Desain untuk Reaksi Tunggal

PendahuluanAda banyak cara untuk memproses fluida : pada sebuah single batch rekator atau reaktor

alir, pada sebuah rangkaian reaktor kemungkinan dilengkapi dengan injeksi feed atau pemanasan, pada sebuah reaktor dengan recycle dari aliran produk menggunakan bermacam-macam perbandingan feed dan kondisi, dll. Yang mana yang seharusnya kita gunakan ? Sayangnya, banyak faktor yang dipertimbangkan untuk menjawab pertanyaan diatas : Sebagai contoh :

1. Tipe reaksi, 2. Skala produksi yang direncanakan, 3. Biaya peralatan dan operasi, 4. Keselamatan dan keamanan, 5. Stabilitas dan fleksibilitas operasi, 6. Umur atau ketahanan peralatan, 7. Lama waktu produk yang diharapkan akan di produksi, 8. Memudahkan konvertibilitas peralatan untuk memodifikasi kondisi operasi atau proses

yang baru dan berbeda.

Sistem reaktor dipilih dengan pengaruh ekonomis dari proses dengan melihat ukuran dan unit yang dibutuhkan dan dengan menentukan perbandingan produk yang terbentuk. Faktor yang mempengaruhi :

1. ukuran reaktor, Mungkin bervariasi dari ratusan desain yang ada.2. Ditribusi produk, biasanya merupakan pertimbangan utama dimana ini dapat divariasi

dan dikontrol.

6.1 Perbandingan ukuran dari Reaktor TunggalReaktor Batch

Pertama, sebelum kita membandingkan reaktor alir, mari kita bahas reaktor batch secara singkat. Reaktor batch memiliki keuntungan biaya peralatan yang kecil dan fleksibilitas operasi (bisa dihentikan/shutdown dengan mudah dan cepat). Tapi kerugiannya adalah membutuhkan banyak tenaga kerja dan biaya operasi yang tinggi, seringnya waktu shutdown untuk pengosongan, pembersihan, dan pengisian ulang, dan quality control yang lebih buruk dari produk. Maka dapat disimpulkan, jika reaktor batch sesuai untuk jumlah produksi material yang kecil. Dengan kata lain untuk perlakuan material secara kimia pada jumlah yang besar, proses kontinyu hampir selalu ditemukan agar lebih ekonomis.

Sehubungan dengan ukuran reaktor, perbandingan dari Per 5.4 dan 5.19 dengan ε=0

atau tidak ada perubahan volume (densitas konstan) menunjukkan bahwa element fluida yang bereaksi untuk lama waktu yang sama pada reaktor batch dan reaktor plug flow.

Reaktor mixed flow dan Plug Flow, reaksi orde satu dan dua Perbandingan ukuran dari reaktor mixed flow dan plug flow akan tergantung pada

panjang reaksi, stokiometri, dan bentuk persamaan kecepatan reaksi. Untuk kasus umum perbandingan dari per 5.11 dan 5.17 memberikan perbandingan ukuran ini. Untuk nth-order dengan rumus kecepatan reaksi sebagai berikut :

−r A=− 1V

.dNA

dT=kCA

n

Per 3.66 :

C A=CA0

1−X A

1+ε A X A

Per 5.11 :

τ=1s= V

v0

=VCA0

FA0

=CA0 X A

−r A

Dimana, n bervariasi dari 0 sampai 3. Untuk reaktor mixed flow Per 5.11 menjadi :

τ m=(CA0 .V

FA0)m

=CA0 . X A

-r A

=CA0. X A

kCAn

=CA0 X A

k (CA0n (1−X A)n

(1+ε A X A)n )=

CA0 X A (1+ε A X A )n

k .CA0n (1−X A)

n

τ m=1

kCA0n−1

X A(1+ε A X A )n

(1−X A)n

Per 5.17 :

τ=Vv0

=VCA0

F A0

=CA0∫0

X AdXA

−r A

Untuk reaktor plug flow, per 5.17 menjadi :

