TEKNIK REAKSI KIMIA 2 REAKTOR BATCH
Disusun Oleh : Btari Elisabeth Sean
(3335142417)
Dine Nurmasfianie
(3335141417)
Klorista Ika Yulinda
(3335141181)
Nadya Alfikri
(3335140439)
Kelas A JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SULTAN AGENG TIRTAYASA
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Dalam ilmu Teknik Kimia, reaktor merupakan jantung dari suatu proses kimia. Reaktor adalah suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia. Reaktor dapat dibagi berdasarkan bentuk, proses, dan operasinya. Reaktor batch adalah tempat terjadinya reaksi, dimana tidak ada massa masuk dan massa keluar selama proses reaksi berlangsung. Reaktor batch merupakan jenis dari reaktor berdasarkan prosesnya. Reaktor batch umumnya digunakan pada fase cair dengan kapasitas produksi yang rendah. Reaktor batch memiliki beberapa keuntungan dan kerugian yakni salah satu keuntungannya adalah pada pengoperasiannya dibutuhkan harga yang murah namun kekurangannya waktu yang dibutuhkan lama dan tidak produktif. 1.2 Rumusan Masalah 1. bagaimana menghitungi neraca massa dalam reaktor batch 2. bagaimana menghitung neraca panas dalam reaktor batch 3. bagaimana menghitung waktu dalam reaktor batch
1.3 Tujuan 1. mengetahui perhitungan neraca massa dalam reaktor batch 2. mengetahui perhitungan neraca panas dalam reaktor batch 3. mengetahui perhitungan waktu reaksi dalam reaktor batch
BAB II ISI
2.1 Reaktor Batch 2.1.1 Pengertian Reactor Batch Reactor Batch adalah tempat terjadinya suatu reaksi kimia tunggal, yaitu reaksi yang berlangsung dengan hanya satu persamaan laju reaksi yang berpasangan dengan persamaan kesetimbangan dan stoikiometri. 2.1.2
Penggunaan Reactor Batch
Reaktor jenis ini biasanya sangat cocok digunakan untuk produksi berkapasitas kecil misalnya dalam proses pelarutan padatan, pencampuran produk, reaksi kimia, Batch distillation, kristalisasi, ekstraksi cair-cair, polimerisasi, farmasi dan fermentasi.
Beberapa ketetapan menggunakan reaktor tipe Batch :
Selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan temperatur Pengadukan dilakukan dengan sempurna, konsentrasi di semua titik dalam reaktor adalah sama atau homogen pada waktu yang sama Reaktor ideal
2.1.3 Konstruksi Reactor Batch Reactor Batch bisa tersusun oleh sebuah tangki dengan pengaduk serta sistem pendingin atau pemanas yang menyatu dengan reaktor. Tangki ini memiliki ukuran yang bervariasi mulai dari < 1 L sampai > 15.000 L tergantung kebutuhan. Batch reactor biasanya terbuat dari baja, stainless steel atau baja berlapis kaca. Padatan dan cairan yang akan masuk reaktor biasanya melalui sambungan yang terdapat pada tutup atas reaktor. Untuk uap dan gas yang keluar reaktor biasanya juga melalui bagian atas, sedangkan untuk cairan keluar melalui bagian bawah Reaktor batch di desain untuk beroperasi dalam proses unsteady state, banyak reaktor batch menunjukkan perilaku nonlinier yang dimiliki oleh pasangan reaksi kinetika dan temperatur reaktor, dimana lebar jarak temperatur berlebih, dengan kata lain reaksi berjalan eksotermis memproduksi panas berlebih sehingga harus dihilangkan dengan sistem pendinginan. Sirkulasi pompa untuk pendingan bertujuan meminimalkan waktu tinggal agar tetap konstan. 2.1.4
Kelebihan dan Kelemahan Reactor Batch
Kelebihan dari reaktor batch adalah: 1. Harga instrumentasi rendah. 2. Penggunaannya fleksibel, artinya dapat dihentikan secara mudah dan cepat kapan saja diinginkan. 3. Penggunaan yang multifungsi. 4. Reaktor ini dapat digunakan untuk reaksi yang menggunakan campuran kuat dan beracun. 5. Mudah dibersihkan. 6. Dapat menangani reaksi dalam fase gas, cair dan cair-padat. Kelemahan reaktor batch: 1. Biaya buruh dan handling tinggi. 2. Kadang-kadang waktu shut downnya besar, yaitu waktu untuk mengosongkan, membersihkan dan mengisi kembali. 3. Pengendalian kualitas dari produk jelek atau susah. 4. Skala produksi yang kecil.
