Rancangan Reaktor CSTR

KATA PENGANTAR

Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat dan hidayah-Nya  sehingga penulis dapat menyelesaikan makalah mengenai ”Reaktor Alir Tangki Berpengaduk” ini.

Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada :

1.        Bapak Ir. Aman, MT selaku dosen pengampu yang telah memberikan banyak masukan, dorongan, motivasi, dan ilmu-ilmu yang bermanfaat sehingga makalahini dapat diselesaikan dengan baik.

2.        Kedua orang tua yang selalu memberikan semangat dan dorongan sehingga karya tulis ini dapat diselesaikan

3.        Teman-teman seperjuangan Teknik Kimia Universitas Riau atas dukungan yang telah diberikan

Penulis menyadari penulisan makalah ini masih jauh dari kesempurnaan. Untuk itu penulis sangat terbuka atas kritik dan saran yang membangun dari berbagai pihak demi perbaikan di masa yang akan datang. Penulis juga berharap makalah ini dapat membawa manfaat bagi para pembaca.

Pekanbaru, Mei 2013

 

Penulis

 BAB II

REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK (RATB)

2.1. Pengertian RATB

RATB adalah salah satu reaktor ideal yang berbentuk tangki alir berpengaduk atau suatu reaktor yang paling sederhana terdiri dari suatu tangki untuk reaksi yang menyederhanakan liquid. RATB sering disebut juga dengan Continuousn stirred Tank Reactor (CSTR) atau Mixed Flow Reactor. RATB digunakan untuk reaksi cair dan dijalankan secara batch ,semi batch/ kontinyu. RATB sering atau biasa digunakan untuk reaksi homogen (reaksi yang berlangsung dalam satu fase saja). Contoh:

·         Cair-cair

·          Gas-gas

Untuk reaksi fase gas (nonkatalitik) reaksinya berlangsung cepat tetapi untuk reaksi pada fase ini akan mudah terjadi kebocoran sehingga dinding reaktor harus dibuat tebal. Contohnya: pada reaksi pembakaran, untuk reaksi fase cair (katalitik) reaksinya berlangsung dalam sistem koloid. RATB banyak dipakai pada industri kimia dapat dipakai satu atau lebih dan bisa disusun secara seri. Pada RATB kecepatan volumetrik umpan yang masuk sama dengan kecepatan volumetrik hasil (produk) yang keluar sehingga kecepatan akumulasinya sama dengan nol. Adanya pengadukan yang sempurna menyebabkan komposisi di dalam reaktor sama dengan komposisi yang keluar dari reaktor, begitu pula dengan parameter lain, seperti: kosentrasi, konversi reaksi, dan kecepatan reaksi.

2.2.  Neraca Massa Reaktor Alir Tangki Berpengaduk

Di dalam reaktor tangki ideal konsentrasi di setiap titik di dalam reaktor adalah sama, sehingga kecepatan reaksi tidak dipengaruhi oleh posisi campuran di dalam reaktor. Dengan demikian perhitungan neraca massanya dapat dilakukan secara makro, yaitu dengan meninjau reaktor tersebut sebagai suatu unit yang utuh.

F_Ao

                                    C_Ao

                                    v_o                            

                                                                       

                                                                    V, X_A, C_Ai, -r_A

                                                                                                                     F_Af         

                                                                                                                     C_{Af  =} C_A

                                                                                                                     X_{Af =} X_A

                                                                                                                     -r_Af  =  r_A

sehingga neraca massa dapat ditulis sebagai berikut :

dimana :

Input               : F_Ao                                                    

Output             : F_A  =  F_Ao ( 1-X_A)                             

Reaksi             : ( - r_A ) V                               

Akumulasi       : 0 ( untuk keadaan steady state )

Sedangkan neraca energi dari  Reaktor Alir Tangki Berpengaduk dalah sebagai berikut:

2.3. Mekanisme Kerja

Pada RATB prosesnya berlangsung secara kontinyu, pengadukan adalah yang terpenting dalam reaktor ini karena dengan pengadukan menjadikan reaksinya menjadi homogen. Di RATB, satu atau lebih reaktan masuk ke dalam suatu bejana berpengaduk dan bersamaan dengan itu sejumlah yang sama (produk) dikeluarkan dari reaktor. Pengaduk dirancang sehingga campuran teraduk dengan sempurna dan diharapkan reaksi berlangsung secara optimal. Waktu tinggal dapat diketahui dengan membagi volum reaktor dengan kecepatan volumetrik cairan yang masuk reaktor. Dengan perhitungan kinetika reaksi, konversi suatu reaktor dapat diketahui.

