Teknik Reaksi Kimia Lanjut

Non-Ideal FlowNon Isotermal ReactorsNon-Isotermal Reactors

Multiphase Reactors (Gas-Solid,Catalytic,Gas Liquid)

T.Kimia ITS 1

Aliran Non Ideal

Dr Ir Mahfud DEADr. Ir. Mahfud,DEAJurusan Teknik Kimia FTI-ITS

T.Kimia ITS 2

POLA ALIR IDEAL

MixedFlow

PlugFlow

Deviasi-ChanellingRecycling-Recycling-Stagnant

Aliran Non-Ideal T.Kimia ITS 3

Deviasi Aliran : Ch li D d ZChanneling, Dead Zone,

T.Kimia ITS 4

Aliran Non-IdealAliran Non Ideal

Tidak semua molekul tinggal dalam reaktor dalam waktu yangTidak semua molekul tinggal dalam reaktor dalam waktu yang sama.Terjadi deviasi aliran : Channeling, Recycling, Dead Zone,Kualitas pencampuran (Quality of Mixing)

Distribusi waktu Tinggal (Residence Time Distribution)Keadaan campuran (State of Aggregation)Cepat dan lambatnya pencampuran (Earlierness & Lateness of Mixing)

T.Kimia ITS 5

Residence Time Distribution(DISTIBUSI WAKTU TINGGAL FLUIDA DALAM REAKTOR)(DISTIBUSI WAKTU TINGGAL FLUIDA DALAM REAKTOR)

Elemen-elemen fluida yang melalui reaktor menggunakan lintasan yang berbeda sehingga waktu tinggal di dalam reaktor berbeda-beda. Distribusi waktu tinggal dari elemen-elemen fluida ini dapat dinyatakan dengan kurva Distribusi Waktu Tinggal atau Kurva RTD

T.Kimia ITS 6

(disebut juga Kurva E)

KARAKTERISTIK KURVA E

RTD atau Kurva E∫∞=

0)(

)()(dttC

tCtE

E

T l

RTD atau Kurva E

Fraksi aliran

C(t)

Kurva RTD disebut juga fungsi distribusi umur keluar (exit-age

t10

Total area = 1

t

Fraksi aliran keluarpada t > t10 t

j g g ( gdistribution function) atau kurva E(t) karena kurva ini menggambar-kan lamanya molekul-molekul tinggal dalam reaktor.

Luasan kurva E ini akan sama dengan 1, dan dari kurva ini dapat g , pdilakukan analisis mengenai ketidak idealan reaktor.

= fraksi fluida yang umurnya lebih muda dari t∫t0 dt)t(E

T.Kimia ITS 7

= fraksi fluida yang umurnya lebih lama dari t∫∞t dt)t(E

KARAKTERISTIK KURVA RTD

Waktu tinggal rata-rata :Waktu tinggal rata rata :

∫∫ ∞

∞

0 EdtCdt

∫∫∫∞ ==

0

0

0 tEdtCdt

t

∫∫∞∞

− 222)( CdttCdttt

Varian :

∫∫

∫∫

∞∞ −==2

0

0

0

02)(

tCdt

Cdtt

Cdt

Cdtttσ

T.Kimia ITS 8∫∞

−=0

2 )()( dttEtt

Kegunaan Kurva RTDKegunaan Kurva RTD

Mengetahui distribusi waktu tinggal molekulMengetahui distribusi waktu tinggal molekul-molekul dalam reaktor.Menganalisis ketidak-idealan reaktor (chanelling,Menganalisis ketidak idealan reaktor (chanelling, short circuiting, stagnant zone, recycling).Mengetahui volume reaktor sebenarnya.Mengetahui konversi di dalam reaktor non-idealMenentukan model reaktor non-ideal.

T.Kimia ITS 9

PEMBUATAN KURVA RTDRTD ditentukan secara eksperimen dengan Metode Stimulus & Response, yaitu dengan menginjeksikan bahan inert yang disebut pelacak (tracer) ke dalam reaktor pada saat tertentu, t = 0, p ( ) p , ,kemudian mengukur konsentrasi pelacak, C pada aliran keluar sebagai fungsi waktu.

