non isothermal+reactor+(repaired)

Non-Isothermal Reactor DesignPerancangan Reaktor non-isitermal

Jika anda tidak tahan dengan panas, maka jangan berlama-lama di dapur. (Harry S Truman)

Perancangan reaktor non-isotermal ditujukan untuk mempelajari efek panas pada reaktor kimia.Persamaan design, hukum laju reaksi dan tabel stokiometri yang diturunkan dari perancangan reaktor isotermal masih dapat digunakan

Perbedaan yang nyata adalah cara evaluasi persamaan design ketika temperatur sepanjang PFR berubah-ubah atau ketika harus menghitung panas yang dipindahkan atau ditambahkan dari dan ke CSTR.

Maka dari itu perlu dilakukan neraca energi pada reaktor dan bagaimana persamaan neraca energi tersebut digunakan untuk masalah perancangan reaktor non-isotermal.

(1)

Neraca energi pada sistem aliran atau sistem terbuka :

(2) (2)

Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 1

Jadi neraca energi pada keadaan tak-tunak (un-steady-state energy balance) untuk sistem terbuka dengan aliran yang mengandung n buah komponen baik pada aliran massa masuk maupun aliran massa keluar ke dan dari sistem pada laju alir molar Fi (yaitu mol zat i persatuan waktu) dengan energi yang terkandung Ei (Joule per mol zat i).Persamaannya :

(3)

W pada persamaan neraca energi tersebut perlu didefinisikan yaitu terdiri dari ”flow-work” dan jenis kerja lain yaitu WS.

”flow-work” adalah kerja yang diperlukan sehingga suatu aliran massa bisa masuk dan bisa keluar ke dan dari sistem.

Kerja yang sedang diberikan oleh aliran massa masuk ke dalam sistem diberi tanda negatif yaitu :

(4)


Q

WS

Gambar 1 : Diagram alir reactor non-isotermal berikut variabel prosesnya

misal FA

Fi out

misal FA0

Fi in

misal HA0

Hi in

misal HA

Hi out

dan kerja yang dilakukan oleh sistem untuk mendorong aliran massa keluar dari sistem diberi tanda positif yaitu :

(5)

Jadi :

(6)

P = tekanan sistem, k Pa. atau atm.Vi = volume ( m3/mol zat i)

WS tersebut dikenal dengan kerja poros, dapat dihasilkan/diperoleh seperti dari pengaduk untuk CSTR atau dari turbin pada PFR.

”Flow-work” tersebut biasanya digabungkan dengan energi yang terbawa aliran massa masuk dan aliran massa keluar ke dan dari sistem. Sehingga persamaan neraca yang dinyatakan persamaan (3) menjadi :

(7)

(8)

Energi di dalam sistem terdiri :

Energi Dalam (U) Energi Potensial, PE = g z Energi Kinetik, KE = ½ v2

dan Energi lain

Jadi :


(8)

Reaktor dalam suatu pabrik : terletak diatas permukaan tanah, sehingga PE = 0 tidak bergerak (diam), sehingga KE = 0 tidak ada enegi lain

jadi :

(9)Entalpi :

(10)

Persamaan (10) disubstitusikan ke persamaan (8) :

(11)

Dengan subscript nol (0) menunjukkan/menyatakan kondisi masuk sistem dan tanpa subscript menyatakan kondisi keluar dari sistem maka persamaan (11)

(12)

Fi 0 = laju alir molar zat i masuk ke dalam sistemFi = laju alir molar zat i keluar dari sistemHi 0 = entalpi mol zat i pada temperatur T0

Hi = entalpi mol zat i pada temperatur T

Pada keadaan tunak (”steady-state”) :

(13)


Reaksi :

(a)Panas masuk :

(14)

Panas keluar :

(15)

Persamaan umum laju alir zat i (Fi) pada sistem aliran :

(16)

(17)

(18)

Jadi :

(19)

(20)

(21)

(22)

(23)


Persamaan (19) sampai dengan persamaan (23) disubstitusikan ke persaman (15), kemudian persamaan (15) dikurangkan terhadap persamaan (14) dihasilkan persamaan (24)

(24)


(25)

(26)

Persamaan (26) disubstitusikan ke persamaan (24) :

(27)

(28)

Persamaan (28) disubstitusikan ke persamaan (27) dihasilkan persamaan (29)

(29)

Persamaan (29) disubstitusikan ke persamaan (12)

(30) (30)

Menghitung entalpi Entalpi dari suatu zat i pada temperatur dan tekanan tertentu, H i

biasanya dinyatakan sebagai entalpi pembentukkan zat i pada temperatur referen TR, Hi

o(TR) ditambah perubahan entalpi yang terjadi


karena ada kenaikkan temperatur dari temperatur referen, TR ke sembarang temperatur, T sebesar ∆HQi :

(31)

Temperatur referen untuk menyatakan Hio biasanya 25 oC.

