TUGAS UJIAN AKHIR

KINETIKA REAKTOR

Oleh :

TITA RIZKI KURNIA MIRA FITRIANA

2309030028 2309030062

PROGRAM STUDI DIII TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

KINETIKA REAKTOR

1

ReaktorDalam teknik kimia, Reaktor kimia adalah suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia. Perancangan suatu reaktor kimia harus mengutama kan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil produk dibandingkan masukan (input) yang besar dengan biaya yang minimum, baik itu biaya modal maupun operasi. Tentu saja faktor keselamatan pun tidak boleh dikesampingkan. Biaya operasi biasanya termasuk besarnya energi yang akan diberikan atau diambil, harga bahan baku, upah operator, dll. Perubahan energi dalam suatu reaktor kimia bisa karena adanya suatu pemanasan atau pendinginan, penambahan atau pengurangan tekanan, gaya gesekan (pengaduk dan cairan), dll.

Gambaran UmumReaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia atau nuklir dan bukan secara fisika. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energi seperti panas (contoh energi yang paling umum). Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia, jadi terjadi perubahan bahan bukan fasa misalnya dari air menjadi uap yang merupakan reaksi fisika. Ada dua jenis utama reaktor kimia:y y

Reaktor tangki atau bejana Reaktor pipa Kedua jenis reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun partaian/batch.

Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan ajeg namun kadang-kadang bisa juga beroperasi secara transien. Biasanya keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali dioperasikan (mis: setelah perbaikan atau pembelian baru) di mana komponen produk masih berubah terhadap waktu. Biasanya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas, namun kadang-kadang ada juga padatan yang diikutkan dalam reaksi (mis: katalisator, regent, inert). Tentu saja perlakuan terhadap bahan yang akan direaksikan akan berbeda. Ada tiga tipe pendekatan utama yang digunakan dalam pengoperasian reaktor:y y

Model reaktor batch Model Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) atau dikenal juga sebagai RTIK (Reaktor Tangki Ideal Kontinu) Model Reaktor Alir Pipa (RAP) atau dikenal juga sebagai RAS (Reaktor aliran Sumbat)

y

KINETIKA REAKTORLeb h auh ag

2

erp ah dari ketiga m del tersebut dikarenakan ban akn a asumsi sehingga men ebabkan eberapa ubahan ang memengaruhi rancangan reaktor:

tiga m del perhitungan di atas tidak lagi akurat. Waktu tinggal Volum V) Temperatur T) Konsentrasi sen awa C1 C 2 C3 ...,C n Koefisien perpindahan panas h, U), dll

y y y y y y

Tekanan

)

JenisRATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk)

Bagian dalam suatu RATB.$

RAT dikenal uga sebagai RT K Reaktor Tangki deal Kontinu). sejumlah ang sama produk) dikeluarkan dari reaktor.# " # " !

i RAT , satu atau

lebih reaktan masuk ke dalam suatu bejana berpengaduk dan bersamaan dengan itu engaduk dirancang sehingga campuran teraduk dengan sempurna dan diharapkan reaksi berlangsung secara optimal. Waktu tinggal dapat diketahui dengan membagi volum reaktor dengan kecepatan volumetrik cairan ang masuk reaktor. engan perhitungan kinetika reaksi, konversi suatu reaktor dapat diketahui. eberapa hal penting mengenai RAT : ang ke luar reaktor jika tidak tentu reaktor akan berkurang atau bertambah isin a.' ' $ % & %

y

Reaktor berlangsung secara ajeg, sehingga jumlah ang masuk setara dengan jumlah'

eak

dengan ka a a

pada an membu uhkan pendeka an ang

KINETIKA REAKTORPerhitungan RATB mengasumsikan pengadukan terjadi secara sempurna sehingga semua titik dalam reaktor memiliki komposisi yang sama. Dengan asumsi ini, komposisi keluar reaktor selalu sama dengan bahan di dalam reaktor.y

3

y

Seringkali, untuk menghemat digunakan banyak reaktor yang disusun secara seri daripada menggunakan reaktor tunggal yang besar. Sehingga reaktor yang di belakang akan memiliki komposisi produk yang lebih besar dibanding di depannya. Dapat dilihat, bahwa dengan jumlah RATB kecil yang tak terbatas model perhitungan akan menyerupai perhitungan untuk RAP.)

