tugas reaktor non isothermal
DESCRIPTION
Penjabaran dari soal fogler edisi 4TRANSCRIPT
Free Powerpoint TemplatesPage 1
TEKNIK REAKSI KIMIA II
Dosen: Prof. Dr.Ir. Slamet, MT
Anggota Kelompok :
Annisa Yulian (1006706132)
Dina Isholawati (1106139203)
Fariz Danupraja (1006706201)
Puspa Sari Pratiwi (1106139664)
Free Powerpoint TemplatesPage 2
Soal P8.4C
The following is an excerpt from The Morning News,
Wilmington, Delaware (August 3, 1977): "Investigators sift
through the debris from blast in quest for the cause [that
destroyed the new nitrous oxide plant]. A company
spokesman said it appears more likely that the [fatal]
blast was caused by another gas-ammonium nitrate-used
to produce nitrous oxide." An 83% (wt) ammonium nitrate
and 17% water solution is fed at 200 F to the CSTR
operated at a temperature of about 510 F. Molten
ammonium nitrate decomposes directly to produce
gaseous nitrous oxide and steam. It is believed that
pressure fluctuations were observed in the system and as
a result the molten ammonium nitrate feed to the reactor
may have been shut off approximately 4 min prior to the
explosion.
Free Powerpoint TemplatesPage 3
Question :
a. Can you explain the cause of the blast? [Hint:
See P9-3 page 574 and Equation (8-75).]
b. If the feed rate to the reactor just before shut
off was 310 lb of solution per hour, what was the
exact temperature in the reactor just prior to
shutdown?
c. How would you start up or shut down and
control such a reaction?
d. What do you learn when you apply the
runaway reaction criteria?
e. Explore this problem and describe what you
find. (For example, can you plot a form of R(T)
versus G(T)?
Note : Assume that at the time the feed to the CSTR
stopped, there was 500 lb of ammonium nitrate in the
reactor. The conversion in the reactor is virtually
complete at about 99.99%.
Free Powerpoint TemplatesPage 4
• Diketahui :
W adalah massa dari ammonium nitrate di cstr (lb) dan
nilai k sebagai berikut :
Δ HoRx= 336 Btu/lb ammonium nitrate at 500 F (constant)
Cp = 0.38 Btu/lb ammonium nitrate. F
Cp= 0.47 Btu/lb of steam. F
-rA V = kCAV = k (M/V) V = k M (lb/h)
Nilai Enthalphy dari air dan steam adalah
Hw (200oF) = 168 Btu/lb
Hg (200oF) = 1202 Btu/lb
Free Powerpoint TemplatesPage 5
A 2B + C
Gambaran proses yang terjadi :
Free Powerpoint TemplatesPage 6
Air pada feed digunakan untuk menyerap kalor dari reaksi. Air ini akan
menjaga agar temperatur reaktor dapat dikendalikan.
Reaktor yang digunakan diasumsikan sebagai reaktor adiabatis dan umpan
yang digunakan adalah campuran ammonium nitrat 83% dan air 17%.
Air memiliki kalor laten yang relatif besar sehingga kalor yang dilepaskan
dari reaksi dapat diserap oleh air yang mengakibatkan temperaturnya
menjadi meningkat dan berubah menjadi steam
Pada kasus di atas dijelaskan bahwa reaktor dishut off akibat adanya
fluktuasi tekanan yang disebabkan fluktuasi suhu dalam reaktor.
runaway reaction terjadi ketika panas yang dilepaskan oleh reaksi melebihi
panas yang hilang sehingga temperatur dan tekanan akan meningkat dan
menyebabkan ledakan.
Keterangan
Free Powerpoint TemplatesPage 7
Perhitungan Sebelum Reaktor di Shut Off
Langkah penyelesaian:
1. Mencari
Free Powerpoint TemplatesPage 8
(Adiabatis, UA = 0)
Berdasarkan soal diketahui bahwa:
R = 1.987 Btu/lbmoloR
Free Powerpoint TemplatesPage 10
Free Powerpoint TemplatesPage 11
(tidak memenuhi persamaan 8-75)
Dari hasil diatas dapat ditarik kesimpulan bahwa :
1. Reaktor tidak akan meledak hal ini dikarenakan tidak
memenuhi persamaan 8-75
2. Menunjukkan aliran umpan yang masih masuk ke dalam
reaktor tidak akan menyebabkan run away reaction dan
sistem masih dalam keadaan stabil
3. Pengaruh temperatur pada kondisi sebelum shut off
(reaksi normal dan pada keadaan upper steady state
karena konversinya besar) tidak menimbulkan adanya
ledakan.