Beberapa hal penting mengenai RATB:

• Reaktor berlangsung secara ajeg, sehingga jumlah yang masuk setara dengan jumlah yang ke luar reaktor, jika tidak tentu reaktor akan berkurang atau bertambah isinya.
• Perhitungan RATB mengasumsikan pengadukan terjadi secara sempurna sehingga semua titik dalam reaktor memiliki komposisi yang sama. Dengan asumsi ini, komposisi keluar reaktor selalu sama dengan bahan di dalam reaktor.
• Seringkali, untuk menghemat digunakan banyak reaktor yang disusun secara seri daripada menggunakan reaktor tunggal yang besar. Sehingga reaktor yang di belakang akan memiliki komposisi produk yang lebih besar dibanding di depannya.

Dapat dilihat, bahwa dengan jumlah RATB kecil yang tak terbatas model perhitungan akan menyerupai perhitungan untuk RAP.

2.4. Space Time ( τ ), Holding Time ( τ_T ), dan Waktu Ruang

            Pada reaktor batch pengertian dari waktu reaksi adalah sama dengan lamanya operasi berlangsung, tetapi untuk reaktor alir pengertian dari waktu reaksi adalah sama dengan lamanya reaktan berada dalam reaktor. Pada reaktor alir lamanya reaktan tinggal dalam reaktor disebut dengan space time.

Space time ditentukan oleh laju alir campuran yang lewat serta volume reaktor di mana reaksi berlangsung.

Space time (τ )  =  (waktu yang dibutuhkan untuk memproses umpan sebesar satu 

                                 satuan volume reaktor) = ( satuan waktu )

Kabalikan dari space time adalah space velocity ( s ) = 1/ τ , yaitu kecepatan alir umpan yang diizinkan per satuan volume reaktor, untuk mendapatkan suatu harga konversi tertentu sehingga persamaan bisa ditulis:

τ  : space time =  V / υ_o                                    

maka persamaan di atas menjadi :

            τ  : space time =  (  C_Ao   X_A ) /  - r_A               

sehingga persaman menjadi;

            τ  : space time = 1/s =  V / υ_o = V C_Ao/F_Ao =  C_Ao X_A/( -r_A ) 

            Jika di dalam umpan yang masuk sebagian dari A sudah ada yang terkonversi sebanyak X_A , maka persamaan ( VI-8) dapat ditulis :

X_A - X_Ao

            τ  : space time =  C_Ao -----------                               

                                                    - r_A

Perhatikan :

bentuk       X_A - X_Ao

     -----------     pada  persamaan ini menggantikan bentuk diferensial  dX_A/-r_A

         - r_A

Holding time adalah waktu tinggal rata-rata campuran di dalam reaktor sama dengan

(τ_T ) didefinisikan sebagai       :

              τ_T  =   V / υ_o  =  V / υ_o β ( 1 + ε X_A )                                    

 atau

              τ_T   =   V   / υ_o  ( 1 + ε X_A )                                                  

persamaan menjadi:

              τ_T   =  τ  / β  ( 1 + ε X_A )                                                       

Waktu ruang (Space time) sebagai fungsi dari derajat konversi X_A diperoleh dengan memasukkan persamaan  di atas ke dalam persamaan ( VI-15) maka persamaan menjadi :

                                            1  +   X_A

                        τ   = kC_Ao  ---------------

                                           ( 1 + ε X_A )  

atau     

                           X_A ( 1 +        ε X_A )  

            τ   = --- ------------------------                                               

                            k ( 1  +   X_A )

Ekspresi yang serupa bisa diturunkan untuk setiap bentuk persamaan kecepatan reaksi yang lainnya.