y

R P (Reaktor

RAP dikenal juga sebagai RAS (Reaktor aliran Sumbat). Dalam RAP, satu atau lebih reaktan dipompa ke dalam suatu pipa. Biasanya reaksi yang menggunakan RAP adalah reaksi fasa gas. Reaksi kimia berlangsung sepanjang pipa sehingga semakin panjang pipa konversi akan semakin tinggi. Namun tidak semudah ini menaikkan konversi, dalam RAP konversi terjadi secara gradien, pada awalnya kecepatan reaksi berlangsung secara cepat namun setelah panjang pipa tertentu jumlah reaktan akan berkurang dan kecepatan reaksi berlangsung lebih lambat dan akan makin lambat seiring panjangnya pipa. Artinya, untuk mencapai konversi 100% panjang pipa yang dibutuhkan adalah tak terhingga. Beberapa hal penting mengenai RAP:y

Perhitungan dalam model RAP mengasumsikan tidak terjadi pencampuran, dan reaktan bergerak secara aksial bukan radial. Katalisator dapat dimasukkan melalui titik yang berbeda dari titik masukan, diharapkan reaksi lebih optimal dan terjadi penghematan. Biasanya, RAP memiliki konversi yang lebih besar dibanding RATB dalam volum yang sama. Artinya, dengan waktu tinggal yang sama RAP memberikan hasil yang lebih besar dibanding RATB.

y

y

Reaktor Semi-Batch paling sederhana misalnya tangki fermentor, ragi dimasukkan sekali ke dalam tangki (secara klorinasi, suatu reaksi cair-gas, gas digelembungkan secara kontinyu dari dasar tangki agar bereaksi dengan cairan di tangki yang diam (batch).0 0 0

Reaktor jenis berlangsung secara batch dan kontinyu sec ara bersamaan. batch) namun O2 yang dihasilkannya dikeluarkan secara kontinyu.

(

(

ir Pipa)

ontoh

ontoh lainnya adalah

KINETIKA REAKTOR Aksesoris ReaktorUntuk mendukung agar reaktor dapat berfungsi maksimal dan aman terkendali, maka diperlukan sistem pengendalian proses yang menggunakan beberapa alat tambahan. Beberapa contoh dari aksesoris tersebut umumnya adalah : 1. Level ontroller (LC), suatu alat yang menjaga agar volum (isi) reaktor tetap terjaga, tidak kehabisan reaktan ataupun kelebihan yang dapat menyebabkan kenaikan tekanan. Cara kerja dari alat ini adalah dengan terus mendeteksi ketinggian permukaan bahan dalam reaktor, jika kurang dari toleransi yang diberikan (set point) maka kran keluaran (output) akan mengecil sampai ketinggian mencapai tinggi yang telah di set. Sebaliknya jika melebihi kran keluaran akan dibuka lebih lebar untuk mengurangi bahan dalam reaktor. 2. Pressure Controller (PC), Suatu alat yang bertugas untuk menjaga agar t ekanan dalam reaktor masih berada pada kisaran yang ditetapkan. Biasanya diterapkan pada reaktor yang memakai reaktan berfasa gas. Cara kerjanya mirip dengan LC yaitu dengan membuka dan menutup kran. 3. Temperature Controller (TC), suatu alat yang bertugas agar suhu di dalam reaktor masih berada dalam kisaran suhu operasinya. TC juga bekerja dengan membuka dan menutup kran, namun kran yang diintervensi adalah kran utilitas. Misalnya CSTR berpemanas, jika suhu drop maka kran koil uap panas (steam) akan diperbes ar sehingga steam yang masuk akan lebih banyak yang akhirnya suplai panas pun bertambah dan akhirnya suhu reaktor akan bertambah dan suhu reaktor pun dapat kembali ke suhu yang normal. Sebaliknya jika suhu reaktor bertambah. Reaktor Batch adalah istilah generik untuk jenis kapal banyak digunakan dalam industri proses. Namanya adalah sesuatu dari keliru karena kapal jenis ini digunakan untuk berbagai operasi proses seperti pembubaran padatan , pencampuran produk , reaksi kimia , distilasi batch , kristalisasi , ekstraksi cair / cair dan polimerisasi . Dalam beberapa kasus, mereka tidak disebut sebagai reaktor tapi memiliki nama yang mencerminkan peran yang mereka lakukan (seperti crystallizer, atau reaktor bio ). Sebuah reaktor batch khas terdiri dari sebuah tangki dengan pengaduk dan terpisahkan pemanasan / pendinginan sistem. Kapal ini dapat bervariasi dalam ukuran dari kurang dari 1 liter untuk lebih dari 15.000 liter. Mereka biasanya dibuat dalam baja , stainless steel , kaca berlapis baja, kaca atau eksotik paduan . Cairan dan padatan biasanya diisi melalui koneksi di penutup atas reaktor. Uap dan gas juga keluarnya cairan melalui koneksi di atas. Cairan ini biasanya dibuang keluar dari bagian bawah.1

