2_Choice of Reactor 1_reactor Performance

7/26/2019 2_Choice of Reactor 1_reactor Performance

1/33

CHOICE OF REACTOR part 1:

REACTOR PERFORMANCE

Robin Smith, 2005, Chemical Process Design and Integration,

Chapter 5


2/33

Process design start with the reactor

Mendesain suatu proses dimulai dengan memilih reaktor.

Pemilihan jenis reaktor merupakan tahap paling penting dan akan

menentukan desain proses secara keseluruhan.

Ketika spesifikasi produk sudah ditentukan, maka reaksi harus

dipilih (misal ethanol dapat dibuat dari beberapa alternatif bahan

baku: dari etilen, dari metanol, atau dari fermentasi karbohidrat).

Setiap pilihan akan memiliki kemungkinan jenis reaktor yang

digunakan.

Performa reaktor yang baik akan menentukan kelayakan suatu

proses secara ekonomi dan dampak lingkungan yang sesedikit

mungkin.


3/33

Secara umum, hal-hal yang harus diperhatikan dalam

perancangan suatu reaktor meliputi:

1. Tipe reaktor

2. Katalis yang digunakan

3. Dimensi/ukuran reaktor

4. Kondisi operasi

5. Fasa reaksi

6. Kondisi umpan


4/33

Ketika diinginkan untuk membuat suatu produk tertentu, maka

seringkali terdapat beberapa alternatif reaksi.

Reaksi yang dipilih adalah reaksi dengan bahan baku paling murah dan

menghasilkan sesedikit mungkin produk samping.

Namun, kadang terdapat beberapa faktor lain yang harus diperhatikan

seperti misalnya faktor fluktuasi harga bahan baku di masa yang akan

datang, atau faktor teknis seperti keselamatan dan konsumsi energi.

Perlu diketahui bahwa kadang suatu produk dapat dibuat dari berbagai

macam pilihan reaksi, namun kadang informasi mengenai jenis katalis

yang sesuai untuk suatu reaksi sangat sedikit.

Reaction Path


5/33

Contoh:

Vinyl chloride (C2H3Cl) dapat dibuat melalui 3 kemungkinan

reaksi berikut ini:

Path

1

C2H2 + HCl C2H3Cl

asetilen asam klorida

Path

2

C2H4 + Cl2 C2H4Cl2Etilen klorin dikloroetana

C2H4Cl2

C2H3Cl + HCl

Path

3

C2H4+ O2+ HCl C2H4Cl2 + H2O

C2

H4

Cl2

C2

H3

Cl + HCl


6/33

Berat molekul dan harga untuk setiap komponen dapat

dilihat pada tabel berikut ini:

Oksigen diperoleh secara gratis dari atmosfer.

Berdasarkan pertimbangan ekonomi, reaksi manakah yang

sebaiknya dipilih?

Komponen Berat molekul Hargakg/kmol $/kg

Asetilen 26 1,0

Klorin 71 0,23

Etilen 28 0,58

Asam klorida 36 0,39

Vinyl chloride 62 0,46


7/33

Penyelesaian:Pengambilan keputusan untuk kasus ini dapat dilakukan dengan

menganalisis economic potential (EP) dari masing-masing komponen

yang terlibat dalam reaksi.EP = (value of products)(raw material costs)

Path 1

Path 2

Path 3


8/33

Paths 1 and 3 are clearly not viable. Only Path 2 shows a positive

economic potential when the by-product HCl can be sold. In practice,

this might be quite difficult, since the market for HCl tends to be

limited. In general, projects should not be justified on the basis of theby-product value.

The preference is for a process based on ethylene rather than the

more expensive acetylene, and chlorine rather than the more

expensive hydrogen chloride. Electrolytic cells are a much moreconvenient and cheaper source of chlorine than hydrogen chloride. In

addition, it is preferred to produce no by-products.

A study of the stoichiometry of the three paths shows that this

can be achieved by combining Path 2 and Path 3 to obtain afourth path.


9/33

Terdapat 6 (enam) tipe dari sistem reaksi yang umum

dijumpai:

1. Single reaction

2. Multiple reactions in parallel producing byproducts

3. Multiple reactions in series producing byproducts

4. Mixed parallel and series reactions producing

byproducts

5. Polymerization reactions

6. Biochemical reactions

Type of Reaction System


10/33

1. Single reaction

Suatu sistem reaksi umumnya melibatkan banyak reaksi.

Namun untuk beberapa sistem, reaksi samping dapat

diabaikan sehingga praktis hanya ada reaksi tunggal (single

reaction) yang diperhitungkan.

