Teknik reaksi kimia Reaktor
PENDAHULUAN
Reaktor adalah sebuah bejana tempat terjadinya reaksi, baik itu
reaksi kimia, nuklir, maupun biologis yang bukan terjadi secara fisika.
Dalam reaktor nuklir terjadi perubahan massa yang menjadi energy yang
besar. Reaktor biologis dapat mengubah zat biologis menjadi energi. Dan
reaktor kimia tidak terjadi perubahan massa hanya berubah dari satu bahan
ke bahan lain. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke
bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias
terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energi seperti panas
(contoh energi yang paling umum).
Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia, jadi terjadi
perubahan bahan bukan fasa misalnya dari air menjadi uap yang
merupakan reaksi fisika Dan di makalah ini hanya akan membahas reaktor
kimia. Reaktor kimia adalah jenis reaktor yang umum sekali digunakan
dalam industri. Hal ini dikarenakan, dalam sintesis bahan kita selalu
memerlukan jenis reaktor ini.
ISI
1. Faktor Untuk Memilih Jenis Reaktor
Terdapat beberapa factor untuk dapat memilih jenis reaktor yang
dibutuhkan, yaitu
a) Fase zat pereaksi dan hasil reaksi
b) Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi serta reaksi
samping
c) Kapasitas produksi
d) Harga reaktor dan biaya perawatan
e) Kemampuan reaktor untuk menyediakan luas permukaan untuk
perpindahan panas
2. Parameter Yang Mempengaruhi Rancangan Reaktor
Rancangan dari reaktor tergantung dari beberapa parameter.
Parameter ini digunakan agar reaktor dapat memenuhi kerja yang
dibutuhkan. Parameter-parameter tersebut ialah:
a) Waktu tinggal
b) Temperatur (T)
c) Volume (V)
d) Konsentrasi
e) Koefisien Perpindahan Panas (h,U)
f) Tekanan (P)
Dalam merancang sebuah reaktor perlu diperhatikan neraca massa
dan neraca energinya. Reaktor dianggap ideal jika dalam keadaan steadystate. Yaitu besarnya massa yang masuk sama dengan massa yang keluar
ditambah akumulasi. Untuk menunjang energy yang diperlukan dalam
reaktor , dapat dilakukan penambahan atau pengambilan panas dari reaktor
dengan menggunakan Heat Exchanger tipe tertentu.
Reaktor Semi-Batch
Didalam reaktor semi-batch memiliki tangki berpengaduk yang cara
pengoperasiannya dengan memasukkan sebagian zat pereaksi ke dalam
reaktor, sedangkan sebagian zat pereaksi lainnya dimasukkan secara
kontinyu kedalam reaktor. Contoh reaksi yang bisa terjadi dalam reaktor ini
adalah klorinasi, suatu reaksi cair-gas digelembungkan secara kontinyu dari
dasar tangki agar bereaksi dengan cairan di tangki yang diam.
Didalam reaktor semi-batch memiliki satu atau lebih tube packed
yang diposisikan secara vertical yang terdapat partikel katalisnya, dan
beroperasi secara adiabatis.
Gambar 1. Skema semi-batch reactor
Semi-batch reaktor dibutuhkan ketika
Mereaksikan gas dengan liquid
Mengontrol reaksi eksotermis
Meningkatkan yield produk dikondisi yang memungkinkan
Reaktor Batch
Reaktor Batch tidak ada massa yang masuk dan keluar selama reaksi. Jadi
bahan dimasukkan, direaksikan selama waktu tertentu dan keluar sebagai produk
yang
selama
reaksi
tidak
ada
umpan-produk
mengalir.
Contoh
dari
penggunaannya dalam batch distillation, crystallization, liquid-liquid extraction,
pharmacy, dan fermentasi. Reaktor jenis ini memiliki ciri tidak terdapat aliran
inlet-outlet selama operasi, memiliki pengaduk bercampur reaktan, dan dalam
proses berurutan mulai dari mengisi bahan baku, operasi, pengeluaran produk,
pembersihan, dan pengkondisian untuk mengolah bahan selanjutnya
Gambar 4. Batch Reactor
Gambar 5. Skema Batch Reactor
Reaktor batch di desain untuk beroperasi dalam proses unsteady – state,
banyak reaktor batch menunjukkan perilaku nonlinier yang dimiliki oleh pasangan
reaksi kinetika dan temperatur reaktor, dimana lebar jarak temperatur berlebih,
dengan kata lain reaksi berjalan eksotermis memproduksi panas berlebih sehingga
harus dihilangkan dengan sistem pendinginan. Sirkulasi pompa untuk pendingan
bertujuan meminimalkan waktu tinggal agar tetap konstan.