4

KINETIKA REAKTORKeuntungan dari reaktor batch berbohong dengan fleksibilitas. Sebuah kapal tunggal dapat melaksanakan urutan operasi yang berbeda tanpa perlu istirahat penahanan. Hal ini sangat berguna saat memproses, beracun atau sangat ampuhsenyawa . Agitasi Susunan pengaduk biasa adalah pusat mount driveshaft dengan drive unit overhead. Impeller pisau dipasang pada poros. Berbagai macam desain pisau yang digunakan dan biasanya pisau menutupi sekitar dua pert iga diameter reaktor. Dimana produk kental ditangani, jangkar berbentuk dayung yang sering digunakan yang memiliki izin erat antara pisau dan dinding pembuluh. Kebanyakan reaktor batch juga menggunakan baffle . Ini adalah pisau stasioner yang putus aliran yang disebabkan oleh agitator berputar. Ini mungkin tetap ke penutup kapal atau dipasang pada bagian dalam dinding samping. Meskipun perbaikan signifikan dalam pisau pengaduk dan desain penyekat, pencampuran dalam reaktor batch yang besar pada akhirnya dibatasi oleh jumlah energi yang dapat diterapkan. Pada kapal -kapal besar, energi pencampuran lebih dari 5 Watt per liter dapat menempatkan beban yang tidak dapat diterima pada sistem pendingin. Beban pengaduk yang tinggi juga dapat menciptakan masalah poros stabilitas. Dimana pencampuran adalah parameter kritis, reaktor batch bukanlah solusi yang ideal. Ti ngkat pencampuran yang lebih tinggi dapat dicapai dengan menggunakan sistem yang lebih kecil mengalir dengan kecepatan tinggi agitator, ultrasonik pencampuran atau mixer statis . Pemanasan dan sistem pendingin Produk dalam reaktor batch biasanya membebaskan atau menyerap panas selama pemrosesan. Bahkan tindakan cairan disimpan pengadukan menghasilkan panas. Dalam rangka untuk terus isi reaktor pada yang diinginkan suhu , panas harus ditambahkan atau dihapus oleh jaket pendinginan atau pipa pendinginan . Pemanasan / kumparan pendingin atau jaket eksternal digunakan untuk pemanasan dan pendinginan reaktor batch. Panas fluida perpindahan melewati jaket atau kumparan untuk menambah atau menghapus panas. Dalam kimia dan farmasi industri, jaket pendinginan eksternal umumnya disukai karena mereka membuat kapal lebih mudah dibersihkan. Kinerja jaket ini dapat didefinisikan oleh 3 parameter:y y y

5

Respon waktu untuk mengubah suhu jaket Keseragaman suhu jaket Stabilitas suhu jaket

KINETIKA REAKTORHal ini dapat dikatakan bahwa koefisien perpindahan panas juga merupakan parameter penting. Harus diakui bahwa bagaimanapun reaktor batch ang besar dengan jaket pendinginan eksternal memiliki kendala perpindahan panas ang parah berdasarkan perpindahan panas ang ideal. ebalikn a, terus menerus reaktor dapat memberikan2 4 2 4 2

