Rea eakt ktor or Ga Gass-Ca Cair ir
Tujuan penerapan sistim gas-cair menghasilkan suatu produk zat kimia (sintesa bahan-bahan organik atau anorganik), menghilangkan suatu komponen dari campuran gas-gas yang tidak diinginkan. memperbaiki distribusi product pada reaksireaksi seri/paralel (multiple reaction).
1
Contoh Sistim Gas-Cair
Absorpsi CO2 dan Cl2 dalam larutan BaS untuk pembuatan BaCO3 dan BaCl2. Absorpsi CO2 dalam larutan K2CO3 atau amines untuk menghilangkan CO2 dari synthesis gas. Oxidasi cyclohexane untuk menghasilkan cyclohexanol atau cyclohexanon atau asam adipat.
Oksidasi toluene untuk menghasilkan asam benzoate.
Chlorinasi Benzene, toluene, phenol dsb.
Absorpsi Chlorine dengan larutan NaOH untuk menghasilkan Sodium Hypochlorite.
Pembuatan Pembuatan Sodium amide dari gas NH3 dan cairan Na
Nitrasi zat organik dengan campuran asam nitrat dan asam sulfat
Absorpsi gas SO 3 dengan larutan H2SO4 pekat menjadi Oleum
Faktor-faktor menentukan dalam perencanaan reaktor gas-cair
Persama ersamaan an kecepat kecepatan an reaksi reaksi global global : Karena Karena bahan-baha bahan-bahann
yang yang akan akan bereak bereaksi si pad pada a fasa fasa yang berbed berbeda a (gas (gas & cair cair), ), maka ma ka perte pertemua muann (kon (konta tak) k) ant antar ar reak reakta tann ini ini terja terjadi di sebe sebelum lum bere bereak aksi si,, sehin sehingg ggga ga laju laju perp perpin inda daha hann ma mass ssa a da dann laju laju reak reaksi si kimia kimia akan akan me mene nent ntuk ukan an laju laju tran transf sform ormas asii glob global al..
Kelarutan : Sifat Sifat kelaru kelarutan tan dari dari kompon komponenen-kom kompon ponen en yang yang
bereak bereaksi si did didala alam m fasa-f fasa-fasa asa yang yang bereak bereaksi si akan akan menjad menjadii keter keterbat batasa asann dari dari gera gerakan kanny nya. a. Fakt Faktor or ini tentu tentu berpen berpenga garuh ruh terh terhad adap ap bent bentuk uk pers persam amaa aann kece kecepa pata tann reak reaksi si kare karena na akan akan mene me nent ntuk ukan an ap apak akah ah reak reaksi si terj terjad adii da dala lam m satu satu atau atau dua dua fasa fasa..
Cara kontak : Dala Dalam m sist sistim im ga gass-ca cair ir cara cara berk berkont ontak ak anta antarr
reaktan-r reaktan-reakta eaktann dapa dapatt bermacam-ma bermacam-macam cam : co-curren co-current, t, cross cross current, counter current, semibatch, dll.
2
Contoh Sistim Gas-Cair
Absorpsi CO2 dan Cl2 dalam larutan BaS untuk pembuatan BaCO3 dan BaCl2. Absorpsi CO2 dalam larutan K2CO3 atau amines untuk menghilangkan CO2 dari synthesis gas. Oxidasi cyclohexane untuk menghasilkan cyclohexanol atau cyclohexanon atau asam adipat.
Oksidasi toluene untuk menghasilkan asam benzoate.
Chlorinasi Benzene, toluene, phenol dsb.
Absorpsi Chlorine dengan larutan NaOH untuk menghasilkan Sodium Hypochlorite.
