Makalah Reaktor Membran

Disusun Oleh:

Kelompok 2

Grano P. 1306392885

Ivander C.S. 1306449126

M. Ikhlas Ibrahimsyah 1306392802

Miftakhul Huda 1106070893

Sergie 1306392903

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA

FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA

DEPOK 2016

ii

DAFTAR ISI

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

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

PENDAHULUAN.................................................................................................................................1

1.1. Landasan Teori...........................................................................................................................1

1.2. Tujuan.........................................................................................................................................2

BAB II...................................................................................................................................................3

PEMBAHASAN...................................................................................................................................3

PENUTUP...........................................................................................................................................22

3.1. Kesimpulan...............................................................................................................................22

DAFTAR PUSTAKA..........................................................................................................................23

| DAFTAR ISI ii

0

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Landasan TeoriReaktor membran merupakan PFR dengan tambahan silinder dari material berpori di

dalamnya, semacam tabung dengan shell dari shell-and-tube heat exchanger. Silinder berpori-

pori di dalamnya adalah membran yang memberikan nama reaktor ini.

Gambar 1. Skematik Membran Reaktor dan penjelasannya

Membrane berfungsi layaknya penghalang yang hanya memperbolehkan beberapa

komponen melewatinya. Selektivitas dari membran dikendalikan oleh diameter pori-porinya,

dimana bisa merupakan orde dari Angstroms untuk lapisan mikropori, atau orde mikron

untuk lapisan makropori.

Reaktor membran menggabungkan reaksi dengan separasi untuk meningkatkan

konversinya. Salah satu produk yang dijelaskan oleh reaksi dikeluarkan dari reaktor melalui

| DAFTAR ISI 0

1

membran, memaksa kesetimbangan reaksi bergeser ke kanan (sesuai dengan asas Le

Chatelier), sehingga akan lebih banyak produk yang terbentuk.

Reaktor membran biasa digunakan pada reaksi dehidrogenasi, dimana hanya terdapat

satu produk yang cukup kecil untuk melewati membran. Kenaikan konversi dari reaksi,

membuat proses menjadi lebih ekonomis.

Reaktor membran umum digunakan ketika reaksi yang terjadi melibatkan beberapa

bentuk katalis, dan terdapat dua tipe utama dari reaktor membran : Inert membrane reactor

dan catalytic membrane reactor.

Inert membrane reactor memperbolehkan aliran pelet katalis untuk mengalir bersama

dengan reaktan pada sisi umpan. Biasa dikenal dengan IMRCF, yang memiliki kepanjangan

untuk Inert Membrane Reactor with Catalyst on the Feed Side. Untuk membran reaktor jenis

ini, membran tidak berpartisipasi secara langsung dalam reaksi, membran hanya bertindak

sebagai penghalang dari reaktan dan beberapa produk.

Catalytic Membrane Reactor (CMR) memiliki membran yang bisa telah dilapisi

dengan katalis atau terbuat dari material yang mengandung katalis, dimana berarti membran

bertindak juga di dalam reaksi. Beberapa produk reaksi melewati membran dan keluar dari

reaktor menuju sisi permeat.

1.2. TujuanMakalah ini bertujuan untuk:

1. Memenuhi parameter Tugas Makalah dan Presentasi untuk Mata Kuliah Teknik

Reaksi Kimia 2

2. Mengetahui pengaruh jenis reaktor dalam konversi

3. Mengetahui pengaruh jenis fasa dalam konversi

4. Mengetahui pengaruh kondisi operasi dalam konversi

| DAFTAR ISI 1

2

BAB II

PEMBAHASAN

Pada bab ini akan dibahas mengenai jawaban dari soal berikut ini:

Soal P4-25C

(Membrane Reactor) The first-order, reversible reaction The liquid-phase reaction

A B+C

Is taking place in a membrane reactor. Pure A enters the reactor and B diffuses through the

membrane. Unfortunately, some of the reactant A also diffuses through membrane.

a) Plot the flow rates of A, B and C down the reactor, as well as the flow rates of A and

B through membrane.

b) Compare the conversion profiles of a conventional PFR with those of an IMRCF.

