Reaktor Gelembung(Bubble Reactor)

REAKTOR GELEMBUNG ( R-02 )

Tugas :

Mereaksikan Propionaldehid cair sebanyak 11361,67 kg/jam dengan gas Oksigen sebanyak 3134,25 kg/jam menjadi Asam propionat sebanyak 12563,13 kg/jam.

Pemilihan reaktor

Jenis reaktor

:

Kondisi operasi

:

reaktor gelembung.  Non-isotermal Non-adiabatis dengan inlet pada suhu 45 C dan tekanan 2,5 atm.

Sistem pendingin

:

 pendingin jaket yang dialiri air digunakan untuk mengambil  panas yang dikeluarkan oleh reaksi.

Bahan Konstruksi

:

Mekanisme reaksi

Reaksi kimia yang terjadi adalah sebagai berikut : O2 (g) + 2 C3H6O (l) atau

A (g) + 2 B

(l)

 

2 C3H6O2 (l)

 

2 C (l)

Mekanisme yang terjadi molekul gas oksigen akan mendifusi ke cairan melalui batas gas cair menjadi molekul yang terlarut dalam cairan propionaldehid. Molekul oksigen terlarut ini akan  bereaksi dengan propionaldehid menjadi asam propionat. propionat. Berdasarkan penelitian yang dilakukan oleh C. V. Gurumurthy dan V. M. H. Govindarao, Persamaan reaksi kimianya adalah – (r  (r A) = kCB1,5CM0,5 dengan k=0,208.10 9exp(-12100/Rg/T). Kecepatan overallnya juga telah dijabarkan yaitu R A = k’CAi0,5CB0,75CM0,25 dengan 4

k’=0,166.10 exp(-3810/T)

Asumsi :

1. Sepanjang reaktor tidak ada perpindahan massa asam propionat dan propionaldehid dari fase cair ke fase gas. 2. Tidak ada nitrogen yang melarut ke fase cair. 3. Panas dari dinding luar reaktor hanya diambil oleh air pendingin dan panas dari air  pendingin tidak ada yang terbuang terbuang kelingkungan

Menentukan Letak Reaksi

Letak reaksi dapat di prediksi dengan menggunakan bilangan Hatta (Ha), dimana M dapat dinyatakan dengan rumus :

2 m 1

 Ha 

k  C  Ai

m 1

n

 f  

 C  B  C  M   D AL

k  L

dengan : m,n,f

= pangkat reaksi

k

= koefisien kecepatan reaksi

CAi

= konsentrasi oksigen di cairan

CB

= konsentrasi propionaldehid

CM

= konsentrasi katalis

DAL

= difusifitas oksigen di cairan

k L

= koefisien transfer massa oksigen di cairan

maka:

2  Ha   Ha



0 1

6 1,0125252 (4,87.10  7) 1  0,01175611,5  (50.10

) 0,5  4,9226.105 201

3,5442.102 0,3218

Dengan ketentuan : Ha < 0,3

Reaksi terjadi di badan cairan

0,3 < Ha < 3

Reaksi terjadi di badan cairan dan interface cairan

Ha > 3

Reaksi terjadi di interface cairan

Gambar 1. Profil konsentrasi A dan B untuk reaksi di interface cairan dan di badan cairan

Neraca Massa Neraca massa oksigen di fase gas pada elemen volum:

 Rate of input  –  Rate of output  –  Rate of Reaction = Rate of accumulation

G . y A | z  G . y A | z  Δz (R  A ). A  z   L  0

lim

G . y A | z Δz  G . y A | z Δz

 z 0

dy A dz



 A. L .(R A )

  A..  L .( R A )

G

Neraca massa Propionaldehyde  di fase cair pada elemen volum:

 Rate of input  –  Rate of output  –  Rate of Reaction = Rate of accumulation

L . C B | zΔz  L . C B | z 2.(R A ).A   z   L  0

lim

L . C B | z Δz  L . C B | z  Δz

 z 0

dC B dz

 2. A.

  L

L

 2 A. L .(R A )

.( R A )

Neraca panas di fase cair pada elemen volum dalam reaktor:

 Heat of input  –   Heat of output  –  Heat of Reaction = Heat of accumulation

 L i C i C  pi (TL  TRef  ) | z ( R A )

