REAKTOR PLUG FLOW

D E F I N I S IREACTOR PLUG FLOWAdalah suatu alat yang digunakan untuk mereaksikan suatu reaktan dalam hal ini fluida dan mengubahnya menjadi produk dengan cara mengalirkan fluida tersebut dalam pipa secara berkelanjutan (continuous). Biasanya reaktor ini dipakai untuk mempelajari berbagai proses kimia yang penting seperti perubahan kimia senyawa, reaksi termal, dan lain-lain.

REAKTOR ALIR PIPADalam sebuah PFR, satu atau lebih pereaksi ( fluida ) dipompakan melalui sebuah pipa atau tabung. Reaksi kimia terjadi sepanjang PFR. Pada reaktor ini kecepatan reaksi :gradient; pada masukkan PFR kecepatan sangat tinggi tetapi sebagaimana konsentrasi menurun dan konsentrasi produk naik kecepatan reaksi melambat

Beberapa aspek penting PFR

Di dalam PFR, fluida mengalir dengan perlakuan yang sama sehingga waktu tinggal () sama untuk semua elemen fluida. Fluida sejenis yang mengalir melalui reactor ideal disebut plug. Saat plug mengalir sepanjang PFR, fluida bercampur sempurna dalam arah radial bukan dalam arah axial (dari arah depan atau belakang). Setiap plug dengan volume berbeda dinyatakan sebagai kesatuan yang terpisah-pisah (hampir seperti batch reactor) saat dia mengalir turun melalui pipa PFR

Pereaksi dapat dimasukkan dalam PFR dengan lokasi yang berbeda dari masukkan dengan cara ini efisiensi tinggi dapat diperoleh atau ukuran dan biaya PFR dapat berkurang

Sebuah PFR mempunyai efisiensi lebih tinggi dari pada RATB pada volum yang sama.Pada space time yang sama, suatu reaksi akan menghasilkan konversi PFR yang lebih tinggi dari pada RATB

PFR biasa digunakan untuk mempelajari beberapa proses penting seperti reaksi termal dan reaksi kimia plasma dalam aliran gas yang cepat serta daerah katalisis. Dalam beberapa kasus, hasil yang didapat tidak hanya membantu kita dalam memahami karakteristik proses-proses kimia, tetapi juga dapat memberikan kita pengertian praktis dari proses-proses kimia yang penting

Isothermal Reaction:Plug Flow ReactorPlug flow of fluid no radial gradients, and no axial dispersion

Constant density with position

Superficial velocity remains constant

Keuntungan : Memberikan volume yang lebih kecil dari pada RATB, untuk konversi yang sama

Kerugian:1. Harga alat dan biaya instalasi tinggi.2. Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state.3. Untuk reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi Hot Spot (bagian yang suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan . Dapat menyebabkan kerusakan pada dinding reaktor.

Radial Variations in a Tubular Reactor Asumsi tidak ada variasi secara radial kecepatan, konsentrasi, suhu atau kecepatan reaksi dalam PFR

PLUG FLOW REACTOR, PFR Dalam PFR komposisi berubah sesuai arah aliran fluida Aliran fluida kecepatan sama (membentuk plat)Neraca massa pada potongan kecil reaktor dengan volume dV dan panjang dL : Input - Output = Akumulasi + Yang Bereaksi FA - (FA + dFA) = 0 + ( - rA ) dV dV dVFA + dFAFA164FAo,XAo,CAo oFA, XA, CA

Reaktor Piston (Plug Flow Reactor)

Konsentrasi di dalam reaktor bervariasi sepanjang reaktor = Waktu lewat = Waktu yang dibutuhkan reaktan melalui reaktorNeraca massa reaktan A (pada bagian yang diarsir) :Masuk Keluar Hilang karena reaksi = AkumulasiFA = ( FA + dFA ) + ( -rA ) dVd FA = d ( FA0 ( 1 - XA ) = - FA0 dXAFA0 dXA = ( - rA ) dV

Persamaan ini memberikan volum PFR, V1 diperlukan untuk menurunkan kecepatan umpan molar masuk dari FA0 menjadi kecepatan umpan molar keluar FA1 karena reaksi kimia .

TRANSPOSISI ANTARA REAKTOR BATCH & PFR

- dFA = ( - rA ) dV - d( FAo FAo.XA) = ( - rA ) dV FAo dXA = ( - rA ) dV dV dXA ------- = ------ FAo - rA

V

0 XA

0 JadiV dXA ----- = ------ = ------- . . . (1) FAo CAo - rAatau V dXA = ----- = CAo ------- O - rA

. . . (2)165

1-rA XA,f 0Luas = / CAo CA CAo 1-rAXA CAo.V = -------- FAo Luas V Waktu tinggal t = ------ = ---------------- . . . (3) (1 + AXA)

Untuk reaksi yang kecepatannya hanya tergantung pada konsentrasi sebuah komponen [i.e., rA = f(CA)],sebaiknya menuliskan rA sebagai fungsi konsentrasi dari pada konversi.

