Perancangan Reaktor untuk reaksi berkatali

Pressure Drop di dalam Reaktor

Pada reaksi fasa cair, konsentrasi reaktan tidak mempengaruhi secara signifikan (yang berarti) terhadap perubahan tekanan total sistem di dalam reaktor. Akibatnya pengaruh pressure drop (beda tekan) terhadap laju reaksi dapat diabaikan, saat menghitung ATAU menentukan volume reaktor yang diperlukan untuk mencapai konversi tertentu. Hal ini berbeda apabila reaksinya dalam fasa gas, konsentrasi dari zat yang terlibat dalam reaksi menentukan atau berpengaruh terhadap besarnya tekanan total sistem, sehingga diperlukan perhitungan yang lebih teliti pengaruh pressure drop terhadap laju reaksi, karena pengaruh pressure drop bisa menjadi kunci atau menentukan berhasil tidaknya operasi suatu reaktor.Pressure Drop dan Hukum laju

Untuk gas ideal, konsentrasi zat i yang terlibat dalam reaksi nilainya :

(1)Untuk reaksi yang beroperasi isotermal (pada temperatur tetap)

(2)Untuk menghitung pressure drop, nilai (P/P0) pada persamaan (2) harus dinyatakan sebagai fungsi volume, V atau berat katalis, W. Sehingga dapat dikombinasikan antara konsentrasi, hukum laju dan persamaan design dan saat menghitung pressure drop persamaan design yang digunakan harus dinyatakan dalam bentuk deffrensial.Contoh : reaksi isomerisasi orde dua

A

B

(a)

Berlangsung di dalam packed bed reactor.

Persamaan neraca mol dalam bentuk deffrensial :

(3)Hukum Laju :

(4)Dari stokiometri reaksi fasa gas :

(5)Sehingga persamaan hukum laju, dapat dituliskan menjadi ;

(6)Catatan : Pada persamaan (6), untuk nilai pressure drop yang lebih kecil dari hilang tekanan akibat adanya gesekan akan memperkecil nilai laju reaksi.Kombinasikan persamaan (6) dan persamaan (3) dan reaksi dianggap berlangsung secara isotermal (T=T0) akan didapat :

(7)Persamaan (7) dibagi FA0 (CA0 v0)

(8)Jadi untuk reaksi yang beroperasi pada temperatur tetap (isotermal), pada persamaan (8) pada ruas kanan ditentukan atau tergantung hanya pada konversi (x) dan tekanan (P).

(9)Aliran melewati unggun isian di dalam reaktor

Reaksi fasa gas yang mengunakan katalis, pada umumnya reaktan gas dilewatkan tumpukan/unggun partikel katalis yang diisikan di dalam reaktor. Persamaan yang biasa digunakan untuk menghitung pressure drop sepanjang ungun isian yang pourus adalah Persamaan Ergun, yaitu :

(10)P = tekanan (lbf/ft2)

gc = 32,174 lbm ft/s2.lbf (faktor konversi) = 4,17 x 108 lbm.ft/hr2.lbf (untuk satuan sistem metrik, SI Unit gc = 1,0)

Dp = diameter partikel, ft

= viskositas gas yang lewat unggun, lbm/hr.ft

z = panjang/tinggi unggun isian didalam pipa reaktor, ftu = kecepatan superfisial = laju alir volumetrik dibagi luas penampang pipa, ft/hour

= densitas gas, lb/ft3G = kecepatan superfisial massa masuk, (gram/cm2.s) atau (lbm/ft2.hr)

Untuk menghitung pressure drop dengan menggunakan persamaan Ergun, parameter pada ruas kanan pada persamaan (10) hanya densitas gas, yang nilainya berubah terhadap tekanan. Karena reaktor dioperasikan pada keadaa tunak, maka laju alir massa pada sembarang titik sepanjang reaktor, m (kg/s) akan sama dengan laju alir massa masuk kedalam reaktor, m0 (yaitu persamaan kontinutas) seperti dituliskan pada persamaan berikut :

m0 = m

(11)

0 v0 = v

(12)Dari persamaan laju alir volumetrik fluida keluar dari reaktor :

(13)

(14)Kombinasikan persamaan (10) dan persamaan (14) :

(15)

(16)

(17)Untuk reaktor jenis Packed Bed Reactor (PBR), biasanya lebih tertarik untuk menghitung berat katalis, W yang diperlukan dari pada menghitung panjang atau tinggi reaktor, z. Karena berat katalis, W yang diperlukan bisa dinyatakan terhadap panjang/tinggi reaktor, z seperti dituliskan pada persamaan berikut :

(18)Ac adalah luas penampang reaktor. Densitas bulk katalis, b (yaitu massa katalis per volume reaktor) merupakan turunan dari densitas katalis, c , dan fraksi dari padatan katalis adalah (1-).