What generalizations can you make?

c) Would the conversion of A be greater or smaller if C were difusing out instead of B?

d) Discuss how your curves change if the temperature were increased significantly or

decreased significantly for an exothermic reaction and for an endothermic reaction.

Additional information:

k = 10 min-1

Kc = 0.01 mol2/dm6

KCA =1 min-1

KCB =40 min-1

FA0 = 100 mol/min

v0 =100 dm3/min

Vreactor = 20 dm3

| DAFTAR ISI 2

3

Gambar 2. Skematik proses dalam reaktor membran

JAWABAN PERTANYAAN A

Untuk menjawab soal bagian A, kita terlebih dahulu membuat neraca mol komponen A

seperti di bawah ini:

Membagi persamaan di atas dengan nilai ΔV, didapatkan persaman differensial sebagai

berikut:

Begitu juga dengan komponen B dan komponen C.

| DAFTAR ISI 3

4

Pada bagian atas, dapat dilihat bahwa mol C tidak berdifusi keluar layaknya mol B dan A.

Oleh karena itu, bentuk neraca mol dari komponen C sedikit berbeda dari komponen A dan

B. Setelah membuat neraca mol, kita dapat membuat persamaan laju reaksi untuk reaksi yang

terjadi pada membran reaktor ini. Karena reaksi bersifat reversible, maka laju reaksi untuk

persamaan reaksi adalah:

A B+C

−r A=k (CA−CBCC

2

KC)

Untuk laju reaksi komponen B dan C ditulis dalam persamaan berikut:

Pada membrane reactor, terdapat komponen B dan A yang terdifusi keluar dari reaktor.

Persamaan untuk menghitung difusi keluar yang terjadi adalah:

Stokiometri reaksi yang terjadi pada persamaan reaksi di atas adalah:

| DAFTAR ISI 4

5

Semua persamaan di atas, dari persamaan neraca mol sampai dengan persamaan stokiometri,

disubtitusikan sedemikian rupa sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut:

Persamaan-persamaan di atas ini kemudian disubtitusikan untuk masuk ke dalam program

polymath. Hasil running program polymath sebagai berikut:

| DAFTAR ISI 5

6

Dan didapatkan plot laju mol komponen A, B dan C terhadap volume reaktor. Pada hasil plot

di bawah, sumbu x adalah Volume sedangkan sumbu y adalah laju mol kompoen. Hasil plot

dapat dilihat pada gambar berikut:

Sedangkan untuk laju difusi komponen A dan B adalah sebagai berikut:

| DAFTAR ISI 6

7

Dari hasil running polymath di atas, kita ingin mgentahui profil konversi terhadap volume

reaktor, maka mengubah program polymath dan mendapatkan hasil sebagai berikut:

Ternyata, untuk mendapatkan nilai konversi mendekati 1, dibutuhkan volume reaktor sebesar

350 liter.

| DAFTAR ISI 7

8

JAWABAN PERTANYAAN B

Untuk reaktor membran, kita mempunyai persamaan neraca mol dalam bentuk differensial sebagai berikut:

Persamaan di atas menunjukkan bahwa tedapat komponen A, B dan C yang terdifusi keluar reaktor (diwakili oleh minus Ra, Rb, dan Rc). Untuk persamaan neraca mol tanpa adanya mol A, B dan C yang keluar reaktor, dapat dilihat dari persamaan berikut:

Persamaan di atas ini identik dengan persamaan neraca mol pada PFR (Plug Flow Reactor). Untuk mendapatkan laju mol terhadap volume reaktor, kita bisa memasukkan persamaan di atas dalam program polymath. Hasil running program polymath menghasilkan hasil seperti di bawah ini:

| DAFTAR ISI 8

9

Dan didapatkan profil laju mol terhadap volume reaktor sebagai berikut:

Kita dapat membandingkan nilai konversi dari reaktor membran dan PFR. Didapatkan perbandingan konversi dari keduanya dalam bentuk profil konversi terhadap volume reaktor, dengan grafik berikut:

| DAFTAR ISI 9

10

Dapat kita lihat pada grafik di atas, dengan sumbu x sebagai volume reaktor dan sumbu y sebagai konversi, nilai konversi pada reaktor membran lebih besar dibanding pada reaktor PFR. Hal ini dikarenakan reaktor membran mencegah terjadinya reaksi balik dari B dan C kembali menjadi A. Reaktor membran meminimalisir hal tersebut dengan membuang B yang dihasilkan dari reaksi ke luar reaktor. Oleh karena itu, nilai konversi reaktor membran dapat lebih besar dibanding reaktor PFR.