τ p=(CA0 .V

FA0)p

=CA0∫0

X A dX A

−r A

=CA0∫0

X A dXA

kCAn

=CA0

k∫0

X A dXA

(CA0n (1−X A )n

(1+ε A X A )n )τ p=

CA0

k∫0

X A(1+ε A X A )n

CA0n (1−X A )n

dXA

τ p=1kCA0

n−1 ∫0

X A(1+εA X A )n

(1−X A )ndXA

Kemudian per 5.11 dan 5.17 dibandingkan, sehingga di dapat :

(τCA0n−1 )m

(τCA0n−1 )p

=(CA0

n. V

F A0)m

(CA0

n. V

FA0)

p

=[ X A(1+εA X A )n

(1−X A)n ]m[∫0

X A ( 1+εA X A

1−X A)

n

dXA ]p………………..(1)

Dengan densitas konstan, atau ε=0 persamaan 1 di integrasi menjadi :

(τCA0n−1 )m

(τCA0n−1 )p

=[X A(1

1−X A)

n]m[∫0

X A (11−X A

)n

dXA ]p

=[X A (1(1−X A )n )]m[∫0

X A (1(1−X A ) n )dXA]p

(τCA0n−1 )m

(τCA0n−1 )p

=[X A

(1−X A)n ]m

[∫0

X A (1−X A )-n dX A ]p

(τCA0n−1 )m

(τCA0n−1 )p

=[X A

(1−X A)n ]m

[(1-X A)1−n−1

n−1 ]p

, n≠1

Atau ………………(2)

(τCA0n−1 )m

(τCA0n−1 )p

=[X A(1

1−X A)

n]m[∫0

X A (11−X A) )

n

dX A ]p

=[X A(11−X A

)]m

[∫0

X A (11−X A)dXA ]p

=[X A

(1−X A ) ]m

-ln (1−X A )p

,n=1

Persamaan 1 dan 2 dapat digambarkan dengan grafik pada Gambar 6.1 untuk menyediakan perbandingan secara cepat dari performance rekator plug flow dan reaktor mixed flow.

Gambar 6.1 Perbandingan Performance dari Reaktor Mixed Flow Tunggal dan Reaktor Plug Flow Tunggal untuk Reaksi orde nth

Sumbu y (ordinat) adalah rasio volume Vm/Vp atau rasio space time τ m/τ p jika jumlah feed yang digunakan sama. Feed yang sama dengan komposisi CA0 dan flow rate FA0 sumbu y dari gambar tersebut memberikan secara langsung rasio volume yang diperlukan untuk beberapa konversi khusus.Gambar 6.1 menunjukkan sebagai berikut :

1. Untuk beberapa bagian dan semua reaksi orde positif, reaktor mixed flow selalu lebih besar daripada reaktor plug flow. Rasio volume meningkat seiring dengan orde reaksi.

2. Ketika konversi bernilai kecil, performa reaktor hanya dipengaruhi oleh tipe aliran. Rasio performa meningkat sangat cepat pada konversi yang besar, akibatnya representasi yang sesuai dari aliran menjadi sangat penting pada range konversi ini.

3. Densitas yang bervariasi yang berlangsung pada reaksi mempengaruhi desain.

Macam-macam dari rasio reaktan untuk orde reaksi 2Reaksi orde 2 dari 2 komponen dan 2 tipe

A+B Produk , M=

CB0

CAO

-rA=-rB= KCACB .................................(3.13)Menunjukkan sebagai reaksi orde dua dari satu komponen ketika perbandingan reaktan adalah 1.Maka :

-rA = kCACB = KC2A , Ketika M = 1 ………………(3)

Disisi lain, ketika excess yang besar dari reaktan B digunakan kemudian konsentrasinya tidak berubah secara drastis (CB≈CB0) dan reaksi mencapai orde pertama dengan komponen A sebagai limiting reaktan, atau

-rA = kCACB = (KCB0)CA, Ketika M ≥ 1

Pada Gambar 6.1, dan menganggap komponen A sebagai limiting reaktan, ukuran perbandingan dari reaktor mixed flow dan reaktor plug flow ditampilkan atau ditunjukkan oleh daerah kurva diantara orde pertama dan orde kedua.