6

desain. ulit untuk mencapai ang lebih baik dari 100 Watt kapasitas pendinginan lebih dari 10.000 W2 3 2 2 3

liter bahkan dengan kondisi

liter. Untuk proses dengan beban panas ang

sangat tinggi, ada solusi ang lebih baik daripada reaktor batch. uhu kontrol respon cepat dan pemanasan seragam jaket dan pendinginan sangat penting untuk proses kristalisasi atau operasi dimana produk atau proses sangat sensitif temperatur. Ada beberapa jenis jaket pendingin reaktor batch: Jaket Eksternal Single3

Batc reaktor dengan jaket pendinginan eksternal tunggal6

Desain jaket tunggal terdiri dari jaket luar6

ang mengelilingi kapal. Fluida

perpindahan panas ang mengalir di sekitar jaket dan disuntikkan pada tinggi kecepatan melalui nozel. uhu dalam jaket ang diatur untuk mengontrol pemanasan atau pendinginan. Jaket tunggal mungkin adalah desain tertua jaket pendinginan eksternal. Meskipun dapat mengambil beberapa menit untuk men esuaikan suhu cairan dalam jaket pendinginan. Hal ini men ebabkan kontrol suhu lamban. Distribusi perpindahan panas fluida juga jauh dari ideal dan pemanasan atau pendinginan cenderung bervariasi antara dinding samping dan panas ang dapat berosilasi dalam menanggapi katup kontrol suhu) selama rentang@ 6 6 6 6 6 8 6 7

menjadi solusi dicoba dan diuji, memiliki beberapa keterbatasan.

bawah piring. su lain9 6

ang perlu dipertimbangkan adalah suhu inlet fluida perpindahan

temperatur ang luas men ebabkan titik panas atau dingin pada poin jaket inlet.

2

5

ada pembuluh besar,

KINETIKA REAKTORJaket Setengah Kumparan

7

Reaktor batc dengan setengah jaket koil

Jaket kumparan setengah dibuat oleh pengelasan pipa setengah di sekitar bagian luar kapal untuk membuat saluran aliran semi melingkar. Cairan perpindahan panas melewati saluran dalam aliran plug mode. ebuah reaktor ang besar dapat menggunakan beberapa kumparan untuk memberikan fluida perpindahan panas. eperti jaket tunggal, suhu di jaket diatur untuk mengendalikan pemanasan atau pendinginan. Karakteristik aliran plug jaket kumparan memungkinkan perpindahan setengah lebih cepat dari fluida perpindahan panas di jaket biasan a kurang dari 60 detik). Hal ini diinginkan untuk kontrol suhu ang baik. ni juga men ediakan distribusi ang baik cairan transfer panas ang menghindari masalah pemanasan atau pendinginan non seragam antara dinding samping dan bawah piring. eperti desain jaket tunggal namun cairan panas masuk transfer juga rentan terhadap osilasi besar dalam menanggapi katup kontrol suhu) suhu. Jaket Pendinginan Fluks KonstanD B C C C E C C D B C B

Batch reaktor dengan konstan (Coflux) jaket fluksG F

Jaket pendinginan fluks konstan merupakan perkembangan

bukan jaket tunggal tetapi memiliki serangkaian 20 atau lebih elemen jaket kecil. Katup Dengan memvariasikan area perpindahan panas dengan cara ini, suhu proses dapat diatur tanpa mengubah suhu jaket. Jaket fluks konstan memiliki suhu sangat cepat respon kontrol biasan a kurang dari 5 detik) karena panjang pendek dari saluran aliran dan kecepatan tinggi dari fluida seragam. Karena jaket beroperasi pada suhu konstan namun osilasi suhu masuk terlihat diP I F H F

kontrol suhu bekerja dengan membuka dan menutup saluran ini seperti

perpindahan panas.

eperti jaket koil setengah pemanasan

A

ang relatif baru. ni ang diperlukan.

