaktan, dan dalam prosesnya harus

berutan (tidak dapat dilakukan bersamaan) antara mengisi bahan baku, operasi,

pengeluaran produk, cleaning, dan conditioning untuk mengolah bahan baku

berikutnya.

2. Reaktor semi-batch

Reaktor semi-batch umumnya berbentuk tangki berpengaduk, cara

operasinya adalah dengan jalan memasukan sebagian zat pereaksi ke dalam

reaktor, sedangkan zat pereaksi yang lain atau sisanya dimasukan secara

kontinyu ke dalam reaktor.

Ada material yang masuk selama operasi ytanpa dipindahkan. Reaktan

yang masuk bisa dihentikan, dan produk bisa dipindahkan selama operasi

waktu tertentu. Tidak beroperasi secara steady state.

Contoh paling sederhana misalnya tangki fermentor, ragi dimasukkan

sekali ke dalam tangki (secara batch) namun CO2 yang dihasilkannya

dikeluarkan secara kontinyu. Contoh lainnya adalah klorinasi, suatu reaksi

cair-gas, gas digelembungkan secara kontinyu dari dasar tangki agar bereaksi

dengan cairan di tangki yang diam (batch).

8


3. Reaktor kontinyu

Reaktor kontinyu mempunyai aliran masukan dan keluaran

(inlet/outlet) yang terdiri dari campuran homogen/heterogen. Reaksi

kontinyu di operasikan pada kondisi steady, dimana arus aliran masuk sama

dengan arus aliran keluar.

Reaktor kontinyu dibagi menjadi dua jenis utama, yaitu :

a) Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) atau Continous Stirred Tank

Reaktor (CSTR)

Biasanya berupa tangki berpengaduk dengan asumsi pengadukan

sempurna, konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar

konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Model ini biasanya

digunakan pada reaksi homogen di mana semua bahan baku dan

katalisnya berfasa cair, atau reaksi antara cair dan gas dengan katalis

cair.

Gambar 6. Reaktor CSTR

9


Reaktor CSTR dapat disusun secara seri maupun paralel seperti

yang terlihat pada gambar berikut:

Pemasangan secara seri akan meningkatkan kemampuan konversi

reaktor CSTR, semakin banyak jumlah yang dipasang seri maka

konversinya akan semakin mendekati reaktor PFR denganh volume yang

sama. Sementara pemasangan secara paralel umumnya bertujuan untuk

meningkatkan kapasitas produsi dengan konversi yang sama.

• Kelebihan:

– Kontrol temperature yang baik dapat mudah dijaga

– Realtif murah dalam instalasi

– Reaktor memiliki kapasitas panas yang besar

– Bagian dalam reaktor dapat mudah diakses saat perawatan

Gambar 7. CSTR seri

Gambar 8. CSTR paralel

10


• Kekurangan:

– Konversi reaktan menjadi produk per volume reaktor relatif

kecil bila dibandingkan dengan jenis reaktor kontinyu lainnya.

CSTR umum digunakan pada industri proses, terutama dengan

reaksi homogen fasa cair, dimana diperlukan pengadukan yang konstan.

CSTR juga banyak digunakan pada proses biologi di industri dan dikenal

dengan sebutan Fermentor.

Contohnya pada industri antibiotik, dan waste water treatment.

Fermentor Mendegradasi atau menghancurkan molekul berukuran

besar menjadi berukuran lebih kecil dengan hasil samping pada

umumnya adalah alkohol.

b) Reaktor Alir Pipa (RAP) atu Plug Flow Reaktor (PFR)

Merupakan suatu reaktor berbentuk pipa yang beroperasi secara

kontinyu. Dalam PFR selama operasi berlangsung bahan baku

dimasukkan terus menerus dan produk reaksi akan dikeluarkan secara

terus menerus sehingga tidak terjadi pencampuran ke arah aksial dan

semua molekul mempunyai waktu tinggal di dalam reaktor sama besar.

Seluruh reaktan masuk melalui bagian inlet reaktor, semua

perhitungan dalam merancang PFR harus dengan asusmsi bahwa tidak

Gambar 9. Reaktor PFR

11


terjadi back mixing, downstream, dan upstream. PFR memiliki efisiensi

yang lebih tinggi dibanding CSTR pada volume yang sama.

Seperti pada reaktor CSTR, reaktor PFR juga dapat disusun secara seri

maupun paralel seperti yang terlihat pada gambar berikut:

PFR yang dipasang seri maka konversinya akan sama dengan PFR

tunggal yang panjangnya sama dengan jumlah dari panjang tiap reaktor

PFR penyusun, sementara untuk yang dipasang paralel tujuan nya sama

dengan CSTR, yakni meningkatkan kapasitas produksi dengan konversi

yang sama.

PFR memiliki aplikasi yang luas, baik dalam sistem fasa gas,

maupun fasa cair. Umumnya digunakan pada sintesis amoniak dari

unsur-unsur penyususnnya, dan oksidasi sulfur dioksida menjadi sulful

trioksida.