Pembuatan Pembuatan Sodium amide dari gas NH3 dan cairan Na
Nitrasi zat organik dengan campuran asam nitrat dan asam sulfat
Absorpsi gas SO 3 dengan larutan H2SO4 pekat menjadi Oleum
Faktor-faktor menentukan dalam perencanaan reaktor gas-cair
Persama ersamaan an kecepat kecepatan an reaksi reaksi global global : Karena Karena bahan-baha bahan-bahann
yang yang akan akan bereak bereaksi si pad pada a fasa fasa yang berbed berbeda a (gas (gas & cair cair), ), maka ma ka perte pertemua muann (kon (konta tak) k) ant antar ar reak reakta tann ini ini terja terjadi di sebe sebelum lum bere bereak aksi si,, sehin sehingg ggga ga laju laju perp perpin inda daha hann ma mass ssa a da dann laju laju reak reaksi si kimia kimia akan akan me mene nent ntuk ukan an laju laju tran transf sform ormas asii glob global al..
Kelarutan : Sifat Sifat kelaru kelarutan tan dari dari kompon komponenen-kom kompon ponen en yang yang
bereak bereaksi si did didala alam m fasa-f fasa-fasa asa yang yang bereak bereaksi si akan akan menjad menjadii keter keterbat batasa asann dari dari gera gerakan kanny nya. a. Fakt Faktor or ini tentu tentu berpen berpenga garuh ruh terh terhad adap ap bent bentuk uk pers persam amaa aann kece kecepa pata tann reak reaksi si kare karena na akan akan mene me nent ntuk ukan an ap apak akah ah reak reaksi si terj terjad adii da dala lam m satu satu atau atau dua dua fasa fasa..
Cara kontak : Dala Dalam m sist sistim im ga gass-ca cair ir cara cara berk berkont ontak ak anta antarr
reaktan-r reaktan-reakta eaktann dapa dapatt bermacam-ma bermacam-macam cam : co-curren co-current, t, cross cross current, counter current, semibatch, dll.
2
Beberapa definisi
fl = fraksi fraksi cairan cairan dalam dalam reakto reaktorr (liquid hold-up ) fg= fraks fraksii gas dalam dalam reakto reaktorr (gas hold-up ) ε = fraksi rongga rongga (porositas) (porositas) reaktor reaktor (1-ε =solid hold-up ) S = luas luas permuka permukaan an kontak kontak gasgascair cair (m2) a = luas permuka permukaan an kontak kontak gasgascair persatuan persatuan volume (m2 /m3) Vl = volume liquid dalam dalam reaktor reaktor (m3) Vr = volume reaktor(m3)
Laju reaksi A(g)+B(l) Produk -rA””= kCACB
CA adalah konsentrasi gas A yang terlarut dalam cairan dan CB adalah konsentrasi reaktan di fasa cair.
3
Persamaan laju perpindahan massa (Absorpsi A)
Profil konsentrasi pada film gas dan film cair untuk perpindahan massa menurut teori double film
4
Persamaan laju perpindahan massa dan reaksi kimia
Untuk reaksi-reaksi heterogen gas A dengan reaktan liquid B, maka persamaan reaksi dapat dinyatakan dalam bentuk : A (gas liquid ) + b B ( liquid )
→
Produk
Regim Reaksi
Reaksi sangat cepat pada film liquid
Reaksi sangat cepat pada interface
Reaksi cepat pada film liquid
Reaksi cepat orde satu semu (pseudo 1st order)
Reaksi agak cepat pada film liquid
Reaksi agak cepat satu semu (pseudo 1st order)
Reaksi lambat
Reaksi sangat lambat
5
Persamaan Kecepatan untuk regim A dan B Pandanglah reaksi sangat cepat berikut :
A ( g ) + b B ( l ) → P roduk
Pertama ditinjau keadaan bila CB tak besar (regim A). Pada keadaan mantap, laju alir B ke bidang reaksi akan sama dengan B kali laju alir A ke bidang reaksi.
