TUGAS TRK I: BAB 11
Disusun Oleh: Kelompok 5
Aisyah Latifah Aenul Mukaromah Mukaromah Anthony Ryan M. Perdana Surya Samuel Pangeran
1506717916 1606842966 1506746424 1506717821 1506746166
DEPARTEMEN DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UNIVERSITAS INDONESIA DEPOK 2017
P11-2A
a) Example 1-1. Consider the mass transfer-limited reaction A
2B
What would your concentration (mole fraction) profile look like? Using the same values for
Jawab:
. and so on, in Example 11-1, what is the flux of A?
= = 2 = 1 = 1 = 0 = ln1 …………………1 = = = ln1 …………………2 −/ = 1 1
Lalu, dengan mengintegralkan persamaan di atas saat
Pada z = 0 dan
dan
, didapatkan:
:
Dengan membandingkan persamaan (1) dan persamaan pe rsamaan (2) untuk menghilangkan nilai didapatkan persamaan untuk menentukan nilai
:
,
b) Example 11-2. How would you answers change if the temperature was increased by 50ºC. The particle diameter was doubled, and fluid velocity was cut in half? Assume properties of water can be used for this system.
Jawab: Asumsi: sifat fluida air bisa digunakan pada sistem ini
= 300 = 350
= / / / / = = / / / = 300 = 0,883 = 350 = 0,380 = = = 2,32
Pada perkiraan pertama, asumsikan:
Maka:
Pada Pada
nilai
nilai
Kita asumsikan bahwa nilai massa jenis tidak berubah secara signifikan,
= 0,5 = 0,5 dan
= 4.61 10−/ / 1 / 1 − / = 4.61 10 /2,32 2 2 = 4.65 10−/ − 10 10 = = = 4.61 = 0,00465 . c) Example 11-3. How would our answers change if you had 50-50 mixture of hydrazine and helium? If you increase dp by a factor of 5?
Jawab: A 50-50 mixture of hydrazine and helium would only affect the kinematic velocity to a small extent. Consequently the complete conversion would be achieved. Increase diameter by a factor of 5.
Calculating the conversion:
/ = / 1 = 2,9/5 = 1,3 /
= 1exp1.3 1063 0.05 15 = 1exp4.6 = 10.01 = . = %
Again virtually complete conversion.
d) Example 11-4. What if you were asked for representatives values of Re, Sc, Sh, and kc for both liquid and gas phase systems for a velocity of 10cm/s and a pipe diameter of 5 cm (or a packed bed
Jawab: Fasa liquid : ( contoh : air)
diameter of 0.2 cm)? What numbers would you give?
= ∗, ∗, − = 5000
; Re =
Dari halaman 786-787 buku Fogler edisi 4, diketahui :
e) Example 11-5. How would your answers change if the reaction were carried out in
= = −1 1−7731 8731 = −. = 0.55 ~ = 0.155 = / / = / / = / = 0.55/ = 0.91
the liquid phase where kinetic viscosity varied as
Jawab:
Asumsikan:
Calculating the conversion:
= 1.0590.91 = 0.96 ln 11 = 0.962 = 1.92 = −. = . f) Derive equations (SNl 1-1.1 ) and (SNJ 1.2). Next consider there are no gradients inside the patch and that the equilibrium solubility in the skin immediately adjacent to the skin is
= , , =
where H is a form of Henry law constant. Write the flux as
a function of H, δ,
. Finally carry out a quasi-steady analysis, i.e.
To predict the drug delivery as a function of time. Compare this result with that where the drug in the patch is in a dissolving solid and a hydro-gel and therefore constant with time. Explore this problem using different models and parameter values.
Additional I nformation H=0.01,
= . , = , , =
Jawab:
Assume concentration in blood is negligible
= 0 .
Assume quasi steady state:
= = = 0 Adding:
Karena
=
[ ] = = [ ] maka:
= =
Flow into the blood
If
= =
= , ≡ =
If
varies:
= 1 = = −/ =
P11-5B The decomposition of cyclohexane to benzene and hydrogen is mass transfer-limited at high temperatures. The reaction is carried out in a 5-cm-ID pipe 20 m in length packed with cylindrical pellets 0,5 cm in diamter and 0,5 cm in length. The pellets are coated with catalyst
only on the outside. The bed porosity is 40%. The entering volumetric flow rate is 60 dm3/min. (a) Calculate the number of pipe necessary to achieve 99,9% conversion of cyclohrxane from an entering gas stream of 5% cyclohexane and 95% H 2 at 2 atm and 500 OC (b) Plot conversion as a function of length (c) How much would your answer change if the pellet diameter and length were each cut in half? (d) How would your answer to part (a) change if the feed were pure cyclohexane? (e) What do you believe is the point of this problem?