Free Powerpoint TemplatesPage 12
Perhitungan Setelah Reaktor di Shut Off
Langkah penyelesaian:
1.Mencari κ
Berdasarkan soal diketahui bahwa sebelum terjadi ledakan, tersisa
waktu tinggal selama 4 menit, maka τ = 1/15 jam.
maka persamaannya:
149.985
2. Mencari Tc
Free Powerpoint TemplatesPage 14
5. Menghitung
Berdasarkan soal diketahui bahwa stelah shut off
tidak ada aliran umpan yang masuk, maka persamaan
menjadi:
(memenuhi persamaan 8-75)
Free Powerpoint TemplatesPage 15
Berdasarkan hasil perhitungan diatas dapat diambil
kesimpulan bahwa :
1. Run away reaction terpenuhi yang berarti reaktor
meledak dan penyebab dari ledakan berasal dari
shut off yang terjadi bukan dari kondisi operasi yang
dijalankan.
2. Masukan air yang terhenti ini akan menyebabkan air
menguap seluruhnya, sehingga kalor laten sudah
tidak berpengaruh dan menyebabkan adanya kalor
sensible, kalor sensible ini akan menyebabkan
peningkatan temperatur.
3. Terjadinya ledakan diakibatkan oleh berhentinya laju
alir air ke dalam reaktor yang mengakibatkan tidak
adanya media penyerap panas reaksi yang dihasilkan
karena masih adanya reaksi dekomposisi ammonium
nitrat di dalam reaktor.
Free Powerpoint TemplatesPage 16
b. If the feed rate to the reactor just before shut off was 310 lb of
solution per hour, what was the exact temperature in the reactor
just prior to shutdown?
Langkah-Langkah :
Free Powerpoint TemplatesPage 17
6. Menghitung E/R dengan membandingkan persamaan
Arrhenius dengan nilai k berdasarkan informasi tambahan pada
soal :
Free Powerpoint TemplatesPage 18
7. Menghitung nilai A1:
8. Menghitung temperatur reaktor sebelum shut off:
Berdasarkan informasi tambahan yang ada pada
soal, diketahui bahwa persamaan laju reaksi:
Free Powerpoint TemplatesPage 19
Persamaan disederhanakan menjadi:
(257.3 (0.9999)
(500) = 257.27
(1.96 x 10-20)
T = 951.05 Renkin
T = 521.05 oF
ln (1.96 x 10-20)
- 45.38
Temperatur reaktor sesaat sebelum shut off adalah
sebesar T = 521.05 oF
Free Powerpoint TemplatesPage 20
c. How would you start up or shut down and control such a reaction?
Start up
Shut down
Kontrol
Setelah suhu sudah mencapai upper steady
state, suhu umpan dijaga konstan karena
nilai konversi yang dihasilkan besar.
Selain air sebagai pendingin, tekanan dalam
reaktor juga perlu dikurangi saat melakukan
shut off, hal ini dilakukan untuk mencegah
kenaikan suhu yang signifikan
Reaksi dekomposisi ammonium nitrat perlu
dikontrol TC(Temperature Control) dan PC
(Pressure Control).
Free Powerpoint TemplatesPage 21
d. What do you learn when you apply the runaway reaction criteria?
Kondisi operasi perlu dijaga dalam kondisi steady
state karena nilai konversi yang dihasilkan lebih
besar
Menurut persamaan 8-75, runaway dapat terjadi
jika:
suhu daerah upper steady state cukup tinggi atau
berbahaya untuk beroperasi pada kondisi
semacam ini karena suhu yang terus naik dan
memicu terjadinya spot heating.
Suhu umpan sebaiknya berada dibawah (tidak
mendekati) titik ignition temperatur karena akan
mengakibatkan kenaikkan suhu umpan dan
meningkatkan suhu reaktor yang cukup besar.
