Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)
Pengantar Pada reaktor batch, konversi akan meningkat seiring dengan lamanya waktu waktu reak reaksi si di dalam dalam reakt reaktor or.. Pada Pada reakt reaktor or kontin ontinyu, yu, waktu waktu reak reaksi si tersebut setara dengan waktu tinggal di dalam reaktor yang ditentukan dari volume reaktor. Terda erdapa patt ban banyak sek sekali ali tipe tipe reakt eaktor or konti ontin nyu dan dan sala salah h satu satun nya Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) atau disebut juga Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB). (RATB). Sesuai dengan namanya, prinsip dari reaktor ini adalah mixed-flow dan dan dapat digunakan ketika reaksi melibatkan fasa cair cai r.
Pengantar Pada reaktor batch, konversi akan meningkat seiring dengan lamanya waktu waktu reak reaksi si di dalam dalam reakt reaktor or.. Pada Pada reakt reaktor or kontin ontinyu, yu, waktu waktu reak reaksi si tersebut setara dengan waktu tinggal di dalam reaktor yang ditentukan dari volume reaktor. Terda erdapa patt ban banyak sek sekali ali tipe tipe reakt eaktor or konti ontin nyu dan dan sala salah h satu satun nya Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) atau disebut juga Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB). (RATB). Sesuai dengan namanya, prinsip dari reaktor ini adalah mixed-flow dan dan dapat digunakan ketika reaksi melibatkan fasa cair cai r.
Perancangan CSTR Perancangan CSTR Isothermal Isothermal L/minute
F A mol/minute 0
F B
0
F C
0
F D
0
F A
F I
0
F B A
b a
B
c
a
C
d a
D
F C F D
Stoikiometri Komponen
Mula-mula
Bereaksi
Sisa
(mol) A
F Ao
F Ao.X
F A=F Ao- F Ao.X
B
FBo
(b/a).F Ao.X
FB=FBo- (b/a).F Ao.X
C
FCo
(c/a).F Ao.X
FC=FCo+ (c/a).F Ao.X
D
FDo
(d/a).F Ao.X
FD=FDo+ (d/a).F Ao.X
I (Inert)
FIo
FI=FIo
TOTALs
F
F =F +[d/a+c/a-b/a-1]F X
Soal: Reaksi penyabunan antara soda kaustik dengan tristearin berlangsung dalam reaktor alir tangki berpengaduk dengan volume konstan:
3NaOH(aq) + (C17H35COO)3C3H5 3C17H35COONa + C3H5(OH)3 Jika konversi NaOH dinyatakan dalam X, buatlah tabel stoikiometri untuk menyatakan perubahan mol selama reaksi.
Design Equation Misal reaksi berikut ini terjadi pada suatu CSTR: A
b a
B
c
C
a
d
D
a
Neraca massa A di dalam reaktor pada steady state:
rate of flow rate of flow rate of rate of of A input of A output reaction accumulati on F A0
Dari stoikiometri F A
F A0
F A
-r V A
F A0 X , sehingga
F A0 X
V
0
-r V A
F A0 X
V
F A0 X
-r A
Dengan design equation tersebut, untuk konversi sebesar X, dengan data kinetika reaksi, volume reaktor (V) dapat dihitung. Ketika laju alir volumetris diketahui sebesar v dan tidak berubah selama reaksi (v = v0), design equation untuk CSTR dapat ditulis:
C A0 C A V v0 -r A Modifikasi persamaan memberikan definisi space time (τ )
V
C A C A 0
Misal untuk reaksi irreversible order 1, persamaan laju reaksi (rate law) r A kC A
Kombinasi antara design equation dengan rate law:
C A0 C A kC A
Dapat disusun ulang menjadi C A
C A0
1 k
Volume tetap selama reaksi sehingga C A Dengan modifikasi diperoleh X
k
C A0
C A0 X
X
k
1 k
Dari persamaan tersebut, jika nilai τ k diketahui, maka konversi dapat dihitung. Nilai τ k inilah yang disebut dengan Dahmköhler number (Da) untuk reaksi order satu. Dahmköhler number adalah suatu bilangan tak berdimensi yang dapat digunakan untuk mengestimasi secara cepat seberapa besar konversi yang dapat dicapai oleh suatu reaksi yang dijalankan pada suatu reaktor kontinyu. Jika Da ≤ 0,1 Jika Da ≥ 10
konversi yang dicapai kurang dari 10% konversi yang dicapai lebih dari 90%
Bagaimana dengan reaksi order dua?
