Reaktor Ideal Perancangan reaktor untuk proses teknik kimia dibagi dalam dua metode operasi umum. Kedua metode ini meliputi operasi batch atau batch atau partaian dan operasi continuous atau continuous atau sinambung. Selain kelasifikasi ini, klasifikasi lain untuk tipe reaktor ideal adalah ideal stirred stirred tank dan dan ideal plug low. low. Kedua tipe ini memiliki karakter operasi yang sangat berbeda. Stirred tank reactor memiliki karaktristik utama pencampuran yang sempurna sehingga dalam operasinya, temperatur dan konsentrasi dari campuran reaksi adalah seragam di semua bagian tangki atau vessel . Bertolak belakang dengan Stirred Tank Reactor, Ideal Tubular Flow Reactor atau Plug atau Plug Flow Reactor (PFR) (PFR) merupakan reaktor yang tidak melibatkan proses mixing atau atau pencampuran yang searah dengan aliran. Meski demikian pencampuran pada arah tegak lurus terhadap aliran dianggap sempurna. Untuk itu, konsentrasi ko nsentrasi campuran reaktor bervariasi sepanjang aliran pipa reaktor, namun seragam pada arah radial pipa. pipa. Persamaan neraca massa umum yang diterapkan secara umum pada semua tipe reaktor ini adalah:
Pembahasan lebih detail tentang kedua tipe reaktor ini disampaikan pada subbagian berikutnya.
1 Sti r r ed Tank Tank Reac Reactor tor (ST (ST R) Stirred Tank Reactor (STR) (STR) dapat dioperasikan pada aliran steady aliran steady state (tunak) state (tunak) maupun dalam kondisi batch (partaian). batch (partaian).
Batch Batch STR 1.1 Batch Stir r ed Reac Reactor tor n ( ) Selama dalam sistem tidak ada aliran masuk atau pun keluar reaktor, maka reaktor ini dikategorikan reaktor batch. batch. Reactor batch merupakan reaktor yang tidak tunak, dengan kata lain temperatur maupun konsentrasi bahan dalam reactor berubah setiap waktu. Reaktor batch umum batch umum digunakan untuk produksi dengan kapasitas rendah atau untuk produksi jangka pendek di mana biaya pekerja dan aspek lain dari operasi lebih kecil dari biaya kapital peralatan baru maupun biaya perunit produksi. Reaktor batch skala industri dapat dipanaskan atau didinginkan dengan koil atau jaket, internal koil, atau HE eksternal. Untuk pendinginan dan kontrol temperatur pada reaksi eksotermik, e ksotermik, metode refluks juga sering digunakan pada reaktor batch STR. STR. Sistem mixing pada skala industri
dilakukan dengan agitator. Pada skala kecil reaktor ini identik dengan labu erlinmayer atau gelas kimia dan tabung reaksi yang digunakan pada laboratorium. Asumsi umum yang diterapka pada Batch STR adalah pencampuran terjadi secara cepat dan sempurna sehingga konsentrasi dan temperatur di setiap titik dalam reaktor seragam. Seperti telah disebutkan sebelumnya, batch STR tidak memiliki aliran umpan dan produk, berdasarkan persamaan (1), hubungan yang berlaku pada sistem ini meliputi:
Berdasarkan persamaan (2) dan (6), penentuan waktu tinggal pada Batch STR isothermal dinyatakan dalam persamaan berikut:
1.2 Conti nu ous Sti r red Tank Reactor ( CSTR) Sistem CSTR digambarkan sebagai tangki dengan aliran umpan, produk, dan sistem pengaduk.pada kondisi ideal pencampuran terjadi dengan cepat, akibatn ya umpan akan berdispersi dengan cepat dalam tangki. Komposisi pada tiap titik dalam tangki akan mendekati komposisi rata-rata.
Untuk itu konsentrasi dalam CSTR akan sama dengan konsentrasi produk keluaran tangki. Persamaan hubungan volume dan konsentrasi dalam CSTR dinyatakan dalam persamaan yang diturunkan dari persamaan (1)
Kedua persamaan di atas digunakan untuk sistem CSTR dengan reaksi equimolar. Untuk reaksi non-equimolar yang dilaksanakan dalam CSTR yang diterapkan sebaiknya dalam fungsi konversi (x). Persamaan evaluasi CSTR berlaku sebagai berikut:
2 Plug F low Reactor (PFR) PFR merupakan reaktor yang beroperasi secara continuous (sinambung). Reaktor ini disukai untuk produksi jangka panjang dengan kapasitas tinggi. Keunggulan reaktor ini antara lain mudah untuk scale up, mudah dikontrol, produk seragam, biaya capital untuk kapasitas yang sama lebih rendah dibandingkan dengan reaktor batch. Seperti telah disebutkan sebelumnya, konsentrasi bahan dalam reaktor PFR bervariasi terhadap posisi bahan dalam reaktor.
Dari hubungan persamaan (16) kita dapat mengubah sistem persamaan batch di mana konsentrasi berubah terhadap waktu menjadi sistem persamaan kontinu PFR dengan konsentrasi berubah terhadap posisi.
Contoh Penurunan Persamaan Evaluasi Reaktor untuk Reaksi Orde Dua Non-Equimolar
Jika satu reaksi tunggal memilik persamaan laju reaksi orde du a :
Pada reaksi isothermal, temperatur selama beroperasinya reaktor adalah tetap. Untuk itu, nilai
adalah konstan. Dengan begitu nilai laju reaksi hanya menjadi fungsi dari konsentrasi A. Sementara itu, pada kondisi non-equimolar pada reaksi kimia dengan fasa gas dan tekanan tetap, volume akan berubah (contohnya pada reaktor piston). Perubahan volume ini akan mempengaruhi nilai CA. Pengaruh ini dinyatakan dalam persamaan (9) dan (10). Dalam persamaan umum yang ditunjukkan untuk evaluasi reaktor pada kondisi volume berubah, persamaan (11), (15), dan (19) masih terdapat variabel r. Berikut contoh penurunan persamaan dengan evaluasi yang melibatkan persamaan kinetika untuk ketiga tipe reaktor.
Dari ketiga contoh persamaan akhir untuk evaluasi ini, tampak bahwa persamaan akhir untuk evaluasi pada kondisi sistem volume berubah akan menjadi sangat kompleks terutama untuk orde reaksi lebih tinggi. Variabel β dalam persamaan volum berubah bernilai 1 jika reaksi pada tekanan dan temperatur tetap.
Keterangan variabel baru untuk sistem volume berubah:
Perbandingan unjuk kerja waktu tinggal ketiga reaktor ini ditunjukkan luas area grafik berikut
Untuk laju reaksi yang sama, waktu tunggal untuk reaktor PFR dan batch-STR lebih kecil dari CSTR.