Jawab: Diketahui:
5-cm-ID pipe Length: 20 m Cylindrical pellets: 0,5 cm in diamter and 0,5 cm in length The bed porosity is 40% The entering volumetric flow rate is 60 dm3/min
(a) Diketahui bahwa packed bed, mass transfer limited dan gas phase Algoritma: 1. Mole Balance
1". =0 " = . .. = ".
, dimana Fa = U. Ca. Ac
U= Kecepatan konstan superfisial gas
2. Rate Law Transfer masa dengan limited boundary condition
" = . = 0 = .+.− .. " = . .. = .. dengan
3. Soichiometry Asumsi: konstan T,P, Fasa gas
, dimana = yao . = 0,05 x 3 = 0,15
4. Combining
= ..10, .1 15 = / / . .1∅∅ . 1 = [.1∅. .. ]/ [.]/ 6 60, 5 = [ ] = 0,5 = 0,238 / 1 1 . 0, 0 017 = ∑ / ∑ /
Dengan menggunakan kolerasi Thoenes & Kramers untuk Kc:
5. Parameter Evaluation:
Difusi cyclohexane di hydrogen
Berdasarkan Perry’s handbook chem.eng Ma, Mc= Molekular masa = 84,2 Va,Vb = Difusi Volume = 122,707 cm2/s
/ 1 1 . 0, 0 01773 84 2 = ∑ 122/ 7,07/ = 0,857
∅ = 0, 4 0 , 5 = 2.. 4. . . = 2 0,0,5725 0,5 = 1,146 = = .60000 = 50, 9 .60
4 = 1. = 50,9 10,15 840, 0 5220, 9 52 = . = = 0, 1 9 = 0, 0 0019 / . 0,0821773 = 0,00017 . 2,500 ,2
1 5 0, 5 720, 0 019 = 50,90,010, 001710, 41,146 = 47.310,15 0,00017875 = 1,044 = 0,000190, . 0,0,587257 10,0,4 4 1,1146 = 0,388 = 0,3188 47,310,15/1,044/ = 17,9810,15/ 4 − = 610, = 6, 2 9 0,572 = 0,00017 . 2,500 ,2 1 5 0, 5 720, 0 019 = 50,90,010, 001710, 41,146 = 47.310,15 0,00017875 = 1,044 = 0,000190, . 0,0,587257 10,0,4 4 1,1146 = 0,388 = 0,3188 47,310,15/1,044/ = 17,9810,15/ 4 − = 610, = 6, 2 9 0,572 = 0,00017 . 2,500 ,2 = 2,22 10,1 15/ (b) Dengan Menggunakan Polymath
berdasarkan hasil terlihat bahwa hanya 3,3 cm dari tabung diperlukan untuk mengkonversi 99,9%.
(c) Berdasarkan
. .1∅∅ . 1 = [. .1∅ ..]/ [.]/ / 6 60, 2 5 0, 2 5 = [ ] = 4 = 0,286 . . 0,25 0,250,25 2. . = 4. = 2 0,286 = 1,145 1 50, 2 860, 0 019 = 50,90,10, 0001710, 41,145 = 23.6810,15 . 0,0,288657 10,0,4 4 1,1145 = 0,194 = 0,1194 23,6810,15/1,044/ = 25,39110,15/ 4 − = 610, = 12, 5 9 0,286
Dengan asumsi porositasnya sama, faktor korelasi efek dari ukuran pellet catalyst adalah:
115 = 12,5925,350,9910,15 10, = 6,28 1 10,15 Dengan menggunakan polymath, didapatkan:
Terlihat dari grafik diatas, efek mengurangi dimensi pallet setengah dari semula untuk mencapai konversi 99,9% dicapai pada 1,18cm. Hal ini masuk akal karena dengan mengurangi ukuran partikel merupakan salah satu metode untuk meningkatkan perpindahan massa dengan karenanya kc.
