TEKNIK REAKSI KIMIA II Ir. HERLIATI, MT, Ph.D - Repository ...

MODUL

GENAP 2019/2020

MATA KULIAH: TEKNIK REAKSI KIMIA II

Ir. HERLIATI, M.T, Ph.D

Copyright FTI-UJ

MODUL 1

MERANCANG REAKTOR BATCH BERPENGADUK



Copyright FTI-UJ

APA YANG DIMAKSSUD DENGAN

MERANCANG REAKTOR?

• MENENTUKAN DIMENSI REAKTOR (DIAMETER DAN TINGGI)

• MENENTUKAN JUMLAH PEMANAS/PENDINGIN YANG DIPERLUKAN

• MENENTUKAN JUMLAH KATALIS YANG DIPERLUKAN (KALAU REAKSI MEMERLUKAN KATALIS)

Copyright FTI-UJ

DASAR UNTUK MERANCANG REAKTOR

KINETIKA

- LAJU REAKSI

- ORDE REAKSI

- KONSTANTA LAJU REAKSI

Copyright FTI-UJ

1. Reaktor Batch Tangki Berpengaduk (RBTB):

• Dengan Pengadukan sempurna maka komposisidan suhu selalu sama di setiap bagian,sehinggamemungkinkan kondisi isotermal

• Umumnya untuk fase cair pada tekanan rendah

• Waktu tinggal lama

Copyright FTI-UJ

Copyright FTI-UJ

SUSUNAN REAKTOR BATCH

1. Reaktor Tunggal

2. Multi Reaktor sejenis

- Paralel: untuk memperbesar kapasitas

- Seri: Untuk memperoleh konversi yang tinggi

Copyright FTI-UJ

DATA UNTUK MERANCANG REAKTOR

•Kapasitas produksi

•Komposisi umpan dan produk (diperoleh dari neracamassa)

•Perlu katalis atau tidak

•Kondisi operasi

•Sifat reaksi (exotermis atau endotemis), diperoleh darineraca panas

Copyright FTI-UJ

REAKTOR BATCH IDEAL

Reaktor Batch

untuk reaktor batch berlaku rumus:

(1) dt

dXN

dt

dN AAo

A −=

Copyright FTI-UJ

)V( maka

)V( dimana

dt

dXNr

rdt

dN

AAoA

AA

=−

=Integrasinya

𝑡 = 𝑁𝐴𝑜න

0

𝑋𝐴𝑑𝑋𝐴

(−𝑟𝐴)𝑉(2)

(4)

atau

(3)

:menjadi (2) pers

maka konstan, densiti Jika

0

0

0

−−=

−=

A

A

A

C

C A

A

X

A

AA

r

dCt

r

dXCt

(6) ).1)((

atau

(5) ).1()(

:menjadi (2) pers

maka berubah, densiti Jika

0

0

0 0

0

+−=

+−=

A

A

X

AAA

AA

X

AAA

AA

Xr

dXCt

XVr

dXNt

Reactor Batch Isothermalt = Selamat siang Budi..apa pendapatnya tentang hubungan antara sitasi

dengan daftar pustaka

= ∫dNA/(-rA). V= ∫ dCA/(-rA) = CA0 ∫dXA/(-rA)

•Penyelesaian persamaan tergantung persamaan lajureaksi

Untuk reaksi sederhana orde 1 Volume konstan-rA = k CA

= k CA0 (1-XA)Copyright FTI-UJ

Reactor Batch Isothermal

Sehingga untuk reaksi orde 1;

t adalah : waktu reaksi

waktu 1 batch = t pengisian+t pemanasan+treaksi

+t pendinginan+t pengeluaran+ t

pencucian

Catatan : Notasi V (Vol Reaktor) sebenarnya mengacuVol fluida di dalam reaktor

1

1ln

1

AXkt

−=

Copyright FTI-UJ

LATIHAN SOAL

Berapa waktu yang diperlukan untukmengkonversi 0.5 mol/liter larutan A menjadi0.075 mol per liter di dalam reaktor batch jikareaksi orde 1 dengan nilai k = 0,0005/detik

Gunakan formula

1. t = 1/k ln 1/(1-XA)

2. t = 1/k ln (CA0/CA)

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian

k = 0,0005/detik

CA0 = 0,5 M

CA = 0,075 M

X = (CA0 -CA)/ CA0

X = 0,85

Masukkan ke persamaan sehingga t = 3794,2 detik

Copyright FTI-UJ

MODUL 2

MERANCANG REAKTOR BATCH BERPENGADUK



Copyright FTI-UJ

Example

Determine the time required for 80% conversion of 7.5 mol A in a 15 L constant-volume batch reactor operating isothermally at 300 K. The reaction is first-order with respect to A, with kA= 0.05 /min at 300 K.

Copyright FTI-UJ

Example

𝐶𝐴0 =𝑛𝐴0𝑉

=7.5

15= 0.5 𝑚𝑜𝑙/𝑙

−𝑟𝐴= 𝑘𝐴. 𝐶𝐴 = 𝑘𝐴. 𝐶𝐴0(1 − 𝑋)

𝑡 = 𝐶𝐴0න0

𝑋 𝑑𝑋

𝑘𝐴. 𝐶𝐴0(1 − 𝑋)

t = 32.2 min.

Copyright FTI-UJ

Example

A liquid-phase reaction between cyclopentadiene(A) and benzoquinone(B) is conducted in an isothermal batch reactor, producing an adduct (C). The reaction is first-order with respect to each reactant, with kA= 9.92 x 103 L/mol/s at 25°C. Determine the reactor volume required to produce 175 mol C /h, if X= 0.90, CA0= CB0= 0.15 mol/L, and the down-time between batches is 30 min.

The reaction is A + B → C.

Copyright FTI-UJ

SOLUTION

Copyright FTI-UJ

CONTOH SISTEM DENGAN DENSITAS BERUBAH

Reaksi fasagas A → B + C dilangsungkan dalam10 L (mula-mula) reactor batch isothermal pada 25 oC tekanan tetap. Reaksi orde 2 terhadap A dengan kA= 0,023 L/mol/s. Tentukan waktu yang diperlukan untukkonversi 75% dari 5 mol A.

Copyright FTI-UJ

Copyright FTI-UJ

SOAL

• Ingin diproduksi 200 juta kg per tahun etilen glikol. Reaktorberoperasi secara isothermal 60oC. Larutan etilen oksida(pelarut air) dengan konsentrasi 1 kmol/m3 . Etilen glikoldiumpankan ke reactor bersama dengan air denganperbandingan volume yang sama. Jika konversi terhadapetilen oksida adalah 80 %. Tentukan:

a. Waktu reaksi yang dibutuhkan (bukan waktu per batch)

b. Umpan etilen oksida (kmol)

c. Volume total umpan reaktor

d. Volume, diameter dan tinggi reactor (gunakan rasiodiameter terhadap tinggi 1: 1,5). Asumsi ruang kosongreactor 20 %

Diketahui: k = 0.0311 /men

Reaction: C2H4O + H2O → HOCH2CH2OH

Copyright FTI-UJ

PROSEDUR MENGHITUNG PANAS REAKSI PADA REAKTOR BATCH BERPENGADUK

1. Gunakan konsep hukum Hess

2. Buat Perhitungan neraca massa

3. Hitung panas reaktan, panas produk dan panas reaksi standard

4. Hitung panas reaksi total

5. Tentukan reaksi apakah exotermis atau endotermis

6. Gunakan konsep black tentang perpindahan panas

7. Hitung kebutuhan pemanas/pendingin

Copyright FTI-UJ

PERHITUNGAN PANAS REAKSI ETILEN GLIKOL.xlsx

DISKUSI: MANA YANG BATCH REACTOR ?? BERI ALASAN

Copyright FTI-UJ

PROBLEM

• It is desired to produce 200 million kg per year of ethylene glycol. The reactor is to be operated isothermally. A 1 kmol/m3 solution of ethylene oxide in water is fed to the reactor together with an equal volumetric solution of water containing 0.9 wt % of Sulphuric acid. If 80 % conversion is to be achieved of ethylene oxide.

a. Determin time of reaction necessary

b. Determin Ethylene oxide Feed

c. Determine the necessary reactor volume and the dimensions.

d. How many batch/day the reaction can be carried out

• k = 0.0311 /men

• Reaction: C2H4O + H2O → HOCH2CH2OH

Copyright FTI-UJ

MODUL 3

PLUG FLOW REAKTOR (PFR)



Copyright FTI-UJ

KONFIGURASI PLUG FLOW REAKTOR (PFR)

Copyright FTI-UJ

ReaktorAlirPipa(RAP), atauPlug Flow Reactors (PFR)

• Seperti RAP selalu dioperasikan secarakontinyu pada keadaan tunak, selain dari pada periode startup dan shutdown

• RAP dapat digunakan untukreaksi fasa cair dan fasa gas.