6
Regim A dan B
Maka laju penghilangan A dan B adalah sebagai berikut :
− r = − " A
r B''
= k Ag ( P A − P Ai )
b
x O
= k Al ( C Ai − O ) =
k Bl b
( C B − O )
kAg,kAl,kBl = koefisien perpindahan massa tanpa reaksi kimia, dan didasarkan pada tebal film xo
x x O
k A l k B l
x O − x
D A l / x O
=
D B l / x O
=
D A l D B l
Pada bidang batas antar fasa, terdapat hubungan kesetimbangan antara PA dan CA yang dinyatakan dengan Hukum Henry : P Ai = H A C Ai
− r A" = −
1
d N A
s
d t
=
D B l
C B
D A l
b 1
H A
kAg
+
PA H A
+
1
k A 1
Keadaan khusus : Regim A Tahanan fasa gas diabaikan : k Ag = ∞ dan PA = PAi − r A" = k A l C Ai
( 1 +
D B l
DB
b D A l
C A i
)
Laju perpindahan massa maximum : − r A" = k A l C Ai
Didefinisikan : laju dengan reaksi enhancement = factor laju untuk perpindahan massa saja
E =
Maka : − r A" = k A l CA l E di mana E =
1 +
D B l b D A l
C B C Ai
7
Regim B Bila CB tinggi atau bila : k A g PA
k B 1
≤
b
C B
maka bidang reaksi akan berada pada bidang batas antar fasa, dalam keadaan ini perpindahan massa mengontrol, Persamaan laju :
− r A" = −
1
d N A
S
d t
= k A g PA
Persamaan Kecepatan Untuk Regim C dan D
Untuk regim C ( CB tak besar ) dan reaksi antara A dan B adalah orde dua : − r A'''' = −
1 d N A
V l dt
= k C A C B
−r =k Ag( P A−P Ai )=k Al C Ai E " A
− r A" =
1 1
k Ag
+
film gas
H A
P A
k Al E film liquid
8
Regim D
Untuk keadaan khusus dimana CB tinggi, sehingga reaksi bisa dianggap orde satu semu :
− r '''' = k C AC B = ( k C B )C A = k 'C A A
E =
D A l
k C B
=
k A l
D A l
k 1
k A l
1
− r A" = k A g
+
H A D A l
P A
k C B
Persamaan kecepatan Regim E dan F
Dalam hal ini Persamaan kecepatannya agak komplex. Untuk ini bisa dibaca text book oleh : Sherwood & Pigfood, Astarita, dan Danckwerts. Perlu diketahui, bahwa laju dalam hal ini bergantung pada luas permukaan batas antar fasa dan volume liquid. Jadi parameter :
Merupakan salah satu parameter dari persamaan ini. ai =
S V l
=
luas permukaan..antar fasa volume cairan
9
Persamaan Kecepatan Regim G & H − r A'''' = k Ag a(P A − P Ai ) = k Al a(C Ai − C A )
− r A'''' = k C A C B
− r A'''' =
1
k AG a film gas
+
1 H A
k Al a
film liquid
+
H A
P A
− r '''' = −
k C B
A
1 d N A
V d t
= kC AC B
bulk liquid
������ ���� � � ���������� ���� ������ ���������� ����� ������ ��� � ��������� ������� ����� ���� ���������� ������� �. ������ ���� ������� ������ ��� : ��� �� ������ →����� ��� = �����2 , � = 106 �6/ ���2 ��� ����� ������ ��� ��������� ��������� ��� : � ��� = 0,01 ���/�� �2�� � �� � =20 ����1
� �= 0,98
� �� 105 ��� �3/���, ��������� �����
� �� � � �� � 10�6 �2/���
� = 20 � 2 / �3
���� ����� ������ ����� �������� : � � � 5�103 �� ��� �� = 100 ���/� 3 �) �������� ������ ������� ������ (������ % ����� ���� ��� ��� ����� ���� ������, ����� ����� ���� ������) �) �������� ������ ���� ������ �) �������� ����� ���� ������ (������ ������ ����������� ��������, �������������, �������� ���������, ���.) �) ��������� ���� ������ (���/�3 ���)