(d) jika umpan sikloheksana murni berada di laju aliran volumetrik yang sama 60 dm3 / min, maka konsentrasi massal awal akan lebih besar dan akan ada lebih besar konsentrasi gradien film stagnan pada pelet. Namun koefisien perpindahan massa akan berkurang sebagai produk harus berdifusi jauh dari permukaan yang akan lebih sulit dalam konsentrasi yang lebih tinggi dari sikloheksana persamaan yang digunakan pada bagian (a) tidak memasukkan Cao, konsentrasi sikloheksana inital (Cao dibatalkan keluar), sehingga hanya mempengaruhi perubahan ini akan memiliki adalah untuk mengubah sifat fisik dari flow massa
842 = . = = 2, 6 47 = 0, 0 0265 / . 0,0821773 =? . ℎ,500,2
(e) Masalah ini memberikan indikasi bagaimana perubahan parameter dapat mempengaruhi sebagai packed bed
P11-11B
The irreversible gas-phase reaction
→ Is carried out adiabatically over a packed bed of solid catalyst particles. The reaction is first order in the concentration of A on the catalyst surface:
= ′ The feed consists of 50% moles A and 50% inerts and enters the bed at a temperature of 300 K. The entering volumetric flow rate is 10 dm3/s (i.e. 10000 cm3/s). The relationship between the Sherwood number and the Reynolds number is
ℎ = 100. As a first approximation, one may neglect pressure drop. The entering concentration of A is 1.0M. Calculate the catalyst weight necessary to achieve 60% conversion of A for A. Isothermal operation B. Adiabatic operation C. What generalizations can you make after comparing parts (A) and (B) Additional Information Kinematic viscosity = 0.02 cm2/s Particle diameter (d p) = 0.1 cm Superficial velocity (U) = 10 cm/s Catalyst surface are / mass of catalyst bed = 60 cm2/g cat. Diffusivity of A (D e) = 10-2 cm2/s Heat of reaction = -10000 cal/g mol A Heat capacities
C pA = C pB = 25 cal/g mol K C pS (solvent) = 75 cal/g mol K k’ (300 K) = 0.01 cm3/s g cat with E = 4000 cal/mol Diketahui:
Isothermal Mole Balances
=
Dengan FAO = CAO VO = 10 mol/cm3 Rate Law
=
Asumsi: Mass transfer limited K = 0.01 cm3 s/g cat (at 300 K)
Adiabatic Mole Balance dan Rate Law sama seperti kondisi Isothermal
Jawaban: A. Isothermal Operation
Neraca Mol
Dengan
= = = 1 1 10000 = 10 =
Rate Law
Tetapi dengan nilai CAs tidak diketahui, sehingga membuat asumsi laju reaksi dimana perpindahan massa yang terjadi yaitu terbatas. Sehingga
= = ′ =
= ℎ = 100. − 1 0 = 100√ = 0.1 100√ 10.000.21 = 70.71 70.71 = 70.71 60 = 4243 1 4243 01 = 0.042430. 1 = 1 = = 0.111 = 0 = 1 = 1 = 10−
Dimana k’ = 0.01 cm3/g cat s pada temperature 300 K [270C] (kostan-isothermal).
Hasil konversi satuan menjadi
Stoichiometry
Fase Gas, Tekanan dan Temperatur Konstan
Dimana
dan
Kemudia menggunakan program Polymath untuk mendapatkan kurva, yaitu menggunakan metode Persamaan Differensial Biasa (PDB), berikut adalah hasil dari menggunakan Polymath:
Grafik x vs W
Grafik CA vs W
Dari hasil grafik antara x vs W, didapatkan kesimpulan bahwa pada saat konversi 60%, berat dari katalisnya jika mengacu kepada data table, perlu melakukan interpolasi
x
W (x 10^5)
0.598858
9.134
0.6
W
0.602055
9.214
0. 6 020550. 6 9. 2 14 = 0.6020550.= 9.5198858 9. 2 149. 1 34 63 = 916.3 B. Adiabatic Operation
Neraca Mol
=
Dengan
= = 1 1 10000 = 10 =
Rate Law
Tetapi dengan nilai CAs tidak diketahui, sehingga membuat asumsi laju reaksi dimana perpindahan massa yang terjadi yaitu terbatas. Sehingga
= = ′ = =
Dimana k’ = 0.01 cm3/g cat s pada temperature 300 K [270C] (kostan-isothermal).
ℎ = 100. − 1 0 √ = 100 = 0.1 100√ 10.000.21 = 70.71 70.71 = 70.71 60 = 4243 42431 = 0.014243 = 1 = 1 = 0, = 300 = 10 3 = ∑ ∑ (∆) = 0 = 10 25 30010 75 750 = 1000 300
Hasil konversi satuan menjadi
Dengan hubungan
Stoikiometri saat operasi adiabatic
Dimana
Neraca energi dalam operasi adiabatis
Kemudian
1000 300 10 10000 = 0
menggunakan
program
Polymath
untuk
mendapatkan
kurva,
yaitu
menggunakan metode Persamaan Differensial Biasa (PDB), berikut adalah hasil dari menggunakan Polymath:
Didapat pada konversi 60% dengan menggunakan interpolasi antar data yang sudah didapat dari Polymath, ditemukan bahwa pada konversi 60% membutuhkan 1020 kg.
C. Comparing parts (A) and (B) Reaktor isothermal adalah reaktor proses yang terjadi pada keadaan suhu yang tidak berubah selama berlangsungnya proses tersebut. Umumnya berkaitan dengan perubahan fasa. Semisal pencairan dan penguapan. Pada perubahan isothermal suhu dipertahankan agar konstan. Sementara reactor adiabatic ialah reactor dengan proses yang terjadi secara terisolasi dimana Feed hanya berkontak langsung dengan katalis dan dapat terjadi perubahan suhu dari 1 titik ke titik lainnya.