2.5. Konfigurasi Reaktor Alir Tangki Berpengaduk

Reaktor Tangki Alir Berpengaduk atau yang biasa dikenal sebagai Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) merupakan jenis reaktor dengan model berupa tangki berpengaduk dan diasumsikan pengaduk yang bekerja dalam tangki sangat sempurna sehingga konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Reaktor jenis ini merupakan reaktor yang umum digunakan dalam suatu industri. Dalam operasinya, reaktor ini sering digunakan dalam jumlah lebih dari satu dengan rangkaian reaktor disusun secara seri maupun paralel.          

Pemilihan susunan rangkaian reaktor dipengaruhi oleh berbagai pertimbangan, tergantung keperluan dan maksud dari operasinya. Masing-masing rangkaian memiliki kelebihan dan kekurangan, karena di dunia ini tidak ada yang sempurna. Semua yang ada didunia ini saling melengkapi satu sama lainnya. Secara umum, rangkaian reaktor yang disusun secara seri itu lebih baik dibanding secara paralel. Setidaknya ada 2 sisi yang dapat menjelaskan kenapa rangkaian reaktor secara seri itu lebih baik. Pertama, ditinjau dari konversi reaksi yang dihasilkan dan yang kedua ditinjau dari sisi ekonomisnya.

Pertama, ditinjau dari konversi reaksinya. Feed yang masuk ke reaktor pertama dalam suatu rangkaian reaktor susunan seri akan bereaksi membentuk produk yang mana pada saat pertama ini masih banyak reaktan yang belum bereaksi membentuk produk di reaktor pertama, sehingga reaktor selanjutnya berfungsi untuk mereaksikan kembali reaktan yang belum bereaksi dan seterusnya sampai mendapatkan konversi yang optimum. Secara sederhana, reaksi yang berlangsung itu dapat dikatakan berkali-kali sampai konversinya optimum. Konversi yang optimum merupakan maksud dari suatu proses produksi. Sementara itu jika dengan reaktor susunan paralel, dengan jumlah feed yang sama, maka reaksi yang terjadi itu hanya sekali sehingga dimungkinkan masih banyak reaktan yang belum bereaksi. Walaupun pada outletnya nanti akan dijumlahkan dari masing-masing reaktor, namun tetap saja konversinya lebih kecil, sebagai akibat dari reaksi yang hanya terjadi satu kali.

Kedua, tinjauan ekonomisnya. Dalam pengadaan alat yang lain, misal jika seri hanya memerlukan satu wadah untuk bahan baku (baik dari beton ataupun stainless steel), dan konveyor yang digunakan juga cukup satu. Namun jika paralel mungkin memerlukan wadah lebih dari satu ataupun konveyor yang lebih dari satu untuk memasukkan feed ke masing-masing reaktor. Konsekuensi yang lain dari suatu reaktor rangkain paralel adalah karena masih ada reaktan yang banyak belum bereaksi maka dibutuhkanlah suatu recycle yang berakibat pada bertambahnya alat untuk menampungnya, sehingga lebih mahal untuk mendapatkan konversi yang lebih besar

Salah satu kerugian dari penggunaan reaktor tangki (CSTR) adalah bahwa reaksi berlangsung pada konsentrasi yang realtif rendah, yaitu sama dengan konsentrasi di dalam campuran yang meninggalkan reaktor. Akibatnya untuk reaksi-reaksi berorde positif volume reaktor yang diperlukan menjadi besar. Salah satu cara untuk menghindari kerugian ini adalah dengan mempergunakan beberapa reaktor tangki yang dipasang seri, sehingga konsentrasi reaktan tidak turun secara drastis tetapi bertahap dari satu tangki ke tangki yang berikutnya.

Dengan cara ini maka kecepatan reaksi di masing-masing tangki akan turun menurun secara bertahap pula, sehingga volume total seluruh reaktor untuk mendapatkan besarnya konversi tertentu akan lebih kecil dibandingkan dengan sistem reaktor tunggal.

F_A0

υ_o

CAN

1                                       2                                       N                F_AN                           F_Ai, C_Ai                             F_{Ai ,} C_Ai                                     υ_o             -r_A            X_A1                     -r_A            X_A2                     -r_A                         X_AN              V1                       V₂                                        V_N                                                              

           

2.6.Aplikasi Reaktor Alir Tangki Berpengaduk

A.SPM-2100

SPM-2100 Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) dapat digunakan untuk mereaksikan 2 macam gas. Reaksinya dapat terjadi dalam keadaan endoterm maupun eksoterm. Contohnya: reaksi antara etilen (reaktan A) dengan benzena (reaktan B) yang terjadi dalam keadaan eksoterm, untuk memproduksi etilbenzena (produk C), bahan kimia yang digunakana dalam pembuatan monomer stirena. Reaktan A dan B dimasukkan ke dalam CSTR agar kedua reaktan tersebut tercampur dengan sempurna menggunakan pemutar bermotor (motorized agitator).

