-
BATCH AND SEMIBATCH REACTOR
-
Pengantar
Jenis reaktor ini memiliki tingkat fleksibilitas tertentu dalam hal
pengaturan jadwal operasi (schedulling), pengaturan suhu, dan
pengaturan waktu reaksi.
Sesuai untuk proses-proses yang melibatkan spesifikasi produk yang
beragam, produk dengan jangka waktu penggunaan yang singkat, dan
produk yang memerlukan spesifikasi khusus serta memerlukan tes
subjektif untuk memastikan kualitas produk (seperti misalnya produk-
produk makanan). Jenis reaktor ini juga sesuai untuk kapasitas kecil.
-
Design Procedures
Reaktor batch dan semibatch umumnya digunakan untuk reaksi yang
melibatkan fasa cair (gas-cair, cair-cair, atau gas-cair-padat) dan
dijalankan pada suatu tangki berpengaduk.
Sebelum suatu reaksi akan dibawa ke skala industri menggunakan jenis
reaktor ini, percobaan pendahuluan di laboratorium perlu dilakukan
untuk mendapatkan data kinetika. Waktu reaksi dapat ditentukan dari
data kinetika atau dengan pengukuran langsung pada skala kecil.
Setelah data diperoleh, maka selanjutnya dilakukan scale-up dengan
mempertimbangkan over-design. Saat perancangan dilakukan, standar
ukuran reaktor perlu diperhatikan.
-
Design Procedures
Berikut adalah beberapa hal yang harus dipertimbangkan saat
perancangan:
Kemungkinan terjadinya korosi pada reaktor karena sistem reaksi
yang korosif
Perpindahan panas di dalam reaktor, perlu atau tidaknya tambahan
luas permukaan di dalam reaktor
Kemungkinan laju transfer massa menjadi pengendali laju
keseluruhan (untuk reaksi heterogen yang melibatkan dua fasa atau
lebih)
-
Stoikiometri: Sistem Batch
NAo; NBo; NCo; NDo; NIo
Reaksi kimia:
Misal reaktan A digunakan sebagai basis perhitungan (limiting reactant)
batch
Da
dC
a
cB
a
bA
dDcCbBaA
-
Senyawa Mula-mula
(mol)
Bereaksi
(mol)
Sisa
(mol)
A NAo NAo.X NA=NAo- NAo.X
B NBo (b/a).NAo.X NB=NBo- (b/a).NAo.X
C NCo (c/a).NAo.X NC=NCo+ (c/a).NAo.X
D NDo (d/a).NAo.X ND=NDo+ (d/a).NAo.X
I (Inert) NIo NI=NIo
TOTALs NTo NT=NTo+[d/a+c/a-b/a-1]NAoX
BATCH System
-
Koefisien stoikiometri [d/a+c/a-b/a-1] menunjukkankenaikan jumlah total mol A yang bereaksi. Karena termtersebut sering muncul dalam perhitungan, maka untukmempermudah dibuat simbol baru yaitu :
= [d/a+c/a-b/a-1]
Sehingga dari tabel stoikiometri, jumlah mol total dapatditulis:
NT=NTo+ NAoX
-
Dari tabel stoikiometri, konsentrasi masing-masing komponen dapat ditulis dalam persamaan yang melibatkan konversi (X):
0
1AAA
N XNC
V V
0 0
/B ABB
N b a N XNC
V V
0 0
/C ACC
N c a N XNC
V V
0 0
/D ADD
N d a N XNC
V V
-
0 0
0
0
0
0
0
0
/
/
/
/
B A
B
B
A
A
B
A B
B
A C
C
A D
D
N b a N XC
V
N bN X
N aC
V
N b a XC
V
N c a XC
V
N d a XC
V
0
0
0
0
0
0
B
B
A
C
C
A
D
D
A
N
N
N
N
N
N
-
Soal:
Reaksi penyabunan antara soda kaustik dengan tristearinberlangsung secara batch dan volume konstan:
3NaOH(aq) + (C17H35COO)3C3H5 3C17H35COONa + C3H5(OH)3
a. Jika konversi NaOH dinyatakan dalam X, buatlah tabelstoikiometri untuk menyatakan perubahan mol selama reaksidan konsentrasi masing-masing komponen setelah reaksi.
b. Diketahui konsentrasi NaOH mula-mula 10 mol/L dankonsentrasi tristearin 2 mol/L. Berapakah konsentrasi gliserinsetelah reaksi jika konversi NaOH 90%?