REAKTOR

INJEKSI DETEKSI

Metoda injeksi pelacak :j p• pulse input• step input• sinusoidal input

T.Kimia ITS 10

• Any input

PEMBUATAN KURVA RTD

Syarat-syarat pelacak :bahan inert (tidak bereaksi dengan zat yang ada dalam reaktor)bahan inert (tidak bereaksi dengan zat yang ada dalam reaktor)dapat diukur (dideteksi) dengan mudah.sifat-sifat fisiknya mirip dengan campuran reaktan-reaktannya.tid k di l h di di t k k l i d ltidak diserap oleh dinding atau permukaan-permukaan lain dalam reaktor.

Macam-macam pelacak yang umum dipakaibahan-bahan yang berwarna (Methyl orange, Blue methylen)bahan-bahan yang mudah dideteksi (NaCl, He, CH4)y g ( , , )bahan-bahan radioaktif

T.Kimia ITS 11

PEMBUATAN KURVA RTDPULSE - INPUTPULSE - INPUT

Sejumlah pelacak diinjeksikan secara tiba-tiba pada suatu titik aliran masuk reaktor dalam waktu yang singkat sekali. Konsentrasimasuk reaktor dalam waktu yang singkat sekali. Konsentrasi pelacak pada aliran keluar diukur fungsi waktu, maka diperoleh Kurva konsentrasi C fungsi waktu

REAKTOR

INJEKSI DETEKSI

C

t

C

t

Kurva konsentrasi C fungsi waktu disebut kurva C yang kemudian dapat dibuat kurva distribusi waktu tinggal (kurva RTD) sbb

)t(C

T.Kimia ITS 12∫∞

=

0 dt)t(C

)t(C)t(E

PEMBUATAN KURVA RTDSTEP INPUTSTEP - INPUT

Penambahan (peningkatan konsentrasi pelacak secara konstan pada aliran masuk reaktor dan dilakukan pengukuran konsentrasipada aliran masuk reaktor dan dilakukan pengukuran konsentrasi pelacak pada aliran keluar sampai dicapai konsentrasi keluar sama dengan konsentrasi masuk.

Co(t) = 0, t < 0Co(t) = konstan, t ≥ 0

REAKTOR

CINJEKSI DETEKSI

t0t

∫t Kurva konsentrasi C fungsi waktu yang∫ −= inout dttEttCC0

')'()'(

∫=t

oout dttECC0

')'(⎤⎡

Kurva konsentrasi C fungsi waktu yang diperoleh dinormalisasi menjadi kurva F

T.Kimia ITS 13F(t)E(t')dt'CC t

0o

out == ∫ dtdF

CtC

dtdtE

stepo

=⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

)()(

PEMBUATAN KURVA RTD

c. Sinusoidal InputSejumlah pelacak diinjeksikan secara tiba-tiba pada suatu titik aliranSejumlah pelacak diinjeksikan secara tiba-tiba pada suatu titik aliran masuk reaktor dalam bentuk mengikuti pola sinosoidal. Untuk reaktor riil ini relatif sulit pelaksanaanya.

d. Any InputSejumlah pelacak diinjeksikan secara sebarang dengan tiba-tiba pada suatu titik aliran masuk reaktor dalam waktu yang relatifpada suatu titik aliran masuk reaktor dalam waktu yang relatif singkat tetapi tidak berprilaku seperti pulse input. Untuk itu perlu pengukuran kurva pada bagian masuk dan bagian keluar reaktor. Dengan menggunkan integral konvolusi antara kurva masuk danDengan menggunkan integral konvolusi antara kurva masuk dan keluar akan diperoleh kurva RTDnya. Injeksi dengan cara ini termasuk yang paling teliti tetapi memerlukan perhitungan yang relatif panjang.