Dalam reaktor batch, umumnya menggunakan
Fasa cair
Skala proses kecil
Memproduksi produk mahal
Prosesnya sulit diubah menjadi kontiny
Perlu dilakukan pembersihan berkala
Proses memerlukan waktu lama
Keuntungan dalam penggunaan reaktor batch adalah harganya yang lebih
murah dan mudah dioperasikan karena penambahan bahan per volume.
Sedangkan kerugiannya seperti sulitnya mengendalikan suhu, lebih banyak
pekerja untuk pengawasan proses, rentan bocor jika di isi fase gas, dan tidak
efektif untuk skala produksi besar karena waktu yang dibutuhkan lebih lama.
Suatu reaksi:
Neraca Panas pada Reaktor Batch
Panas reaksi (Notasi ∆H) merupakan ukuran tentang banyaknya panas yang
diserap atau dikeluarkan pada saat suatu reaksi berlangsung. Misalnya untuk
reaksi berikut ini :
aA +
bB
rR +
sS
∆Hr kkal/mol
Panas reaksi (∆Hr) didefinisikan sebagai panas yang dibutuhkan/dihasilkan
bil a mol zat A bereaksi dengan b mol zat B membentuk r mol zat R dan s
mol zat S. Besarnya panas reaksi ini selain, selain tergantung pada temperatur
dan tekanan operasinya, juga tergantung pada keadaan sistim itu sendiri, yaitu
apakah sistim tempat reaksi berlangsung merupakan sistim terbuka atau
tertutup.
Pada reaktor batch yang memiliki sistem tertutup, terdapat dua kategori;
Sistim tertutup dapat dibagi dalam 2 (dua) katagori, yaitu :
-
Sistim tertutup pada tekanan konstan
Untuk sistim seperti ini, panas reaksi dihitung tepat sama dengan
apa yang telah diturunkan untuk sistim terbuka, yaitu panas reaksi adalah
sama dengan perbedaan entalpi produk dan reaktan.
-
Sisitim tertutup pada volume konstan
Menurut hukum termodinamika panas reaksi untuk sistim tertutup
pada volume konstan, adalah sama dengan perbedaan energi dalam
(internal energi)antara produk dan reaktan, atau dituliskan :
∆Ur = ∑ ni Ui ..
di mana :
Ui adalah energi dalam molar senyawa i
Neraca Massa pada Reaktor Batch
A+B
P
Neraca massa untuk komponen A adalah :
FAi = FAC + (dNA/dt) + (-rA)(V)
FAi = FAo = 0, karena tidak ada reaktan yang masuk atau keluar
Pada reaktor batch, tidak ada fluida yang masuk ke ataupun yang keluar dari
reaktor, Berkurangnya zat A sesuai dengan reaksi yang terjadi dirumuskan:
(-rA)V
Yaitu mol A yang bereaksi per satuan waktu per satuan volume fluida dikali
volume fluida. Dalam hal ini, satuannya menjadi mol/s. Maka neraca massa
untuk komponen A dapat dituliskan :
Input = output + disappearance +accumulation
FAi = FAC + (dNA/dt) + (-rA)(V)
FAi = FAo = 0, karena tidak ada reaktan yang masuk atau keluar
−rA=
−1 dNA
V dt
…………………………...…(1)
Untuk menghitung jumlah A dalam reaktor, digunakan
d [ N A0 (1 X A )]
d NA
d XA
N A0
dt
dt
dt ………..……… ……(2)
Jika pers 3) diintegralkan, t (waktu reaksi) dapat dinyatakan sebagai
XA
t=N A
0
t =C A
C
A
t=− ∫
CA
0
dX
∫ (−rA )V .. .. .. (3 )
0
XA
0
A
dX
∫ (−rA )
0
dC A
−r A
A
. .. . ..( 4 )
Pers 3) dan pers 4) berlaku untuk sistem dengan densitas konstan dan V tidak
konstan, maka persamaan menjadi
XA
XA
dX A
dX A
t=N A ∫
=C A ∫
0
0
0 (−r A )V 0 (1+εX A )
0 (−r A )(1+εX A )
...………..(5)
Persamaan-persamaan di atas berlaku untuk proses isotermal ataupun
nonisotermal dan bila digambarkan kurvanya adalah sebagai berikut
Gambar 6. Kurva kinerja reaktor batch
Waktu tinggal pada Reaktor Batch
Jika waktu reaksi digunakan untuk mengukur kinerja sebuah reaktor batch,
maka untuk reaktor-reaktor alir performance diukur dengan space time atau
spacevelocity.