The PFR volume is defined by 1/-rA curve over the range of XA.

Bentuk Integral untuk Plug FlowDalam Pers. (2) ganti - rA dengan laju reaksi kemudian integrasi, dimana 1 XA CA = CAo ----------- ; = o ( 1 + A XA ) 1 + AXA Orde Nol (homogen) A R - - - - rA = k k CAo - CAUntuk A 0 - - - - ------ = XA = ---------------. . . (4) CAo CAo + A CA

Orde satu A R ; - rA = kCA 1 for A 0 ; k = ( 1 + A ) ln -------- - AXA 1 XA

1 CAo for A = 0 ; k = ln -------- = ln ------- . . . (4) 1 XA CA Orde Satu Bolak Balik A r R , - rA = k1CA k2CR ; M = CRo/CAo M + r XAE XAE Untuk A 0 , k = ------------- (1 + AXAE) ln ----------- - A XA M + r XAE XA . . . (5)

M + r XAE XAE Untuk A = 0 , k = --------------- ln ------------ M + r XAE - XA

M + r { 1 - (CAE/CAO)} CAo CAE = ------------------------------- ln --------------- M + r CA - CAE Reaksi Orde Dua :2 A - - - , - rA = kCA2 A + B - - - , - rA = kCACB ; , CAo=CBo Untuk 0 , XA k CAo = 2 A ( 1 + A ) ln (1 XA) + A2 XA + (A + 1)2 ------- 1 - XA . . . (5) . . . (6)

XA CAo CA Untuk A = 0 , k CAo = --------- = ------------- 1 - XA CA atau 1 1 k = ------ - ------ CA CAo . . . (7)

Dua PFR yang dipasang seri :

Reaktor Piston disusun Seri

Reaktor Piston dipasang Seri + ParalelSyarat : Komposisi pertemuan harus sama

Di dalam PRF, konsentrasi produk meningkat sepanjang perjalanan dalam reaktor

HUBUNGAN TEMPERATUR DALAM PRF

CONTOH REAKSIReaksi Etana dalam PFRMendapatkan etena dari etana melibatkan reaksi kimia yang bertempat di dalam pipa kalor panjang. Pipa ini biasa disebut unit pemecahan dengan arus panas (a thermal cracking unit) yang merupakan salah satu tipe dari plug flow reactor. Gambar skema proses dalam plug flow reactor :

Pipa yang besar adalah tungku pemanas yang memanaskan etana ketika mengalir sepanjang pipa. Pemanasan yang dilakukan pada bahan kimia di dalam pipa, memudahkan terjadinya reaksi kimia. Seperti dapat kita lihat dalam gambar, ethana adalah molekul yang dimasukkan ke dalam plug flow reactor, dan setelah jalannya reaksi kimia, etena keluar dari pipa.

Dua persamaan reaksi awal yang terjadi dengan memasukkan gas alami:CH4 + H2O --> 3H2 + COCO + H2O H2 + CO2Reaksi kedua ditujukan untuk menghilangkan CO yang dapat menjadi inhibitor bagi katalis. Hal ini penting terutama untuk proses pembentukan ammonia. Reaksi kedua merupakan reaksi bolak-balik Peningkatan suhu dapat menyebabkan reaksi berjalan ke kanan Reaksi Awal pada Produksi Ammonia dan Metanol

A P L I K A S IReaksi Skala BesarReaksi CepatReaksi homogen Reaksi heterogenProduksi terus-menerusReaksi pada Suhu Tinggi

K E U N T U N G A NTingkat perubahannnya besar dalam setiap volumenyaBekerja dalam periode waktu yang cukup lama tanpa tenaga kerja sehingga upah produksi rendahPerpindahan kalornya baik sekaliOperasinya terus-menerus

K E R U G I A NSulit mengontrol temperaturnya Tingginya temperature yang tidak diinginkan dapat terjadi Proses pemberhentian dan pembersihannya mahal

Plug-flow reactors for Biomass Conversion Pada percobaan, tekanan maksimumnya dapat mencapai 35 MPa. Terdapat beberapa ukuran reakor di dalamnya sehingga waktu tinggalnya dapat ditempuh dari 0,5 sampai 600s. Di kanan kirinya terdapat 2 thermostats yang berjalan bersama perpindahan kalor minyak dan dapat dioperasikan hingga mencapai suhu 300C. Reaktor panjang pada bagian sebelah kiri gambar digunakan untuk memasukkan katalis padat.