Free Powerpoint TemplatesPage 22
e. Explore this problem and describe what you find. (For example, can you plot a form of R(T)
versus G(T)?
Tabel Perhitungan G(T), R(T) sebelum dan sesudah shut off
Free Powerpoint TemplatesPage 23
Free Powerpoint TemplatesPage 24
Free Powerpoint TemplatesPage 25
Kurva yang dihasilkan adalah sebagai berikut:
-200
-100
0
100
200
300
400
500
600
700
800
0 500 1000 1500
G (
T)
, R
(T)
T
G(T) , R(T) vs T
G(T)
R(T) sebelum shut off
R(T) sesudah shut off
T, setelah shut off
Free Powerpoint TemplatesPage 26
Berdasarkan kurva diatas dapat diambil kesimpulan :
1. Garis perpotongan antara G(T) dan R(T) menunjukkan
temperatur pada saat sebelum shut off yang kondisinya
normal dan upper steady state yaitu 521 oF.
2. Terjadi pergeseran temperatur setelah shut off perpotongan
garis G(T) dan R(T) terjadi pada temperatur reaktor sekitar
900 oF. Hal ini terjadi akibat tidak adanya laju alir umpan yang
masuk ke dalam reaktor dan menyebabkan naiknya
temperatur di dalam reaktor, pergeseran temperatur akibat
berhentinya aliran air yang masuk ke dalam reaktor inilah
yang menyebabkan ledakan terjadi.
3. Berdasarkan nilai R(T) dan G(T) yang didapatkan, nilai R(T)
lebih besar daripada G(T) maka temperature akan
turun, sebaliknya jika nilai R(T) lebih kecil daripada G(T) maka
temperature akan naik. Hal ini dikarenakan panas yang
diambil lebih kecil daripada panas yang dihasilkan
reaktor, maka temperature reaktor akan naik, begitu pula
sebaliknya.
Free Powerpoint TemplatesPage 27
f. Diskusi pengembangan dari penyelesaian
soal diatas
Tindakan shut off yang dilakukan
oleh operator untuk mematikan
reaktor secara tiba-tiba adalah
pemicu naiknya temperatur
besar-besaran setelah reaktor
dimatikan selama 4 menit.
Laju alir feed yang dihentikan
berakibat temperatur pada
reaktor semakin tinggi karena
berhentinya aliran air yang
berfungsi menjaga temperatur
reaktor dan kemungkinan
terjadinya local heating atau
spot heating sehingga panas
tidak lagi homogen.
Pencegahan peledakan reaktor
ketika melakukan shut off
dilakukan dapat diatasi dengan
tetap mengalirkan air sebagai
pendingin agar temperature di
dalam reaktor tetap terjaga atau
stabil
Hal ini dapat diperhitungan saat
pengoperasian reaktor
CSTR, yaitu dengan
memperhitungkan runaway
reaction pada persamaan 8-75
(Fogler 2006):
Free Powerpoint TemplatesPage 28
Kesimpulan
•Identifikasi meledaknya sebuah reaktor dapat diketahui
berdasarkan perhitungan dengan persamaan 8-75 mengenai
runaway reaction.
•Meledaknya reaktor disebabkan oleh berhentinya laju alir air
sebagai umpan ke dalam reaktor dikarenakan reaksi dekomposisi
ammonium nitrat terjadi secara ekstormis.
•Temperatur sesaat sebelum reaktor yang didapatkan adalah
sebesar 521 oF
•Kenaikan temperatur sebelum dan sesudah shut off mengalami
peningkatan dari temperature sekitar 500 oF menjadi 900 oF
dikarenakan berhentinya laju alir umpan air ke dalam reaktor
sebagai media penyerap panas reaksi.
•Pengembangan soal dengan menghitung nilai R(T) dan G(T) yang
didapatkan, nilai R(T) lebih besar daripada G(T) maka temperature
akan turun, sebaliknya jika nilai R(T) lebih kecil daripada G(T) maka
temperature akan naik. Hal ini dikarenakan panas yang diambil
lebih kecil daripada panas yang dihasilkan reaktor, maka
temperatur reaktor akan naik, begitu pula sebaliknya.