(19)Dengan menggunakan hubungan antara berat katalis, W dan panjang/tinggi reaktor, z pada persamaan (18) maka persamaan Ergun yaitu persamaan (10) dapat dinyatakan sebagai fungsi berat katalis, W. Seperti dituliskan pada persamaan berikut :

(20)

(21)

(22)Persamaan (21) adalah salah satu persamaan yang digunakan untuk menghitung berat katalis yang diperlukan, saat reaksi yang terjadi adalah reaksi ganda atau terjadi pressure drop pada reaktor membrane. Sekalipun begitu, persamaan (21) juga bisa digunakan untuk reaksi tunggal yang berlangsung didalam packed bed reactor, sehingga persamaan Ergun dapat dinyatakan sebagai fungsi konversi, x. Dengan menyatakan lebih dulu FT sebagai fungsi konversi yaitu :

(23)

(24)

(25)Persamaan (24) disubstitusikan ke persamaan (21)

(26)Apabila nilai negatif, berarti pressure drop, P lebih kecil ( atau tekanan didalam reaktor, P lebih besar dari teakanan gas saat masuk reaktor, P0) dari apabila = 0. Apabila nilai positif berarti pressure drop, P lebih besar dari pada apabila = 0.Untuk reaksi yang berlangsung isotermal, maka dapat disimpulkan :

(27)

(9)Didapat dua persamaan deffrensial orde satu yang harus diselesaikan secara simultan.Apabila = 0 dan reaksi berlangsung isotermal (T = T0) maka (26) menjadi :

(28)

(29)

(30)Persamaan (30) diintegralkan, dengan batas saat P = P0 maka W = 0 maka didapat nilai W pada sembarang tekanan P berlaku :

(31)

(32)

(22)

(18)

(33)Persamaan (33) disubstitusikan ke (32) :

(34)Contoh Perhitungan Pressure Drop Di dalam unggun tetap (Packed Bed)Hitung Pressure Drop di dalam reaktor pipa dengan diameter 1 in dan schedule number 40 panjang 60 ft yang berisi unggun tetap dari partikel katalis dengan diameter in, dari aliran gas yang masuk reaktor tersebut pada laju 104,4 lbm/jam dan tekanan sebesar 10 atm. Temperatur sepanjang reaktor dianggap tetap sebesar 260 oC. Fraksi rongga kosong sebesar 45%.Penyelesaian :

Pada keluaran reakror : z = L

Pressure drop dihitung dengan persamaan (34):

(34)

(35)Menghitung 0

(17)Menghitung laju alir massa melewati permukaan unggun, G

(36)Untuk pipa 1 in dengan Schedule Number 40 :

Ac = 0,01414 ft2

(37)

(38)Udara pada T = 260 oC dan P = 10 atm :

= 0,0673 lbm/ft.jam

(39)

0 = 0,413 lbm/ft3

(40)Dari soal diketahui : Dp = in = 0,0208 ft

(41)

gc = 4,17 x 108 (lbm ft)/(lbf.jam2) (42)

(43)Menghitung Pressure Drop dengan persamaan (35)

(44)

(45)

(46)Reaksi dengan Pressure Drop Tidak Diabaikan Penyelesaian secara analitis

*). Persamaan yang menyatakan hubungan antara beda tekan dan berat katalis

(32)*) Reaksi orde dua :

A

B

(a)*) Neraca Mol :

(3)*) Hukum Laju, dan reaksi orde dua :

(4)*) Stokiometri reaksi : = 0 , dan reaksi berlangsung isotermal (T = T0):

(a.1)

(a.2)*) Kombinasikan Neraca Mol, Hukum Laju dan Stokiometri Reaksi didapat :

(a.3)

(a.4)

(a.5)*) Diintegralkan pada : x = 0 nilai W = 0 dan FA0 = CA0 v0

(a.6)

(a.7)

(a.8)

(a.9)Perhitungan x (konversi) di dalam reaktor dengan Pressure Drop

Pada tahun 1977 di Amerika, diperkirakan sekitar 7 milyar lb etilen oksid diproduksi, dengan harga penjualan US$ 0,58/lb. Pada tahun 1977 jumlah total penjualan sekitar US$ 4 milyar.