X AiX AfX Ai

Any rate curve

Area = τ p

CAO

Area = τm

CAO-1rA

Figure 6.2 Perbandingan dari performa mixed flow dan plug flow reaktor untuk beberapa kinetika reaksi

General Graphical ComparisonUntuk reaksi dengan acak tetapi lebih dikenal nilai kemampuan performa mixed

dan plug flow reactor diilustrasikan pada Gambar. 6.2. Rasio berbayang memberikan rasio space-times diperlukan dalam dua reaktor tersebut.

Kurva rate pada Gambar. 6.2 merupakan kelas besar yang khusus dari reaksi yang rate nya menurun terus secara kontinu pada pendekatan ke ekuilibrium (termasuk semua nth-order reaksi, n> 0). Untuk reaksi tersebut dapat dilihat bahwa mixed-flow selalu membutuhkan volume yang lebih besar daripada plug flow untuk setiap beban yang diberikan.

6.2 Multiple-Reactor SystemsPlug flow Reactors in Series and/or in ParallelPertimbangkan N plug flow reactor dihubungkan secara seri, dan disebut X1, X2,. .

. , XN, menjadi konversi fraksional komponen A meninggalkan reaktor 1, 2,. . . , N. Berdasarkan material balance pada rate feed dari A ke reaktor pertama, kita menemukan untuk reaktor ith dari Persamaan. 5.18

V i

F0

=∫xi−1

xi

dX−r

atau untuk reaktor N dalam rangkaian seri

VF0

=∑i=1

N V i

F0

=¿V 1+V 2+. ..+V N

F0

¿

¿∫x0=0

x1

dX−r

+∫x1

x2

dX−r

+…+ ∫xN −1

xN

dX−r

=∫0

xN

dX−r

Oleh karena itu, N plug flow reactor seri dengan total volume V memberikan konversi yang sama sebagai volume V dari single plug flow reactor. (hal 124)

Untuk hook up optimum plug flow reactor terhubung secara paralel atau dalam kombinasi paralel-seri, kita bisa memperlakukan seluruh sistem sebagai volume dari single plug flow reaktor adalah sama dengan total volume setiapunit jika feed didistribusikan sedemikian rupa sehingga aliran fluida yang memenuhi memiliki komposisi yang sama. Dengan demikian, untuk reaktor di paralel VIF atau T harus sama untuk setiap garis paralel. Cara lain feed kurang efisien.(hal 125)

Example 6.1 Operasi Nilai dari Plug Flow ReactorsReaktor disusun sesuai Fig.E6.1 terdiri dari tiga plus flow reactor pada dua cabang

paralel. Aliran D terdiri dari rektor dengan volume 50 liter diikuti dengan reaktor bervolume 30 liter. Aliran E terdiri dari reaktor dengan volume 40 liter. Berapa fraksi dari efek yang masuk ke aliran D ?

Fig. E6.1

JawabanAliran D terdiri 2 reaktor seri; sehingga volume menjadi single reactor

V D=50+30=80 liters

Untuk reaktor rangkaian paralel,

(VF )

D

=(VF )

E

Atau,F D

FE

=V D

V E

=8040

=2

50 liter 30 liter

40 liter

D

E

Equal-size Mixed Flow Reactors in SeriesDalam plug flow, konsentrasi reaktan berkurang secara progresif melalui sistem; di

mixed flow, konsentrasi turun langsung ke nilai yang rendah. Karena fakta ini, reaktor plug flow lebih efisien daripada mixed flow reaktor untuk reaksi yang rate nya meningkat dengan konsentrasi reaktan, seperti reaksi ireversibel nth-order, n> 0.

Mempertimbangkan sistem reaktor mixed flow N dihubungkan secara seri. Meskipun konsentrasi sama di setiap reaktor, ada, bagaimanapun, perubahan konsentrasi sebagai fluida bergerak dari reaktor ke reaktor. Penurunan ini bertahap di konsentrasi, diilustrasikan pada Gambar. 6.3, menunjukkan bahwa semakin besar jumlah unit dalam seri, semakin dekat dengan sistem dari plug flow.