Copyright FTI-UJ

Karakteristik RAP

• Model RAP seringkali digunakan untuk sebuahreactor dengan system reaksi (gas atau cair) mengalir pada kecepatan relative tinggi (NRe>>>) melalui suatu vessel kosong atau vessel yg berisikatalis padat yg dipacked

• Disini tidak ada peralatan seperti pengaduk, untuk menghasilkan backmixing

• Reaktor dapat digunakan dalam operasi skalabesar untuk produksi komersial, ataudilaboratorium atau operasi skala pilot untukmendapatkan data perancangan

Ilustrasi contoh RAP Konfigurasi

Copyright FTI-UJ

𝜏 =𝑉

v0; dimana v0 =

𝐹𝐴0𝐶𝐴𝑜

Maka: 𝜏 =𝐶𝐴𝑜.𝑉

𝐹𝐴0

𝑠 =1

𝜏

Untuk PFR/RAP berlaku formula

V = නFA0 . dxA−𝑟𝐴

Keterangan:V = volume liquid (m3)vo = laju volumetric (m3/menit)FAo = laju mol mula-mula (mol/menit)CAo = Konsentrasi mula-mula (mol/liter)

V = 𝑣0𝐶𝐴0නdxA

−𝑘𝐴𝐶𝐴0(1 − 𝑋)V = 𝐹𝐴0න

dxA−𝑟𝐴

Untuk reaksi orde 1

Menentukan persamaan laju jikak belum diketahui

Copyright FTI-UJ

Contoh: Kinetika untuk Fase Gas

Gas murni A (CA0 = 100 mmol/liter) diumpankan kereaktor kontinyu (V = 0,1 liter) dimana 2A → R. untuklaju umpan berbeda diperoleh data sebagai berikut:

Tentukan laju persamaan untuk reaksi tersebut di atas.

Run 1 2 3 4

V0, lit/jam 10 3,0 1,2 0,5

CAf, mmol/lit 85,7 66,7 50 33,4

Untuk reaksi 2A → P fase gas, maka

Hubungan konsentrasi dengan konversi adalah

atau

-1/22

21 =

−=A

A

A

AA

A

X

X

X

X

21

A0

A

1

1

1

1

C

C

−

−=

+

−=

0

0

0

0A

21

1

1

1

X

A

A

A

A

A

AA

A

A

CC

CC

CC

CC

−

−

=+

−

=

Hitung nilai XA dengan persamaan di atas selanjutnya susunDalam tabel sbb.

run Data Hasil Kalkulasi

v0 CA XA (-rA) = v0.CA0.XA/V Log CA Log (-rA)

1 10 85,7 0,2502 (10)(100)(0,2502)/0,1= 2502

1,933 3,398

2 3 66,7 0,4996 1499 1,824 3,176

3 1,2 50 0,6667 800 1,699 2,903

4 0,5 33,3 0,7995 400 1,522 2,602

Menentukan orde reaksi dan nilai k;Gunakan persamaan: -rA = kCA

n.Dalam bentuk log; log (-rA )=log k + n log CA

Plot log (-rA) vs log CA. dengan n = slope = ordedan log k = intersep; k = antilog (intersep)

• Diperoleh slope 2 dan k = 0,4

• Sehingga persamaan laju untuk data percobaan di atas adalah:

.jammmol/liter 4,0 2

AA C-r =

Copyright FTI-UJ

SoalGas A murni pada 3 atm dan 30 oC (120 mmol/liter) diumpankanke dalam sebuah PFR yang bervolume 1 liter, pada berbagai lajualir yang berbeda. Reaksi yang terjadi: A→ 3 R dan konsentrasi Ayang keluar reaktor di ukur pada setiap variasi laju alir tersebut.Dari data berikut,

tentukan persamaan kecepatan reaksinya (reaksi penguraian A)!

Run 1 2 3 4

V0, lit/jam 0,06 0,48 1,5 8,1

CAf, mmol/lit 30 60 80 105

-rA = 0.004 CA2

Copyright FTI-UJ

penyelesaian pertemuan 4 ratb.xlsx

Menentukan laju reaksi jika k sudah diketahui

Copyright FTI-UJ

Contoh 1

Reaksi fase cair antara bromine cyanide (A) dan methyl-amine berlangsung dalam sebuah PFR dengan kondisi 10°C dan 101 kPa. Reaksi ordedua di mana kA= 2.22 L/mol/s. Jika residence time adalah 4 s, dan konsentrasi reaktan umpanmasing-masing 0.10 mol /L, tentukan:

1. Konsentrasi bromine cyanide keluar reactor

2. laju reaksi

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian

Reaksi yang terjadi adalah:

BrCN + CH3NH2 → NH2CN + CH3Br

Karena reaksi pada fase liquid, diasumsikandensitas konstan. Selain itu, konsentrasi A dan B diasumsikan sama. Maka, persamaan laju reaksidapat ditulis sbb:

Hasil Integrasi menjadi

Copyright FTI-UJ

Subtitusikan nilai

kA = 2,22 L/mol/s ;

Ʈ = 4 s; dan

CAO = 0,10 mol /L , maka diperoleh

CA = 0,053 mol/L−𝒓𝑨 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟔𝟐𝟑

Copyright FTI-UJ

Example 2

Reaksi fase gas antara methane (A) dan sulfur (B) berlangsung pada 600°C dan 101 kPa dalamsebuah PFR, reaksi menghasilkanKarbondisulfidadan Hidrogen sulfida. Reaksi orde dua dengankB= 12 m3/mole/h . Laju mol metana dan sulfur 23,8 dan 47,6 mol/h, berturut-turut. Tentukan:

1. Volume (V) yang diperlukan untuk mencapaikonversi 18% terhadap metana

2. Residence time (s).

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian

Reaksi:

CH4+ 2 S2→ CS2+ 2 H2S

Meskipun reaksi fase gas, karena T, P tetap makatotal molar flow rate dan density diasumsi konstan. Selain itu, karena reaktan diumpankan dengan rasiostoichiometric, perhitungan akan merujuk ke B (Sulfur) dengan nilai kB, yang diberikan, konversiterhadap metana ( = XA) = 0.18. dari reaksi dapatdilihat bahwa CA= CB /2. Persamaan laju reaksiditulis sbb:

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian

−𝑟𝐵 = 𝑘𝐵𝐶𝐴𝐶𝐵 = 𝑘𝐵𝐶𝐵2

2=𝑑𝐶𝐵𝑑𝑡

V = −𝑣𝑜 𝐶𝐵0𝐶𝐵 𝑑𝐶𝐵

(−𝑟𝐵)= −𝑣𝑜 𝐶𝐵0

𝐶𝐵 𝑑𝐶𝐵

𝑘𝐵𝐶𝐵2

2

=2𝑣0

𝑘𝐵(1

𝐶𝐵−

1

𝐶𝐵0)

Karena FB0= CBOv0, dan, untuk densitas konstan, CB= CB0(l -XB), maka persamaan di atas dapat di tulis sbb:

V = −2𝑣0

2

𝑘𝐵𝐹𝐵0

𝑋𝐵

1−𝑋𝐵

Untuk memperoleh nilai v0 dapat dihitung dengan asumsi gas ideal sbb:

Penyelesaian

𝑣0 =𝐹𝐴0 + 𝐹𝐵0 𝑅𝑇

𝑃=71,4(8,314)(873)

101= 5,13𝑚3/𝑗𝑎𝑚

V =2 5,13 2

12 47,6

0,18

0,82= 0,02 𝑚3

𝜏 =𝑉

𝑣0=

0,02

5,13= 0,0039 𝑗𝑎𝑚 = 14 𝑠

Untuk menghitung V sbb:

Menghitung resident time sbb:

Copyright FTI-UJ

Problem

Consider the gas-phase decomposition of ethane (A) to ethylene at 750°C and 101 kPa (assume both constant) in a PFR. If the reaction is second-order with kA = 0.534 L/mol/s and τ is 1 s, Determine the Volume of reactor to achieve 65 % conversion of ethane which inlet mol flow rate is 35.5 kmol/jam.