Reaksi tunggal dapat terjadi dengan beberapa kemungkinanberikut:

FEED PRODUCTatau

FEED PRODUCT + BYPRODUCTatau

FEED 1 + FEED 2 PRODUCTdan lain sebagainya



11/33

Reaksi tunggal yang tidak menghasilkan produk samping

(byproduct) adalah reaksi isomerisasi, misalnya reaksi

propylene oxide menjadi allyl alcohol

propylene oxide allyl alcohol

Contoh reaksi yang menghasilkan produk samping adalahreaksi untuk menghasilkan aseton dari isopropil alkohol

dengan produk samping gas hidrogen.

isopropil alkohol aseton

O

CH3 CH CH2 OHCH2 CH CH2

OHCH

CH3

CH3

CH3CH3 CH2 O H2+


12/33


FEED PRODUCT

FEED BYPRODUCT

atauFEED PRODUCT + BYPRODUCT1

FEED BYPRODUCT2 + BYPRODUCT3

atau

FEED 1 + FEED 2 PRODUCT

FEED 1 + FEED 2 BYPRODUCT

dan lain sebagainya



13/33

Contoh reaksi paralel adalah pada produksi etilen oksida dari

etilen dan oksigen dengan reaksi pembakaran sebagai reaksi

paralelnya

ethylene oxygen ethylene oxide

ethylene oxygen carbon water

dioxide

Adanya reaksi multiple berupa reaksi paralel mungkin tidakhanya mengurangi perolehan produk utama, namun bisa jadi

menimbulkan deposit atau bahkan meracuni katalisator

(poisoning)

CH2 CH2 O2+ CH2 CH2

O

1/2

CH2 CH2 O2+ 3 CO2 + OH22 2


14/33


FEED PRODUCT

PRODUCT BYPRODUCT

atauFEED PRODUCT + BYPRODUCT1

PRODUCT BYPRODUCT2 + BYPRODUCT3atau


PRODUCT BYPRODUCT + BYPRODUCT2dan lain sebagainya



15/33

Contoh reaksi seri adalah produksi formaldehid dari methanol

methanol oxygen formaldehyde water

Formaldehid yang terbentuk dapat mengalami reaksi lanjutan

formaldehyde carbon hydrogen

monoxide

Sama halnya seperti reaksi paralel, adanya reaksi multipleberupa reaksi seri mungkin tidak hanya mengurangi

perolehan produk utama, namun bisa jadi menimbulkan

deposit atau bahkan meracuni katalisator (poisoning).

O2

+ +

OH2

CH3 OH 1/2 CH

2

O

+CH2

O

CO H2


16/33

4. Mixed parallel and series reactions producing byproductsFEED PRODUCT

FEED BYPRODUCT

PRODUCT BYPRODUCT

atauFEED PRODUCT

FEED BYPRODUCT1

PRODUCT BYPRODUCT2atau


FEED 1 + FEED 2 BYPRODUCT1

PRODUCT BYPRODUCT2 + BYPRODUCT3dan lain sebagainya



17/33

Contoh reaksi seri adalah produksi ethanolamines dari ethylene

oxide dan ammonia

ethylene oxide ammonia monoethanolamine

monoethanolamine ethylene oxide diethanolamine

diethanolamine ethylene oxide triethanolamine

+O

CH2 CH2 NH3 NH2 OHCH2CH2

+

O

CH2 CH2NH2 OHCH2CH2 NH(CH2CH2OH)2

+

O

CH2

CH2

N(CH2CH

2OH)

3

NH(CH2

CH2

OH)2


18/33

5. Polimerization reactions

a. Polimerisasi adisi

Inisiasi

Propagasi

Terminasi



19/33

6. Biochemical reactions

a. Dengan bantuan mikroorganisme

b. Dengan bantuan enzim



20/33

Performa reaktor dapat diukur dari tiga parameter berikut:

Faktor stoikiometri : banyaknya mol reaktan yang dibutuhkan per

mol produk

Konversi, Selektivitas, Yield

reaktormasukumpanreaktan

reaktordalamdibereaksiyangreaktanKonversi

ristoikiometxfaktorreaktordalamdibereaksiyangreaktan

dihasilkanyangprodukasSelektivit

ristoikiometfaktorx

reaktormasukumpanreaktan

dihasilkanyangprodukYield


21/33

Contoh:

Benzene dapat dibuat dari toluene menurut reaksi:

C6H5CH3 + H2 C6H6 + CH4sebagian benzene yang terbentuk mengalami reaksi lanjutan

menghasilkan dyphenil dan hidrogen

2C6H6 C12H10 + H2

Hitung konversi, selektivitas, dan yield dengan basis :

a. toluen

b. hidrogen

Komponen inlet flowrate outlet flowrate

kmol/jam kmol/jam

H2 1858 1583

CH4 804 1083

C6H6 13 282

C6H5CH3 372 93

C12H10 0 4


22/33

1. Idealbatchreactor : pada saat awal proses, reaktan

dimasukkan ke dalam reaktor. Reaksi dijalankan di dalam reaktor

dengan pengadukan sampai waktu tertentu, dan pada saat akhir

proses, reaktor dikosongkan. Pada saat reaksi berlangsung, tidak ada

arus masuk maupun arus keluar reaktor.

2. Mixed-flowreactor : terjadi pengadukan sempurna di dalam

reaktor. Ada arus umpan dan arus produk yang mengalir kontinyu

selama reaksi berlangsung.

3. Plug-flowreactor : terjadi pergerakan aliran secara seragam

tanpa pengadukan di dalam reaktor. Ada arus umpan dan arus produk

yang mengalir kontinyu selama reaksi berlangsung.