Gambar 10. PFR seri

Gambar 11. PFR paralel

12


D. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Penggunaan

Reaktor dapat dklasifikasikan berdasarkan tujuan penggunaan akhirnya,

contohnya adalah reaktor polimerisasi yang digunakan dalam reaksi

pemnbentukan polimer dari monomer-monomer penyusunnya, reaktor biologi

yang biasa digunakan untuk proses fermentasi sehingga disebut sebagai

fermentor.

E. Klasifikasi Reaktor Berdasarkan Fasa

Reaktor dapat diklasifikasikan berdasarkan fasa nya, yakni reaktor

homogen, dan reaktor heterogen. Disebut reaktor

homogen jika reaktan, produk, dan atau

katalisnya berada pada fase yang sama.

Contohnya adalah reaktor batch dengan reaktan

berfasa cair dan produk yang dihasilkan berfasa

cair pula.

Sementara reaktor heterogen adalah

reaktor dengan reaktan, produk, dan atau katalis

berada pada fase yang berbeda (dua fasa atau

lebih). Contohnya adalah reaktor Trickle Bed

dengan reaktan serta produk berupa fasa gas dan

cair, sementara katalis yang digunakan adalah

padatan.Gambar 12. Trickle bed reactor

13


14


BAB III

JENIS REAKSI & KATALIS PADA REAKTOR

A. Jenis Reaksi Pada Reaktor

Seperti yang telah diketahui, reaktor merupakan tempat terjadinya reaksi

kimia. Jenis reaksi kimia dalam reaktor secara garis besar dibagi ke dalam

beberapa jenis, antara lain:

• Kombinasi langsung atau reaksi sintesis

A + B = AB

• Dekomposisi/Penguraian atau reaksi analisis

AB = A + B

• Reaksi subtitusi tunggal

A + BC = AC + B

• Reaksi subtitusi ganda/metatesis

AB + CD = CB

B. Katalis Pada ReaktorTerkadang dengan tujuan untuk meningkatkan kinerja reaktor dengan

cara mempercepat tercapainya konversi reaksi tertentu dipergunakanlah

katalis. Katalis merupan suatu zat yang digunakan untuk mempercepat reaksi

tetapi terlepas, bahkan dapat dikatakan tidak ikut bereaksi. Berikut merupakan

contoh beberapa jenis reaktor yang menggunakan katalis, antara lain:

1. Shell And Tube Reactor

Seperti reaktor pipa tetapi berupa

beberapa pipa yang disusun dalam

sebuah shell, reaksi berjalan di dalam

pipa pipa dan pemanas/pendingin di

shell. Alat ini digunakan apabila

dibutuhkan sistem transfer panas dalam

reaktorGambar 13. Shell and Tube reactor

15


2. Fix Bed Reactor

Merupakan reaktor berbentuk pipa besar yang didalamnya berisi

katalisator padat. Bisanya digunakan untuk reaksi fasa gas dengan

katalisator padat. Apabila diperlukan proses transfer panas yang cukup besar

biasanya berbentuk fixed bed multitube, dimana reaktan bereaksi di dalam

tube-tube yang berisi katalisator dan pemanas/pendingin mengalir di luar

tube.

3. Fluidized Bed Reactor

Biasanya digunakan untuk reaksi fasa gas katalisator padat dengan

umur katalisator yang sangat pendek sehingga harus cepat diregenerasi,

atau padatan dalam reactor adalah reaktan yang bereaksi menjadi produk.

Gambar 14. Fix bed reactor

Gambar 15. Fludized bed reactor Gambar 16. Schematic of Fluidized bed reactor

16


4. Trickle Bed Reactor

Reaktor trickle bed adalah reaktor dengan packing katalis dimana fasa cair

dan gas mengalir searah ke bawah yang mengalami interaksi pada katalis

padatan. Reaktor ini digunakan untuk memanaskan feed (umpan) menjadi

vapour.

5. Slurry Reactor

Reactor ini menggunakan liquid sebagai reaktant dan solid sebagai katalis.

Biasanya terdiri dari liquid stirred tank, pada beberapa keadaan, gas sebagai

reaktan juga diembunkan melalui reaktan. Keberadaan katalis sebagai slurry

membuat penambahan dan pengambilan katalis dalam proses menjadi

mudah.

Gambar 17. Slurry reactor

17


KESIMPULAN

Reaktor memiliki berbagai macam jenis dan dapat diklasifikasikan

berdasarkan beberapa katagori. Dalam merancang suatu reaktor diperlukan

ketelitian dan pertimbangan yang sangat matang karena desain suatu reaktor dapat

menentukan keseluruhan rangkaian proses secara ekonomis.

18


DAFTAR PUSTAKA

http://www.wikipedia.com/chemical reactor/ May 15, 2015

Levenspiel, o. Chemical Reaction Engineering, John Wiley & Son, New York, 1972

Silla, Harry. Chemical Process Engineering. Desain and Economics. Stevens Institute

of Technology. New jersey. USA 2003

http://www.wikipedia.com/chemical%20reactor/%20May%2015

makalah reaktor industri kimia

Documents