10
Penyelesaian : Pada pembahasan diatas hanya menganalisa reaksi orde 2, sedangkan persoalan ini berkenaan dengan reaksi orde-3. Karena tidak ada analisis ten tang orde-3, maka kita gunakan pendekatan dengan menganggap orde 2 seperti berikut : kCACB2 (kCB) CACB Untuk mendapatkan laju dari persamaan umum perpindahan massa dan reaksi kimia, pertama-tam perlu dihitung E dan M H :
−6
6
2
(10 ) (10 ) (100 ) 1
Ei = 1 +
D B C B HA bD A p A i
=1 +
100 x 10
= 100
5
5
2(5 x 10 )
= 103
Karena pada dugaan awal Ei > 5 MH maka pada dugaan selanjutnya untuk pAi yang lebih kecil masih tetap Ei > 5 M H, dari grafik E vs M H maka reaksi tersebut termasuk reaksi pseudo orde-1 pada film cair dengan : E = MH = 100
Maka persamaan laju reaksi adalah :
− r A"" =
1
k Ag a − r A"" =
b) c) d)
+
H A
k Al aE kC B2 f l 5 x 103
1 0,01
a)
+
p A H A
+
10
5
20(100)
+
10
5
= 33mol / jam.m3
(106 )(1002 )(0,098)
2/3 tahanan berada pada film gas, 1/3 berda pada film liqui zona reaksi adalah film liquid reaksi berlangsung orde satu semu pada interface laju reaksi adalah = 33 mol/jam.m3
11
Kriteria Penentuan Regim
Faktor Peningkatan (Enhancement factor, E) Merupakan parameter untuk membandingkan laju perpindahan massa dengan adanya reaksi kimia dan laju tanpa reaksi kimia :
–
E =
Laju perpindahan massa
Harga E >1
–
Laju perpindahan massa dengan reaksi kimia
Film conversion parameter (Bilangan Hatta, M H atau Ha) Bilangan Hatta memberikan gambaran tentang porsi reaksi yang terjadi pada film dan pada badan fasa cair. Kuadrat dari bilangan hatta ini memberikan arti sebagai berikut :
– –
M H = 2
Konversi ma ximum yang dimungkinkandalam film Diffusi melalui film yang ma ximum
=
k C Ai C B xO D Al xO
=
k C B D Al
.C Ai
2
k Al
Kriteria Bilangan Hatta
MH > 2 reaksi hanya terjadi didalam film liquid, atau
terjadi reaksi cepat (regim A, B, C, D ) ; 0,0002 < MH < 2 reaksi terjadi dalam film liquid dan bulk fasa liquid atau terjadi reaksi sedang (regim E, F, G) MH < 0,0002 reaksi hanya terjadi dalam bulk fasa liquid atau terjadi reaksi sangat lambat. Bila MH besar diperlukan type reaktor dengan a yang besar. Bila MH kecil, diperlukan type reaktor dengan εL yang besar.
12
��������� ���� ������� ����� ��������� ���� ������� ���� ����� ����� ����� ������, ���������� ���� • ����� ������ : �����, ����������� ���� ������. • ��������� ���� ������� ���� ��� ������� ���� ���� • ������ ������������� : ������ �������, ��� �������, ���� ������ ����� ������������������ • ���� ����������� ����� ��� ��������� ����������� ����� ���� ������� • ������������ ����� ��������� ��� �������
13
������� �� �������� �� ��������� � ��������� (�) ���������� �������� – ������ ����������� ���� �/���� �. – ������ ����� ����������� ���� �/����� �. – �������� ����� ����������� ����� �/����� �. – �� �� ����� ���, ������ ���� ��� ������� ���� �������� ������� ����� ��� �� ���� ������� ���� �� ��������� ���� �����. �������� ����� ���� ��� �������� ������� �����.
