Non-Isothermal Reactor Design Perancangan Reaktor non-isitermal Jika anda tidak tahan dengan panas, maka jangan berlama-lama di dapur. (Harry S Truman) Perancangan reaktor non-isotermal ditujukan untuk mempelajari efek panas pada reaktor kimia. Persamaan design, hukum laju reaksi dan tabel stokiometri yang diturunkan dari perancangan reaktor isotermal masih dapat digunakan Perbedaan yang nyata adalah cara evaluasi persamaan design ketika temperatur sepanjang PFR berubah-ubah atau ketika harus menghitung panas yang dipindahkan atau ditambahkan dari dan ke CSTR. Maka dari itu perlu dilakukan neraca energi pada reaktor dan bagaimana persamaan neraca energi tersebut digunakan untuk masalah perancangan reaktor non-isotermal. Laju akumulasi energi di dalam sistem Laju alir energi panasmasuk kerja yangdilakukan - ke sistem dari lingkungan sistem ke lingkungan energi yangditambahkan ke Energi yang keluar dari sistem sistem melalui aliran massa - melalui aliran massa keluar masuk ke dalam sistem dari sistem Neraca energi pada sistem aliran atau dE Q - W (2)Fin Ein - Fout E out dt Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design sistem (1) terbuka (2) 1 : Q Fi Fi in misal FA0 out misal FA Hi in misal HA0 Hi out misal HA WS Gambar 1 : Diagram alir reactor non-isotermal berikut variabel prosesnya Jadi neraca energi pada keadaan tak-tunak (un-steady-state energy balance) untuk sistem terbuka dengan aliran yang mengandung n buah komponen baik pada aliran massa masuk maupun aliran massa keluar ke dan dari sistem pada laju alir molar Fi (yaitu mol zat i persatuan waktu) dengan energi yang terkandung Ei (Joule per mol zat i). Persamaannya : dE Q dt sistem - W in FE i 1 i in i in - i 1 Fi E i out (3) W pada persamaan neraca energi tersebut perlu didefinisikan yaitu terdiri dari ”flow-work” dan jenis kerja lain yaitu WS. ”flow-work” adalah kerja yang diperlukan sehingga suatu aliran massa bisa masuk dan bisa keluar ke dan dari sistem. Kerja yang sedang diberikan oleh aliran massa masuk ke dalam sistem diberi tanda negatif yaitu : in - i 1 Fi P V i in Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design (4) 2 dan kerja yang dilakukan oleh sistem untuk mendorong aliran massa keluar dari sistem diberi tanda positif yaitu : in i 1 Fi P Vi out (5) Jadi : W - in FPV i 1 i i in in Fi P Vi i 1 W out S (6) P = tekanan sistem, k Pa. atau atm. Vi = volume ( m3/mol zat i) WS tersebut dikenal dengan kerja poros, dapat dihasilkan/diperoleh seperti dari pengaduk untuk CSTR atau dari turbin pada PFR. ”Flow-work” tersebut biasanya digabungkan dengan energi yang terbawa aliran massa masuk dan aliran massa keluar ke dan dari sistem. Sehingga persamaan neraca yang dinyatakan persamaan (3) menjadi : dE Q -WS dt sistem dE Q -W dt sistem in in F PV i i 1 S i in F PV - i 1 in F (E i 1 i i i P Vi ) i out - FE i 1 in in in i 1 i in i in - FE i 1 Fi (E i P Vi ) i i out out (8) (7) Energi di dalam sistem terdiri : Energi Dalam (U) Energi Potensial, PE = g z Energi Kinetik, KE = ½ v2 dan Energi lain Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 3 Jadi : Ei Ui 1/2 vi2 g zi lain - lain (8) Reaktor