Aliran Non Ideal.pdf

Teknik Reaksi Kimia

Lanjut

Non-Ideal Flow

Non Isotermal Reactors

Non-Isotermal Reactors

Multiphase Reactors

(Gas-Solid,Catalytic,Gas Liquid)

Aliran Non Ideal

Dr Ir Mahfud DEA Dr. Ir. Mahfud,DEA Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS

POLA ALIR

IDEAL

Mixed Flow Plug Flow Deviasi -Chanelling Recycling -Recycling -Stagnant

Aliran Non-Ideal

T.Kimia ITS 3

Deviasi Aliran :

Ch

li

D

d Z

Aliran Non-Ideal

Aliran Non Ideal

z

Tidak semua molekul tinggal dalam reaktor dalam waktu yang

z

Tidak semua molekul tinggal dalam reaktor dalam waktu yang

sama.

z

Terjadi deviasi aliran : Channeling, Recycling, Dead Zone,

z

Kualitas pencampuran (Quality of Mixing)

z

Distribusi waktu Tinggal (Residence Time Distribution)

z

Keadaan campuran (State of Aggregation)

z

Cepat dan lambatnya pencampuran (Earlierness & Lateness

of Mixing)

Residence Time Distribution

(DISTIBUSI WAKTU TINGGAL FLUIDA DALAM REAKTOR) (DISTIBUSI WAKTU TINGGAL FLUIDA DALAM REAKTOR)

z Elemen-elemen fluida yang melalui reaktor menggunakan lintasan

yang berbeda sehingga waktu tinggal di dalam reaktor berbeda-beda.

z Distribusi waktu tinggal dari elemen-elemen fluida ini dapat

dinyatakan dengan kurva Distribusi Waktu Tinggal atau Kurva RTD (disebut juga Kurva E)

KARAKTERISTIK KURVA E

RTD atau Kurva E

∫

∞

=

0

(

)

)

(

)

(

dt

t

C

t

C

t

E

E T l RTD atau Kurva E Fraksi aliran C(t)

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

t₁ 0 Total area = 1 t Fraksi aliran keluar pada t > t₁ 0 t j g g ( g

distribution function) atau kurva E(t) karena kurva ini

menggambar-kan lamanya molekul-molekul tinggal dalam reaktor.

z Luasan kurva E ini akan sama dengan 1, dan dari kurva ini dapat g , p

dilakukan analisis mengenai ketidak idealan reaktor.

z = fraksi fluida yang umurnya lebih muda dari t

∫

₀tE(t)dt

T.Kimia ITS 7

z _∫∞ = fraksi fluida yang umurnya lebih lama dari t

KARAKTERISTIK KURVA RTD

z

Waktu tinggal rata-rata :

z

Waktu tinggal rata rata :

∫

∫

∞ ∞ 0

tCdt

Ed

∫

∫

∫

∞

=

=

0 0 0

tEdt

Cdt

t

∫

∫

∞

−

2 ∞ 2 ₂

)

(

t

t

Cdt

t

Cdt

z

Varian :

∫

∫

∫

∫

∞ ∞

=

−

=

2 0 0 0 0 2

(

)

_t

Cdt

Cdt

t

Cdt

Cdt

t

t

σ

T.Kimia ITS

∫

8 ∞

−

=

0 2

)

(

)

(

t

t

E

t

dt

Kegunaan Kurva RTD

Kegunaan Kurva RTD

z

Mengetahui distribusi waktu tinggal molekul

z

Mengetahui distribusi waktu tinggal

molekul-molekul dalam reaktor.

z

Menganalisis ketidak-idealan reaktor (chanelling,

z

Menganalisis ketidak idealan reaktor (chanelling,

short circuiting, stagnant zone, recycling).

z

Mengetahui volume reaktor sebenarnya.

z

Mengetahui konversi di dalam reaktor non-ideal

z

Menentukan model reaktor non-ideal.

PEMBUATAN KURVA RTD

z RTD 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 • Any input

PEMBUATAN KURVA RTD

Syarat-syarat pelacak :

z bahan inert (tidak bereaksi dengan zat yang ada dalam reaktor) z bahan inert (tidak bereaksi dengan zat yang ada dalam reaktor) z _{dapat diukur (dideteksi) dengan mudah.}

z sifat-sifat fisiknya mirip dengan campuran reaktan-reaktannya.

tid k di l h di di t k k l i d l

z tidak diserap oleh dinding atau permukaan-permukaan lain dalam

reaktor.