-
Design Equation Reaktor Batch
Design equation atau persamaan perancangan adalah persamaan yang
digunakan untuk mendapatkan spesifikasi reaktor. Persamaan
perancangan diperoleh dari neraca massa.
Untuk reaktor batch, semakin lama waktu reaksi, maka semakin banyak
reaktan yang terkonversi menjadi produk sampai keseimbangan
tercapai atau sampai seluruh reaktan habis bereaksi. Dengan demikian
dapat dipahami bahwa pada reaktor bacth, konversi adalah fungsi dari
waktu tinggal reaktan di dalam reaktor.
-
Misal reaksi:
A B
Konversi dinyatakan dalam mol A yang bereaksi dibandingkan dengan
mol A mula-mula.
Neraca massa A di dalam reaktor batch:
onaccumulati
of rate
reaction
of rate
output
A mass of rate
input
A mass of rate
dt
dNV-r AA 00
dt
dNV-r AA
-
Jika V tetap , sehingga
Jika konversi dinyatakan dalam XA, maka
dt
dNV-r AA
AAA
AA
VdCdVCdN
VCN
0dV
AA VdCdN
dt
dCVV-r AA
dt
dC-r AA
AAA XCC 10
AAA dXCdC 0
dt
dXC-r AAA 0
-
Jadi, design equation untuk reaktor bacth dapat dituliskan dalam
beberapa kemungkinan:
atau atau
Persamaan inilah yang disebut bentuk diferensial dari persamaan
perancangan.
dt
dXNV-r AAA 0
V
NC AA
00
dt
dXC-r AAA 0
dt
dC-r AA
dt
dXC-r AAA 0
dt
dXNV-r AAA 0
-
Untuk keperluan perancangan, bentuk diferensial tersebut perlu
diintegralkan sehingga parameter perancangan bisa dihitung:
Diferensial Integral
dt
dC-r AA
dt
dXC-r AAA 0
dt
dXNV-r AAA 0
A
A
C
C A
A
-r
dCt
0
AX
A
AA
-r
dXCt
0
0
AX
A
AA
V-r
dXNt
0
0
-
Perancangan Reaktor Batch Isothermal
Jika reaksi dijalankan pada kondisi isotermal, maka waktu reaksi (t)dapat diperoleh dengan mengintegralkan persamaan perancangan.Untuk dapat mengintegralkan, persamaan laju reaksi (rate law) harustersedia. Hasil integrasi akan sangat tergantung dari bentukpersamaan laju reaksi.Misal untuk reaksi
A BPersamaan laju reaksi order 1
Kombinasi antara design equation dengan rate law:
0
ln11
0
0A
AC
CA
C
C A
A
C
C
knCl
kkC
dCt
A
A
A
A
AA kCr
-
Jika dibuat dalam term konversi
Bagaimana jika reaksi order dua?
0
ln1
A
A
C
C
kt
AAA XCC 10
0
0 1ln1
A
AA
C
XC
kt
AXkt
1
1ln
1
Persamaan untuk menghitungwaktu reaksi pada reaktor batchjika reaksi order satu
-
Untuk reaksi order dua
Persamaan untuk menghitung waktu reaksi pada reaktor batch jikareaksi order dua
Data konstanta laju reaksi (k) tidak selalu tersedia, kadang datayang diberikan adalah dalam bentuk persamaan Arrhenius.