Lebih dari 60% etilen oksid digunakan untuk pembuatan etilen glikol, sisanya digunakan untuk antifreeze (30%), polyester (30%), surfactant (10%), Solvent (5%) dan bahan baku lainya.Perhitungan berat katalis yang dibutuhkan untuk mencapai konversi sebesar 60% dari reaksi fasa gas oksidasi etilen menjadi etilen oksid dengan stokiometri reaksi seperti berikut :

C2H4

+ O2

C2H4O

(b)

A

+ B

C

(c)Umpan etilen dan oksigen masuk reaktor dengan perbandingan sesuai dengan koefisien stokiometri reaksi.melewati unggun tetap (Packed Bed) yang diisikan didalam reaktor pipa yang beroperasi secara isotermal pada temperatur 260 oC.Etilen diumpankan pada laju 0,3 lbmol/s pada tekanan 10 atm. Umpan dialirkan kedalam 10 buah tempat (bank) dan masing-masing tempat berisi.100 buah pipa dengan diameter 1-in dengan Schedule Number 40. Pipa-pipa tersebut diisi pelet katalis dengan diameter pelet sebesar -in, densitas, = 120 lbm/ft3, fraksi rongga kosong, = 0,45.

Diketahui laju reaksi,

(c.1)

(c.2)Penyelesaian :

Neraca mol dalam bentuk deffrensial :

(c.3)Hukum Laju

(c.4)Dari Tabel Stokiometri reaksi, reaksi fasa gas dan beroperasi secara isotermal :

(c.4)

(c.5)

(c.6)Kombinasikan konsentrasi dengan hukum laju :

(c.1)

(c.7)

(c.8)

(c.9)

(c.10)

(c.11)

(c.12)

(c.13)Dari stokiomeri reaksi, B =

(c.14)

(c.15)

(c.16)

(c.17)Pada Packed Bed Reactor (Reaktor dengan unggun tetap) berlaku hubungan antara tekanan, P dan berat katalios, W.

(c.18)

(c.19)

(3)

(c.20)

(c.21)

(c.22)

(c.23)Laju alir molar yang lewat pada setiap pipa (yaitu laju alir molar total umpan masuk dibagi 1000 pipa) :Etilen :

FA0 = 3 x 10-4 lbmol/s = 1,08 lbmol/jam(c.24)Oksigen :FB0= FA0 = 1,5 x 10-4 lbmol/s = 0,54 lb mol/jam(c.25)Inert = N2 = I :

FI0 = (0,79/0,21) x 1,5 x 10-4 lb mol/s

= 5,64 x 10-4lb mol/s = 2,03 lb mol/jam(c.26)

FT0 = FA0 + FB0 + FI0 = 1,08 + 0,54 + 2,03

= 3,65 lb mol/jam

(c.27)

yA0 = FA0/FT0 = 1,08/2,65 = 0,3

(c.28)

= yA0 = 0,3 (1 - 1) = - 0,15

(c.29)

PA0 = yA0 P0 = (0,3) 10 atm = 3 atm

(c.30)

(c.31)

(c.32)Untuk konversi sebesar 60% :

(c.33)

(22)Mengitung laju alir massa yang melewati unggun, G :

(c.34)Laju alir massa total :

(c.35)

(38)Menghitung 0

(17)Udara pada T = 260 oC dan P = 10 atm :

= 0,0673 lbm/ft.jam

(39)

0 = 0,413 lbm/ft3

(40)Dari soal diketahui : Dp = in = 0,0208 ft

(41)

gc = 4,17 x 108 (lbm ft)/(lbf.jam2)

(42)

(43)Menghitung

(c.36)

(c.37)Menghitung berat katalis, W :

(c.38)

(c.39)Menghitung Pressure Drop

(32)

(c.40)

(c.41)

(c.42)

Apabila presure drop diabaikan :Maka nilai (P/P0) pada persamaan (c.16) sama dengan satu, sehingga persamaan (c.16) menjadi :

(c.16)

(c.43)

(c.3)

(c.44)