Macam-macam pelacak yang umum dipakai

z _{bahan-bahan yang berwarna (Methyl orange, Blue methylen)} z bahan-bahan yang mudah dideteksi (NaCl, He, y g ( , , CH4))

z bahan-bahan radioaktif

PEMBUATAN KURVA RTD

PULSE - INPUT

PULSE - INPUT

z Sejumlah pelacak diinjeksikan secara tiba-tiba pada suatu titik aliran

masuk reaktor dalam waktu yang singkat sekali. Konsentrasi masuk 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

z 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 C(t)dt ) t ( C ) t ( E

PEMBUATAN KURVA RTD

STEP INPUT

STEP - INPUT

z Penambahan (peningkatan konsentrasi pelacak secara konstan

pada aliran masuk reaktor dan dilakukan pengukuran konsentrasi pada aliran masuk reaktor dan dilakukan pengukuran konsentrasi pelacak pada aliran keluar sampai dicapai konsentrasi keluar sama dengan konsentrasi masuk.

z Co(t) = 0, t < 0 z Co(t) = konstan, t ≥ 0 REAKTOR C INJEKSI DETEKSI t 0 t

∫

t Kurva konsentrasi C fungsi waktu yang

∫

− = _in out C t t E t dt C 0 ( ') ( ') '

∫

=

_o t out

C

E

t

dt

C

0

(

'

)

'

⎤ ⎡

Kurva konsentrasi C fungsi waktu yang diperoleh dinormalisasi menjadi kurva F

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

C C t 0 o out = =

∫

dt dF C t C dt d t E step o = ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ = ( ) ) (

PEMBUATAN KURVA RTD

c. Sinusoidal Input

z Sejumlah pelacak diinjeksikan secara tiba-tiba pada suatu titik aliran z Sejumlah 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 Input

z Sejumlah pelacak diinjeksikan secara sebarang dengan tiba-tiba

pada suatu titik aliran masuk reaktor dalam waktu yang relatif pada 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 dan Dengan 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.p j g

Membuat kurva C(t) dan E(t)

Prosedur Eksperimen

Membuat Kurva E – pulse input

z 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 C_pulse, g/l C₀ C₁ C₂ … C_n E=C/A, min-1 _E 0 E1 E2 … En 0 1 2 n

∑

∫

≅ = = ∞ i 3 i i 0 m kg.s , v M ∆t C Cdt A V / M C A C E = pulse = pulse n n t C t C t C A = ₁∆ ₁ + ₂∆ ₂ +...+ ∆ ,s v V ∆t C ∆t C t Cdt tCdt t i i i i i i 0 ≅ = =

∑

∑

∫

∫

∞ ∞ i 0

∑

∫

n n 2 2 1 1 n n n 2 2 2 1 1 1 ∆t C ... ∆t C ∆t C ∆t C t ... ∆t C t ∆t C t t + + + + + + = 2 0 2 0 2 2 (t t) Cdt t Cdt _t σ = − = −

∫

∫

∫

∫

∞ ∞ ∞ ∞ T.Kimia ITS 16 0 0 Cdt

∫

Cdt

∫

∞ ∞ 2 i i i i 2 i i i i i 2 2 _t ∆t C ∆t C t ∆t C ∆t C ) t (t σ = − = −

∑

∑

∑

∑

Contoh-1 :

Membuat kurva C(t) dan E(t)

z 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 35 C, g/m3 _{0 3 5 5 4 2 1 0} E=C/area, min-1 _{0 0,03 0,05 0,05 0,04 0,02 0,01 0}

∑

∆ = + + + + + = = i i i t gm liter C Area (3 5 5 4 2 1)5 100 .min/ ) ( ) ( ) (t C t C t E = =

∑

∑

∫

∞tCdt tiCi∆ti tiCi 3 0 min/ 50 ) ( ) ( m g dt t C t E = =

∫

∞ i 15 30x1 25x2 20x4 15x5 10x5 5x3+ + + + + t

∑

∑

∫

∫

∆ = ∆ ≅ = = ∞ i i i i constant ∆t i i i i t C t C Cdt t 0 0 T.Kimia ITS 17 min 15 1 2 4 5 5 3+ + + + + = = t