Idealized Reactor Model


23/33


24/33


25/33

1. Idealbatchreactor

2. Mixed-flowreactor

3. Plug-flowreactor

Design Equation for Idealized Reactor Model

X

A

A

X

X

A

A

r

dXNtV

Vr

dXNt

0

0

0

0

0 ,

waktuterhadapberubahVuntuk,dt

tetapVuntuk

outA

inoutA

r

XXFV

0

out

in

X

X A

A

r

dXFV

0


26/33

1. Single reaction

Misal untuk reaksi

FEED PRODUCT dengan

dari persamaan laju reaksi dapat dipahami bahwa untukmenjaga agar reaksi berlangsung dengan cepat, konsentrasi

umpan harus diusahakan tetap tinggi. Keadaan ini dapat

dicapai dengan penggunaan ideal bacth reactor atau plug-

flow reactor.

Jika yang digunakan adalahmixed-flow reactor, umpan akan

langsung tercampur dengan produk begitu memasuki reaktor

sehingga konsentrasinya rendah. Hal ini akan menyebabkan

volume reaktor lebih besar.

Choice of Idealized Reactor Model

FEEDFEED kCr


27/33


Misal untuk reaksi paralel berikut:

FEED PRODUCT

FEED BYPRODUCT

Rasio laju reaksi antara reaksi samping dengan reaksi utama:

Jika

2 < 1 gunakanideal-bacth reactor atau plug-flow reactor

2 > 1 gunakanmixed-flow reactor


2

22

FEEDCkr

1

11

FEEDCkr

12

1

2

1

2

FEEDC

k

k

r

r


28/33


Misal untuk reaksi seri berikut ini:

FEED PRODUCT

PRODUCT BYPRODUCT

Untuk mencapai konversi dan selektivitas tertentu, agar

produk yang dihasilkan semaksimal mungkin, maka

konsentrasi umpan harus diusahakan agar tetap tinggi.Dengan demikian yang lebih sesuai adalahideal batch reactor

atauplug-flow reactor.


2

22

PRODUCTCkr

1

11

FEEDCkr


29/33

4. Mixed parallel and series reactions producing byproducts

Misal untuk reaksi seri-paralel berikut

FEED PRODUCT

FEED BYPRODUCT

PRODUCT BYPRODUCTJika

2 < 1 gunakanideal-bacth reactor atau plug-flow reactor

2 > 1 gunakan

mixed-flow reactoryang disusun seri, atau plug-flowreactor denganrecycle, atau

kombinasi antaraplug-flowdanmixed flow


2

22

FEEDCkr

1

11

FEEDCkr

3

33

PRODUCTCkr


30/33

mixed-flow reactor

yang disusun seri

plug-flow reactor

denganrecycle

kombinasi antara

plug-flowdan mixed

flow


31/33

Catatan:

Tujuan perancangan reaktor secara umum (walaupun tidak selalu)

adalah untuk membuat reaktor yang mampu memberikan konversi

yang tinggi namun ukuran reaktor tidak terlalu besar sehingga biayapembuatan reaktor seminimal mungkin.


32/33

Pada saat merancang, penting untuk menentukan berapa konversi

yang ingin dicapai. Berikut adalah beberapa hal terkait penentuan

konversi saat perancangan

Untuk reaksi tunggal (single reaction), setting awal konversi yang

optimum adalah 95 % untuk reaksi searah dan untuk reaksi bolak-

balik adalah 95% dari konversi kesetimbangannya.

Pada reaksi paralel, jika order reaksi samping lebih besar dibanding

reaksi utama, selektivitas akan naik jika konversi naik. Untuk kasus

ini pilih setting awal konversi sama dengan untuk reaksi tunggal.Namun jika order reaksi samping lebih kecil dibanding reaksi

utama, pilih setting awal konversi sebesar 50% jika reaksi searah

dan 50% dari konversi kesetimbangan jika reaksinya adalah bolak-

balik.

Jika produk samping dihasilkan melalui reaksi seri, maka

selektivitas akan menurun dengan naiknya konversi. Pilih setting

awal konversi sebesar 50% jika reaksi searah dan 50% dari konversi

kesetimbangan jika reaksinya adalah bolak-balik.

QUIZ 2


33/33

1.Identifikasi reaksi berikut ini termasuk dalam reaksi seri, paralel, atau gabungan

seri-paralel

2. Diketahui reaksi, A + B 2C (reaksi 1) , dan C + 2A D (reaksi 2)

(dengan C adalah produk yang diinginkan dan D adalah produk samping)

Hitung konversi, selektifitas dan yield masing-masing produk dengan basis

senyawa B dan A

a) A B

A C

d) A + B P

B Q

b) A B

B C

C D

e) P + Q X

P + X Z

c) M + N P

P + Q R

f) A + B C

A + B D

QUIZ 2

Senyawa Mula-mula, mol Setelah reaksi, mol

A 30 6B 20 4

C 0 28

D 0 4

Documents

2_Choice of Reactor 1_reactor Performance