2.2 Neraca Massa reaktor Batch
Neraca massa untuk komponen A dalam suatu reactor batch dengan volume konstan adalah :
(
massa yang massa = massa + massa hilang karena + masuk keluar terakumulasi reaksi
0= 0+
)(
)
(
)(
d NA + ( -rA ) V dt
( -rA ) V= -
)
…………………………(2.1)
d NA dt
Untuk volume campuran di dalam reactor tetap selama reaksi, maka :
( -rA ) = -
1 dNA V dt
…………………………(2.2)
Integrasi persamaan (2.2), menyatakan hubungan antara waktu reaksi dengan konsentrasi : -d C
∫ dt= ∫ -rA A atau : t= CAo∫
d Xa = -rA
-d C
∫ -rA A
Persamaan diatas adalah persamaan karakteristik untuk reactor batch untuk sistim isothermal dan volume konstan.. Intergrasi persamaan diatas dapat dilakukan secara analitis kalau diketahui hubungan antara –rAdengan CA. Definisi kecepatan reaksi untuk reactor batch, telah diketahui adalah :
( -rA ) = -
1 dNA V dt
Banyaknya mol A pada setiap saat di dalam reactor adalah :
NA= NAo(1 – xA) …………………………..(2.3) Sehingga persaman kecepatan reaksinya menjadi : −rA=
No A d X A V dt
…………………………..(2.4)
Untuk sistem reaktor dengan volume berubah berlaku hubungan : V = Vo(1 + εAxA) dimana : Vo = volume awal campuran reaksi dalam reactor V = volume campuran reaksi pada akhir reaksi, waktu t. atau : XA=
V-Vo Vo εA
atau :
dXA=
dV Vo εA
………………………….(2.5)
di mana εA adalah fraksi perubahan volume dari sistem antara sebelum berekasi (tanpa konversi,xA= 0 dan konversi total, xA = 1 dari reaktan A), jadi : VXA=1 – VXA=0 VXA=0 εA = ………………………….(2.6)
2.3 Neraca Energi Pada neraca energinya, variabel yang berubah adalah temperatur. Dalam reaktor batch, bentuk umumnyan dapat dituliskan sebagai berikut: panas panas - panas + = panas yang masuk keluar terakumulasi tergenerasi
(
)(
)
(
)(
)
Untuk reaktor batch, Panas masuk dapat dari pemanas koil atau jaket, panas keluar dapat dari pendingin koi latau jaket, dan panas generasi adalah panas yang dihasilkan atau dibutuhkan oleh reaksi. Transfer panas merupakan perbandingan panas masuk dengan panas keluar yang ditunjukkan dengan persamaan : Q = UAc (Tc –T)m Dimana: U = Koefisien transfer panas keseluruhan, J m-2s-1K-1 atau w m-2k-1 . koefisien transfer panas dapat ditentukan dengan percobaan atau korelasi empiris Ac = Luas pemanas/ pendingin koil Tc = Suhu koil (Tc –T)m = beda suhu rata2 ∆Tm untuk transfer panas Bila : Q > 0 dan (Tc>T) maka Panas masuk Q < 0 dan (Tc 0 (reaksi endotermis) ∆H<0 (reaksi eksotermis) ∆HRA< 0 (reaksi eksotermis) . Panas akumulasi: dH dT dT Racc= = NtCp = mtCp dt dt dt n
Nt=∑ N i
Total mol:
i=1
(termasuk inert)
Kapasitas panas sistem pada P tetap: N
Cp=∑ xiC Pi i=1
dengan xi = fraksi mole komponen i Massa total sistem N
mt =∑ mi i =1
Kapasitas panas spesifik sistem: N
Cp=∑ WiC Pi i=1
dengan wi = fraksi massa komponen i Neraca energi reaktor batch non isotermal dan non adiabatis: UAC (Tc – T)m + (-∆HRA)(-rAV) =
n t Cp
dT dt
Reaktor Batch Operasi Isotermal
f A2
df A (densitas konstan) f A 1 −rA
t=CA 0 ∫ Pr ( C )=
VcC A 0V ( f A 2−fA 1 ) (densitas konstan) t +td
