Reaktor Alir Pipa Idealb 52494j

REAKTOR PLUG FLOW

DEFINISI

• REACTOR PLUG FLOW…… Adalah suatu alat yang digunakan untuk mereaksikan suatu reaktan dalam hal ini fluida dan mengubahnya menjadi produk dengan cara mengalirkan fluida tersebut dalam pipa secara berkelanjutan (continuous). Biasanya reaktor ini dipakai untuk mempelajari berbagai proses kimia yang penting seperti perubahan kimia senyawa, reaksi termal, dan lain-lain.

REAKTOR ALIR PIPA Dalam sebuah PFR, satu atau lebih pereaksi ( fluida ) dipompakan melalui sebuah pipa atau tabung. Reaksi kimia terjadi sepanjang PFR. Pada reaktor ini kecepatan reaksi :gradient; pada masukkan PFR kecepatan sangat tinggi tetapi sebagaimana konsentrasi menurun dan konsentrasi produk naik kecepatan reaksi melambat

Beberapa aspek penting PFR  Di dalam PFR, fluida mengalir dengan perlakuan yang

sama sehingga waktu tinggal (τ) sama untuk semua elemen fluida. Fluida sejenis yang mengalir melalui reactor ideal disebut plug. Saat plug mengalir sepanjang PFR, fluida bercampur sempurna dalam arah radial bukan dalam arah axial (dari arah depan atau belakang). Setiap plug dengan volume berbeda dinyatakan sebagai kesatuan yang terpisah-pisah (hampir seperti batch reactor) saat dia mengalir turun melalui pipa PFR

• Pereaksi dapat dimasukkan dalam PFR dengan lokasi yang berbeda dari masukkan dengan cara ini efisiensi tinggi dapat diperoleh atau ukuran dan biaya PFR dapat berkurang

• Sebuah PFR mempunyai efisiensi lebih tinggi dari pada RATB pada volum yang sama.Pada space time yang sama, suatu reaksi akan menghasilkan konversi PFR yang lebih tinggi dari pada RATB

 PFR biasa digunakan untuk mempelajari beberapa proses penting seperti reaksi termal dan reaksi kimia plasma dalam aliran gas yang cepat serta daerah katalisis. Dalam beberapa kasus, hasil yang didapat tidak hanya membantu kita dalam memahami karakteristik proses-proses kimia, tetapi juga dapat memberikan kita pengertian praktis dari proses-proses kimia yang penting

Isothermal Reaction: Plug Flow Reactor • Plug flow of fluid – no radial gradients, and no axial dispersion

• Constant density with position • Superficial velocity remains constant

• Keuntungan : Memberikan volume yang lebih kecil dari pada RATB, untuk konversi yang sama

• Kerugian: 1. Harga alat dan biaya instalasi tinggi. 2. Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state. 3. Untuk reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi “Hot Spot” (bagian yang suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan . Dapat menyebabkan kerusakan pada dinding reaktor.

•Radial Variations in a Tubular Reactor

Asumsi tidak ada variasi secara radial kecepatan, konsentrasi, suhu atau kecepatan reaksi dalam PFR

PLUG FLOW REACTOR, PFR • Dalam PFR komposisi berubah sesuai arah aliran fluida

FAo,XAo,CAo o FA, XA, CA

• Aliran fluida kecepatan sama (membentuk plat)

dV



• Neraca massa pada potongan kecil reaktor dengan volume dV dan panjang dL : dV FA + dFA

FA

•

Input - Output FA

164

=

- (FA + dFA) =

Akumulasi 0

+ Yang Bereaksi +

( - rA ) dV

Reaktor Piston (Plug Flow Reactor) CA0 FA0 v0 XA0

FA XA

FA + d FA XA + d XA

CA0 FA0 v0 XA0

Konsentrasi di dalam reaktor bervariasi sepanjang reaktor  = Waktu lewat = Waktu yang dibutuhkan reaktan melalui reaktor Neraca massa reaktan A (pada bagian yang diarsir) : Masuk – Keluar – Hilang karena reaksi = Akumulasi FA = ( FA + dFA ) + ( -rA ) dV XAf d FA = d ( FA0 ( 1 - XA ) = - FA0 dXA dX A V τ   N A0  FA0 dXA = ( - rA ) dV v0 X (rA )V Ai

• Persamaan ini memberikan volum PFR, V1 diperlukan untuk menurunkan kecepatan umpan molar masuk dari FA0 menjadi kecepatan umpan molar keluar FA1 karena reaksi kimia .