AAA
XkC
Xt
10
2AA kCr
RT
EAk r exp
-
Latihan 1:Reaksi A menjadi B
A BDijalankan pada suatu reaktor batch pada suhu 50 C dan tekanan 1atm. Hitung waktu reaksi yang dibutuhkan untuk mencapaikonversi 90% jika1. Reaksi order satu dengan k = 10-4 s-1
2. Reaksi order dua dengan kCA0 = 10-3 s-1
3. Reaksi oder satu dengan k mengikuti persamaan Arrheniussebagai berikut
E dalam joule/mol, dan T dalam K
RTk
45300exp9130
-
Latihan 2:It is desired to design a CSTR to produce 200 million pounds ofethylene glycol per year by hydrolyzing ethylene oxide. However,before the design can be carried out, it is necessary to perform andanalyze a batch reactor experiment to determine the specific reactionrate constant, k. Because reaction will be carried out isothermally, thespecific reaction rate will ned to be determined only at the reactiontemperature of the CSTR. At high temperatures, there is a significantby-product formation, while at temperatures below 40 C the reactiondoes not proceed at a significant rate, consequently, a temperature of55 C has been chosen. Because water is usually present in excess, itsconcentration may be considered constant during the course ofreaction. The reaction is first-order in ethylene oxide.
-
In the laboratory experiment, 500 mL of a 2M solution (2 kmol/m3)of ethylene oxide in water was mixed with 500 mL of water containing0,9 wt% sulfuric acid, which is is a catalyst. The temperature wasmantained at 55 C. The concentration of ethylene glycol was recordedas a function of time. Using the data in Table E4-1.1, determine thespecific reaction rate at 55C
-
Waktu yang terhitung tersebut adalah waktu reaksi. Dalam
perancangan proses-proses batch, dikenal istilah cycle time atau
waktu siklus. Waktu siklus adalah waktu keseluruhan yang
dibutuhkan untuk sekali produksi (tt) pada reaktor batch meliputi
waktu pengisian(tf), waktu reaksi (t), waktu pengosongan(te), dan
waktu pembersihan (tc).
Jika diinginkan untuk memproduksi suatu produk dengan kapasitas
tertentu, maka perlu dilakukan penjadwalan proses batch.
ceft ttttt
-
Reaktor Semibatch
One of the best reasons to use semibatch reactors is to enhance selectivityin liquid-phase reactions.
Untuk reaktor semibatch, design equation atau persamaan perancangansangat tergantung dari sistem semibatch yang digunakan. Pada prinsipnya,terdapat dua kemungkinan konfigurasi dari reaktor semibatch:1. Terdapat dua reaktan (A dan B), salah satu reaktan dijaga tetap berada
di dalam reaktor (misal reaktan A), sementara reaktan yang laindiumpankan secara perlahan ke dalam reaktor (misal reaktan B). Jenisreaktor ini biasanya dipilih ketika terjadi reaksi samping yangdisebabkan oleh tingginya konsentrasi B atau jika reaksi sangateksotermis. Pada beberapa kasus, reaktan B berupa gas yangdigelembungkan ke dalam reaktan A yang cairan. Contoh reaksi yangbiasanya menggunakan jenis reaktor ini antara lain adalah reaksi-reaksiamonolisis, klorinasi, dan hidrolisis.
-
2. Reaktan A dan B diumpankan bersamaan ke dalam reaktor hanya pada
awal reaksi, dan salah satu komponen dari produk yang terbentuk
(misalnya komponen C) diuapkan dan diambil secara kontinyu. Hal ini
biasanya dilakukan untuk menggeser keseimbangan ke kanan. Jenis ini
disebut reactive distillation.