Integral untuk menghitung volum PFR dapat dievaluasi menggunakan metode misalnya Simpson's One-Third Rule Aturan Simpson's One-Third adalah satu dari beberapa metode numeris. Ini menggunakan tiga titik data. Metode numeris lain untuk mengevaluasi integral adalah : 1. Trapezoidal Rule (uses two data points) 2. Simpson's Three-Eighth's Rule (uses four data points) 3. Five-Point Quadrature Formula

Contoh 21. Plug Flow ReactorA murni ( 1 k.mol/hr, 1 atm) masuk sebagai feed ke plug flow reaktor , mengikuti reaksi bolak balik dan isothermal pada 1219oK dengan kinetika elementer :A 2R , k1 = 200 hr-1 , KP = 1 atm

Tentukan volume reaktor agar diperoleh konversi 40%

Solution :(a). Volume plug flow reactorReaksi elementar, yaitu orde satu ke kanan , dan orde dua kekiri

- rA = k1 CA - k2 CR2Jadi : V dXA dXA dXA ------ = -------- = ----------------- = --------------------------- FAo - rA k1CA k2CR2 k1 (NA/V) k2(NR/V)2

NR = 2 NAoXA dan V = Vo (1 + AXA )

dan dXA V = Fao ---------------------------------------------------- (1 XA) 2CAo k1 CAo --------------- - k2 --------------- (1 + AXA) (1 + AXA)

2 di evaluasi semua term pada persamaan diatas : k1,C = 200 jam 1 pAo 1 atm CAo = -------- = -------------------------------------------- = 0. 01 mol/lit RT (0.08206 lit.atm/mol K) (1219 K)

k1,C ( 200 hr-1)(100 lit. atm/mol) k2,C = --------- = ------------------------------------------- = 20.000 lit/mol.jam KP/RT 1 atm

FAo = 1000 mol/jam

2 1A = ------------- = + 1 1 Masukan semua data, diperoleh : dXA V = 103 -------------------------------------------------------------- 1 - XA XA(100)(0.01) ---------- - 4 (20000)(0.01)2 ------- 1 + XA 1 + XA2 (1 + XA)2 = 500 --------------- dXA 1 5 XA2

0.40Dapat diselesaikan secara grafik = 1 V = 500 (1) = 500 lit = 0.5 m3

For Gas Phase Flow Systems Mengkombinasikan persamaan keadaan faktor kompresibilitas Z = Z0

Dengan danFT=CTV, FTo=CToVo Diperoleh Kecepatan aliran molar total :Subtitusi untuk FT memberikan :

Reaksi fasa gas elementer : Neraca mol :Persamaan kecepatan Stoikiometri Fasa gas, isothermal (T = T0), tidak ada pressure drop (P = P0), CAo=CBo (Q=1), v=vo(1+eX)

Penggabungan Evaluasi parameter CAo=0.2, v=vo=25 dm3/s, k=10 dm6/mol2 s, e=-0.5, X=0.9

Diasumsikan reaksi fasa cair : Yang terjadi dalam sebuah reaktor PFR. Data berikut diperoleh dari sebuah reaktor batch :

X 0 0.4 0.8-ra(mol/dm3.s) 0.01 0.008 0.002 Jika kecepatan umpan molar A ke dalam PFR adalah 2 mol/s, berapa volum PFR yang diperlukan untuk memperoleh konversi 80% pada kondisi yang sama seperti data yang diperoleh dari batch ? FAo = 2 mol/s,umpan masuk ke dalam sebuah reaktor plug flow Kemudian , dibutuhkan (1/-rA) sebagai fungsi X

Diambil salah satu, luas dibawah kurve dan dikalikan dengan FAO atau dapat dipergunakan persamaan integral.

FAo = 2 mol/s,umpan ke sebuah reaktor plug flow Kemudian, diperlukan (1/-rA) sebagai fungsi X

Persamaan Simpon's tiga titik diperoleh:

Soal 1Dilakukan dalam sebuah reaktor alir pipa dengan kecepatan aliran volumetrik tetap. Turunkan suatu persamaan hubungan volum reaktor dengan konsenrasi A yang masuk dan keluar reaktor, konstanta kecepatan reaksi k, dan kecepatan alir volumetrik v. Hitung volum reaktor yang diperlukan untuk mereaksi kan pereaksi sehinga konsentrasi keluar menjadi 10 % konSENTRASI masuk reaktor jika kecepatan alir volumetrik 10 dm3/min dan konstanta kecepatan reaksi 0.23/ min.