TRANSPOSISI ANTARA REAKTOR BATCH & PFR a. Reaktor Batch  Reaktor Piston X

XAf

tR = P

t  C A0

t

XA dX CA d C A A  r   r A 0 CA0 A



Reaktor Batch



XAf dX V A Reaktor Piston τ  v  C A0   r 0 XAi A

P = tR  konstan

- dFA

= ( - rA ) dV

- d( FAo – FAo.XA) = ( - rA ) dV FAo dXA = ( - rA ) dV V

0

dV ------FAo

XA

= 0

dXA ------ rA

• Jadi V  ----- = ------ = FAo CAo

dXA ------- rA

. . . (1)

atau V  = ----O 165

= CAo

dXA ------- rA

. . . (2)

1

Luas

1 -rA

-rA Luas =  / CAo



CAo.V = -------FAo

XA 0

• Waktu tinggal

XA,f

CA

V  t = ------ = ---------------

(1 + AXA)

CAo

. . . (3)

Untuk reaksi yang kecepatannya hanya tergantung pada konsentrasi sebuah komponen [i.e., –rA = f(CA)],sebaiknya menuliskan –rA sebagai fungsi konsentrasi dari pada konversi.

V 

FAO/-rA

FAO dX A  rA

The PFR volume is defined by 1/-rA curve over the range of XA. XA

Bentuk Integral untuk Plug Flow  Dalam Pers. (2)

ganti

- rA

dengan laju reaksi kemudian

integrasi, dimana CA = CAo

1 – XA ----------- ; 1 + AXA

 = o ( 1 + A XA )

 Orde Nol (homogen) A  R Untuk A  0 - - - -

- - - - rA = k

k CAo - CA ------ = XA = --------------CAo CAo + A CA

. . . (4)

 Orde satu

• for A

A  R ;

- rA = kCA

1  0 ; k  = ( 1 + A ) ln -------- - AXA 1 – XA

1 CAo • for A = 0 ; k  = ln -------- = ln ------1 – XA CA

. . . (4)

 Orde Satu Bolak Balik A

rR ,

- rA = k 1 C A – k 2 C R

; M = CRo/CAo

M + r XAE XAE • Untuk A  0 , k = ------------- (1 + AXAE) ln ----------- - A XA M+r XAE – XA

. . . (5)

• Untuk A = 0

M + r XAE XAE , k  = --------------- ln -----------M+r XAE - XA M + r { 1 - (CAE/CAO)} CAo – CAE = ------------------------------- ln --------------M+r CA - CAE . . . (5)

Reaksi Orde Dua : 2A

 - - -

A + B  - - -

• Untuk

, - rA = kCA2 , - rA = kCACB

; ,

CAo=CBo

 0 ,

XA k  CAo = 2 A ( 1 + A ) ln (1 – XA) + A2 XA + (A + 1)2 ------1 - XA

. . . (6)

• Untuk A = 0 ,

XA k CAo = --------- = 1 - XA

CAo – CA ------------CA

atau k

1 = -----CA

-

1 -----CAo . . . (7)

Dua PFR yang dipasang seri : V1 

X1

0

V2 

FAO/-rA

FAO

r

dX A

X2

FAO X  rA dX A 1

X2

X1 XA

V1

X2 V2

The total volume of two PFRs in series is equal to the volume of one PFR.

V2

V1

X1

A

Reaktor Piston disusun Seri V1

X1

X2

V2

Vi

Xi

V N

X Vi dX   F0 Xi 1  r

X11 X2 XN Vi V1  V2  .....  Vn dX dX dX     ........   r  r  r F F i 1 0 0 X00 X1 X N1 XN V dX   FA 0 0  rA N

Dapat dianggap seperti satu reaktor tunggal : X0

VN

XN

V = V1 + V2 + ……+ VN

X N

Reaktor Piston dipasang Seri + Paralel V1

V2

F0

XA

V3

V4

V5

Dapat dianggap seperti satu reaktor tunggal : X0

VN

XN

V = V1 + V2 + V3 + V4 + V5

Syarat : Komposisi pertemuan harus sama

•Di dalam PRF, konsentrasi produk meningkat sepanjang perjalanan dalam reaktor

HUBUNGAN TEMPERATUR DALAM PRF

CONTOH REAKSI • Reaksi Etana dalam PFR

Mendapatkan etena dari etana melibatkan reaksi kimia yang bertempat di dalam pipa kalor panjang. Pipa ini biasa disebut unit pemecahan dengan arus panas (a thermal cracking unit) yang merupakan salah satu tipe dari plug flow reactor. Gambar skema proses dalam plug flow reactor :