Copyright FTI-UJ

MODUL 4

REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK (RATB)



Copyright FTI-UJ

KONFIGURASI REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK

Space time atau resident time () dan space velocity (s)

𝜏 =𝑉

v0; dimana v0 =

𝐹𝐴0𝐶𝐴𝑜

Maka: 𝜏 =𝐶𝐴𝑜.𝑉

𝐹𝐴0

𝑠 =1

𝜏

Untuk RATB berlaku formula

xF

V AA0

Ar−=

Keterangan:V = volume liquid (m3)vo = laju volumetric (m3/menit)FAo = laju mol mula-mula (mol/menit)CAo = Konsentrasi mula-mula (mol/liter)

Persamaan performance reaktor

Untuk orde 1 dimana konstan dan A = 0

C

C-C

A

AA0=k

−𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴Persamaan laju reaksi orde 1

𝜏 =CA0𝑋𝐴kCA

𝑎𝑡𝑎𝑢 𝜏 =CA0 −𝐶𝐴kCA

Maka:

Persamaan performance reaktor

Untuk orde 1 dimana berubah→ A = sesuatu

−𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴 =k.CAo(1-X)Persamaan laju reaksi orde 1

Maka:

𝜏 =𝑋𝐴(1 + 𝜀𝐴. 𝑋𝐴)

𝑘(1 − 𝑋𝐴)

𝑘𝜏 =𝑋𝐴(1 + 𝜀𝐴. 𝑋𝐴)

(1 − 𝑋𝐴)

Contoh: Laju reaksi pada RATB Fase Cair

1 liter per menit liquid yang terdiri dari A dan B (CA0 = 0,1 mol/liter; CB0 = 0,01 mol/liter) diumpankan ke reaktoryang mempunyai volume (V = 1 liter). Output reaktormengandung A, B, C dimana ( CA = 0,02 mol/liter; CB = 0,03 mol/liter ; CC = 0,04 mol/liter). Tentukan lajureaksi untuk A, B, dan C

V0 = 1 liter/menCA0 = 0,1 mol/litCB0 = 0,01 mol/lit

CA = 0,02 mol/litCB = 0,03 mol/litCC = 0,04 mol/lit

Untuk fase liquid dimana A = 0

Persamaan yang digunakan adalah

−𝑟𝐴 =CA0−CA

𝜏=CA0−CA𝑉/𝑣0

=0,1 − 0,02

1/1= 0,08 mol/liter.menit

Kesimpulan: A adalah reaktan; B dan C adalah produk

−𝑟𝐵 =CB0−CB

𝜏=0,01 − 0,03

1= −0,02mol/liter.men

−𝑟𝐶 =CC0−CC

𝜏=0 − 0,04

1= −0,04mol/liter.men

Contoh Soal : Kinetika untuk Fase Cair

Larutan A (CA0 = 100 mmol/liter) diumpankan ke reaktorkontinyu (V = 0,1 liter) dimana 2A → R. untuk lajuumpan berbeda diperoleh data sebagai berikut:

Tentukan laju persamaan untuk reaksi tersebut di atas.

Run 1 2 3 4

V0, lit/jam 10 3,0 1,2 0,5

CAf, mmol/lit 85,7 66,7 50 33,4

Untuk reaksi 2A → P fase cair,

Hitung nilai XA dengan persamaan di atas selanjutnya susunDalam tabel sbb.

run Data Hasil Kalkulasi

v0 CA XA (-rA) = v0.CA0.XA/V Log CA Log (-rA)

1 10 85,7

2 3 66,7

3 1,2 50

4 0,5 33,3

Menentukan orde reaksi dan nilai k;Gunakan persamaan: -rA = kCA

n.Dalam bentuk log; log (-rA )=log k + n log CA

Plot log (-rA) vs log CA. dengan n = slope = ordedan log k = intersep; k = antilog (intersep)

• Diperoleh slope dan k =

• Sehingga persamaan laju untuk data percobaan di atas adalah:

-rA = kCAn.

SoalLarutan A pada 1 atm dan 30 oC (120 mmol/liter) diumpankan kedalam sebuah RATB yang bervolume 1 liter, pada berbagai lajualir yang berbeda. Reaksi yang terjadi: A→ 3 R dan konsentrasi Ayang keluar reaktor di ukur pada setiap variasi laju alir tersebut.Dari data berikut,

tentukan persamaan kecepatan reaksinya (reaksi penguraian A)!

Run 1 2 3 4

V0, lit/jam 0,06 0,48 1,5 8,1

CAf, mmol/lit 30 60 80 105

-rA = k CA2

Tentukan nilai k

penyelesaian pertemuan 4 ratb.xlsx

Menentukan laju reaksi jika k sudah diketahui

Contoh 1

Reaksi fase cair antara bromine cyanide (A) dan methyl-amine berlangsung dalam sebuah RATB dengan kondisi 10°C dan 101 kPa. Reaksi ordesatu di mana kA= 2.22 L/mol/s. Jika residence time adalah 4 s, dan konsentrasi reaktan umpanmasing-masing 0.10 mol /L, tentukan:

1. Konsentrasi bromine cyanide keluar reactor

2. laju reaksi

Penyelesaian

Reaksi yang terjadi adalah:

BrCN + CH3NH2 → NH2CN + CH3Br

Karena reaksi pada fase liquid, diasumsikandensitas konstan. Selain itu, konsentrasi A dan B diasumsikan sama. Maka, persamaan laju reaksidapat ditulis sbb:

Hasil Integrasi menjadi

Subtitusikan nilai

kA = 2,22 L/mol/s ;

Ʈ = 4 s; dan

CAO = 0,10 mol /L , maka diperoleh

CA = 0,053 mol/L−𝒓𝑨 = 𝟎, 𝟎𝟎𝟔𝟐𝟑

Problem

Consider a 1 kmol/litre of solution liquid-phase reaction of ethylene oxide (A) and water to ethylene glycol at 70°C and 101 kPa (assume both constant) in a RATB as follow: C2H4O + H2O → HOCH2CH2OH. If the reaction is first-order with kA = 0.534 /s, Determine the Volume of reactor to achieve 80 % conversion of formaldehyde which desired to produce 62 kg/s of ethylene glycol.

MODUL 5

REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK (RATB)SERI DAN PARALEL



Copyright FTI-UJ

MENGAPA MULTI RATB?

Susunan

- Paralel: untuk memperbesar kapasitas

- Seri: Untuk memperoleh konversi yang tinggi

Copyright FTI-UJ

Formula umum RATB

Dimana:

A

Ao

r

XFV

−=

0

00

0

00

)1(

;.

A

AAAA

AAo

C

CCCCX

v

VvCF

−=−=

==

(1)

(2)

Copyright FTI-UJ

• Untuk orde 1

• Untuk orde 2

)1( Xk

XvV o

−=

2

0 )1( XkC

XvV

A

o

−=

Copyright FTI-UJ

1

menjadi (B)dan (A) Kombinasi

(B)

(A) 1

0

0

0

k

kX

C

CCX

k

CAC

A

AA

A

+=

−=

+=

k = damkohler number (untuk reaksi orde 1)

Copyright FTI-UJ

Untuk reaksi orde 2 di dalam RATB

2) orde reaksi(untuk kC Da , 2

41)21(

2

41)21(

2

)2()21()21(

)1(

:maka

kC

C-C

)C-(C vo XF ; vkonstan v densitasUntuk

A0

0

00

0

2

0

2

00

2

0

2

A

AA0

0

AA0A0o

2

0

=+−+

=

+−+=

−+−+=

−=

==

==

=

Da

DaDa

kC

kCkC

kC

kCkCkCX

XkC

X

v

V

kC

XFV

A

AA

A

AAA

A

A

A

Copyright FTI-UJ

RATB DISUSUN SERI

CA0CA1 CA2

X1 X2

-rA1

V1

-rA2

V2

Copyright FTI-UJ

• Perhatikan Gambar! Untuk reaktor seri di atas

n

n

AAn

AA

AA

AA

kX

k

CC

kk

CC

k

CC

k

CC

)1(

11

adalah seri secarareaktor n untuk konversi )1(

maka ),(

:seri secaran dihubungka yang sama yangukuran dengan reaktor n Untuk

)1)(1(

C subtitusi 1

1

0

n21

2211

02

A1

22

12

11

01

+−=

+=

===

++=

+=

+=

Copyright FTI-UJ

RATB DISUSUN PARALEL

FA0

V1

V1

A

i

i

r

XFV

n

FF

n

VV

−=

=

=

A0

A0A0

dan

Copyright FTI-UJ

SOAL

• Ingin dihasilkan 200 juta kg per tahun Etilen Glikol. Reaktor beroperasi isotermal. Konsentrasi umpan reaktoradalah 1 kmol/m3 . Etilen oksida diumpankan bersamadengan air yang mengandung 0.9 wt % asam sulfatdengan volume yang sama. Jika dirancang untuk konversi80 % terhadap etilen oksida.

a. Tentukan volume total reaktor yang diperlukan.

b. Berapa reaktor (50 m3) yang diperlukan jika disusun

paralel serta hitung kembali konversi yang dicapai

c. berapa konversi yang dicapai jika reaktor disusun seri.