π

4

 Δz

 L i C i C  pi (TL  TRef  ) | z ( R A ) A. z .( Hr ).  L 

D 2  z .( H O2 ).  L  U  D  . D. z .(TL  TP ) - 6.h.A. z .  g  / db * (T  L  T G )  0

dT  L dz 



( R A ). A.( Hr ).  L  ( R A ). A.( H O2 ).  L  U  D . D.(TL  TP )  6.h.A.  g  / db * (T  L  T G )

 L i C i C  pi

Neraca panas gabungan di elemen volum dalam reaktor:

 Heat of input  –   Heat of output  –  Heat of Reaction = Heat of accumulation

 L i C i C  pi (TL  TRef  ) | z  G i C i C  pi (TG  TRef  ) | z

 Δz

dT  L dz  dT G dz 



 z

 L i C i C  pi (TL  TRef  ) | z   G i C i C  pi (TG  TRef  ) | z  ( R A ). A. z ( Hr ).  L  U  D  . D. z .(TL  Tp)  0

( R A ). A.( Hr ).  L  ( R A ). A.( H O2 ).  L  U  D . D.(TL  TP )  6.h.A.  g  / db * (T  L  T G )

 L i C i C  pi  L i C i C  pi

dT  L



dz 

 ( R A ). A.(  Hr ).  L  U  D  . D.(TL  TP )

 G iY i C  pi

Pengaruh perubahan Pt sepanjang tinggi reaktor

Tekanan Total dari inlet harus lebih besar dari tekanan hidrostatis dasar reaktor. Sehingga tekanan pada dasar reaktor merupakan gabungan dari tekanan gas dan tekanan hidrostatis.

 P T    P G   . g .( H   z ) dP T  dz 

   . g .

Neraca Panas Air Pendingin

Asumsi –  asumsi yang digunakan : 1. Arah aliran air pendingin berasan dari bawah 2. Steady state 3. Aliran air pendingin plug flow

 Rate of input  –  Rate of output  + Heat of reaction = Rate of accumulation M p C pp .(T p - Tref  ) | z  M p C pp .(T p - Tref  ) | z  Δz U  D  . D. T  L  T p  0

dT  p dz 



U  D . D.(T  L  T  p )  M  p  C  pp

Perhitungan tinggi dan diameter reaktor

Perhitungan tinggi dan diameter reaktor dapat dilakukan dengan menyelesaikan persamaan persamaan diferensial berikut:

dy A dz dC B dz dT  L dz  dT G dz 

dT  p dz  dP T  dz 



  A..  L .( R A )

G

 2. A.



  L

L

.( R A )

( R A ). A.( Hr ).  L  ( R A ). A.( H O2 ).  L  U  D  . D.(TL  TP )  6.h.A.  g  / db * (T  L  T G )

 L i C i C  pi  L i C i C  pi





dT  L dz 

 ( R A ). A.(  Hr ).  L  U  D  . D.(TL  TP )

 G iY i C  pi U  D . D.(T  L  T  p )  M  p  C  pp

   . g .

dengan mentrial diameter (D) hingga didapat ketinggian reaktor(Z). Setelah itu set Z/D ke angka 2 dengan merubah rubah nilai trial D.

Konversi Vs Tinggi Reaktor 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.0000

1.0000

2.0000

3.0000

4.0000

5.0000

6.0000

7.0000

8.0000

Fraksi Oksigen VS Tinggi reaktor 0.2500

0.2000

0.1500

0.1000

0.0500

0.0000 0.0000

1.0000

2.0000

3.0000

4.0000

5.0000

6.0000

7.0000

8.0000

Tekanan Total VS Tinggi Reaktor 3.0000

2.5000

2.0000

1.5000

1.0000

0.5000

0.0000 0.0000

1.0000

2.0000

3.0000

4.0000

5.0000

6.0000

7.0000

8.0000

Suhu VS Ketinggian Reaktor 60.0000

50.0000

40.0000

30.0000

20.0000

10.0000

0.0000 0.0000

1.0000

2.0000 Suhu Cairan

3.0000

4.0000 Suhu Gas

5.0000

6.0000

Suhu Pendingin

7.0000

8.0000