V
Design equation
F A0 X
-r A
Jika reaksi order dua dengan persamaan laju reaksi
r A
2
kC A
Substitusi persamaan laju reaksi ke design equation F A0 X V 2 kC A
Jika laju alir volumetris tetap v
Definisi konversi C A
C A0
V v0
v0 , F A0 X
C A C A kC A
C A 0 X
0
2
v0 C A0
C A
X
kC A0 1
X
2
Jika persamaan dinyatakan dalam konversi, maka bentuk akhir menjadi: X
1 2 kC A0
1 4 kC A0
2 kC A0
Dengan Dahmköhler number (Da) = kC A 0
X
1 2 Da 2 Da
1 4 Da
CSTRs in Series C A0 v0
r A
r A
V 1
V 2
1
C A1 , X 1
2
C A 2 , X 2
v1
Jika laju alir volumetris tetap, maka Asumsi: reaksi order satu.
v2 v
0
v
1
v
2
v
CSTRs in Series C A0 v0
r A
r A
V 1
V 2
1
C A1 , X 1
2
C A 2 , X 2
v1
v2
Jika laju alir volumetris tetap, maka v0 Asumsi: reaksi order satu. Konsentrasi keluar dari reaktor pertama:
C A1
v
1
C A0
1
k
1 1
Konsentrasi keluar dari reaktor kedua: C
C A1
C A0
v
2
v
Jika volume kedua reaktor sama, maka 1
2
Jika kedua reaktor beroperasi pada suhu yang sama, maka k 1
k 2
k
Persamaan untuk menentukan konsentrasi keluar dari reaktor kedua: C A2
Konversi keseluruhan
C A0
1 k
2
X 1
C A0
1 Da
2
1
1 k
2
Dari definisi tersebut, jika reaksi order satu dijalankan pada CSTR seri sebanyak n reaktor, konsentrasi akhir dapat dituliskan: C An
C A0
1 k
n
C A0
1 Da
n
Dengan konversi keseluruhan 1
1
CSTRs in Paralel V i F A 01
X i F A0i r Ai
Jika kedua reaktor berukuran
F A 0
sama, beroperasi pada suhu yang sama, dan arus masuk keduanya sama, maka:
F A02
X 1
F A0i
r A1
V
X 2
r A2
F A0
r A
; V i
2
F
X
X
V
2
Contoh soal: diambil dari example 4.2, Fogler 4th ed
Producing 200 million pounds per year in a CSTR Close to 12,2 billion metric tons of ethylene glycol (EG) were produced in 2000, which ranked it the twenty-sixth most produced chemical in the nation that year on a total pound basis. About one-half of the ethylene glycol is used for antifreeze while the other half is used in the manufacture of polyesters. In the polyesters category, 88% was used for fibers and 12% for the manufacture of bottles and films. The 2004 selling price for ethylene glycol was $0,28 per pound. It is desired to produce 200 million pounds per year of EG. The reactor is to be operated isothermally. A 1 lbmol/ft3 solution of ethylene oxide (EO) in water is fed to the reactor together with an equal volumetric solution of water containing 0,9 wt% of the catalyst H 2SO4. The spesific tion te constant is 0,311 min-1
a. If 80% conversion is to be achieved, determine the necessary CSTR volume. b. If two 800-gal reactor were arranged in parallel, what is the corresponding conversion? c. If two 800-gal reactors were arranged in series, what is the corresponding conversion? Solution EG adalah satu-satunya produk yang dihasilkan
Diinginkan memproduksi EG sebanyak 200 juta pound per tahun, jumlah ini setara dengan: F C
8
2 10
lb tahun
Dari stoikiometri
1tahun 365hari
F C
1hari
1jam
24jam 60menit
1lbmol 62lb
6,137
lbmol menit
F A0 X
Jika diinginkan konversi ethylene oxide sebesar 80%, maka ethylene oxide yang dibutuhkan yaitu: F C 6,137 lbmol 7,67 F A0 0,8 menit X a. Volume 1 CSTR F A0 X V -r A Reaksi order 1 F A0 X V
V
F A0 X
kC A Dari stoikiometri C A V
F A0 X
k
F A0 1 X
F A v0
F A0 1 X
v0
v0 X
k 1 X
v0
Dari persamaan tersebut, nilai k dan X diketahui, tetapi v0 belum diketahui. Dari definisi, v0 adalah laju alir volumetris total dari umpan masuk. Karena umpan masuk terdiri dari A dan B, maka:
v0
v A0
vB 0
Dari soal diketahui bahwa konsentrasi umpan A sebesar 1 lbmol/ft3 dan umpan B memiliki laju alir volumetris yang sama dengan umpan A.
lbmol 7,67 3 F A0 ft menit 7,67 v A0 lbmol C A0 menit 1 ft 3 Umpan B memiliki laju alir volumetris yang sama dengan umpan A. Jadi
3
v0
v A0 v B 0
2v A0
15,34
ft
menit
Dengan demikian, volume reaktor dapat dihitung
V
v0 X k 1 X
ft 3 0,8 15,34 menit 0,311
1
menit
1
3
197,3 ft
0,8
Jadi volume reaktor yang dibutuhkan adalah 197,3 cuft atau setara
Mechanical Design CSTR Mechanical design CSTR kurang lebih sama dengan mechanical design untuk 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 transfer panas, dsb.
s b m u h T f o e l u
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. Fogler, H.S., Element of Chemical Reaction Engineering, 4th ed. 3. Couper J.R., Penney, W.R., Fair, J.R., and Walas, S.M., 2005, Chemical Process Equipment : Selection and Design , 2 nd ed. 4. Coulson&Richardson’s Chemical Engineering vol.1, 6th edition. 5. Brownel&Young, Process Equipment Design, 6. Smith, J.M., Chemical Engineering Kinetics, 3rd ed.
dll...