• k = 0.311 /men; 1tahun = 365 hari

• Reaction: C2H4O + H2O → HOCH2CH2OH

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian:

• Menentukan laju produksi (kmol/menit)

𝐹𝐸𝐺 = 2 x108kg

thx1 tahun

365 harix1 hari

24 jamx

1 jam

60 menitx1 kmol

62 kg= 6,137 kmol/menit

Dari stoikiometri reaksi:FEG = FEO bereaksi

FEOmula2 = FA0 = FA0 bereaksi/Konversi

Maka diperoleh laju etilen oksida umpan, FA0

FA0 =6,137

0,8= 7,67 kmol/menit

Copyright FTI-UJ

• Menentukan Volume reaktor

X)-k(1

Xv

X)-(1kC

XFV

:atas dipersamaan ketiga Kombinasi

X)-(1CC

) v (v dimanacair faseuntuk ri;Stoikiomet

kCr

1 orde reaksilaju Persamaan

r-

XF V

:RATBdesain Persamaan

0

A0

A0

A0A

0

AA

A

A0

==

=

=

=−

=

Copyright FTI-UJ

• Volumetrik flow rate stream A (etilen oksida), sebelum mixing dengan stream B (Air).

menit

m 67,7

kmol/m 1

kmol/menit 7,67

C

F v

3

3

A0

A0

A0 ===

VA0VB0

V0

CA0

Dari informasi soal,vB0 = vA0

Total volumetrik flow ratev0 = vB0 + vA0 = 15,34 m3/men

3

3

m 236,76 Reaktor Volume

m 3,1970,8)-(0,311)(1

8)(15,35)(0,V

liquid Volume

=

==

=

• Untuk RATB yang disusun paralel dimana digunakanreaktor 50 m3. maka akan digunakan 5 buah reaktor.

Volume masing-masing reaktan= 7,67 m3/men.

Menghitung ulang konversi yang dicapai:

835,0068,51

5,068X

maka ; 5,068 0,311 x 16,297kDa

menit 297,16/menitm 7,67

m 50

/5v

V

dimana

1

3

3

0

=+

=

===

===

+=

k

kX

Copyright FTI-UJ

15,34 m3/men X = 0,802

7,67 m3/men

7,67 m3/men

X = 0,802

Copyright FTI-UJ

• Untuk RATB yang disusun seri: konversi yang dicapai di reaktor pertama:

503,00137,11

1,0137X

maka ; 1,0137 0,311x 259,3kDa

menit 259,3/menitm 15,34

m 50

v

V

dimana

1

3

3

01

1

11

=+

=

===

===

+=

k

kX

Copyright FTI-UJ

•Konversi yang dicapai di reaktor ke-5:

97,0)0137,1(1

11X

maka

5 n dimana

)1(

11

5

1

=+

−=

=

=

+−=

nkX

Copyright FTI-UJ

X1 = 0,503 X5 = 0,97

v0 = 15,34 m3/men

Copyright FTI-UJ

DISKUSI:

Berikan Alasan yang kuat:

Mengapa digunakan Seri

Mengapa digunakan Paralel

Copyright FTI-UJ

LATIHAN SOAL



Copyright FTI-UJ

Problem 1

For the liquid-phase reaction A + B → C at 20°C suppose 40% conversion of A is desired in batch System. The reaction is second-order with kA= 0.0257L/kmol/h at 20°C. The concentration of A and B are CAO and CBO where CAO = CBO =2 kmol/l. Determine :

a. Time of batch reaction

b. the vessel volume required to produced 33.75 kmol/batch of C product, if, for safety, it can only be filled to 75% capacity

Copyright FTI-UJ

Solution

liquid-phase reaction A + B → Cwhere:

Copyright FTI-UJ

t = 𝐶𝐴0න0

𝑥𝐴 𝑑𝑋𝐴−𝑟𝐴

−𝑟𝐴 = 𝑘𝐶𝐴2 = 𝑘𝐶𝐴02 (1 − 𝑋𝐴)

2

t = 𝐶𝐴0න0

𝑥𝐴 𝑑𝑋𝐴

𝑘𝐶𝐴02 (1 − 𝑋𝐴)

2 t = න0

𝑥𝐴 𝑑𝑋𝐴

𝑘𝐶𝐴0 (1 − 𝑋𝐴)2

XA = 0.4 second-order with kA= 0.0257L/kmol/h CAO = CBO =2 kmol/l.

Equation for batch:

Kinetic equation for Second order

Combine

Integration t =1

𝑘𝐶𝐴0(

1

1 − 𝑋𝐴− 1) Subtitute all the values

t =12.97 h answer for (a)

Calculation for time of batch reaction :

Copyright FTI-UJ

From the reaction, A reacted = C produced = 33.75 kmolSo; A feed = A reacted/fraction of conversion = 33.75/0.4 = 84.375 kmol A original

So, the volume of reactor = 1/0.75 x 84.375 = 112.5 answer for (b)

Calculation for vessel volume required

liquid-phase reaction A + B → Cwhere: 33.75 kmol/batch of C produced

Volume of A: 84.375/2 kmol.L-1= 42.1875 L

Total Volume of liquid feed = 84.375 L

The reactor only be filled to 75% capacity

Volume of B: = 42.1875 L

Problem 2:

Consider the gas-phase reaction of methanol (A) and water to formaldehyde at 550°C and 101 kPa (assume both constant) in a Plug Flow Reactor (PFR). If the reaction is second-order with kA = 0.2334 L/kmol/s and τ is 3 s, Determine the Volume of reactor to achieve 85 % conversion of methanol which inlet mol flow rate is 25.5 kmol/h.

Copyright FTI-UJ

Copyright FTI-UJ

PFR Design Equation

However can be used

V = 3 𝑠25.5

𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑠

8.093𝑘𝑚𝑜𝑙

𝑙

= 3.151 𝑙𝑖𝑡𝑟𝑒

V = නFA0 . dxA−𝑟𝐴

V = 𝜏.𝐹𝐴0

𝐶𝐴0

For second order

SOLUTION:

kτ =1

𝐶𝐴−

1

𝐶𝐴0where = 𝐶𝐴 = 𝐶𝐴0(1 − 𝑋𝐴)

So, C𝐴0 =(

1

1−𝑋𝐴−1)

kτ=

(1

1−0.85−1)

0.2334𝐿

𝑘𝑚𝑜𝑙.𝑠3(𝑠)

= 8.093𝑘𝑚𝑜𝑙

𝐿

MODUL 7

REAKTOR DENGAN KATALIS PADAT

MEKANISME REAKSI HETEROGEN



Copyright FTI-UJ

KATALIS PADAT

• Adalah senyawa/zat yang mempengaruhi

laju reaksi tetapi setelah akhir proses

kembali ke bentuk semula

• Katalis hanya merubah ‘rate of reaction’

tanpa mempengaruhi kesetimbangan

(konversi)

Copyright FTI-UJ

Kinetika pada reaksi dengan

katalis padat

Copyright FTI-UJ

Tahapan reaksi katalis padat

• Adsorpsi (adsorption)

• Reaksi permukaan (surface reaction)

• Desorpsi (desorption)

Copyright FTI-UJ

Adsorption

A + S A.S S : active site

A : reaktan A

Perhatikan ilustrasi:

S S

A dan B : reaktan

A B

Copyright FTI-UJ

Adsorption Cont.

Ct = Cv + CA.S + CB.S

Ct = total konsentrasi molar dari active site

per unit massa katalis (mol/g.cat)

Cv = konsentrasi molar vacant site

Contoh: reaksi adsorpsi H2 di atas active site

H2 + S H2•S

rad = kA.PH2 . Cv – k-A.CH2•S

Copyright FTI-UJ

Adsorption Cont.

Konstanta kesetimbangan adsorpsi

KA = kA/k-A

Maka

rad = kA(PH2 . Cv – CH2•S/KA) (5)

Dimana:

kA, k-A, KA merupakan fungsi suhu

Dari reaksi di atas, hanya hidrogen satu-satunya

senyawa yang diserap, maka

Ct = Cv + CH2.S (6)

Copyright FTI-UJ

Adsorption Cont.

Pada saat kesetimbangan tercapai , rad = 0

Maka

CH2•S= KA . Cv PH2

Gabungkan persamaan (5) dan (6):

t

H

tAH

H

HA

tHA

H

C

P

CKSC

P

PK

CPKSC

2

2

2

2

2

2

.

1

atau

.1

..

+=•

+=•

(7)

(8)

Copyright FTI-UJ

Adsorption Cont.

Dengan data Tabel 6.2 plot Figure 6.6

Adsorpsi H2 sebagai atom:

)..(

..

adsorpsi) disosiasi(disebut 2

.2

2

.22

2

2

2

A

SH

vHAad

SHvHAad

K

CCPkr

CCPkr

SHSH

−=

−=

•+

(9)

Copyright FTI-UJ

Adsorption Cont.

Pada kesetimbangan, rad = 0

(11) ).(1

.).(

(10) pers kean subtitusik

(10) )).(

atau ..

2/1

2/1

.

.