T.Kimia ITS 14

p j g

Membuat kurva C(t) dan E(t)

T.Kimia ITS 15

Prosedur Eksperimen Membuat Kurva E – pulse input

Jika volume reaktor, V m3, laju alir, v m3/s, tracer yang dimasukkan, M kg atau kgmol, maka pengambilan data eksperimen sbb :

Waktu t, min t0 t1 t2 … t4

Cpulse, g/l C0 C1 C2 … Cn

E=C/A, min-1 E0 E1 E2 … En0 1 2 n

∑∫ =≅=∞

i3ii0 m

kg.s,v

M∆tCCdtAV/M

C

A

CE pulsepulse

==

nn tCtCtCA ∆++∆+∆= ...2211

,svV

∆tC

∆tCt

Cdt

tCdtt

ii

iiii

0 =≅=∑∑

∫∫∞

∞

i0∑∫

nn2211

nnn222111

∆tC...∆tC∆tC∆tCt...∆tCt∆tCtt

++++++

=20

2

0

22 t

CdttCdt)t(tσ −=

−=

∫∫

∫∫

∞

∞

∞

∞

T.Kimia ITS 16

00CdtCdt ∫∫

∞∞

2

ii

ii2

i

ii

ii2

2 t∆tC∆tCt

∆tC∆tC)t(t

σ −=−

=∑∑

∑∑

Contoh-1 : Membuat kurva C(t) dan E(t)Suatu pelacak diinjeksikan ke dalam reaktor dengan pulse input, Suatu pe aca d je s a e da a ea to de ga pu se put,kemudian konsentrasi pada aliran keluar diukur, hasilnya seperti pada tabel dibawah ini. Gambarkan E(t) sebagai fungsi waktu

Waktu t, min 0 5 10 15 20 25 30 35C, g/m3 0 3 5 5 4 2 1 0E=C/area, min-1 0 0,03 0,05 0,05 0,04 0,02 0,01 0

∑ =+++++=∆=i

ii litergmtCArea min/.1005)124553(

)()()( tCtCtE ==

∑∑∫ ∆∞iiiii CttCttCdt

3

0min/50)(

)(mgdttC

tE ==∫∞

i1530x125x220x415x510x55x3 +++++t

∑∑∫∫

∆=

∆≅= =

∞

iii

iconstant∆t

iii

i

tCtCCdtt

0

0

T.Kimia ITS 17

min15124553

=+++++

=t

Contoh-1b : Membuat kurva C(t) dan E(t)Suatu pelacak diinjeksikan ke dalam reaktor dengan pulse input, kemudian konsentrasi pada aliran keluar diukur, hasilnya seperti pada tabel dibawah ini.

a Gambarkan C(t) dan E(t) sebagai fungsi waktua. Gambarkan C(t) dan E(t) sebagai fungsi waktub. Tentukan fraksi bahan yang meninggalkan reaktor antara 3 sampai 6 menit

Waktu t, min 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14C, g/m3 0 1 5 8 10 8 6 4 3,0 2,2 1,5 0,6 0

1410

C(t)

∫∫∫ +=∞ 14

101000 dt)t(Cdt)t(Cdt)t(C

[ ]10

0)5,1(1)2,2(4)3(2)4(4)6(2)8(4)10(2)8(4)5(2)1(4)0(1

31)( dttC ++++++++++=∫

C(t)g/m3

3min/.4,47 mgr=

[ ] 314

10gr.min/m 6,20)8,0(45,1

32)( =++=∫ dttC

∞

T.Kimia ITS 18

140 t (min)1 2 [ ] 3

0gr.min/m 506,24,47)( =+=∫

∞dttC

Contoh-1b : Membuat kurva C(t) dan E(t)

3

0min/50

)(

)(

)()(mg

tC

dttC

tCtE ==∫∞

a. Kurva E

Waktu t, min 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 14C, g/m3 1 5 8 10 8 6 4 3 2,2 1,5 0,6 0E(t) i 0 02 0 1 0 16 0 2 0 16 0 12 0 08 0 06 0 004 0 03 0 012 0E(t), min 0,02 0,1 0,16 0,2 0,16 0,12 0,08 0,06 0,004 0,03 0,012 0

b. Fraksi bahan yang meninggalkan

E(t)min-1 )33(

83)( 4321

6

3ffffttE +++∆=∫

b. Fraksi bahan yang meninggalkan reaktor antara 3 dan 6 menit :

