reaktor non isothermal

26
Reaktor non- isothermal Muthia Elma, M.Sc.

Upload: indra-d-winarko

Post on 20-Oct-2015

226 views

Category:

Documents


5 download

TRANSCRIPT

Reaktor non-isothermal

Muthia Elma, M.Sc.

Reaktor Non-Isothermal

• Konversi dan distribusi hasil reaksi

berpengaruh kepada tipe danukuran reaktor

• Reaksi di reaktor dipengaruhi oleh

temperatur dan tekanan

• Pengaruh suhu dapat berhubungandengan permasalahan operasi maupundisain reaktor baik untuk sistim reaksitunggal maupun reaksi ganda(seri/paralel)

• Jika reaksi berlangsung pada suhu tetap ataurelatif tetap maka reaktor beroperasi Isotermal.

• jika panas reaksi yang timbul relatif kecil ataukarena konsentrasinya yang rendah (encer) maka efeknya terhadap reaktor menjadi kecil(diabaikan).

• Pada kondisi ini maka laju reaksi tidakdipengaruhi perubahan suhu yang terjadikarena konstanta kecepatan reaksinya tetap

• Jika pada reaksi-reaksi yang panasreaksinya relatif besar maka perhitunganperancangan reaktornya harus melibatkanefek panas yang terjadi, dalam hal inidapat menggunakan persamaan neracapanas

• Contoh menghitung volume yang diperlukan untuk konversi, X dalamreaktor tubular (PFR) untuk reaksi orde 1, eksotermik dioperasikan secara adiabatik, maka profil suhunya dapat digambarkanoleh kurva berikut ini

Neraca masa, kinetika danhubungan stoikiometri adalah :

• Persamaan diselesaikan dengan mengetahui konversi reaksi dan suhu reaksi

Suhu pada laju reaksi

a. Reaksi IrreversibelUntuk reaksi orde 1 :

-rA = kCA

Dengan menggunakan pers. Arhenius

-rA = ko exp[-E/RT] CAo (1 – xA)

konversi dan suhu pada berbagai laju reaksi untuk reaksi irreversibel

Untuk konversi tertentu maka sebaiknya reaktor dioperasikan padasuhu tinggi, selama memungkinkan (keterbatasan material reaktor)

agar dapat memaksimumkan laju reaksi dan meminimumkan ukuran reaktor

b. Reaksi Reversibel Endotermik

• Pada reaksi endotermik reversible A ó B energi aktivasi reaksi kekanan lebih besar dari energi aktivasi reaksi kekiri.

• Laju reaksi netto merupakan selisih antara reaksi kekanan dan reaksi kekiri seperti dinyatakna dalam persamaan berikut :

-rA = k1CA - k2CB

• Jika pada keadaan awal tidak ada reaktan B :

-rA = k10 exp[-E1/RT] CAo (1 – xA) - k20 exp[-E2/RT] CAo xA

• Pada keadaan seimbang –rA = 0 dan xA = xAe , maka :

K adalah konstanta kesetimbangan, maka

−===

− RT

EE

k

kK

k

k

X

X

Ae

Ae 12

20

10

2

1

exp

1

K

KX

Ae

+=

1

• Jika temperatur naik maka nilai K juga meningkat untukreaksi endotermik dan nilai konversi keseimbanganmeningkat.

Hubungan konversi dan suhu pada berbagai laju reaksi ( reaksireversibel Endotermik)

• Konversi keseimbangan meningkat dengan kenaikan suhu. • Garis equilibrium menunjukkan laju reaksi yang konstan (= nol). • Garis yang dekat dengan garis equilibrium menunjukkan laju reaksi

yang rendah. • Makin jauh dari garis equilibriun makin tinggi laju reaksinya. • Seperti pada reaksi irreversible maka untuk konversi tertentu maka

sebaiknya reaktor dioperasikan pada suhu setinggi mungkinagar dapat memaksimumkan laju reaksi dan meminimumkan ukuran reaktor

c. Reaksi Reversibel Exotermik

• Untuk reaksi eksotermik reversible A ó B energi aktivasi reaksi kekanan lebih rendah dari energi aktivasi reaksi sebaliknya

Maka :

• Jika temperatur naik maka nilai K akan menurun dan nilai konversi keseimbangan juga menurun.

K

KX

Ae

+=

1

Hubungan konversi dan suhu pada berbagai laju reaksi (reaksi reversibel Exotermik)

• Garis equilibrium menunjukkan laju reaksi yang konstan (= nol). • Akan tetapi terdapat laju reaksi nol pada suhu sama dengan nol. • Garis yang dekat dengan garis equilibrium menunjukkan laju reaksi

yang rendah. • Makin jauh dari garis equilibrium makin tinggi laju reaksinya. • Akan tetapi untuk konversi tertentu laju reaksi mula-mula akan naik

sampai mencapai maksimumnya kemudian turun. • Berarti jika reaktor dioperasikan pada konversi tertentu, sebaiknya

dioperasikan pada temperatur optimum yang memperikan konversimaximum, hal ini dapat dicapai oleh reaktor teraduk (MFR).

• Sedangkan untuk reaktor plug flow, dimana konversi bervariasisepanjang reaktor, maka suhu optimumnya juga bervariasi, sehingga perlu dicari garis operasi optimum (progression optimum temperature)

Energy Balance (Energy Balance (NeracaNeraca energy)energy)

Rate of

accumulation

of the energy

within the

system

–+ – =

Rate of work

done by the

system on

the

surroundings

Rate of flow

of heat to the

system from

the

surrounding

Rate of energy

added to the

system by

mass flow into

the system

Rate of energy

leaving the

system by

mass flow out

of the system

dt

EdEFEFWQ

outoutinin

ˆ

=−+− &&

sW&

Q&

ininEF

outoutEF

Control Volume

Energi dinyatakan dalam enthalpy H = E + PV,

maka :

Untuk keadaan steady :

• Persamaan diatas perlu dinyatakan dalam bentuk yang mudah untuk digunakan dalam menghubungkan X danT untuk perancangan reaktor.

• Untuk itu laju alir molar dinyatakan dalam suku-sukukonversi dan enthapi sebagai fungsi suhu denganmerinci Fi dan Hi.

• Untuk reaksi umum berikut :

• Laju alir, Fi

• Secara umum,

• Enthalpi, Hi

• Asumsi tidak ada perubahan fasa :

• Kapasitas panas rata-rata :

&

• Bila kapasitas panas adalah fungsi suhu sebagai berikut:

• Maka bila panas reaksi pada suatu suhudiketahui, panas reaksi pada suhu lain dapat dihitung.

• Neraca Energy dengan enthalpi yang terurai :

• Persamaan Neraca Energy dengankapasitas rata-rata :

• Persamaan Neraca Energy Adiabatik :

• Persamaan Neraca Energy Adiabatik untukkapasitas panas variabel:

• Untuk kapasitas panas konstan :

• Keadaan khusus untuk CSTR, PFR, Batch :

• Jika MFR/CSTR dengan pendinginan/pemanasanUA(Ta-T) dan laju alir besar :

• Jika PFR/PBR dengan pendinginan/pemanasan UA(Ta-T) dan laju alir besar :