(�) �� ��� ��� ��� ������ �������� �� ��� �� �� ����� � � �� ���� ��� ��� ������� ������ �� ������ �� �� ���, �� �� ����. (�) ���� ������ ������ ���� ���� ���� ���� �������� ���� ����� �� ����� ��/�� = 10 �� 1 ���. ����� ���������� ��� ���� �������� �� ���� ���� ���� ���� �� � ����� ����� �� ��/�� ������. (�) �� ��� ���������� �� �� ��� ��� ��� � �� ������ ����� ��� ���� � ����� ����������� ���� "�," ���� ���� �������� ���������� ��� ���� �������. �� ��� � ���� ���������, ���� ���� ���� ����� ����������. �� ��� � ���� ��������� ���� ���� ���� ������ ����������.
������� �� �������� �� ��������� � ��������� (�) �� ��� ���������� �� �� ��� ���� ���� �� ��� � ��� ���� ����� �� � ����� ���� ���� ���� ������. ��� ���� ����������. (�) ����������� ��� ���� ������� �����, ����� ���� � ����� ����� �� �����'� ��� �������� � (�������, ��� �������), ��� ���� ��������, ���� ��� ������ ����� ������ ����������. ��� ����� �� ��� ���������� �� ��� ������, ���� ���� � ����� (�2, �2, �� ��������) ������ ���� ��������, �� ����� ����� ������. (�) �������� ������ ��� ���������� �� ��� ������ ����, ��
– ��� ���������� �� ������ ������� �����, �������� �������� �� ��� �������.
– ��� ���������� �� �������� ������� �����, �������� �������� �� ������� ��� ���� ����� �� ��� ����.
14
Harga a dan εL untuk berbagai type reaktor. Type Reaktor
Luas spesifik, a m2/ m3
Liquid hold-up,
60
0,05
220
0,08
Plate Column
150
0,15
Bubble-Contactor
200
0,85
Agitated Tank
500
0,80
Spray Column Packed Column
ε
l l
(2,5 cm Raschig Rings)
Karakteristik Reaktor Gas-Cair
15
Type Reaktor Gas-cair
Berbagai macam pola kontak dalam reaktor gas cair
16
Contoh Soal 2 : Pemilihan jenis kontaktor gas-cair Saudara diminta untuk memberikan rekomendasi mengenai type reaktor yang cocok untuk melaksanakan reaksi gas-liquid antara gas A dan suatu reaktan B. Diketahui data-data berikut : 3 Konsentrasi B dalam larutan = 5 kmol/ m Diffusivity A dalam larutan = 1,5 x 10-9 m2/det. Konstanta kecepatan reaksi orde 2 :
A + B → P, k = 0,03 m3/ (kmol)(det) Untuk plate / bubble column, agitated vessel : kl = 2 – 4 x 10-4 m/dt.
Untuk Packed Column : kl = 0,5 - 1 x 10-4 m/det.
Penyelesaian : Pertama dihitung harga bilangan hatta kuadrat M2H : M H = 2
k C B D Al 2
k Al
−9
=
( 0,03) ( 5) (1,5 x10 ) 2
k Al
=
2,25 x10
−10
2
k Al
Untuk bubble column, agitated vessel, plate column, harga M2 berkisar antara : ∴
−10
2 ,25 x 10 ( 2 x 10
−4
= 0,00562
2
)
dan
2,25 x 10 ( 4 x 10
−10
− 10
)
2
= 0,001405
dan untuk packed column, harga M2 berkisar antara : 2,25 x 10 ( 0,5 x 10
−10
−4
)
2
= 0,009
dan
2,25 x 10
−10
−4
)
( 1 x 10
2
= 0,002250
dari harga-harga M2 ini, dapat disimpulkan bahwa reaksi yang terjadi adalah tidak terlalu cepat ( pertengahan ), sehingga diperlukan liquid hold-up yang relatif tinggi. Maka type reaktor yang cocok adalah Agitated tank, atau Plate Column atau bubble contactor.