JAWABAN PERTANYAAN C

Pada pertanyaan C, ditanyakan bahwa apakah jika komponen C yang terdifusi keluar akan

menghasilkan konversi yang lebih baik dibanding jika komponen B yang terdifusi keluar.

Dari pertanyaan tersebut, kita memerlukan beberapa asumsi yaitu:

Laju keluaran C=laju keluaran B

Kcb=Kcc

Tidak ada B yang keluar reaktor

Dengan berbekal asumsi tersebut, dapat ditulis dalam program polymath sebagai berikut:

| DAFTAR ISI 10

11

Dari program polymath di atas, dapat dilihat bahwa nilai neraca mol C berubah, begitu pula

dengan laju difusi B (Rb) yang berubah menjadi laju difusi C (Rc) dengan tetap memakai

parameter Kb sebagai koefisien perpindahan massanya. Dari program polymath di atas,

didapatkan hasil sebagai berikut:

| DAFTAR ISI 11

12

Didapatkan pula perbandingan konversi seperti pada grafik di bawah ini:

Dapat dilihat dari grafik di atas bahwa reaktor Membran dengan komponen A dan C yang

keluar dibanding reaktor Membran dengan komponen A dan B yang keluar memiliki

konversi yang lebih baik. Hal ini dikarenakan komponen C memiliki koefisien stokiometri 2

di persamaan reaksinya dibanding komponen B yang koefisien stokiometrinya hanya 1. Hal

| DAFTAR ISI 12

13

tersebut membuat dibentuknya C, dibanding dibentuknya B, membuat reaksi balik menjadi

signifikan. Dengan dibentuknya C, maka reaksi balik menjadi semakin besar nilainya.

Dengan dikeluarkannya komponen C dengan difusi dari reaktor membran, reaksi balik dari

reaksi yang terjadi menjadi sangat minim. Oleh karena itu nilai konversi menjadi lebih besar.

Selanjutnya, kita dapat mengembangkan soal dengan mencari tahu bagaimana jika

hanya komponen C yang terdifusi keluar dari reaktor. Dengan menggunakan program

polymath, kita dapat langsung mengetahui hal tersebut. Berikut hasil program polymath yang

digunakan untuk mengetahui pengaruh komponen A tidak terdifusi keluar:

| DAFTAR ISI 13

14

Didapatkan grafik perbandingan konversi sebagai berikut:

Dari hasil di atas, dapat dilihat bahwa dengan komponen A tidak terdifusi keluar

reaktor sehingga hanya komponen C yang terdifusi keluar reaktor, menghasilkan konversi

yang lebih kecil dibanding ketika A dan C keluar reaktor. Hal ini tidak sesuai dengan teori.

Seharusnya, jika hanya C yang keluar, maka nilai konversi akan lebih besar karena reaksi

balik sangat diminimalisir. Namun, hasil simulasi tidak menggambarkan hal tersebut. Hal ini

dapat disebabkan simulasi tidak memperhitungkan adanya pressure drop. Pressure drop

dalam reaktor membran harus diperhitungkan karena akan memengaruhi konversi yang

terjadi di dalam reaktor membran.

Selanjutnya, kita ingin mengetahui seberapa banyak volume reaktor yang diperlukan

agar konversi yang terjadi dapat mendekati nilai 1. Untuk itu, kita dapat mengubah volume

reaktor yaitu sebagai nilai final value. Dari hasil perubahan volume, didapatkan profil

konversi vs volume reaktor. Untuk mendapatkan hal tersebut, kita menggunakan program

polymath kembali. Hasilnya adalah sebagai berikut:

| DAFTAR ISI 14

15

| DAFTAR ISI 15

16

X Volume0 0

0,393753 100,60256 20

0,750491 300,852974 400,920654 500,961997 600,984406 700,994637 80

Dari hasil di atas, dengan komponen A dan C terdifusi keluar, volume reaktor membran yang

diperlukan untuk mendapatkan nilai konversi mendekati 1 adalah sebesar 80 liter. Dengan

profil konversi terhadap volume reaktor seperti pada grafik di atas.