.2/1

.22

2

2

2

2

HA

tHA

SH

SHtv

A

SHvHA

SHvHA

PK

CPKC

CCC

K

CCPK

CCPk

+=

−=

=

=

(9)

Copyright FTI-UJ

Adsorption Cont.

Persamaan (11) disusun kembali menjadi:

6.7dan 6.6gambar bandingkan

6.7,gambar pada seperti

)( vs)(

plot

)(

).(

1)(

2/1

2

.

2/1

2

2/1

2

2/1

.

2/1

2

H

SH

H

t

H

AtSH

H

PC

P

C

P

KCC

P+=

(9)

Copyright FTI-UJ

Surface Reaction

DSCBSA

SDSCSBSA

SDSCSBSA

SSBSSA

SBSA

++

++

++

++

..

.'.'..

....

..

..

:yaMekanismen

Copyright FTI-UJ

Desorption

adsorbsi peristiwa darikebalikan ini Perhatikan

..

:yaMekanismen

SASA +

Copyright FTI-UJ

Rate Limiting Step

Adalah : tahap penentu laju reaksi.

Diantara ke tiga step seperti disebutkan

sebelumnya, kita akan menduga step yang

mana sebagai penentu laju reaksi secara

keseluruhan.

Copyright FTI-UJ

Contoh: Mekanisme

Dekomposisi Cumene

C6H5CH(CH3) 2 → C6H6 + C3H6

Mekanisme yang diusulkan:

Persamaan laju untuk masing-masing step

adalah sbb:

n)(Desorptio ..

Reaction) (Surface ..

n)(Adsorptio .

SBSB

PSBSC

SCSC

+

+

+

Copyright FTI-UJ

Adsorption

).(

:maka

dimana

...

.

.

.

A

SCvcAAD

A

AA

SCAvcAAD

K

CCPkr

K

kk

CkCPkr

SCSC

−=

=

−=

+

−

−

Copyright FTI-UJ

Surface Reaction

).

(

:maka

dimana

...

..

..

..

S

SBPSCSS

S

SS

PSBSSCSS

K

CPCkr

K

kk

PCkCkr

PSBSC

−=

=

−=

+

−

−

Copyright FTI-UJ

Desorption

)(

:maka

dimana

..

.

.

.

D

vBSBDD

D

DD

vBDSBDD

K

CPCkr

K

kk

CPkCkr

SBSB

−=

=

−=

+

−

−

Copyright FTI-UJ

Diantara ketiga step di atas, mana yang

akan mengontrol laju reaksi (rate limiting)?

Apakah adsorption Cumene sebagai rate

limiting?

Mari kita coba:Adsorpsi sebagai rate limiting

bahwa).( .

A

SCvcAAD

K

CCPkr −=

Copyright FTI-UJ

Perhatikan,

Tidak dapat diukur secara eksperimen,

sehingga perlu disubstitusi.

Dengan asumsi adsorpsi sebagai rate

limiting, maka

kA << sedangkan kS dan kD >>

Sehingga: dari persamaan surface reaction

vSC CC dan .

Copyright FTI-UJ

S

SBPSC

S

SBPSC

S

S

PSBSSCSS

K

CPC

K

CPC

k

r

PCkCkr

..

..

..

.

.0

...

=

−==

−= −

Copyright FTI-UJ

Dari reaksi desorption

D

vBSB

D

vBSB

D

D

D

vBSBDD

K

CPC

K

CPC

k

r

K

CPCkr

=

−==

−=

.

.

.

maka

0

)(

DS

PvBSC

SC

SB

KK

PCPC

C

C

..

maka pers ke

nilaikan Substitusi

.

.

.

=

Copyright FTI-UJ

:sbb juga disubtitusperlu

sehinggadiukur dapat tidak juga C Nilai

)(

:sehingga

nilai ganti

)( :maka

v

v

e

PBCAAD

eADS

v

ADS

PBCAAD

CK

PPPkr

KKKK

CKKK

PPPkr

−=

=

−=

Copyright FTI-UJ

adsorpsipersamaan ke ini nilaikan substitusi

1..KK

. :maka

...

.KK

..

:sehingga

dan nilaian subtitusik

SD

SD

..

...

+++

=

+++=

+++=

II

D

BPB

tv

vII

D

vBvPBvt

SBSC

SISBSCvt

KPK

PPP

CC

CKPK

CPCPPCC

CC

CCCCC

Copyright FTI-UJ

II

D

B

DS

PB

e

PBCAt

AD

PKK

P

KK

PP

K

PPPkC

r

..

1

)(.

:maka

+++

−

=

Copyright FTI-UJ

Dalam eksperimen, akan di plot initial rate

(-r’C0 ) sebagai fungsi tekanan total (PTot)

Dengan asumsi:

Pada saat awal PP dan PB = 0 (karena

belum terbentuk)

Sehingga persamaan adsorpsi initial rate

adalah sbb:

Copyright FTI-UJ

tottA

totII

totCAt

ItotII

CtotCC

II

CAtCAD

PCkr

PyK

PykCr

yPyP

yPyP

PK

PkCrrr

..':maka

0 inert kasusuntuk ..1

..':maka

awalinert mol fraksi .

awal cumene mol fraksi .

.1

.'' :maka

0

0

00

00

00

00

=−

=+

=−

==

==

+=−=−=

Copyright FTI-UJ

• Plot –r0’ vs Ptot sbb:

Initial total pressure, Pto

Initia

l ra

te, -r

’o

Jika adsorbsi

Reaksi adalah

Rate limiting

Maka data exp

Hrs mempunyai

Plot spt ini

Copyright FTI-UJ

Apakah surface reaction adalah rate limiting?

• Laju reaksi surface adalah:

Analogi seperti sebelumnya, jika surface

adalah rate limiting, maka:

rAD/kA = rD/kD = 0, sehingga

CC.S = KAPCCv

CB.S = PBCv/KD

).

( ..

S

SBPSCSS

K

CPCkr −=

Copyright FTI-UJ

• Dengan KB = 1/KD. Maka:

IICADB

t

SISCSBv

KPPKKP

C

CCCCC

+++=

+++=

/1Cv

...t

IICABB

BPCAtS

sCKPPKKP

Ke

PPPKCk

rr+++

−

==1

).

(

'-

Copyright FTI-UJ

• Pada keadaan awal (initial rate):

campuran terdiri dari 50% C dan 50 % I,

PP = PB = 0, maka persamaan di atas

menjadi:

• Jika tidak ada inert, persamaan menjadi

0

0

)5,05,0(1

)5,0('-

TIA

TAtSo

PKK

PKCkr

++=

0

0

0

0

11'-

TA

T

TA

TAtSo

PK

kP

PK

PKCkr

+=

+=

Copyright FTI-UJ

• Plot –r0’ vs Ptot sbb:

Initial total pressure, Pto

Initia

l ra

te, -r

’o

Pure cumene

50% inert

Jika surface

Reaksi adalah

Rate limiting

Maka data exp

Hrs mempunyai

Plot spt ini

Copyright FTI-UJ

MODUL 8

Analisa Data Reaksi Heterogen

Untuk Desain Reaktor



Copyright FTI-UJ

Kasus:

Hidrogen dan toluen bereaksi di atas katalis padat

(silika-alumina kristal) untuk menghasilkan CH4

dan C6H6 dengan reaksi sbb:

C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4

Akan dirancang reaktor

a. Packed bed reactor (Tubular)

b. Fluidized bed (CSTR)

Agar dihasilkan 10 mol C6H6 / menit.

Copyright FTI-UJ

Umpan reaktor terdiri dari

20% Toluen

40 % Hidrogen, dan

40 % Inert

Kondisi operasi pada 600 oC dan 10 atm.

# Untuk mencapai tujuan di atas, pertama

harus diturunkan persamaan laju reaksi dari

data experimen pada tabel berikut:

Copyright FTI-UJ

Tabel data eksperimenRun -r’T x 1010 PT PH (PTPH/-

r’T) x 10-8

PB

1 41.6 1 1 2.4 1

2 19.7 1 1 5.07 4

3 17.1 1 1 5.85 5

4 71.8 1 1 1.39 0

5 284 1 4 1.41 0

6 47 0.5 1 1.06 0

7 117 5 1 4.27 0

8 127 10 1 7.87 0

9 131 15 1 11.45 0

10 133 20 1 15.04 0

Copyright FTI-UJ

Pada tabel di atas, diketahui bahwa laju reaksi adalah

fungsi dari tekanan parsial hidrogen (H), toluen (T), benzen

(B), dan metana (M).

# Selanjutnya susun sebuah mekanisme untuk reaksi

hidrometilasi toluen. Asumsi bahwa toluen diserap di atas

permukaan katalis dan bereaksi dengan hidrogen dalam

fase gas untuk menghasilkan benzen dan metana. Benzen

kemudian desorbed dari permukaan katalis.