Sekarang mengevaluasi secara kuantitatif perilaku serangkaian N equal-size reaktor mixed flow. Perubahan massa jenis akan dianggap diabaikan; karena E = 0 dan t = 7. Sebagai aturan, dengan mixed flow reaktor akan lebih mudah untuk mengembangkan persamaan yang diperlukan dalam hal konsentrasi daripada pecahan konversi; Oleh karena itu, kita menggunakan pendekatan ini. Nomenklatur yang digunakan ditampilkan pada Gambar. 6.4 dengan subscript i mengacu pada vessel ith.(hal 126)

Figure 6.3 Profil konsentrasi melewati N-stage Mixed flow sistem reaktor vs single flow reactor

Single mixed flow reactors, N=1

Five mixed flow reactors, N=5

Plug flowN>30

Volume melewati sistem reaktor

........Ni21

V N , τNV i , τ iV 2 , τ2V 1 , τ1

C i , X i

CN −1 , X N−1

CN , X N , v

C i−1, X i−1

C2, X2C1, X1

F0, vC0 ,X 0=0

First Order Reactions. Dari Pers. 5.12, material balance untuk komponen A yaitu,

τ i=C0 V i

F0

=V i

v=

C0 ( X i−X i−1 )−r Ai

Karena ɛ = 0, sehinggaX i=1−C i /C0

−r Ai=kC in

Kemudian, substitusi (a) , (b) ke pers. (5.12) Sehingga,

τ i=C0 [ (1−C i /C0 )−(1−C i−1/C0 ) ]

k C i

=C i−1−Ci

kC i

AtauCi−1

C i

=1+k τ i

Sekarang, untuk space-times τ adalah sama dengan semua volume V dari equal Sie reactors,

C0

CN

= 11−X N

=C0C1

C1 C2

…CN −1

CN

= (1+k τ i )N

Sehingga,

τ N reaktor=N τ i=Nk [( C0

CN)

1/N

−1]Untuk N→∞, menjadi

τ p=1k

lnC0

C

Second Order Reaction. Mungkin diperlukan mengevaluasi mixed flow reaktor secara seri untuk Second-order, reaksi tipe bimolecular, reaktan yang tidak berlebih dengan cara yang sama seperti First-order.

[GRAPHIC]Gambar 6.5 Perbandingan kinerja dari seri N sama ukuran reaktor mixed flow dengan reaktor plug flow untuk reaksi orde pertama

A R ε = 0

(5.12)

ab

c

(5)

(6a)

(6b)

(7)

Untuk laju pengolahan yang sama dari feed tertentu, ordinate mengukur perbandingan volume V A/VP

secara langsung.

N reactor dalam rangkaian, dapat kita cari dengan

CN= 14 k τ i

(−2+2√ ⋮

−1⋯+2√−1+2√1+4 C0 k τ i) (8a)

Sedangkan untuk plug flow,C0

C=1+C0 k τ p (8b)

Perbandingan kinerja dari reactor tersebut ditunjukkan pada Gambar 6.6. Gambar 6.5 dan 6.6 mendukung instuisi kita dengan menunjukkan bahwa volume system yang dibutuhkan untuk penurunan konversi yang diberikan pada volume reactor plug flow sama dengan jumlah dari reactor dalam rangkaian meningkat, perubahan terbesar terjadi dengan penambahan vessel kedua ke dalam system satu vessel.

[GRAFIK]Gambar 6.6 Perbandingan kinerja dari seri N sama ukuran reactor mixed flow dengan reactor plug flow untuk reaksi orde kedua elementer

2A produk A + B produk, CA0=CB0

Dengan pengabaian ekspansi. Untuk laju pengilhan yang sama dari feed tertentu, ordinat mengukur perbandingan volume VA/VB atau perbandingan space-time τN/τp secara langsung.