-
Design Equation Reaktor Semibatch Isotermal
Untuk reaktor semibatch jenis pertama, misal reaksi
A + B C
Persamaan neraca massa A:
onaccumulati
of rate
reaction
of rate
output
rate
input
rate
dt
dNVr AtA 00
dt
dVC
dt
dCV
dt
VCdVr A
AAA
-
Karena V berubah terhadap waktu (Bdiumpankan secara kontinyu ke dalamreaktor), maka diperlukan neraca massaoveral di dalam reaktor:
Dengan adalah volumetric flowrate.Jika densitas konstan
onaccumulati
of rate
reaction
of rate
output
rate
input
rate
dt
Vd 0000
0
0dt
dV
0
Dengan kondisi batas pada t=0; V=V0, sehingga
tVV 00
-
Substitusi persamaan
ke persamaan:
dt
dVC
dt
dCVVr A
AA
0AAA CVr
dt
dCV
0dt
dV
0A
AA C
dt
dCVVr
AAA C
Vr
dt
dC 0
-
Persamaan neraca massa B:
onaccumulati
of rate
reaction
of rate
output
rate
input
rate
dt
dNVrF BBB 00
VrFdt
dNBB
B 0
VrF
dt
VCdBB
B 0
VrFdt
dVC
dt
dCV BBB
B 0
B
BBB rV
CC
dt
dC
00
-
Persamaan neraca massa C:
onaccumulati
of rate
reaction
of rate
output
rate
input
rate
dt
dNVr CC 00
Vrdt
dNC
C
Vr
dt
VCdC
C
Vrdt
dVC
dt
dCV CC
C
CCC C
Vr
dt
dC 0
-
Konversi dapat dinyatakan:
Misal asumsi reaksi elementer, sehingga
rate law:
Laju relatif
0
0
A
AAA
N
NNX
00
00
VC
VCVCX
A
AAA
BAA CkCr
CBA rrr
-
Ringkasan persamaan perancangan reaktor semibatch isotermal
untuk reaksi A + B C
Neraca massa A
Neraca massa B
Neraca massa C
Perubahan volum terhadap waktu
Konversi
Rate law dengan
CCC C
Vr
dt
dC 0
AAA C
Vr
dt
dC 0
B
BBB rV
CC
dt
dC
00
tVV 00
00
00
VC
VCVCX
A
AAA
BAA CkCr CBA rrr
-
Kondisi batas (boundary conditions)
Pada t=0 ; CA=CA0; CB=CC=0
Persamaan-persamaan tersebut merupakan persamaan diferensial
ordiner simultan yang dapat diselesaikan dengan metode numeris,
misalnya dengan menggunakan metode Runge-Kutta
-
Mechanical Design Reaktor Batch dan Semibatch
Mechanical design reaktor bacth dan semibatch meliputi:1. Spesifikasi tangki (vessel) meliputi ukuran, material konstruksi, tebal
dinding, jenis head, isolasi, dsb.2. Spesifikasi impeller (tipe, jumlah, posisi, ukuran, kecepatan putaran)3. Power requirement untuk pengaduk.4. Baffle (tipe, jumlah, posisi)5. Prosedur pengumpanan (akan menentukan posisi dan ukuran
nozel)6. Heat transfer equipment meliputi tipe (jaket, koil, atau eksternal),
beban panas (heat load), jenis pendingin/pemanas, luas transferpanas, dsb.
7. Untuk reaktor semibacth, jika terdiri dari dua fasa gas-cair, makaperlu spesifikasi sparger atau spesifikasi orifice tergantung daridesain.
-
Ru
leo
fTh
um
bs
-
Rule of Thumbs
-
Berikut adalah beberapa referensi untuk mechanical design reaktor
batch dan semibatch:
1. Rase, M.F., 1977, Chemical Reactor Design for Process Plant, Vol. 1.
2. Couper J.R., Penney, W.R., Fair, J.R., and Walas, S.M., 2005, Chemical
Process Equipment : Selection and Design , 2nd edition.
3. Coulson&Richardsons Chemical Engineering vol.1, 6th edition.
4. Brownel&Young, Process Equipment Design,
dll...