Copyright FTI-UJ

Mekanisme reaksi yang terjadi:

Adsorbsi :T + S T.S

Surface : H2 + T.S B.S + M

Desorption: B.S B + S

).

.(T

STTvAAD

K

CPCkr −=

)..

..(2

S

MSBSTHSS

K

PCCPkr −=

)'

.( .

B

vBSBDD

K

CPCkr −=

Copyright FTI-UJ

Dengan asumsi surface reaction sebagai rate-limiting,

dimana:

(1)

# tukar nilai CT.S dan CB.S pada pers (1)

# karena surface adalah rate limiting, maka:

Maka:

dan

Total konsentrasi inti aktive ;

)..

..(2

S

MSBSTHSS

K

PCCPkr −=

0/dan 0/ == DDAAD krkr

B

vBSBvTTST

K

CPCCPKC

'.dan . ==

CCC B.ST.Svt ++=C

Copyright FTI-UJ

Subtitusikan semua nilai CB.S dan CT.S ke dalam

persamaan Ct

(2)

# selanjutnya subtitusikan nilai CB.S dan CT.S dan Cv ke

persamaan (1).

Maka:

#abaikan reaksi sebaliknya dan

KB = 1/K’B, k=ksCt

Maka:

BBTT

tv

KPKP

CC

'/1 ++=

BKPKP

KPPPPKkCrr

BTT

eMBTHTSt

ST'/1

)/..(' 2

++

−==−

Copyright FTI-UJ

# selanjutnya evaluasi parameter-parameter laju reaksi

(k, KT dan KB)

# bagi ke dua ruas persamaan (3) dengan PH2PT

sehingga:

1

2

TTBB

THT

TPKPK

.P.Pk.Kr'

++=−

(3)

k

PP

k.K

K

k.Kr'

PPT

B

T

B

TT

TH++=

−

12

(4)

Copyright FTI-UJ

# Dengan data pada Table (1) dan persamaan (4)

akan diperoleh garis liniear dengan slope 1/k, maka:

konstan pada plot 2

BT

T

THPvsP

r'

PP

−

atmg.kat.det.

mol 10 x 1,408 k

10 x 0,71k

1 slope

8-

8

=

==

Copyright FTI-UJ

# susun kembali persamaan di atas

untuk PB = 0, maka

Dari tabel (1)

Maka: KT = 1,01 atm

T

T

T

TH

kKk

P

r'

PP 1 2 +=−

atm 13,1 P ketika10 r'-

PPT

9

T

HT ==

Copyright FTI-UJ

# selanjutnya:

akan diperoleh garis liniear dengan slope

KB/kKT, maka:

konstan pada plot 2

TB

T

THPvsP

r'

PP

−

1-

-88

TB

atm 1,26

)01,1)(10 x 1,408 )(10 x (0,88 k.K lope. K

=

== s

Copyright FTI-UJ

Subtitusikan semua parameter k, KT, KB ke

dalam persamaan laju reaksi , sehingga

diperoleh:

kat.det g

toluenmol

1,01P1,26P1

.P.P10 x 1,408'

TB

TH

-8

2

++=− Tr

Copyright FTI-UJ

Desain Reaktor Packed bed (Fixed bed)

Reaksi C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4

Akan berlangsung dengan menggunakan katalis

padat agar konversi reaksi terhadap toluen

mencapai 89,5% dan ingin dihasilkan 10 mol/menit

benzen sebagai produk.

Data katalis: B = 2,3 g/cm3;

Tentukan berat katalis yang dibutuhkan

Copyright FTI-UJ

• Rumus menentukan berat katalis:

• FTo = mol flow rate toluen umpan

= 10/0,895 = 11,17 mol/men

PT = 2(1-X)

PH = 2(2-X)

PB = 2X

−=

x

A

Txr

dxFW

o

0)('

Copyright FTI-UJ

• Subtitusi semua nilai , k, KT, KB, PT, PH

dan PB ke dalam persamaan laju maka

diperoleh persamaan:

kat.det g

toluenmol

)1(02,252,21

X)-X)(2-(110 x 5,64'

-8

XXr T

−++=−

Copyright FTI-UJ

• Berat katalis adalah sama dengan luas

area pada integral (di bawah kurva)

• Penyelesaian akan dilakukan dengan

metode numerik sbb:

Toluen mol/kat.det g

))1(02,252,21

X)-X)(2-(110 x 5,64(

dx17,11

895,0

0

8-

−++

=

XX

W

Copyright FTI-UJ

../penyelesaian numerik trk.xlsx

-rT 1/-rT

0.00222517 449.40 fo

0.00155077 644.84 f1

0.00100174 998.26 f2

0.00056675 1764.46 f3

0.00023579 4241.07 f4

0.00011243 8894.58 f5

=−

=

895,0

0

kurva)dibawah area s11,17)(lua( '

dx17,11

TrW

Copyright FTI-UJ

• Area di bawah kurva akan dibagi menjadi 2 bagian

yaitu

range : X = 0 – 0,8 dan X = 0,8 - 0,895

Aturan simpson untuk 5 point:

f(x) = [h/3(f1 + 4f2 + 2f3 + 4f4 + f5)]

h = (xn-xo)/(n-1) = (0,8-0)/5-1 = 0,2

Aturan simpson untuk 2 point:

f(x) = [h/2(f1 + f2 )]

h = (xn-xo) = (0,895-0,8)= 0,095

Copyright FTI-UJ

W = 11,17 [0,2/3(449,4 + 4(644,84) + 2(998,26)

+ 4(1764,46) + 4241) + 0,095/2 (4241 +

8894,58)]

= 1.91 x 104 kg kat

Karena densitas katalis = 2,3 g/cm3= 2,3 kg/liter

Maka volume katalis

V = 8.32 x 103 liter.

Copyright FTI-UJ

FLUIDIZED CSTR

• Bulk density di dalam fluidized reaktor

adalah 0,4 g/cm3 .

• Rumus

X = 0,895;

-r’T = 1,13 x 10-4 mol Toluen/kg cat.men.

Maka, W = 8.83 x 104 kg katalis

V = 2.21 x 105 liter

T

T

r

XFW o

'−=

Copyright FTI-UJ

MODUL 9

PERANCANGAN REAKTOR KOLOM(PADAT-CAIR)



Copyright FTI-UJ

GAS LIQUID REACTION ON SOLID CATALYST

• Trickle Bed

• Slurry reactor

• Fluidized bed

Copyright FTI-UJ

Prinsip

• Gas umpan harusdilarutkan di dalamliquid, kemudian keduareaktan di dorongmenuju permukaankatalis agar terjadireaksi.

Copyright FTI-UJ

Contoh Soal: Hidrogenasi acetondi dalam packed bubble column

• Aqueous aceton (CBo = 1000 mol/m3 ; vl =10-4 m3/s) danhidrogen (1 atm ; vg = 0,04 m3/s; HA = 36845 Pa.m3./mol) diumpankan dari bottom column reaktor. (Z = 5 m; A = 0,1 m2), digunakan katalis Raney Nickel (dp = 5 x 10-3m; ρs = 4500 kg/m3; fs = 0,6; De = 8 x 10-10 m3/m c./cat.s). Kondisitemperatur dijaga 14oC. Reaksi yang terjadi :

H2 + CH3COCH3 → CH3CHOHCH3

(A) (B) catalystLaju reaksi:

-rA = kCA1/2CB

o dan k = 2,35 x 10-3 (m3/kg cat.s).(mol/m3)1/2

Berapa konversi yang dicapai pada unit ini?

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian:Data tambahan(kAiai)g+l =0,02 kAcac = 0,05• CBo = 1000 molar• CA = PA/HA = 101325/36845 =2,75 molarAsumsi• Hidrogen umpan murni sehingga PA konstan

sepanjang packed column• Laju reaksi hanya bergantung pada CA sehingga

laju reaksi konstan sepanjang kolom

Copyright FTI-UJ

0155,04,64

1

4,64

106

)4500()75,2)(1035,2(

2

5,1

6

105

nth orde reaksiuntuk ..

.2

1

6

10

2/133

1

==

=

=

+=

−

−−−

−

x

xx

D

CkndM

e

s

n

Ap

T

Copyright FTI-UJ

smmol

x

H

P

fCCkakakH

rA

A

sAA

n

ABAcAiiAgA

A

./0317,0

36845

101325

)6,0)(4500()75,2)(0155,0)(1)(1035,2(

1

05,0

1

02,0

1

1

)(

111

1

3

2/13

1

=

++

=

++

=−

−−

−

Copyright FTI-UJ

• Menentukan konversi

konversi %16158,0

1,0

)1,05)(0317,0)(1()(

/1,0

1000.10

.