Contoh-1b :

Membuat kurva C(t) dan E(t)

z 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 waktu a. Gambarkan C(t) dan E(t) sebagai fungsi waktu

b. 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 14 C, g/m3 _{0 1 5 8 10 8 6 4 3,0 2,2 1,5 0,6 0} 14 10 C(t)

∫

∫

∫

∞ = + 14 10 10 0 0 C(t)dt C(t)dt C(t)dt [ ] 10 0 ₃ 1(0) 4(1) 2(5) 4(8) 2(10) 4(8) 2(6) 4(4) 2(3) 4(2,2) 1(1,5) 1 ) ( dtt C = + + + + + + + + + +

∫

C(t) g/m 3 3 min/ . 4 , 47 gr m =

[

]

3 14 10 ₃ 1,5 4(0,8) 0 2,6gr.min/m 2 ) ( = + + =

∫

C t dt ∞ 14 0 1 2 t (min)

[

]

3 0 ( ) = 47,4+ 2,6 = 50gr.min/m

∫

∞C t dt

Contoh-1b :

Membuat kurva C(t) dan E(t)

3 0 min/ 50 ) ( ) ( ) ( ) ( m g t C dt t C t C t E = =

∫

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

(

3

3

)

8

3

)

(

_{1 2 3 4} 6 3

E

t

=

∆

t

f

+

f

+

f

+

f

∫

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

0 1 2 3 4 5 6 t

8

51 , 0 ) 12 , 0 ) 16 , 0 ( 3 ) 2 , 0 ( 3 16 , 0 )( 1 ( 8 3 _{+ + + =} = Fraksi keluar = 51% T.Kimia ITS 19 0 1 2 3 4 5 6 t _{Fraksi keluar = 51%}

RTD reaktor piston (PFR)

Semua molekul yang meninggalkan reaktor mempunyai

umur (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)

τ

τ

δ

−

=

=

∫

∞ 0

t

(

t

)

dt

t

2

z

Waktu tinggal rata-rata :

0

2

=

σ

RTD reaktor teraduk (MFR)

(

)

Konsentrasi zat pada aliran keluar reaktor identik

dengan konsentrasi di dalam reaktor

g

in ∞ 1/τ C in C δ (t) C τ −

τ

=

t/

e

1

)

t

(

E

t t

z

Waktu tinggal rata-rata :

=

∫

∞

=

∫

∞ −

=

0 / 0

(

)

τ

τ

τ

_dt

e

t

dt

t

tE

t

t T.Kimia ITS 21 z

Varian :

2 0 / 2 0 2 2

(

)

)

(

)

(

τ

τ

τ

τ

σ

₌

₋

₌

−

τ

₌

∫

∫

∞

_t

_E

_t

_dt

∞

t

_e

−t

_dt

Kurva E - REAKTOR NON IDEAL

a. Non-ideal flow

Adanya aliran yang tidak bersifat ideal

ditunjukkan oleh adanya penyebaran kurva E

ditunjukkan 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 il t

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

Kurva E- REAKTOR NON IDEAL

c. Dead Zone (Stagnant)

Adanya bagian reaktan yamg diam (stagnant) pada

Adanya 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 kurva

ini ditunjukkan dengan adanya ekor (tailing) pada kurva

RTD.

E(t)

t τ

KONVERSI DALAM REAKTOR

ALIR NON IDEAL

ALIR NON-IDEAL

dt

E

C

CA

C

C

element Ao Ao A

.

∫

∞

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

⎟

⎟

⎠

⎞

⎜

⎜

⎝

⎛

0

( )

X

E

dt

X

∫

_{A element}

.