| DAFTAR ISI 16

17

JAWABAN PERTANYAAN D

*Untuk kasus A dan B berdifusi

1. Mole Balances

Neraca mol

[¿by flow ]− [Out by flow ]−[out by diffusion]+ [Generation ]=[ Accumulation ]

F i∨V −F i∨V +∆ V +r A ∆ V =0

Apabila persamaan di atas dibagi ∆ V dan limit ∆ V → 0 maka persamaan di atas menjadi

dFidV

=r i

d F A

dV=r A−RA

d FB

dV=rB−RB

d FC

dV=−2 r A

2. Rate Law

−r A=k A (C A−CB CC

2

KC)

3. Transport out of the reactor (difussion)

Komponen A

RA=W A a=k CA ' a (CA−C AS)

Apabila kCA' a=kCAdan asumsi sweep gas C AS=0 maka persamaan di atas menjadi sebagai

berikut

RA=kCA CA

Komponen B

RB=W B a=kCB' a (CB−CBS )

Apabila kCB' a=kCBdan asumsi sweep gas CBS=0 maka persamaan di atas menjadi sebagai

berikut

| DAFTAR ISI 17

18

RB=k CB CB

4. Stoikiometri

Concentrations :

C j=C ¿( F j

FT)( P

Po )(T o

T )Karena reaktor membran beroperasi dalam kondisi non-isothermal dan tidak ada pressure drop, maka konsentrasi tiap komponen menjadi :

C j=C ¿( F j

FT)(T o

T ) Untuk kondisi Endotermis T<¿ Untuk kondisi Eksotermis T<¿

C A=C ¿( F A

FT)(T o

T )CB=C ¿( FB

FT)(T o

T )CC=C ¿( FC

FT)(T o

T )FT=F A+FB+FC

Relative rates :

r A

−1=

r B

1=

rC

2

r B=−r A

rC=−2 r A

5. Combining and summarizing

d F A

dV=r A−kCA C ¿( FA

FT)( T o

T )

d FB

dV=rB−kCB C ¿( FB

FT)(T o

T )| DAFTAR ISI 18

19

d FC

dV=−2 r A

r A=−k A(C¿( FA

FT )(T o

T )−C¿( FB

FT )( T o

T )[C¿( FC

FT )( T o

T )]2

K C)

Exothermic reactionReaksi eksotermis terjadi saat T>¿, maka perubahan suhu dibandingkan pada dua kondisi berikut :

T=10¿

Konversi komponen A pada reaksi eksotermis dengan suhu yang dinaikkan adalah X=¿0,17516005

Sedangkan untuk,

T=0.2 ¿

| DAFTAR ISI 19

20

Konversi komponen A pada reaksi eksotermis dengan suhu yang diturunkan adalah X=¿0,78872113

Endothermic ReactionReaksi endotermis terjadi saat T<¿, maka perubahan suhu dibandingkan pada dua kondisi berikut¿=10T

Konversi komponen A pada reaksi endotermis dengan suhu yang dinaikkan adalah X=1

¿=0.2T

Konversi komponen A pada reaksi endotermis dengan suhu yang diturunkan adalah X=¿0,29285367

| DAFTAR ISI 20

21

BAB III

PENUTUP

3.1. KesimpulanUntuk volume yang sama, reaktor membran menghasilkan konversi yang lebih

besar dibanding reaktor PFR.

Komponen C mempunyai pengaruh lebih besar untuk reaksi balik dibanding

komponen B.

Dari hasil simulasi, kondisi optimal adalah dengan mendifusikan A dan C keluar

dari reaktor.

Perlu diperhitungkannya pressure drop agar simulasi menjadi lebih akurat

Pengaruh kenaikan dan penurunan temperatur pada reaksi eksoterm dan endoterm

sesuai dengan asa Le Chatelier.

| DAFTAR ISI 21

22

DAFTAR PUSTAKA

Fogler, H.Scott. 2006. Elements of Chemical Reaction Engineering (4th ed.). New York :

Prentice Hall.

| DAFTAR ISI 22