0 t1 2 3 4 5 6

851,0)12,0)16,0(3)2,0(316,0)(1(

83

=+++=

Fraksi keluar = 51%

T.Kimia ITS 19

0 t1 2 3 4 5 6 Fraksi keluar = 51%

RTD reaktor piston (PFR)Semua molekul yang meninggalkan reaktor mempunyaiumur (waktu tinggal) yang sama dalam reaktor

∞

out

( gg ) y g

∞

in

0 τ t

δ (t) δ (t-τ)C C

0 τ t

E(t) = δ (t-τ)

ττδ =−= ∫∞

0)( dtttt

2

Waktu tinggal rata-rata :

T.Kimia ITS 2002 =σVarian :

RTD reaktor teraduk (MFR)( )Konsentrasi zat pada aliran keluar reaktor identik dengan konsentrasi di dalam reaktorg

in

∞1/τ

C inC

δ (t)

C

τ−τ

= /te1)t(E

tt

Waktu tinggal rata-rata : ∫∫∞ −∞

===0

/

0)( τ

ττ dtetdtttEt t

T.Kimia ITS 21

Varian :2

0

/2

0

22 )()()( ττττσ τ =

−=−= ∫∫

∞ −∞dtetdttEt t

Kurva E - REAKTOR NON IDEAL a. Non-ideal flow

Adanya aliran yang tidak bersifat ideal ditunjukkan oleh adanya penyebaran kurva Editunjukkan oleh adanya penyebaran kurva yang tidak sama dengan kurva E reaktor ideal. Hal ini menunjukkan pada umumnya aliran tidak bersifat ideal. Makin besar variannya

ki d k ti i d fl d ki k ilt

makin mendekati mixed flow dan makin kecil variannya makin mendekati plug flow.

b Ch li ( h t i iti )b. Channeling (short circuiting)Adanya bagian reaktan yang melalui jalan pintas (channeling) pada bagian tetentu dalam reaktor maka ada sebagian reaktan yang

E(t)

reaktor maka ada sebagian reaktan yang tinggal jauh lebih singkat dari yang lain. Hal ini ditunjukkan dengan adanya 2 puncak pada kurva RTD. Puncak pertama ini menandakan t

T.Kimia ITS 22

adanya reaktan yang berumur pendek.

Kurva E- REAKTOR NON IDEAL

c. Dead Zone (Stagnant)Adanya bagian reaktan yamg diam (stagnant) padaAdanya bagian reaktan yamg diam (stagnant) pada bagian-bagian tetentu dalam reaktor maka ada sebagian reaktan yang tinggal jauh lebih lama dari yang lain. Hal ini ditunjukkan dengan adanya ekor (tailing) pada kurvaini ditunjukkan dengan adanya ekor (tailing) pada kurva RTD.

E(t)

tτ

T.Kimia ITS 23

KONVERSI DALAM REAKTOR ALIR NON IDEALALIR NON-IDEAL

dtECCA

CC

elementAoAo

A .∫∞

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

0

( ) dtEXX elementA .∫∞

=0

Reaksi orde 1 :kteCA −=

⎞⎜⎜⎛

Reaksi orde 1 :elementAo

eC ⎠

⎜⎜⎝

Reaksi orde 2 : CA ⎞⎜⎛ 1Reaksi orde 2 :

tkCC AoelementAo +=

⎠⎜⎜⎝ 1

CA ⎞⎛

T.Kimia ITS 24

Reaksi orde n : ( ) nnAo

elementAo

ktCnCCA −−−+=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ 11111/)(

Contoh-2 : Konversi dg menggunakan data RTD

Suatu reaktor (space time = 15 menit) digunakan untuk reaksi dekomposisi dengan laju sbb : -rA = kCA dan k = 0,307 min-1

Tentukan konversi reaksinya jika reaktornya bersifat :a plug flowa. plug flowb. mixed flowc. tidak ideal, pola alirnya seperti contoh-1

Penyelesaian :