Pada reaksi orde satu
A
P
Dimana
−rA=k 1. CA
Maka watu operasi dapat ditentuan sebagai berikut
XA
t =C A
t =C A
dX
0
∫ (−r A )
0
∫ ( k 1 .CA
0
XA
0
A
dX
A
)
XA
t =C A
0
∫ k 1. C
0
dX A
Ao (1−XA )
t = 1/k1
Space time : waktu yang diperlukan untuk mengumpankan sejumlah tertentu
zat/pereaksi pada suatu kondisi tertentu ke dalam reaktor sehingga proses
reaksi dapat berjalan ,
Satuannya adalah waktu (s)
t = 1/s
Space velocity : jumlah reaktor dengan volume tertentu per satuan waktu
yang dapat menerima umpan pada kondisi tertentu sehingga reaksi dapat
berlangsung, satuannya waktu -1 (s-1)
s = 1/ t
Hubungan s,Ʈ dengan variable lainnya :
Ʈ=
CA V
1
= 0
s
FA
=
0
mole A yang masuk
volume umpan
=
[ Volume reaktor ]
mole A masuk
V waktu
volume reaktor
=
v 0 kecepatan volumetrik
Reaktor adalah sebuah bejana tempat terjadinya reaksi, baik itu
reaksi kimia, nuklir, maupun biologis yang bukan terjadi secara fisika.
Dalam reaktor nuklir terjadi perubahan massa yang menjadi energy yang
besar. Reaktor biologis dapat mengubah zat biologis menjadi energi. Dan
reaktor kimia tidak terjadi perubahan massa hanya berubah dari satu bahan
ke bahan lain. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke
bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias
terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energi seperti panas
(contoh energi yang paling umum).
Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia, jadi terjadi
perubahan bahan bukan fasa misalnya dari air menjadi uap yang
merupakan reaksi fisika Dan di makalah ini hanya akan membahas reaktor
kimia. Reaktor kimia adalah jenis reaktor yang umum sekali digunakan
dalam industri. Hal ini dikarenakan, dalam sintesis bahan kita selalu
memerlukan jenis reaktor ini.
ISI
1. Faktor Untuk Memilih Jenis Reaktor
Terdapat beberapa factor untuk dapat memilih jenis reaktor yang
dibutuhkan, yaitu
a) Fase zat pereaksi dan hasil reaksi
b) Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi serta reaksi
samping
c) Kapasitas produksi
d) Harga reaktor dan biaya perawatan
e) Kemampuan reaktor untuk menyediakan luas permukaan untuk
perpindahan panas
2. Parameter Yang Mempengaruhi Rancangan Reaktor
Rancangan dari reaktor tergantung dari beberapa parameter.
Parameter ini digunakan agar reaktor dapat memenuhi kerja yang
dibutuhkan. Parameter-parameter tersebut ialah:
a) Waktu tinggal
b) Temperatur (T)
c) Volume (V)
d) Konsentrasi
e) Koefisien Perpindahan Panas (h,U)
f) Tekanan (P)
Dalam merancang sebuah reaktor perlu diperhatikan neraca massa
dan neraca energinya. Reaktor dianggap ideal jika dalam keadaan steadystate. Yaitu besarnya massa yang masuk sama dengan massa yang keluar
ditambah akumulasi. Untuk menunjang energy yang diperlukan dalam
reaktor , dapat dilakukan penambahan atau pengambilan panas dari reaktor
dengan menggunakan Heat Exchanger tipe tertentu.