Soal 2Reaksi A + B > C dijalankan pada fase gas didalam suatu reaktor alir pipa yang volumenya 20 liter. Proses berlangsung secara isotermal pada suhu 200C dan tekanan total atm. Jika umpan terdiri atas 50% mol A dan 50% mol B dan masuk dengan kecepatan 50 gmol/jam, maka konversi gas A mencapai 60%. Hitunglah konversi gas A bila reaksi tersebut diatas dijalankan didalam sebuah reaktor alir pipa yang volumenya 60 liter dan umpan terdiri atas 75 gmol/jam A dan 75 gmol/jam B, sedangkan prosesnya tetap sama

Soal 3The elementary liquid phase reaction is carried out isothermally in a PFR. Pure A enters at a volumetric flow rate of 25 dm3/s and at a concentration of 0.2 mol/dm3.What PFR volume is necessary to achieve a 90% conversion when k = 10 dm3/(mol*s)?

Soal 4

SOAL-SOAL RAP DAN RATB

SOAL-1 Reaksi elementer fasa cairan, 2 A ---- B , dilakukan dalam sebuah RAP/RATB secara isothermal. Zat A murni dimasukkan pada kecepatan alir volumetric 25 dm3/det. Dan pada konsentrasi 0,2 mol/dm3. Hitung volum yang diperlukan untuk memperoleh konversi 90 % jika konstanta kecepatan reaksi k = 10 dm3/( mol.min) ?

SOAL-2 Propan dioksidasi sesuai dengan persamaan berikut : C3H8 + 4 O2 ------ 4 H2O + 2 CO + CO2 Pada P dan T konstan . Suatu aliran propane encer yang mengandung satu mol propane per 20 mol udara pada 2 atm dan 350oC dioksidasi untuk memperoleh gas CO. Hitung kecepatan umpan ( liter/jam ) diukur pada kondisi umpan untuk memperoleh konversi propan 75 % Reaktor RAP dan RATB yang mempunyai volum 60 dm3. Asumsi pada kondisi reaksi, kecepatan reaksi dapat ditunjukkan : -r C3H8 = ( 500 L/(mol.min) CC3H8. CO2

SOAL-3 Kapasitas produksi 2x 108 lb/tahun etilen glikol. Reaktor beroperasi secara isothermal : (CH2-CH2)O + H2O ------- (CH2OH)2 Konstanta kecepatan reaksi 0,311 min-1. Umpan terdiri dari 1 lbmol/ft3 larutan etilen oksida dalam air dan larutan air mengandung 0,9 % H2SO4. Kedua larutan masuk reactor pada kecepatan volumetric yang sama. Jika konversi 80 %, hitung volum reactor RAP dan RATB ?

SOAL-4Produksi etilen 300 x 106 lb/tahun dari cracking etan murni. Hitung volum yang diperlukan RAP dan RATB untuk memperoleh konversi 80 %. Reaksi irreversible dan elementer. Operasi isothermal pada 1100 K dan 6 atm. Pada suhu 1000 K nilai k = 0,072 det-1 dan energi aktivasi, E = 82 kkal/mol.

REAKTOR RECYCLE

Neraca Massa untuk Reaktor Piston :FA0 = R FA0 + FA0 = (R + 1) FA0Sehingga :

Pengaruh harga R (faktor recycle)Untuk konstan (=0)

Untuk Keadaan ekstrim :

Performance of a Plug Flow Reactor with Recycle Consider a second-order reaction (2A B) with a reaction rate, that takes place in a plug flow reactor with recycle. The recycle ratio is.The volume of the reactor needed to achieve a final conversion is given by

where is the volumetric flow rate, V is the reactor's volume, and is the reactor's conversion of species A.There are two limiting cases: gives a plug flow reactor without recycle case ( has the lowest value). gives mixed flow reactor behavior ( has the highest value).

Real Flow Reactor Figure 3 shows schematically an individual channel of the monolith with its occurring physically and chemical values. The substance and heat transport processes ( like momentum, energy and species, thermal radiation, diffusion) considered in the calculation are drawn in.The channel calculated in the simulation is a cuboid with a square profile. The 3D-bilance equations used for the calculations are taken from the publication from O. Deutschmann and L.D. Schmidt in AIChE Journal [3]. In this calculations the flow was assumed to be laminar. The coefficient of transport is dependent on the composition and the temperature. In this calculations the flow was assumed to be laminar. The coefficient of transport is dependent on the composition and the temperature. Chemical reaction occurring on the surface lead to following boundary conditions[3],[4]:(7) Mi stands for the mass of the component i, for the density, Yi for the mass fraction of the species and Ji,n for the muss flux of diffusion.

Figure 3 : Monolith with a zoomed single channel. The cut through the channel shows the occurring physical and chemical values.