∫ −=

Af

0 A

AA0

X

rXd CPτ

Reaktor Plug Flow : ⎯→ XA = 99 %

e ye esa a

A

AfA0M r

X Cτ

−=Reaktor Mixed Flow : ⎯→ XA = 82 %

E.dtCCA

CCA ∫

∞

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎞

⎜⎜⎛

⎯→ XA = 93 %

Non ideal, pola alirnya seperti contoh-1 (Levenspiel)

T.Kimia ITS 25

CCelement0 AoAo

∫⎠

⎜⎝⎠

⎜⎝

→ A 93 %

Contoh-2 :Konversi dg menggunakan data RTDKonversi dg menggunakan data RTD

E.dtCACA ∫∞ ⎞⎜⎜⎛

=⎞

⎜⎜⎛

E.dteCC kt

A

A ∫∞

−=⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

CCelement0 AoAo

∫⎠

⎜⎝⎠

⎜⎝

C 0Ao ⎠⎝

tE.eCC kt

Ao

A ∆=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∑ −

Waktu t, min 0 5 10 15 20 25 30 35C g/m3 0 3 5 5 4 2 1 0C, g/m 0 3 5 5 4 2 1 0E=C/area, min-1 0 0,03 0,05 0,05 0,04 0,02 0,01 0e-ktE.∆t 0 0,0323 0,0116 0,0025 0,0004 0,0001 0,00 0

C

T.Kimia ITS 26

0,0469E∆∆eCC kt

A0

A ==∑ −⎯→ XA = 93 %

Sekian

Terima Kasih

T.Kimia ITS 27

T.Kimia ITS 28

T.Kimia ITS 29

Teknik Reaksi Kimia II

Dr Ir Mahfud DEADr. Ir. Mahfud,DEAJurusan Teknik Kimia FTI-ITS

RK 1463 TEKNIK REAKSI KIMIA II (3 SKS)Tujuan :

Mahasiswa memahami dasar-dasar perancangan reaktor kimia, untuk sistim non-ideal, non-isotermal dan Heterogen

Materi :Pengaruh suhu & tekanan terhadap Performance reaktor,g p ,perancangan reaktor non isothermal ideal (batch, mixed flow & plug flow), aliran non ideal distribusi waktu tinggal, pencampuran fluida reaktor-reaktor heterogen, reaktor gas-padat, reaktor gas-cair dan reaktor gas-padat katalitik

Pustaka :Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, Edisi 3, 1997.Scott Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, 3ed, 1999.Froment, Chemical Reaktor, 3ed.

T.Kimia ITS

Villermaux, Genie de la Reaction Chimique, 1984

Prosedur Eksperimen Membuat Kurva RTD – step inputp p

Jika volume reaktor, V m3, laju alir, v m3/s, tracer yang dimasukkan, M kg atau kgmol, maka pengambilan data eksperimen sbb :eksperimen sbb :

Waktu t, min t0 t1 t2 … t4

Cpulse, g/l C0 C1 C2 … Cn

E=C/A, min-1 E0 E1 E2 … En

∑∫ =∆≅=∞

i3ii0 m

s.kg,

vMtCCdtA

V/M

C

A

CE pulsepulse

==

nnn tCttCttCtA ∆++∆+∆= ...222111

V/MA

sVtCttCdt

t iiii

0∆

≅∑∫

∞

s,vtCCdt

t

iii

0

=∆

≅=∑∫

∞min,

tC...tCtCtCt...tCttCt

tnn2211

nnn222111∆++∆+∆

∆++∆+∆=

22 CdttCdt)tt( − ∫∫∞∞

T.Kimia ITS 32

2

0

0

0

02 tCdt

Cdtt

Cdt

Cdt)tt(−=

−=σ

∫

∫

∫

∫∞∞ 2

ii

ii2

i

ii

ii2

2 ttC

tCttC

tC)tt(−

∆

∆=

∆

∆−=σ

∑∑

∑∑

T.Kimia ITS 33

T.Kimia ITS 34

T.Kimia ITS 35

T.Kimia ITS 36

T.Kimia ITS 37