(c.45)

(c.46)

(c.47)

(c.48)

(c.49)Apabila katalis yang digunakan sebanyak 35300 lb dan kemudian dalam perhitungan pressure drop tidak diabaikan maka konversi yang diperoleh adalah :

(c.22)

(c.50)Perhitungan Pressure Drop didalam reaksi dengan cara numerik

Neraca mol

Laju Reaksi

Kombinasikan neraca mol dengan laju reaksi

Hubungan antara berat katalis, W dengan tekanan reaktor, P yang berlangsung isotermal (temperatur tetap):

Maka akan didapat dua persamaan deffrensial yang menyatakan hubungan antara konversi, x dengan berat katalis, W dan persamaan yang menyatakan hubungan antara beda tekanan, (P/P0) dengan berat katalis, W. Kedua persamaan defrensial tersebut harus diselesaikan secara simultan.

(c.51)

(c.52)

EMBED Equation.3

Mining Harsanti, TRK 3, Pressure-drop tidak diabaikanPage 1

_1265328631.unknown

_1265377933.unknown

_1323638132.unknown

_1323638563.unknown

_1334918740.unknown

_1334918804.unknown

_1323638899.unknown

_1323638997.unknown

_1323639272.unknown

_1323638679.unknown

_1323638469.unknown

_1323638517.unknown

_1323638224.unknown

_1266614174.unknown

_1323637241.unknown

_1323637947.unknown

_1323638076.unknown

_1323637274.unknown

_1323637018.unknown

_1323637108.unknown

_1300480118.unknown

_1300484051.unknown

_1266615720.unknown

_1265380676.unknown

_1265382095.unknown

_1265382487.unknown

_1265382953.unknown

_1265382603.unknown

_1265382389.unknown

_1265381852.unknown

_1265382079.unknown

_1265381046.unknown

_1265380045.unknown

_1265380617.unknown

_1265379765.unknown

_1265329507.unknown

_1265329993.unknown

_1265331704.unknown

_1265332240.unknown

_1265333386.unknown

_1265333720.unknown

_1265333808.unknown

_1265334825.unknown

_1265333797.unknown

_1265333609.unknown

_1265333367.unknown

_1265332088.unknown

_1265332155.unknown

_1265331754.unknown

_1265331043.unknown

_1265331142.unknown

_1265330063.unknown

_1265330148.unknown

_1265329676.unknown

_1265329913.unknown

_1265329938.unknown

_1265329887.unknown

_1265329534.unknown

_1265329546.unknown

_1265329515.unknown

_1265329098.unknown

_1265329268.unknown

_1265329399.unknown

_1265329339.unknown

_1265329377.unknown

_1265329190.unknown

_1265329259.unknown

_1265329186.unknown

_1265328814.unknown

_1265329049.unknown

_1265329088.unknown

_1265329016.unknown

_1265328723.unknown

_1265328753.unknown

_1265328689.unknown

_1265327300.unknown

_1265327625.unknown

_1265327737.unknown

_1265328070.unknown

_1265328117.unknown

_1265327781.unknown

_1265327672.unknown

_1265327690.unknown

_1265327651.unknown

_1265327459.unknown

_1265327526.unknown

_1265327570.unknown

_1265327497.unknown

_1265327403.unknown

_1265327432.unknown

_1265327307.unknown

_1265326467.unknown

_1265326954.unknown

_1265327202.unknown

_1265327249.unknown

_1265327271.unknown

_1265327225.unknown

_1265327122.unknown

_1265327179.unknown

_1265327079.unknown

_1265326827.unknown

_1265326876.unknown

_1265326918.unknown

_1265326845.unknown

_1265326767.unknown

_1265326788.unknown

_1265326499.unknown

_1265155711.unknown

_1265325507.unknown

_1265325734.unknown

_1265325819.unknown

_1265326334.unknown

_1265326392.unknown

_1265326259.unknown

_1265325757.unknown

_1265325558.unknown

_1265311284.unknown

_1265312963.unknown

_1265314598.unknown

_1265325498.unknown

_1265313128.unknown

_1265311404.unknown

_1265312944.unknown

_1265308416.unknown

_1265311117.unknown

_1265156594.unknown

_1265154061.unknown

_1265154142.unknown

_1265155628.unknown

_1265145985.unknown

_1265147911.unknown

_1265149884.unknown

_1265145841.unknown