Reaktor Semi-Batch
Didalam reaktor semi-batch memiliki tangki berpengaduk yang cara
pengoperasiannya dengan memasukkan sebagian zat pereaksi ke dalam
reaktor, sedangkan sebagian zat pereaksi lainnya dimasukkan secara
kontinyu kedalam reaktor. Contoh reaksi yang bisa terjadi dalam reaktor ini
adalah klorinasi, suatu reaksi cair-gas digelembungkan secara kontinyu dari
dasar tangki agar bereaksi dengan cairan di tangki yang diam.
Didalam reaktor semi-batch memiliki satu atau lebih tube packed
yang diposisikan secara vertical yang terdapat partikel katalisnya, dan
beroperasi secara adiabatis.
Gambar 1. Skema semi-batch reactor
Semi-batch reaktor dibutuhkan ketika
Mereaksikan gas dengan liquid
Mengontrol reaksi eksotermis
Meningkatkan yield produk dikondisi yang memungkinkan
Reaktor Batch
Reaktor Batch tidak ada massa yang masuk dan keluar selama reaksi. Jadi
bahan dimasukkan, direaksikan selama waktu tertentu dan keluar sebagai produk
yang
selama
reaksi
tidak
ada
umpan-produk
mengalir.
Contoh
dari
penggunaannya dalam batch distillation, crystallization, liquid-liquid extraction,
pharmacy, dan fermentasi. Reaktor jenis ini memiliki ciri tidak terdapat aliran
inlet-outlet selama operasi, memiliki pengaduk bercampur reaktan, dan dalam
proses berurutan mulai dari mengisi bahan baku, operasi, pengeluaran produk,
pembersihan, dan pengkondisian untuk mengolah bahan selanjutnya
Gambar 4. Batch Reactor
Gambar 5. Skema Batch Reactor
Reaktor batch di desain untuk beroperasi dalam proses unsteady – state,
banyak reaktor batch menunjukkan perilaku nonlinier yang dimiliki oleh pasangan
reaksi kinetika dan temperatur reaktor, dimana lebar jarak temperatur berlebih,
dengan kata lain reaksi berjalan eksotermis memproduksi panas berlebih sehingga
harus dihilangkan dengan sistem pendinginan. Sirkulasi pompa untuk pendingan
bertujuan meminimalkan waktu tinggal agar tetap konstan.
Dalam reaktor batch, umumnya menggunakan
Fasa cair
Skala proses kecil
Memproduksi produk mahal
Prosesnya sulit diubah menjadi kontiny
Perlu dilakukan pembersihan berkala
Proses memerlukan waktu lama
Keuntungan dalam penggunaan reaktor batch adalah harganya yang lebih
murah dan mudah dioperasikan karena penambahan bahan per volume.
Sedangkan kerugiannya seperti sulitnya mengendalikan suhu, lebih banyak
pekerja untuk pengawasan proses, rentan bocor jika di isi fase gas, dan tidak
efektif untuk skala produksi besar karena waktu yang dibutuhkan lebih lama.
Suatu reaksi:
Neraca Panas pada Reaktor Batch
Panas reaksi (Notasi ∆H) merupakan ukuran tentang banyaknya panas yang
diserap atau dikeluarkan pada saat suatu reaksi berlangsung. Misalnya untuk
reaksi berikut ini :
aA +
bB
rR +
sS
∆Hr kkal/mol
Panas reaksi (∆Hr) didefinisikan sebagai panas yang dibutuhkan/dihasilkan
bil a mol zat A bereaksi dengan b mol zat B membentuk r mol zat R dan s
mol zat S. Besarnya panas reaksi ini selain, selain tergantung pada temperatur
dan tekanan operasinya, juga tergantung pada keadaan sistim itu sendiri, yaitu
apakah sistim tempat reaksi berlangsung merupakan sistim terbuka atau
tertutup.