Contoh 6.2. REAKTOR MIXED FLOW DALAM RANGKAIANKehadiran 90% reaktan A dikonversi menjadi produk dengan reaksi orde kedua di dalam reactor mixed flow tunggal. Kita merencakan untuk meletakkan reactor kedua yang sama dengan yang telah digunakan dalam rangkaian tersebut.

(a) Untuk laju pengolahan yang sama dengan yang telah digunakan sebelumnya, bagaimana penambahan ini akan mempengaruhi konversi reaktan?

(b) Untuk konversi yang sama 90%, berapa banyak laju pengolahan yang dapat ditingkatkan?PenyelesaianGambar E6.2 menunjukkan kurva kinerja atau gambar 6.3 dapat digunakan untuk menyelesaikan persoalan ini.[GRAFIK]Gambar E.6.2

(a) Mencari konversi untuk laju pengolahan yang sama. Untuk reactor tunggal pada konversi 90%, kita memiliki persamaan dari Gambar 6.6

kC0 τ=90

Untuk dua reactor, space time atau holding time menjadi dua kali lipat; oleh karena itu, operasi akan digambarkan dengan garis putus-putus pada Gambar 6.6 dimana

kC0 τ=180

Garis ini memotong garis N=2 pada konversi X= 97,4 %, point a.

} N

(b) Mencari laju pengolahan untuk konversi yang sama. Tetap di garis konversi 90%, kita mencari untuk N=2 bahwa,

kC0 τ=27,5, Poin b

Bandingkan nilai dari laju reaksi untuk N=1 dan N=2 , kita mencari

(kC¿¿0 τ)N=2

(kC ¿¿0 τ)N=1=τ N=2

τ N=1

=( V

υ)

N =2

( Vυ

)N =1

=27,590

¿

¿

Karena VN=2 = 2 VN=1 Maka rasio flow rates menjadi

( Vυ

)N=1

( Vυ

)N=2

= 9027,5

(2 )=6.6

Jadi, laju pengolahan dapat dinaikkan menjadi 6,6 kali dari awal.

Catatan : Jika reactor kedua dioperasikan secara parallel dengan unit awalnya, maka laju pengolahan hanya bisa menjadi 2 kali lipat. Jadi, ada keuntungan dalam pengoperasian 2 unit secara seri. Keuntungan akan menjadi lebih menonjol pada konversi yang lebih tinggi.

Reaktor mixed flow berbagai ukuran dalam rangkaian Untuk kinetika yang belum diketahui nilainya dalam reactor mixed flow dengan ukuran yang berbeda-beda, dua tipe pertanyaa yang mungkin muncul : bagaimana mencari konversi outlet dari system reactor tertentu, dan pertanyaan sebaliknya, bagaimana menemukan setup terbaik untuk mencapai konversi yang diberikan. Prosedur berbeda digunakan untuk kedua permasalahan tersebut.

Mencari konversi pada system yang diberikan. Prosedur grafis untuk mencari komposisi keluaran dari rangkaian reactor mixed flow berbagai ukuran untuk reaksi dengan perubahan densitas yang diabaikan telah ditunjukkan oleh Jones (1951). Semua yang dibutuhkan adalah kurva r versus C komponen A untuk mewakili laju reaksi dalam beragam konsentrasi.Mari kita menggambarkan penggunaan metode ini dengan mempertimbangkan 3 reaktor mixed flow dalam rangkaian dengan volume, laju masukan, konsentrasi, space-times (sama dengan residence times

karena ε = 0), dan laju alir volumetric digambarkan dalam gambar 6.7. Sekarang dari Pers. 5.11, tercatat

bahwa ε = 0, kita dapat menuliskan untuk komponen A dalam reactor pertama,

τ1=t1=V 1

υ=

C0−C1

(−r )1

Atau,

−1τ1

=(−r)1

C1−C0

Gambar 6.7 Notasi untuk Rangkaian reactor mixed flow berbagai ukuran

C3, υ ,F3=F0

C3

C0

C0 ,υ ,F0

C2, υ ,F2=F0

C2

C0

C1, υ , F1=F0

C1

C0