4

or

x

F

VrbX

smol

CvF

Vrb

XFXF

Bo

rAB

BolBo

rABBo

AAo

=

=−

=

=

=

=

−==

−

Copyright FTI-UJ

Contoh 2: Hidrogenasi butinediol(batch) di dalam reaktor slurry

Gas hidrogen digelembungkan menuju tangkiberpengaduk (Vr = 2 m3) yang mengandung liquidbutinediol (CBo =2500 mol/m3) dan suspensi porouscatalyst pellet (palladium-impregnated; dp = 5 x 10-5 m ; ρs=1450 kg/m3; De = 5 x 10-10 m3/m.cat.s; fs = 0,0055).Hidrogen dilarutkan di dalam liquid (HA = 148000 Pam3/mol). Reaksi pada 35oC-rA =kCACB dan k = 5 x 10-5 m6/kmol cat.sHidrogen yang tidak bereaksi dikembalikan dan tekanankeseluruhan 1,46 atm. Berapa lama reaksi berlangsungagar konversi 90%Data tambahan: kAiai)g+l =0,277; kAcac= 0,29

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian:

1. Bandingkan CA dan CB;

CA = PA/HA = 1,46(101325)/148000 = 10 mol/m3

CBo = 2500 ; CBf = 250 mol/m3

dalam kasus ini nilai CB tidak konstan (karena batch) sehingga nilai laju reaksi berubah terhadap waktu

2. Nilai MT (modulus thiele)

Copyright FTI-UJ

148000

)101325(46,1.

)0055,0)()(1450)()(105(

1

29,0

1

277,0

1

1

)3

1

3.tanh

1(

1

1,0

105

)1450()105(

6

105

.

6

5

2/1

10

55

AB

A

TTT

B

B

e

sBp

T

Cx

r

MMM

C

x

Cxx

D

CkdM

−

−

−−

++

=−

−=

=

=

=

Copyright FTI-UJ

Prosedur:

1. Setting nilai CB mulai dari CBo sampai CBf

2. Hitung nilai MT dengan menggunakan nilaiCB

3. Hitung nilai E

4. Hitung –rA

5. Hitung t

rl

C

CA

B

r

l

VVb

r

dC

Vb

Vt

Bo

Bf

==

−=

;1

dimana .

Copyright FTI-UJ

MODUL 10

REAKTOR FIXED BED



Copyright FTI-UJ

Definisi

Fixed Bed Reactor katalitik dapat didefinisikansebagai suatu tube silindrikal yang dapat diisidengan partikel-partikel katalis. Selamaoperasi, gas atau liquid atau keduanya akanmelewati tube dan partikel-partikel katalis,sehingga akan terjadi reaksi.

Copyright FTI-UJ

Teori Reaksi Katalitik Gas-Liquid :

A(g) + B(l) → C

Reaktan A (gas) bereaksi dengan reaktan B yangmerupakan liquid non-volatil dengan katalispadat.

Copyright FTI-UJ

Mekanisme Reaksi Tiga-Fase :

▪ transfer massa komponen A dari bulk gas keantarmuka gas-liquid

▪ transfer massa komponen A dari antarmuka gas-liquid ke bulk liquid

▪ transfer massa A dan B dari bulk liquid kepermukaan katalis

▪ difusi intra partikel spesies A dan B melalui pori-porikatalis ke sisi aktif

▪ adsorpsi kedua atau salah satu reaktan pada sisiaktif katalis

▪ reaksi permukaan yang meliputi salah satu ataukedua spesies adsorbat

▪ desorpsi produk berlawanan arah

Copyright FTI-UJ

Model Desain Reaktor Fixed Bed Katalitik

Persamaan Neraca Massa (steady-state)

𝐷𝑟𝜕2𝐶𝐴𝜕𝑟2

1

𝑟

𝜕𝐶𝐴𝜕𝑟

+ 𝐷𝐿𝜕2𝐶𝐴𝜕𝑧2

−𝜕 𝑈𝑆𝐶𝐴

𝜕𝑧− 𝑅𝐴𝜌𝐵 = 0

WhereDr, DL : Effective diffusivity , (length)

2/time(based upon total void plus nonvoid area)

CA : Concentration of component A, mol/volUS : Superficial velocity, length/timeRA : Global reaction rate, mol/(mass catalyst)(time)𝜌B : Density of bed of catalyst pellets, mass/vol

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian :

Let X = Y – 0.4947

Xin = 0.1526

Xout = 0.001526

Reaktor terlalu pendek, berarti asumsi kurang tepat

( ) ( )0.1526

0.001526

3 3dX1.02 10 0.63 10 X

dZ

0.63ln X Z

1.02

1.02Z ln100 7.45cm 2.9inches

0.63

− −− =

=

= =

Copyright FTI-UJ

Fixed Bed Reactor tipe SPM-2300

Contoh Fixed Bed Reactor

Copyright FTI-UJ

•Proses simulasi SPM-2300 Fixed Bed Reactor dapat digunakan untukmereaksikan 2 macam gas serta dapat berlangsung secara eksotermikataupun endotermik.

•Reaktan A dan B diumpankan kepada masing-masing dari keempatinlet fixed bed melalui suatu heater dimana suhu mereka dinaikkanhingga mencapai suhu optimum reaksi. Suhu reaktan A dipertahankanagar lebih rendah dari suhu reaktan B, sehingga memungkinkan untukinter-bed quenching, suatu teknik yang digunakan untuk mengontroltemperatur dalam reaktor.

•Fixed Bed reactor dirancang untuk mengubah (mengkonversi) seluruhreaktan A menjadi produk. Rasio molar inlet dari reaktan B terhadapreaktan A dipertahankan pada 10 banding 1, sejumlah besar reaktan Bharus diumpankan ke bed pertama dengan hanya sedikit reaktan Byang diumpankan ke bed-bed berikutnya

Copyright FTI-UJ

Fixed Bed Reactor using draft-tubes for oxygen transfer

AIR SPARGED FIXED-BED REACTOR

Copyright FTI-UJ

Jenis fixed bed reactor lainnya

Fixed-bed circulation

reactor

Schematic depiction of the

fixed-bed circulation reactor.

Copyright FTI-UJ

Kelebihan Fixed Bed Reactor

▪ Dapat digunakan untuk mereaksikan dua macamgas sekaligus

▪ Kapasitas produksi cukup tinggi

▪ Pemakaian tidak terbatas pada kondisi reaksitertentu (eksoterm atau endoterm) sehinggapemakaian lebih fleksibel

Copyright FTI-UJ

Kelebihan (lanjutan)

▪ Aliran fluida mendekati plug flow, sehingga dapatdiperoleh hasil konversi yang tinggi

▪ Pressure drop rendah

▪ Oleh karena adanya hold-up yang tinggi, makamenghasilkan pencampuran radial yang lebih baikdan tidak ditemukan pembentukan saluran(channeling)

▪ Pemasokan katalis per unit volum reaktor besar

Copyright FTI-UJ

Kelebihan (lanjutan)

▪ Hold up liquid tinggi

▪ Katalis benar-benar dibasahi

▪ Kontrol temperature lebih baik

▪ Transfer massa gas-liquid lebih tinggi daripadareaktor trickle bed karena interaksi gas-liquid lebihbesar

Copyright FTI-UJ

Kekurangan Fixed Bed Reactor

▪ resistansi difusi intra partikel sangat besar

▪ rate transfer massa dan transfer panas rendah

▪ pemindahan katalis sangat sulit dan memerlukan shutdown alat

▪ konversi lebih rendah

▪ ada kemungkinan terjadi reaksi samping homogen padaliquid

▪ pressure drop tinggi

Copyright FTI-UJ

Aplikasi di industri menggunakan reaktor katalitik dan multi-fase :

Untuk Reaktor Fixed Bed Katalitik :

▪ oksidasi parsial dari O-xylene menjadi Ptalic Anhidrid.

▪ Hidrogenasi aromatik dan olefin

▪ Dehidrogenasi etilbenzene menjadi stirene

Untuk Reaktor Fixed-bed upward bubble-flow (multi fase):

▪ proses Fischer-Tropsch

▪ pencairan batu bara

Copyright FTI-UJ

CONTOH SOAL: ADIABATIC FIXED BED

Pembuatan metil klorida dari methanol dan asam klorida

dijalankan di dalam reactor fixed bed. Reaksi yang terjadi

CH3OH + HCl → CH3Cl + H2O

CH3OH → ½ CH3OCH3 + ½ H2O

Konversi methanol keluar reactor 95 %. Perbandingan konversi

methanol dari reaksi utama dan reaksi samping adalah 98:2.

Jika umpan terdiri dari uap methanol dan HCl yang equimolar,

space velocity (SV) pada 1 atm 25 oC = 300/jam. Kapasitas

produksi metil klorida adalah 100 ton/hari dengan kemurnian

99% berat. Reaktor fixed bed yang dipakai berbentuk seperti

HE dengan pipa-pipa berdiamater 3,5 in dan panjang 12 ft.

hitunglah jumlah pipa yang diperlukan.