Reaktor Batch Operasi Non Isotermal Bila reaksi eksotermis atau endotermis, maka diperlukan pengendalian temperatur (T) untuk menjaga kondisi isotermal dengan memberi pendingin atau pemanas. Dapat di tinjau reaksinya, A + • • • → Produk dT dimana operasi isotermal adalah dt
= 0, sehingga
´ =U AC ( Tc-T ) = - ( -∆ HRA ) ( - rA ) V Q Dari neraca mol reaktor batch : -rA=
No A d f A V dt
Kemudian di substitusi ke persamaan energi hingga didapat persamaan : ´ =U AC ( Tc-T ) = - ( -∆ H RA ) NoA d f A Q dt Bila di asumsikan temperatur koil konstan, maka : Tc=T-
( -∆ HRA ) NoA d f A U Ac
dt
2.4 Waktu Reaksi Dalam reaktor batch tidak ada fluida yang masuk ke ataupun yang keluar dari reaktor, maka neraca massa untuk komponen A dapat dituliskan : Input = output + disappearance +accumulation
Atau secara matematis dapat dinyatakan sebagai: Kecepatan berkurangnya zat A sesuai dengan reaksi yang terjadi = kecepatan akumulasi A di dalam reaktor Berkurangnya zat A sesuai dengan reaksi yang terjadi adalah (-rA)V= (mol A bereaksi per satuan waktu per satuan volume fluida) x volume fluida, dimana satuannya menjadi mol/waktu Akumulasi A di dalam reaktor = d N A d \{ N A o (1−X A ) d XA = =−N A o dt dt dt
………………….(2.7)
Jika pers (2.7) diintegralkan, t (waktu reaksi) dapat dinyatakan sebagai
XA
XA
d XA t =N A o∫ 0 ( −rA ) V
CA
d XA d CA t=CA o ∫ =∫ 0 (−rA ) C ( −rA )
…… (2.8)
….. (2.9)
Ao
Pada persamaan 2.7 dan 2.8 berlaku untuk sistem dengan densitas konstan, jika selama reaksi terjadi perubahan densitas, maka persamaan menjadi
t N A0
XA
0
dX A C A0 (rA )V0 (1 X A )
XA
0
dX A (rA )(1 X A )
Persamaan-persamaan di atas berlaku untuk proses isotermal nonisotermal dan bila digambarkan kurvanya adalah sebagai berikut :
ataupun
BAB III KESIMPULAN
3.1 Kesimpulan Dari pembahasan materi diatas dapat disimpulkan : 1. Reactor Batch adalah tempat terjadinya suatu reaksi kimia tunggal, yaitu reaksi yang berlangsung dengan hanya satu persamaan laju reaksi yang berpasangan dengan persamaan kesetimbangan dan stoikiometri. 2. Neraca massa untuk komponen A dalam suatu reactor batch dengan volume konstan adalah : massa yang massa = massa + massa hilang karena + masuk keluar terakumulasi reaksi
(
3.
)(
)
(
)(
)
neraca energinya, variabel yang berubah adalah temperatur. Dalam reaktor batch, bentuk umumnyan dapat dituliskan sebagai berikut: panas panas - panas + = panas yang masuk keluar terakumulasi tergenerasi
(
)(
)
(
)(
)
4. Dalam reaktor batch tidak ada fluida yang masuk ke ataupun yang keluar dari reaktor, maka neraca massa untuk komponen A dapat dituliskan : Input = output + disappearance +accumulation Atau secara matematis dapat dinyatakan sebagai: Kecepatan berkurangnya zat A sesuai dengan reaksi yang terjadi = - kecepatan akumulasi A di dalam reaktor
DAFTAR PUSTAKA
Fogler H.Scott. 2006. “Element of chemical reaction engineering forth edition”. The University of Michigan. Prentice Hall Profesional Technical Reference