Pipa yang besar adalah tungku pemanas yang memanaskan etana ketika mengalir sepanjang pipa. Pemanasan yang dilakukan pada bahan kimia di dalam pipa, memudahkan terjadinya reaksi kimia. Seperti dapat kita lihat dalam gambar, ethana adalah molekul yang dimasukkan ke dalam plug flow reactor, dan setelah jalannya reaksi kimia, etena keluar dari pipa.

Reaksi Awal pada Produksi Ammonia dan Metanol

Dua persamaan reaksi awal yang terjadi dengan memasukkan gas alami: CH4 + H2O --> 3H2 + CO CO + H2O <--> H2 + CO2 Reaksi kedua ditujukan untuk menghilangkan CO yang dapat menjadi inhibitor bagi katalis. Hal ini penting terutama untuk proses pembentukan ammonia. Reaksi kedua merupakan reaksi bolak-balik Peningkatan suhu dapat menyebabkan reaksi berjalan ke kanan

APLIKASI      

Reaksi Skala Besar Reaksi Cepat Reaksi homogen Reaksi heterogen Produksi terus-menerus Reaksi pada Suhu Tinggi

KEUNTUNGAN  Tingkat perubahannnya besar dalam setiap volumenya  Bekerja dalam periode waktu yang cukup lama tanpa  

tenaga kerja sehingga upah produksi rendah Perpindahan kalornya baik sekali Operasinya terus-menerus

KERUGIAN  Sulit mengontrol temperaturnya  Tingginya temperature yang tidak diinginkan 

dapat terjadi Proses pemberhentian dan pembersihannya mahal

Plug-flow reactors for Biomass Conversion

Pada percobaan, tekanan maksimumnya dapat mencapai 35 MPa. Terdapat beberapa ukuran reakor di dalamnya sehingga waktu tinggalnya dapat ditempuh dari 0,5 sampai 600s. Di kanan kirinya terdapat 2 thermostats yang berjalan bersama perpindahan kalor minyak dan dapat dioperasikan hingga mencapai suhu 300°C. Reaktor panjang pada bagian sebelah kiri gambar digunakan untuk memasukkan katalis padat.

Integral untuk menghitung volum PFR dapat dievaluasi menggunakan metode misalnya Simpson's One-Third Rule

Aturan Simpson's One-Third adalah satu dari beberapa metode numeris. Ini menggunakan tiga titik data. Metode numeris lain untuk mengevaluasi integral adalah : 1. Trapezoidal Rule (uses two data points) 2. Simpson's Three-Eighth's Rule (uses four data points) 3. Five-Point Quadrature Formula

Contoh 21. Plug Flow Reactor

A murni ( 1 k.mol/hr, 1 atm) masuk sebagai feed ke plug flow reaktor , mengikuti reaksi bolak balik dan isothermal pada 1219oK dengan kinetika elementer :

A

2R

, k1 = 200 hr-1 , KP = 1 atm

Tentukan volume reaktor agar diperoleh konversi 40%

Solution : (a). Volume plug flow reactor Reaksi elementar, yaitu orde satu ke kanan , dan orde dua kekiri

- rA = k1 CA - k2 CR2 Jadi : V ------ = FAo

dXA -------- = - rA

NR = 2 NAoXA

dXA ----------------- = k1CA – k2CR2

dan

dXA --------------------------k1 (NA/V) – k2(NR/V)2

V = Vo (1 + AXA )

dan dXA V = Fao

---------------------------------------------------2 (1 – XA) 2CAo k1 CAo --------------- - k2 (1 + AXA)

--------------(1 + AXA)

• di evaluasi semua term pada persamaan diatas : k1,C = 200 jam –1 pAo 1 atm CAo = -------- = -------------------------------------------- = 0. 01 mol/lit RT (0.08206 lit.atm/mol K) (1219 K) k1,C ( 200 hr-1)(100 lit. atm/mol) k2,C = --------- = ------------------------------------------- = 20.000 lit/mol.jam KP/RT 1 atm FAo = 1000 mol/jam

A

• •

2–1 = ------------- = + 1 1

Masukan semua data, diperoleh : dXA -------------------------------------------------------------1 - XA XA (100)(0.01) ---------- - 4 (20000)(0.01)2 ------1 + XA 1 + XA