17
Disain Reaktor Gas Cair
������ ������ �������� ����� ������ Nomenclature.
Acs = cross-sectional area of column. a = interfacial contact area per unit volum e of reactor (m2 /m3). f l = volume fraction of liquid (-). i = any participant, reactant or product, in the reaction. A, B, R, S = participants in the reaction. U = carrier or inert component in a phase, hence neither reactant nor product. T = total moles in the reacting (or liquid) phase. YA = pA /pU,m oles Almole inert in the gas (-). XA = CA /CU, moles Almole inert in the liquid (-). F’l , F’g = molar flow rate of ail the gas and the liquid (molls). F U = F’gpU / π upward molar flow rate of inerts in the gas (molls).
18
Perpindahan Massa (tanpa reaksi) A (gas) A (liquid)
19
Plug Flow G-Plug /Flow L-Mass Transfer + Reaction in a Countercurrent Tower
For Dilute Systems. pU = expressions simplify to
π
and CU = CT in which case the above
20
21
Plug Flow G/Plug Flow L-Mass Transfer + Reaction in a Cocurrent Tower
Here simply change Fl to -Fl (for upflow of both streams) or Fg to -Fg (for downflow of both streams) in the equations for countercurrent flow. Be sure to find the proper CB value for each pA. The rest of the procedure remains the same
Mixed Flow G/Mixed Flow L-Mass Transfer + Reaction in an Agitated Tank Contactor
22
Plug Flow G/Mixed Flow L-Mass Transfer + Reaction in Bubble Tank Contactors Here we must make two accountings, a differential balance for the loss of A from the gas because G is in plug flow, and an overall balance for B because L is in mixed flow. Focusing on a bit of rising gas, we have
• If Vr is to be found and the exit conditions are known, then the procedure is direct. Pick a number of p, values and integrate graphically. • If pAout and CBout, are to be found in a reactor of known volume Vr then we require a trial and error solution. • Simply guess Cbout and then see if V calculated = Vgiven.
23
Mixed Flow G/Batch Uniform L-Absorption + Reaction in a Batch Agitated Tank Contactor
Since this is not a steady-state operation, composition and rates all change with time, as shown in Fig below. At any instant the material balance equates the three
24
To Find the Time Needed for a Given Operation
25
Example 24.1 TOWERS FOR STRAIGHT ABSORPTION
26
Example 24.2
TOWERS FOR HIGH CONCENTRATION OF LIQUID REACTANT
27
Solution
28
Example 3:
TOWERS FOR LOW CONCENTRATION OF LIQUID REACTANT; CASE A
Repeat Example 24.2 using a feed with CB, = 32 mol/m3, instead of 800 mol/m3, see Fig. below.
Solution : As in the previous examples,solve by making a material balance, check the form of rate equation to use, then apply the performance equation to find the tower height.
29
Example 24.4 : TOWERS FOR INTERMEDIATE CONCENTRATIONS OF LIQUID REACTANT
Repeat Example 24.2 using a feed in which CB = 128 mol/m3.
30
31
Example 5 : REDO EXAMPLE 24.2 BY THE GENERAL METHOD
In Example 24.2 we found which of the eight special cases (see Fig. 23.3) applied and then used its corresponding rate equation (it was Eq. 23.16). Alter natively we could have used the general rate expression (Eq. 23.5). This is what we will show here.From Example 24.2 a material balance gives the tower end conditions, as shown in Fig. E24.5. Now the rate of reaction at any point in the tower is, from Eq. 23.5,
Evaluate E at various points in the tower. For this we need to first evaluate MH and Ei.
32
Suggestion. Whenever MH > Ei we end up having to guess pAi, and that is tedious. In those cases try to use the special case expressions. In other cases (and this is what we usually find) the general rate equation is easier to use.
Example 24.6 : REACTION OF A BATCH OF LIQUID
33
34