B. CSTR dengan cooling jacket

Pada CSTR disamping yang terjadi adalah reaksi tunggal dalam keadaan eksoterm yang tidak dapat balik (irreversible), dapat dilihat bahwa aliran fluida dimasukkan secara terus-menerus ke dalam reaktor dan aliran fluida lainnya dikeluarkan terus-menerus dari reaktor. Sejak reaktor tersebut menggabungkan dengan sempurna, aliran keluar memiliki konsentrasi dan temperatur yang sama dengan fluida dalam reaktor. Menyadari bahwa lapisan disekitar reaktor juga masuk dan keluar aliran, pelapis diasumsikan bergabung dengan sempurna dan pada temperatur yang lebih rendah dari reaktor. Energi lalu melewati dinding reaktor menuju pelapis, memindahkan panas yang dihasilkan oleh reaksi.

Banyak contoh reaktor yang digunakan dalam industri yang serupa dengan reaktor di atas. Contohnya adalah tipe-tipe dari reaktor polmerisasi yang memproduksi polimer yang digunakan dalam produk plastik seperti pendingin polistirena atau botol plastik.

BAB III

DESIGN REAKTOR

Perancangan Reaktor CSTR

Diinginkan untuk menghasilkan 200 juta pon per tahun etilen glikol. Reaktor itu dioperasikan pada kondisi isotermal. Konsentrasi etilen oksida yang diumpankan adalah 1 mol/ft3 , dan juga air diumpankan ke reaktor bersama dengan 0,9% berat katalis H₂SO₄.  Jika konversi 80% akan dicapai, maka designlah reaktor tersebut. Diketahui persamaan reaksi sebagai berikut dengan k=0,311min^-1 dan suhu umpan masuk 25^oC.

1. Menghitung Volume Reaktor

laju produksi etilen glikol :

dimana :

laju alir molar umpan yang dibutuhkan untuk memproduksi etilen glikol :

sehingga volum reaktor CSTR dapat dihitung dengan persamaan :

Hukum Laju Reaksi :

 

sehingga persamaan menjadi :

laju alir volum dari A (etilen oksida) dengan Cao= 1 mol/L sebelum dicampur adalah :

diasumsikan bahwa :

jadi total laju alir volum dari umpan adalah:

k=0,311 min^-1

untuk kapasitas tangki >500 galon, maka safety factor yang digunakan adalah 10% [Bassel,1990].

maka volume reaktor, V = 1,1 x  5,6 m³

  = 6,16  m³

Volum reaktor             = volum silinder + (2 x volum tutup)

Diasumsikan perbandingan H_s/D_t         = 1,5

Volum silinder                                    = 𝝅/4 x D_t x H_s

Volum silinder                                    = 𝝅/4 x D_t x 1,5 D_t

Volum tutup toripherical = 0,0847 D_t³................(Brownell dan Young, 1959)

Volum reaktor             = (𝝅/4 x D_t x 1,5D_t) + (2 x  0,0847 D_t³)

6,16  m³           = 1,3469 D³

Diperoleh :

D_t        = 1,104 m = 43,478 in

H_s        = 1,656 m = 65,2 in

2. Menghitung Tebal dinding silinder (shell, t_s) dan tutup reaktor (head, t_h)

Bahan konstruksi reaktor        : Loy Alloy SA-204 Grade C

Tegangan yang diizinkan        : 18750 psi

Efisiensi sambungan               : 0,8 (double welded butt-joint)

Menurut Hesse dan Rushton  (1945), hasil perhitungan tebal dinding dan tebal tutup suatu bejana harus ditambah dengan faktor korosi (c) sebesar 0,125 in

 t_s            =  + c...........(Brownell and Young,1959)

 P         = tekanan operasi = 1 atm = 14,7 psi

 t_s         =  + 0,125

            = 0,146 in (diambil t_s standar 3/16 in)