∞

=

0 Reaksi orde 1 : kt

e

CA

⎞

₌

₋

⎜⎜

⎛

Reaksi orde 1 : element Ao

e

C ⎠

⎜⎜

⎝

Reaksi orde 2 : ⎜⎛ CA ⎞ 1 Reaksi orde 2 : t kC C_{Ao ⎠element} = + _Ao ⎜⎜ ⎝ 1

CA ⎞

⎛

T.Kimia ITS 24 Reaksi orde n :

(

n

)

n Ao element Ao

kt

C

n

C

CA

₋ −

−

+

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

₁ 1 1

1

1

(

)

/

Contoh-2 :

Konversi dg menggunakan data RTD

Suatu reaktor (space time = 15 menit) digunakan untuk reaksi

dekomposisi dengan laju sbb : -r_A = kC_A dan k = 0,307 min-1

Tentukan konversi reaksinya jika reaktornya bersifat : a plug flow

a. plug flow b. mixed flow

c. tidak ideal, pola alirnya seperti contoh-1 Penyelesaian :

∫

₋ = Af 0 A A A0 X r X d C

P

τ

Reaktor Plug Flow : ⎯→ _XA = 99 %

e ye esa a A Af A0 M r X C

τ

= ₋

Reaktor Mixed Flow : ⎯→ XA = 82 %

E.dt C CA C C_A

∫

∞ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = ⎟ ⎞ ⎜⎜ ⎛ ⎯→ X_A = 93 %

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

T.Kimia ITS 25

C

C_{Ao ⎠}

∫

₀ ⎜_{⎝ Ao ⎠element}

⎜

Contoh-2 :

Konversi dg menggunakan data RTD

Konversi dg menggunakan data RTD

E.dt CA C_A

∫

∞ _⎞ ⎜⎜ ⎛ = ⎞ ⎜⎜ ⎛ E.dt e C C _kt A A

∫

∞ − = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ C C_{Ao ⎠}

∫

₀ ⎜_{⎝ Ao ⎠element} ⎜ ⎝ C_{Ao ⎠ 0} ⎝ t E. e C C _kt Ao A = ∆ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛

∑

− Waktu t, min 0 5 10 15 20 25 30 35 C g/m3 _{0 3 5 5 4 2 1 0} C, g/m 0 3 5 5 4 2 1 0 E=C/area, min-1 _{0 0,03 0,05 0,05 0,04 0,02 0,01 0} e-ktE.∆t _{0 0,0323 0,0116 0,0025 0,0004 0,0001 0,00 0} C 0,0469 E∆∆ e C C kt A0 A =

∑

− = ⎯→ X_A= 93 %

Sekian

Terima Kasih

Teknik Reaksi Kimia II

Dr Ir Mahfud DEA Dr. Ir. Mahfud,DEA Jurusan Teknik Kimia FTI-ITS

RK 1463 TEKNIK REAKSI KIMIA II

(3 SKS)

Tujuan :

z Mahasiswa memahami dasar-dasar perancangan reaktor kimia,

untuk sistim non-ideal, non-isotermal dan Heterogen

Materi :

z 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 :

z Octave Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, Edisi 3, 1997.

z Scott Fogler, Elements of Chemical Reaction Engineering, 3ed, 1999.

z Froment, Chemical Reaktor, 3ed.

T.Kimia ITS

Prosedur Eksperimen

Membuat Kurva RTD – step input

p

p

z

Jika volume reaktor, V m

3

, laju alir, v m

3

/s, tracer yang

dimasukkan, M kg atau kgmol, maka pengambilan data

eksperimen sbb :

eksperimen sbb :

Waktu t, min t₀ t₁ t₂ … t₄ C_pulse, g/l C₀ C₁ C₂ … C_n E=C/A, min-1 _E 0 E1 E2 … En ∑ ∫ ≅ ∆ = = ∞ i 3 i i 0 m s . kg , v M t C Cdt A V / M C A C E = pulse = pulse n n nC t t t C t t C t A = _{1 1}∆ ₁ + _{2 2}∆ ₂ +...+ ∆ V / M A s V t C t tCdt t i i i i 0 ∆ ≅

∑

∫

∞ s , v t C Cdt t i i i 0 = ∆ ≅ =

∑

∫

∞ ,min t C ... t C t C t C t ... t C t t C t t n n 2 2 1 1 n n n 2 2 2 1 1 1 ∆ + + ∆ + ∆ ∆ + + ∆ + ∆ = 2 2_{Cdt t Cdt} ) t t ( − ∫ ∫∞ ∞ T.Kimia ITS 32 2 0 0 0 0 2 _t Cdt Cdt t Cdt Cdt ) t t ( − = − = σ ∫ ∫ ∫ ∫ ∞ ∞ 2 i i i i 2 i i i i i 2 2 t t C t C t t C t C ) t t ( − ∆ ∆ = ∆ ∆ − = σ

∑

∑

∑

∑