Untuk sembarang zat i yang sedang dipanaskan dari temperatur T1

menjadi T2 dan selama pemanasan tidak ada perubahan fasa, maka berlaku :

(32)

Satuan dari kapasitas panas zat i, Cpi :

(33)

Hubungan antara HA (T) dengan HAo (T R)

Pada umunya reaksi kimia yang terjadi di dalam industri tidak melibatkan perubahan fasa, sehingga neraca energi yang dilakukan adalah terhadap reaksi kimia satu fasa (homogen). Jadi nilai entalpi sembarang zat i pada sembarang temperatur T, nilainya terhadap entalpi pada temperatur referen, TR dinyatakan oleh persamaan berikut :

(34)

Kapasitas panas, Cp nilainya tergantung pada temperatur, T dan biasanya dinyatakan dalam persamaan kuadrat dalam T.

(35)Jadi untuk menghitung perubahan entalpi [Hi – Hi0] dari zat yang terlibat dalam reaksi dan fluida reaksi tidak mengalami perubahan fasa dari temperatur masuk reaktor, Ti0 hingga temperatur reaksi, T dapat dinyatakan oleh persamaan berikut :


(36)

(37)

Persamaan (37) disubstitusikan ke persamaan (30) ;

(38)

Hubungan antara ∆HR (T); ∆HRo

(TR) dan ∆CpPanas reaksi pada sembarang temperatur T, seperti dinyatakan oleh persamaan (26)

(26)

Entalpi untuk sembarang temperatur T, Hi telah dinyatakan oleh persamaan (34)

(34)

(39)

Panas reaksi standard, ∆HRo (TR) :

(40)

Substitusikan persamaan (39) ke persamaan (40) :


(41)

(42)

Substitusikan persamaan (42) ke persamaan (41) :

(43)

Persamaan (43) digunakan untuk menentukan panas reaksi pada sembarang temperatur T, dan temperatur referen, TR = 25 oC = 298 K.

Kapasitas panas rata-rata,

Kapasitas panas rata-rata antara temperatur TR hingga T :

(44)

Persamaan (43) juga bisa dituliskan menjadi :

(45)

Kapasitas panas rata-rata zat i antara temperatur Ti0 hingga T :

(46)

Persamaan (46) dan (45) disubstitusikan ke persamaan (38)

(47)


Umpan reaktan masuk ke dalam reaktor biasanya pada temperatur yang sama, sehingga :

(48)

Persamaan (47) bisa dituliskan :

(49)

Panas yang ditambahkan ke dalam reaktor, Q

(50)

(51)

Apabila sistem tidak ada kerja (WS = 0) maka persamaan (49) menjadi :

(52)

Apabila pada sistem tidak ada kerja (WS = 0) dan berlangsung secara adiabatik (tidak ada panas yang masuk maupun keluar ke dan dari sistem, Q = 0) maka persamaan (49) menjadi :

(53)

(54)


(55)

Dari persamaan (55) dapat dihitung konversi yang bisa dicapai pada sembarang temperatur, T :

(56)

Dari persamaan (56) juga dapat ditentukan temperatur reaksi, T pada sembarang konversi, x :

(57)

Pemakaian persamaan neraca energi pada CSTR :Persamaan desgn untuk CSTR :

(58)

Dianggap tidak ada kerja yang diberikan oleh pengaduk maka :

W = 0 (59)

Dianggap reaksi berlangsung adiabatik (tidak ada panas yang masuk maupun keluar ke dan dari reaktor) maka :

Q = 0 (60)


Persamaan (49) menjadi persamaan (55) :

(54)

Misal reaksi fasa cair : A P (b)Berlangsung di dalam CSTR :

1. Persamaan Design CSTR (diturunkan dari neraca mol) :

(58)

2. Reaksi fasa cair : ε = 0 CA = CA0 (1 – xA) (61)

3. Reaksi orde satu : - rA = k CA (62)

4. Konstanta laju reaksi : k = A e- E/RT (63)

5. Volume yang diperlukan untuk mencapai konversi xA :

(64)

(65)

(66)

(67)

Persamaan (67) disubstitusikan ke persamaan (66)

(68)

(69)

(70)


(71)

Dari persamaan neraca energi didapat persamaan (56) dan (57) :

(56)

(57)

Algoritma penentuan temperatur (T) terhadap konversi (x) :