Diametet luar reaktor (outside diameter, OD)

OD      = ID + (2 x t_s)

            = 43,478 in + (2 x 0,1875 in)

            = 43,853 in (digunakan ukuran OD standar 48 in)

Dari tabel 5.7 Brownell dan Young diperoleh :

 r_c            = 48                 icr = 3 in

Maka, ID koreksi  = OD standar – (2 x t_s) = 48 in – (2 x 0,1875 in) = 47,625 in

H_s koreksi = 1,5 x 47,625 in = 71,4375 in

   t_h =  + c

    r_c = ID koreksi = 47,625 in

    t_h =  + 0,125

        = 0,062 in (diambil t_h standar 3/16 in)

Tinggi tutup, OA

Tinggi tutup reaktor dihitung dengan menggunakan rumus dari Brownell dan Young (1959).

  a        = ID/2 = 47,625/2 = 23,8 in

  AB    = a – icr = (23,8 – 3) in = 20,8125 in

  BC     = r – icr = (48 – 3)in = 45 in

  AC    =  =  in = 39,89 in

  b        = r – AC = 48 in – 39,89 in = 8,1 in

Dari tabel 5.6 Brownell untuk t_h 0,1875 in, maka s_f = 2 in

OA      = t_h + b + s_f

            = 0,1875 in + 8,1 in + 2 in

            = 10,3 in

Tinggi total reaktor, H_t            = H_s + (2 x OA)

                                                = 71,4375 in + (2 x 10,3) in

                                                = 92,0167 in = 7,668 ft

3. Perancangan Pengaduk (impeller)

Perhitungan Pengaduk

Direncanakan menggunakan pengaduk tipe vertical blade turbine, serta tangki dilengkapi 4 baffle. Bahan konstruksi Low Alloy SA 204 Grade C konfigurasi design pengaduk ditentukan dari hubungan berikut:

dengan :

D: diameter tangki

d:diameter impeller

W:lebar impeller

L:panjang impeller

E:jarak impeller dar dasar tangki

J:lebar baffle

maka didapat ;

4. Perancangan Nozzle

Diameter nozzle pemasukan

Laju alir volumetrik, q

Faktor safety 10 %

q = 1,1 x 15,34 ft3/min= 0,28 ft3/det

asumsi aliran turbulen, maka diamter pipa optimum adalah

Di opt = 3,9 . q^0,45 . ρ^0,13                                  (Pers. 15 Peter Timmerhaus)

Di opt = 3,9 . ( 0,28)^0,45 . (67,808)^0,13

Di opt = 3,805 in

Dari Q.Kern Tabel 11, dimensi pipa yang digunakan adalah :

Nomonal Pipe Size : 4 in

ID : 4,026 in

OD : 4,5 in

Dengan cara yang sama maka diperoleh diameter nozzle keluaran reaktor

5.      Perhitungan Sambungan Tutup Dengan Dinding Reaktor

            Sambungan antara tutup atas dan shell adalah dengan menggunakan flange dan baut, sedangkan antara tutup bawah dengan shell dilakukan dengan pengelasan.

1.      Flange

Bahan : Low-alloy Steel SA-336 Grade M tipe 316 (Appendix D Brownell and Young)

Tensile strength minimum       : 75000 psi

Tekanan yang diizinkan          : 35900 psi

2.      Bolt (baut)

Low-alloy Steel SA-336 Grade M tipe 316 (Appendix D, Brownell and Young)

Tensile strength minimum       : 75000

Tekanan yang diizinkan                      : 15000 psi

3.      Gasket

Bahan : Asbertos dengan tebal 1/16 in

Heating stress minimum          : 1600 psi

 Faktor gasket             : 2

6.     Perhitungan Laju Alir Air Pendingin

ΔH= -146040 btu/min

Reaksi dalam kondisi eksoterm, dimana untuk memenuhi kondisi operasi berupa suhu masuk bahan ke reaktor sama dengan suhu keluaran produk maka dibutuhkan air pendingin. Suhu bahan masuk yaitu 298^oK, Suhu air pendingin masuk 298^oK dan keluar pada suhu 333^oK. Sehingga dapat dihitung laju alir air pendingin sebagai berikut :