V = 103

0.4

= 500 0

V

(1 + XA)2 --------------- dXA 1 – 5 XA2

= 500 (1)

= 500 lit = 0.5 m3

Dapat diselesaikan secara grafik = 1

2

For Gas Phase Flow Systems • Mengkombinasikan persamaan keadaan faktor kompresibilitas Z = Z0

Dengan

dan

Diperoleh

Kecepatan aliran molar total : Subtitusi untuk FT memberikan :

FT=CTV, FTo=CToVo

Reaksi fasa gas elementer : Neraca mol :

Persamaan kecepatan Stoikiometri

Fasa gas, isothermal (T = T0), tidak ada pressure drop (P = P0), CAo=CBo (Q=1), v=vo(1+eX)

Penggabungan

Evaluasi parameter CAo=0.2, v=vo=25 dm3/s, k=10 dm6/mol2 s, e=-0.5, X=0.9

Diasumsikan reaksi fasa cair : Yang terjadi dalam sebuah reaktor PFR. Data berikut diperoleh dari sebuah reaktor batch : X -ra(mol/dm3.s)

0 0.01

0.4 0.008

0.8 0.002

Jika kecepatan umpan molar A ke dalam PFR adalah 2 mol/s, berapa volum PFR yang diperlukan untuk memperoleh konversi 80% pada kondisi yang sama seperti data yang diperoleh dari batch ?

FAo = 2 mol/s, umpan masuk ke dalam sebuah reaktor plug flow

Kemudian , dibutuhkan (1/-rA) sebagai fungsi X

Diambil salah satu, luas dibawah kurve dan dikalikan dengan FAO atau dapat dipergunakan persamaan integral.

FAo = 2 mol/s, umpan ke sebuah reaktor plug flow

Kemudian, diperlukan (1/-rA) sebagai fungsi X

Persamaan Simpon's tiga titik diperoleh:

Soal 1 • Dilakukan dalam sebuah reaktor alir pipa dengan •

kecepatan aliran volumetrik tetap. Turunkan suatu persamaan hubungan volum reaktor dengan konsenrasi A yang masuk dan keluar reaktor, konstanta kecepatan reaksi k, dan kecepatan alir volumetrik v. Hitung volum reaktor yang diperlukan untuk mereaksi kan pereaksi sehinga konsentrasi keluar menjadi 10 % konSENTRASI masuk reaktor jika kecepatan alir volumetrik 10 dm3/min dan konstanta kecepatan reaksi 0.23/ min.

Soal 2 • Reaksi A + B –> C dijalankan pada fase gas didalam

suatu reaktor alir pipa yang volumenya 20 liter. Proses berlangsung secara isotermal pada suhu 200°C dan tekanan total atm. Jika umpan terdiri atas 50% mol A dan 50% mol B dan masuk dengan kecepatan 50 gmol/jam, maka konversi gas A mencapai 60%. Hitunglah konversi gas A bila reaksi tersebut diatas dijalankan didalam sebuah reaktor alir pipa yang volumenya 60 liter dan umpan terdiri atas 75 gmol/jam A dan 75 gmol/jam B, sedangkan prosesnya tetap sama

Soal 3 • The elementary liquid phase reaction • • is carried out isothermally in a PFR. Pure A •

enters at a volumetric flow rate of 25 dm3/s and at a concentration of 0.2 mol/dm3. What PFR volume is necessary to achieve a 90% conversion when k = 10 dm3/(mol*s)?

Soal 4

SOAL-SOAL RAP DAN RATB

SOAL-1 Reaksi elementer fasa cairan, 2 A ---- B , dilakukan dalam sebuah RAP/RATB secara isothermal. Zat A murni dimasukkan pada kecepatan alir volumetric 25 dm3/det. Dan pada konsentrasi 0,2 mol/dm3. Hitung volum yang diperlukan untuk memperoleh konversi 90 % jika konstanta kecepatan reaksi k = 10 dm3/( mol.min) ?