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian:

Konversi total = 95%; x1 = 98% dan x2 = 2 %

Maka:

konversi pada reaksi 1 (x1) = 0,98 x 0,95 = 0,931

konversi pada reaksi 2 (x2) = 0,02 x 0,95 = 0,019

Kapasitas = 100 ton/hari x 99,9% = 99,9 ton CH3Cl per hari

= 99,9/50,6 /24 = 82,26 kmol/jam

Reaktan CH3OH yg diperlukan:

= 82,26/0,931 = 88,36 kmol/jam

Volume total reaktan yg diperlukan:

= 2 x 88,36 kmol/jam x 22400 l/kmol = 3.958.512 lit/jam = 3.958,512m3/jam

= 3959 m3/jam

SV = 300/jam; SV = vo/V; vo = volumetrik flow rate; V = vol katalis

Maka:

Vkat = 3959/300 = 13,2 m3/jam

Copyright FTI-UJ

Menentukan jumlah tube

Volume katalis tiap pipa

= ¼..D2.L = 3,14/4 (3,5 x 2,54)2 (11 x 30,48) = 20.800 cm3.

= 20,8 L.

Jumlah pipa = V katalis/Volume katalis tiap pipa

= 13.196,7/20,8 = 634,46 = 635 pipa

Penyelesaian:

Copyright FTI-UJ

ADIABATIC FIXED BED

Dehidrogenasi katalis etil benzene yang berlangsung pada suhu 625oCmempunyai persamaan reaksi sbbC6H5C2H5 C6H5CH=CH2 + H2

-rp=k(PE – PS.PH/K) (1)Dimana PE, PS dan PH adalah tekanan parsial etil benzen, stiren dan hidrogen. Konstanta laju reaksi sebagai fungsi temperatur adalah

logk =-4770/T + 4,1; T (K)Sedangkan konstanta kesetimbangan reaksi sebagai fungsi temperaturdinyatakan denganK = 5 x 10-7Exp(0,0217T); T oCHubungan temperatur dan konversi adalah:T = -248X + 1617; T (oR)

Hitung !! per hari1. Berat katalis yang diperlukan untuk memproduksi 15 ton stiren/jam.

Reaktor beroperasi secara adiabatic dengan konversi 45%, umpan masukpada temperatur 625oC; b =90 lb/ft3. Tekanan rata-rata dalam pipa 1,2 atm, temperatur sekeliling 70F

2. Jika digunakan pipa vertikal dengan diamater dalam 3,5 in dan tinggi 4 ft. berapa jumlah pipa yang digunakan.

Copyright FTI-UJ

Penyelesaian:

1. Menghitung PE, PS, dan PH.

PE=CE.R.T

=CEo((1-X)/(1+X)).R.To; =1

PE=PEo(1-X)/(1+X); PEo=P = 1,2

PE=1,2(1-X)/(1+X)

PS =1,2X/(1+X)

PH = 1,2X/(1+X) ; jika X diketahui PE, PS dan PH dapatdihitung

2. Nilai k

log k = -4770/T + 4,1 (A) ; jika T diketahui maka k dapat dihitung; T dalam Kelvin

3. Nilai K

K = 5 x 10-7Exp(0,0217T) (B); jika T diketahui K juga dapat dihitung; T dalam oC

4. Neraca panas untuk menentukan nilai T

T=-248X+1617 (C)

Copyright FTI-UJ

Prosedur penyelesaian:

1. Setting nilai X dari 0 sampai 0,45 dengan increment 0,1

2. Hitung nilai T sebagai fungsi X dengan persamaan (C)

3. Setelah T diketahui, hitung nilai k dengan persamaan(A)

4. Hitung juga nilai K dengan persamaan (B)

5. Hitung nilai PE, PS dan PH dengan memasukkan nilai X

6. Masukkan semua nilai k, K, PE, PS dan PH ke dalampersamaan laju reaksi rp

7. Hitung nilai FEo berdasarkan kapasitas stiren dan konversi.

Selanjutnya akan diselesaikan dengan excelPenyelesaian

Copyright FTI-UJ

PERTEMUAN_13c_TRK2_FIXED BED ADIABATIK.xls

Tentukan T dengan persamaan

T=-248X+1617 (oR)

X T (R ) T (F) t(C ) T(K)

0 1617 1157 625 898

0.1 1592 1132 611 884

0.2 1567 1107 597 870

0.3 1543 1083 584 857

0.4 1518 1058 570 843

0.45 1505 1045 563 836

Tentukan nilai k dengan persamaan

log k = -4770/T + 4,1 (T dalam K)

T(K)logk =-

4770/T+4,1k

898 -1.21180 0.06140

884 -1.29457 0.05075

870 -1.37996 0.04169

857 -1.46809 0.03403

843 -1.55911 0.02760

836 -1.60574 0.02479

Tentukan nilai K dengan persamaan

K = 5 x 10-7Exp(0,0217T) (T dalam oC)

t(C )K=5x10 -̂

7Exp(0,0217T)

625 0.38823

611 0.28790

597 0.21350

584 0.15833

570 0.11741

563 0.10111

Tentukan nilai PE, PS, dan PH sebagai fungsi

konversi (X)

X PE=1,2(1-X)/(1+X) PS =1,2X/(1+X) PH=1,2X/(1+X)

0 1.2 0 0

0.1 0.981818182 0.109090909 0.109090909

0.2 0.8 0.2 0.2

0.3 0.646153846 0.276923077 0.276923077

0.4 0.514285714 0.342857143 0.342857143

0.45 0.455172414 0.372413793 0.372413793

Tentukan persamaan laju reaksi

-rp=k(PE – PS.PH/K)

K PE PS PH-rp=k(PE–

PS.PH/K)1/-rp

0.38823 1.2 0 0 0.07368 13.57134

0.28790 0.9818 0.10909 0.109091 0.04773 20.95179

0.21350 0.8 0.2 0.2 0.02554 39.15152

0.15833 0.6461 0.2769 0.27692 0.00551 181.59937

0.11741 0.5143 0.34286 0.342857 -0.01344 -74.41632

0.10111 0.4552 0.3724 0.372414 -0.02272 -44.01404

Hitung Berat katalis dengan formula

𝑊 = 𝐹0න

0

𝑥𝑑𝑥

−𝑟′𝐴(𝑥)F0=laju alir mol umpan (kmol/jam)

Reaksi yang terjadi: C6H5C2H5 C6H5CH=CH2 + H2

C6H5CH=CH2 = 15 ton/jam = 15.000 kg/jam = 1375 lb/jam : BM stiren = 104 kg/kmol

= 1375/104 = 13.2212 lbmol

Dari persamaan reaksi, mol etil benzene yang bereaksi = mol stiren yang dihasilkan

Maka, mol etil benzene yang bereaksi = 13.2212 lbmol

Karena konversi 0,45 , maka

etil benzene umpan, Fo = 13.2212 /0,45

= 29,3803 lbmol/jam

Hitung Area integral dengan metode numerik simpson

Area akan dibagi menjadi 2 segmen yaitu

X=0 sampai X = 0,4

X = 0,4 sampai X = 0,45

)65(2

2)43422140(

3

1)( ff

hfffff

hxf ++++++=

X 1/-rp

0 13.57134 fo

0.1 20.95179 f1

0.2 39.15152 f2

0.3 181.59937 f3

0.4 -74.41632 f4

0.45 -44.01404 f5

Formula untuk simpson rule

h1 = (x4-xo)/4

= (0,4 – 0)/4 = 0,1

h2 = (x5-x4)/2

= (0,45 – 0,4)/2 = 0,05

Maka f(x) = 24,628 lb cat/lbmol etilbenzen

Maka Berat Katalis = (29,3803 lbmol/jam) (24,628) lb cat/lbmol etilbenzen

= 723,579 lb katalis

ᵖkatalis = 90 lb/ft3

Maka volume katalis = 723,579 lb katalis/ 90 lb/ft3

= 8,03977 ft3

MENGHITUNG VOLUME KATALIS

Volume per pipa = 1

4𝜋𝐷2𝐿

Maka = (1/4)(3,14)(3,5/12)2 ft2 (4)ft

= 0.267118 ft3.

MENGHITUNG JUMLAH PIPA/TUBE

Spesifikasi pipa: pipa vertikal

Diamater = 3,5 in

Tinggi/Panjang = 4 ft.

Jumlah pipa = Volume total pipa/volume per pipa

Volume total pipa = 1,2 x volume katalis

= 1,2 x 8,03977 ft3

= 9.64772 ft3

Maka Jumlah pipa = 9.64772 ft3/ 0.267118 ft3.

= 37 buah

TEKNIK REAKSI KIMIA II Ir. HERLIATI, MT, Ph.D - Repository ...

Documents

Transcript of TEKNIK REAKSI KIMIA II Ir. HERLIATI, MT, Ph.D - Repository ...