pendinginan fluks adalah

KINETIKA REAKTORjaket lainnya tidak hadir. Sebuah fitur yang tidak biasa ini jaket tipe yang panas proses dapat diukur sangat sensitif. Hal ini memungkinkan pengguna untuk memantau laju reaksi untuk mendeteksi titik akhir, mengendalikan tingkat Selain itu, mengendalikan kristalisasi dll Reaktor kimia adalah sebuah alat industri kimia , dimana terjadi reaksi bahan mentah menjadi hasil jadi yang lebih berharga. Tujuan pemi ihan reaktor ada ah : 1. Mendapat keuntungan yang besar 2. Biaya produksi rendah 3. Modal kecil/volume reaktor minimum 4. Operasinya sederhana dan murah 5. Keselamatan kerja terjamin 6. Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil -kecilnya Pemi ihan jenis reaktor dipengaruhi o eh : 1. Fase zat pereaksi dan hasil reaksi 2. Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping 3. Kapasitas produksi 4. Harga alat (reactor) dan biaya instalasinya 5. Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas Jenis-jenis reaktor A. Berdasarkan bentuknya 1. Reaktor tangki Dikatakan reaktor tangki ideal bila pengadukannya sempurna, sehingga komposisi dan suhu didalam reaktor setiap saat selalu uniform. Dapat dipakai untuk proses batch, semi batch, dan proses alir. 2. Reaktor pipa Biasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor Alir Pipa. Dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir didalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa. B. Berdasarkan prosesnya 1. Reaktor Batch Biasanya untuk reaksi fase cair Digunakan pada kapasitas produksi yang kecilR R Q Q

8

KINETIKA REAKTORKeu tu gan eactor batch:- Lebih murah dibanding reactor alir - Lebih mudah pengoperasiannya - Lebih mudah dikontrolT S S

9

Kerug an reactor batch:- Tidak begitu baik untuk reaksi fase gas (mudah terjadi kebocoran pada lubang

pengaduk)- Waktu yang dibutuhkan lama, tidak produktif (untuk pengisian, pemanasan zat

pereaksi, pendinginan zat hasil, pembersihan reactor, waktu reaksi) 2. Reaktor Alir (Continous Flow) Ada 2 jenis: a. RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk) Keuntungan: Suhu dan komposisi campuran dalam rerraktor sama Volume reactor besar, maka waktu tinggal juga besar, berarti zat pereaksi lebih lama bereaksi di reactor. Kerug an: Tidak effisien untuk reaksi fase gas dan reaksi yang bertekanan tinggi. Kecepatan perpindahan panas lebih rendah dibanding RAP Untuk menghasilkan konversi yang sama, volume yang dibutuhkan RATB lebih besar dari RAP. b. RAPV

kecepatan yang sama diseluruh penampang pipa. Keuntungan : Memberikan volume yang lebih kecil daripada RATB, untuk konversi yang sama Kerug an: 1. Harga alat dan biaya instalasi tinggi. 2. Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state.W

U

Dikatakan ideal jika zat pereaksi dan hasil reaksi mengalir dengan

KINETIKA REAKTOR3. Untuk reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi Hot Spot kerusakan pada dinding reaktor. 3. Reaktor semi batch Biasanya berbentuk tangki berpengaduk (bagian yang

10

suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan . Dapat menyebabkan

C. Jenis reaktor berdasarkan keadaan operasinya 1. Reaktor isotermal. Dikatakan isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalam reaktor, aliran yang keluar dari reaktor selalu seragam dan bersuhu sama. 2. Reaktor adiabatis.y

Dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya. Jika reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat dipakai untuk menaikkan suhu campuran di reaktor. ( K naik dan rA besar sehingga waktu reaksi menjadi lebih pendek).

y

3. Reaktor Non-Adiabatis D. Reaktor Gas Cair dengan Kata is Padat 1. Packed/Fixed bed reaktor (PBR). Terdiri dari satu pipa/lebih berisi tumpukan katalis stasioner dan dioperasikan vertikal. Biasanya dioperasikan secara adiabatis.X

KINETIKA REAKTOR2. Fluidized bed reaktor (FBR)y y y

11

Reaktor dimana katalisnya terangkat oleh aliran gas reaktan. Operasinya: isotermal. Perbedaan dengan Fixed bed: pada Fluidized bed jumlah katalis lebih sedikit dan katalis bergerak sesuai kecepatan aliran gas yang masuk serta FBR memberikan luas permukaan yang lebih besar dari PBR

E. Fluid-fluid reaktor Biasa digunakan untuk reaksi gas-cair dan cair-cair. 1. Bubble Tank.

2. Agitate Tank

KINETIKA REAKTOR3. Spray Tower

12

Pertimbangan dalam pemilihan fluid -fluid reaktor. 1. Untuk gas yang sukar larut (Kl