Reaksi searah fasa cair : A RDiketahui : FA0; CA0; k; E; Cpi; Hi

CSTR

Persamaan design : Laju reaksi : - rA = k CA

Stokiometri reaksi : CA = CA0 (1 – x)

Kombinasikan :

Gambar 3 : Algoritma perancangan CSTR non-isotermal adiabatik

Dibutuhkan persamaan yang menyatakanHubungan antara k dengan T : k = f(T)

pC x pC

T pC x T pC )(TH x T n i

1 iii

n i

1 iR0iR

oR

Menghitung k

Menghitung V :

x (konversi) diketahuiV dan T dihitung

V (volume reaktor) diketahuix dan T dihitung

Plot x versus T

T

x xEB

xMB


Reaksi searah fasa cair orde satu : A B (c)

Berlangsung di dalam reator jenis CSTR secara adiabatik :

1. Persamaan design untuk CSTR :

(c.1)

2. Hukum laju : (c.2)

3. Tabel stokiometri ( reaksi fasa cair : V = V0) : (c.3)

4. Kombinasi kan persamaan (c.1); (c.2) dan (c.3) : (c.4)

Kasus A : variabel x, v0; CA0 dan FA0 diketahui dan volume reaktor V harus dihitung, maka prosedurnya adalah :

5 A. Hitung temperatur T, untuk umpan A murni dan CpA = CpB ( ΔCp = 0), untuk menghitung T digunakan persamaan (55) :

(c.5)Untuk proses non-adiabatik, dengan Q = U A (TS – T) maka dengan persamaan (49) :

(c.6)

6 A. Hitung konstanta laju reaksi, k dengan persamaan Archenius : 7 A. Hitung volume reaktor dengan persamaan (c.4)

Kasus B : variabel v0; CA0; FA0 dan V diketahui, temperatur dan konversi keluar dari reaktor, T dan x harus dihitung. Maka prosedurnya adalah :

5 B. Dari neraca energi pada proses adiabatik, hitung konversi sebagai fungsi temperatur :

(c.7)

Untuk proses non-adiabatik dengan Q = U A (TS – T) maka persamaan (49) menjadi :

(c.8)

6 B. Dari persamaan (c.4) dapat dituliskan konversi sebagai fungsi temperatur :

dengan

(c.9)

7 B. Tentukan nilai x dan T yang memenuhi neraca energi (yaitu persamaan c.7) dan neraca massa

Variabel Kapasitas Panas :

Saat melakukan neraca energi, pasti akan melibatkan variabel kapasitas panas (Cp). Kapasitas panas tersebut nilainya sangat dipengaruhi oleh temperatur pada range temperatur yang sangat besar. Kapasitas panas biasnya dinyatakan dalam persamaan kuadrat temperatur seperti dinyatakan oleh persamaan (35) :

(35)

Sehingga persamaan (45) :

(45)

(72)

(73)


(74)

Sehingga persamaan neraca energi pada keadaan tunak yang dinyatakan oleh persamaan (38) menjadi :

(38)

(75)

Persamaan (75) adalah persamaan neraca energi pada keadaan tunak dengan kapasitas panas (Cp) sangat tergantung/dipengaruhi oleh temperatur, T.

Perhitungan panas reaksi :Contoh 1Hitung panas reaksi sintesa amonia dari gas hidrogen dan nitrogen pada temperatur 150 oC dalam satuan kcal/mol N2 yang bereaksi dan dalam satuan kJ/mol H2 yang bereaksi.Penyelesaian :

N2 + 3 H2 2 NH3 (d)


Menghitung panas reaksi standard :

(1.1)

Panas pembentukan gas H2 dan N2 pada temperatur 25 oC adalah nol.

(1.2)

Tanda negatif menunjukkan bahwa reaksi menghasilkan panas (exotermik). Apabila kapasitas`panas dari zat yang terlibat dalam reaksi adalah konstant atau tersedia nilai rata-rata antara temperatur 25 oC dan 150 oC, maka panas reaksi pada temperatur 150 oC dapat langsung dihitung :

CpH2 = 6,992 cal/mol H2.K

CpN2 = 6,984 cal/mol N2.K

CpNH3 = 8,92 cal/mol H2.K

∆Cp = 2 CpNH3 – 3 CpH2 – CpN2 (1.3)

= 2 (8,92) – 3 (6,992) – 1 (6,984) = - 10,12 cal/mol N2 yang bereaksi

(45)

Panas reaksi didasarkan pada mol H2 yang bereaksi :


Contoh 2Propilen glycol is produced by the hydrolysis of propylene oxide :

CH2 CH CH3 + H2O CH2 CH CH3 O OH OH

Over 800 million pounds of propylene glycol were produced in 1997 and the selling price was approximately $0.67 per pound. Propylen glycol makes up about 25% of the major derivatives of propylene oxide. The reaction take place readily at room temperature when catalyzed by sulfuric acid.