Pada reaktor batch yang memiliki sistem tertutup, terdapat dua kategori;
Sistim tertutup dapat dibagi dalam 2 (dua) katagori, yaitu :
-
Sistim tertutup pada tekanan konstan
Untuk sistim seperti ini, panas reaksi dihitung tepat sama dengan
apa yang telah diturunkan untuk sistim terbuka, yaitu panas reaksi adalah
sama dengan perbedaan entalpi produk dan reaktan.
-
Sisitim tertutup pada volume konstan
Menurut hukum termodinamika panas reaksi untuk sistim tertutup
pada volume konstan, adalah sama dengan perbedaan energi dalam
(internal energi)antara produk dan reaktan, atau dituliskan :
∆Ur = ∑ ni Ui ..
di mana :
Ui adalah energi dalam molar senyawa i
Neraca Massa pada Reaktor Batch
A+B
P
Neraca massa untuk komponen A adalah :
FAi = FAC + (dNA/dt) + (-rA)(V)
FAi = FAo = 0, karena tidak ada reaktan yang masuk atau keluar
Pada reaktor batch, tidak ada fluida yang masuk ke ataupun yang keluar dari
reaktor, Berkurangnya zat A sesuai dengan reaksi yang terjadi dirumuskan:
(-rA)V
Yaitu mol A yang bereaksi per satuan waktu per satuan volume fluida dikali
volume fluida. Dalam hal ini, satuannya menjadi mol/s. Maka neraca massa
untuk komponen A dapat dituliskan :
Input = output + disappearance +accumulation
FAi = FAC + (dNA/dt) + (-rA)(V)
FAi = FAo = 0, karena tidak ada reaktan yang masuk atau keluar
−rA=
−1 dNA
V dt
…………………………...…(1)
Untuk menghitung jumlah A dalam reaktor, digunakan
d [ N A0 (1 X A )]
d NA
d XA
N A0
dt
dt
dt ………..……… ……(2)
Jika pers 3) diintegralkan, t (waktu reaksi) dapat dinyatakan sebagai
XA
t=N A
0
t =C A
C
A
t=− ∫
CA
0
dX
∫ (−rA )V .. .. .. (3 )
0
XA
0
A
dX
∫ (−rA )
0
dC A
−r A
A
. .. . ..( 4 )
Pers 3) dan pers 4) berlaku untuk sistem dengan densitas konstan dan V tidak
konstan, maka persamaan menjadi
XA
XA
dX A
dX A
t=N A ∫
=C A ∫
0
0
0 (−r A )V 0 (1+εX A )
0 (−r A )(1+εX A )
...………..(5)
Persamaan-persamaan di atas berlaku untuk proses isotermal ataupun
nonisotermal dan bila digambarkan kurvanya adalah sebagai berikut
Gambar 6. Kurva kinerja reaktor batch
Waktu tinggal pada Reaktor Batch
Jika waktu reaksi digunakan untuk mengukur kinerja sebuah reaktor batch,
maka untuk reaktor-reaktor alir performance diukur dengan space time atau
spacevelocity.
Pada reaksi orde satu
A
P
Dimana
−rA=k 1. CA
Maka watu operasi dapat ditentuan sebagai berikut
XA
t =C A
t =C A
dX
0
∫ (−r A )
0
∫ ( k 1 .CA
0
XA
0
A
dX
A
)
XA
t =C A
0
∫ k 1. C
0
dX A
Ao (1−XA )
t = 1/k1
Space time : waktu yang diperlukan untuk mengumpankan sejumlah tertentu
zat/pereaksi pada suatu kondisi tertentu ke dalam reaktor sehingga proses
reaksi dapat berjalan ,
Satuannya adalah waktu (s)
t = 1/s
Space velocity : jumlah reaktor dengan volume tertentu per satuan waktu
yang dapat menerima umpan pada kondisi tertentu sehingga reaksi dapat
berlangsung, satuannya waktu -1 (s-1)
s = 1/ t
Hubungan s,Ʈ dengan variable lainnya :
Ʈ=
CA V
1
= 0
s
FA
=
0
mole A yang masuk
volume umpan
=
[ Volume reaktor ]
mole A masuk
V waktu
volume reaktor
=
v 0 kecepatan volumetrik