SOAL-2 Propan dioksidasi sesuai dengan persamaan berikut : C3H8 + 4 O2 ------ 4 H2O + 2 CO + CO2 Pada P dan T konstan . Suatu aliran propane encer yang mengandung satu mol propane per 20 mol udara pada 2 atm dan 350oC dioksidasi untuk memperoleh gas CO. Hitung kecepatan umpan ( liter/jam ) diukur pada kondisi umpan untuk memperoleh konversi propan 75 % Reaktor RAP dan RATB yang mempunyai volum 60 dm3. Asumsi pada kondisi reaksi, kecepatan reaksi dapat ditunjukkan : -r C3H8 = ( 500 L/(mol.min) CC3H8. CO2

SOAL-3 Kapasitas produksi 2x 108 lb/tahun etilen glikol. Reaktor beroperasi secara isothermal : (CH2-CH2)O + H2O ------(CH2OH)2 Konstanta kecepatan reaksi 0,311 min-1. Umpan terdiri dari 1 lbmol/ft3 larutan etilen oksida dalam air dan larutan air mengandung 0,9 % H2SO4. Kedua larutan masuk reactor pada kecepatan volumetric yang sama. Jika konversi 80 %, hitung volum reactor RAP dan RATB ?

SOAL-4 • Produksi etilen 300 x 106 lb/tahun dari

“cracking “ etan murni. Hitung volum yang diperlukan RAP dan RATB untuk memperoleh konversi 80 %. Reaksi irreversible dan elementer. Operasi isothermal pada 1100 K dan 6 atm. Pada suhu 1000 K nilai k = 0,072 det-1 dan energi aktivasi, E = 82 kkal/mol.

REAKTOR RECYCLE Recycle Ratio, R didefinisikan sebagai : R

Volume fluida yang dikembalik an ke bagian feed masuk Volume yang keluar sistem

FA0 v0 XA0 = 0

(FA0’) FA1 v1

Reaktor Piston V

vf

(R+1)vf XA2

XAf = XA2

R vf FA3 v3

R bervariasi dari 0 s/d  

R=0 R=

Reaktor Piston Reaktor Mixed Flow

Neraca Massa untuk Reaktor Piston : X A 2 X Af dX A V   FA 0 '  rA X A1

FA0’ = R FA0 + FA0 = (R + 1) FA0

X A1  C A1 

1  C A1 / C A 0 1   A C A1 / C A 0 FA1 FA 0  FA 3 FA 0  RFA 0 (1  X Af )   v1 v 0  Rv f v0  Rv0 (1   A X Af )

Sehingga :

X A1

 R   X Af  R 1

V  (R  1) FA0 

XAf



R    XAf  R 1 

dX A  rA

Pengaruh harga R (faktor recycle) Untuk  konstan (=0) CAf C A0 V dC A   (R  1)  FA 0 CA 0  RCAf  rA R 1

=0



1 rA

 Luas 

V FA

R R+ 1

1

1 rA

Luas = 

1

R R+ 1

Untuk Keadaan ekstrim : V  (R  1) FA0 

XAf



R    XAf  R 1 

dX A  rA R=

R=0

X Af dX A V   FA 0 0  rA

X V  Af FA 0  rAf

R Kecil



R Besar

1 rA



0 R

1 R+1

XAf

1 rA

0

R

1 XAf R+1

Performance of a Plug Flow Reactor with Recycle • Consider a second-order reaction (2A → B) with a reaction rate, .

that takes place in a plug flow reactor with recycle. The recycle ratio is

• The volume of the reactor needed to achieve a final conversion is given by

• where

is the volumetric flow rate, V is the reactor's volume, and is the reactor's conversion of species A. • There are two limiting cases: • gives a plug flow reactor without recycle case ( has the lowest value). • gives mixed flow reactor behavior ( has the highest value).

•

Real Flow Reactor

•

Figure 3 shows schematically an individual channel of the monolith with its occurring physically and chemical values. The substance and heat transport processes ( like momentum, energy and species, thermal radiation, diffusion) considered in the calculation are drawn in.

•

The channel calculated in the simulation is a cuboid with a square profile. The 3D-bilance equations used for the calculations are taken from the publication from O. Deutschmann and L. D. Schmidt in AIChE Journal [3].

• • • •

• • • •

In this calculations the flow was assumed to be laminar. The coefficient of transport is dependent on the composition and the temperature. In this calculations the flow was assumed to be laminar. The coefficient of transport is dependent on the composition and the temperature. Chemical reaction occurring on the surface lead to following boundary conditions [3],[4]:(7)

Mi stands for the mass of the component i,  for the density, Yi for the mass fraction of the species and Ji,n for the muss flux of diffusion.

Figure 3 : Monolith with a zoomed single channel. The cut through the channel shows the occurring physical and chemical values.