You are the engineer in charge of an adiabatic CSTR producing propylene glycol by this methode. Unfortunately, the reactor is beginning to leak, and you must replace it. (you told your boss several time that sulfuric acid was corrosive and that mild steel was a poor meterial for construction). There is a nice overflow CSTR of 300-gal capacity standing idle; it is glass-lined and you would like to use it.

You are feeding 2500 lb/h (43.04 lbmol/h) of propylene oxide (P.O.) to the reactor. The feed stream consists of (1) an equalvolumetric mixture of propylene oxide (46.62 ft3/h), and (2) water containing 0.1% wt H2SO4. The volumetric flow rate of water is 233.1 ft3/h, which is 2.5 times methanol-P.O. flow rate. The corresponding molar feed rates of methanol and water are 71.87 and 802.8 lbmol/h,


H2SO4

respectively. The methanol-propylen oxide-water mixture undergoes a slight decrease in volume upon mixing (aproximately 3%), but you neglect this decrease in your calculations. The temperature of both feed streams is 58 oF prior to mixing, but there is an immediate 17 oF temperature rice upon mixing of the two feed streams caused by the heat of mixing. The entering temperature of all feed streams is thus taken to be 75 oF.

Furusawa et. al.5 state that under conditions similar to those at which you are operating, the reaction is first-order in propylene concentration and apparent zero-order in excess of water with the specific reaction rate :

The unit of E are Btu/lbmol.

There is important constraint on your operation. Propylene Oxide is a rather low-boiling substance (b.p. at 1 atm, 93.7 oF). With the mixer are using, you feel that you cannot exceed an operating temperature of 125 oF, or you will lose too much oxide by vaporization through the vent system.

Can you use the idle CSTR as a replacement for the leaking one if it will be operated adiabatically ? If so, what will be the conversion of oxide to glycol ?

Propilen glikol diproduksi melalui reaksi/proses hidrolisa terhadap propilen oksid, menurut persamaan stokiometri reaksi berikut :

CH2 CH CH3 + H2O CH2 CH CH3 O OH OH

Pada tahun 1997, propilen-glikol telah diproduksi lebih dari 800 juta pound dengan harga jual sekitar $0.67 per pound. Propilen-Oksid yang diproduksi atau tersedia di dunia ini hampir 25% nya digunakan untuk produksi propilen-glikol. Reaksi


H2SO4

pembuatan propilen-glikol berlangsung pada temperatur kamar apabila digunakan katalis asam sulfat.

Anda adalah insinyur atau engineer yang bertanggung jawab terhadap reaktor jenis CSTR yang digunakan untuk produksi propilen-glikol dengan sistem proses tersebut. Sayangnya reaktor yang telah digunakan sudah mulai bocor dan harus diganti. (bahkan anda sudah beberapa kali melaporkan ke atasan anda bahwa asam sulfat yang digunakan sebagai katalis bersifat sangat korosif dan ditambah lagi baja yang digunakan sebagai bahan reaktor adalah baja yang tidak bagus). Di lain pihak ada CSTR yang nganggur dengan kapasitas 300-gallon dan didalamnya dilapisi gelas sehingga tidak korosif dan anda tertarik untuk memanfaatkannya.

Penyelesaian :

Reaksi : A + B C

A = propilen oksidB = AirC = propilen glikolM = metanol

Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 21V = 300 gal

T0 = 58 oF T0 = 58 oF

T = ? x = ?

Metanol = FM0

PO = FA0

T0 = 75 oF

FB0 = air

Kapasitas panas dari zat yang terlibat dalam reaksi :

Reksi berlangsung di dalam CSTR :

Reaksi orde satu terhadap propilen oksid ( diketahui) :

Reaksi fasa cair maka :

Kombinasikan :


Gambar 10 :

Reaktor non-isotermal, berarti konstanta laju reaksi (k) tergantung pada temperatur reaksi :

Reaktor beroperasi secara adiabatik, maka dapt digunakan hubungan :

atau

Menghitung fraksi masing-masing zat yang terlibat dalam reaksi terhadap reaktan pembatas (θi) :

Yang masuk ke dalam reaktor : propilen oksid tercampuri metanol yang perbandingan volumnya equalvolumetrik, dan air


Panas reaksi standard ( ∆HRo)


non isothermal+reactor+(repaired)

Documents