dalam suatu pabrik : terletak diatas permukaan tanah, sehingga PE = 0 tidak bergerak (diam), sehingga KE = 0 tidak ada enegi lain jadi : Ei Ui (9) Entalpi : Hi Ui P Vi (10) Persamaan (10) disubstitusikan ke persamaan (8) : dE Q -WS dt sistem in F H i 1 i in i in - i 1 Fi H i (11) out Dengan subscript nol (0) menunjukkan/menyatakan kondisi masuk sistem dan tanpa subscript menyatakan kondisi keluar dari sistem maka persamaan (11) dE Q - W dt sistem Fi 0 = Fi = Hi 0 = Hi = S in Fi 0 H i 1 in i0 - Fi H i 1 i (12) laju alir molar zat i masuk ke dalam sistem laju alir molar zat i keluar dari sistem entalpi mol zat i pada temperatur T0 entalpi mol zat i pada temperatur T Pada keadaan tunak (”steady-state”) : dE 0 dt sistem Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 4 in Q -W S Fi 0 H i 1 in - Fi H i0 i 1 i (13) 0 Reaksi : b B a A c C a d D a (a) Panas masuk : in i 1 F i 0 H i 0 F A0 H A0 F B0 H B0 F C0 H C0 F D0 H D0 F I0 H I0 (14) Panas keluar : in i 1 Fi H i F A H A FB H B FC H C FD H D FI H I (15) Persamaan umum laju alir zat i (Fi) pada sistem aliran : F i F A0 ( i i x) i (16) F i0 F A0 (17) i koefisienstokiometri reaksi positif untuk produk negatif untuk reaktan (18) Jadi : F A F A0 ( 1 - x) b x) a c ( C x) a d ( D x) a (19) F B F A0 ( B - (20) F C F A0 (21) F D F A0 F I F A0 I Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design (22) (23) 5 Persamaan (19) sampai dengan persamaan (23) disubstitusikan ke persaman (15), kemudian persamaan (15) dikurangkan terhadap persamaan (14) dihasilkan persamaan (24) in Fi0 H i 1 in i0 - F i H i F A0 H A0 F B0 H i 1 - FA H in Fi0 H i 1 in i0 - F i H i F A0 H A0 i 1 - FB H A F B0 H - F A0 (1 - x A ) H - F A0 ( D in Fi0 H i 1 in i0 - F i H i F A0 H A0 i 1 - F A0 H B0 F C0 H C0 B - FC H C F C0 H - F A0 ( B - A F D0 H - FD H F D0 H C0 D0 FI0 H I0 D - FI H I FI0 H I0 D0 b c x A ) H B - F A0 ( C x A ) H C a a d x A ) H D - F A0 I H I a F B0 H B0 F A0 x A H A B0 A F C0 H C0 F D0 H - F A0 H B B D0 FI0 H I0 b F A0 x A H B - F A0 H C C a c d - F A0 x A H C - F A0 H D D - F A0 x A H D - F A0 I H I a a in Fi0 H i 1 in i0 - F i H i F A0 H i 1 - F A0 H A0 F D0 H D0 F A0 x A H in Fi0 H i 1 A - F i H i F A0 H i 1 B0 - F A0 H B B F C0 H C0 - F A0 H C C - F A0 H D D FI0 H I0 - F A0 I H I A b c d F A0 x A H B F A0 x A H C - F A0 x A H D a a a in i0 F B0 H A0 -H A FA0 ( H B0 - H B B ) F A0 (H C0 - HC C ) FA0 (H D0 - H D D ) FA0 (H I0 - H I B ) F A0 x A (H A b c d xA H B - x A H C xA H D ) a a a Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 6 in Fi0 H i 1 in i0 - F i H i F A0 H i 1 -H A0 (H I0 F A0 A (H B0 - H B B ) - H I B ) (H (24) - H D D ) (H I0 - H I I ) D0 d c - F A0 x A x A H C xA H D - H a a A - b xA H B a H R (T) panas reaksi pada temperatur T HR (T) c d b xAHC xAHD - HA xAHB a a a (25) (26) Persamaan (26) disubstitusikan ke persamaan (24) : in Fi0 H i 1 in - F i H i F A0 H i0 i 1 F A0 -H A0 (H I0 A (H B0 - H B B ) - H I B ) (H D0 (27) - H D D ) (H I0 - H I I ) - H R (T) F A0 x A in F A0 B ( H i 1 i0 - H i ) F A0 H F A0 A0 -H (H I0 A (H B0 - H I B ) (H - H B B ) D0 (28) - H D D ) (H I0 - H I I ) Persamaan (28) disubstitusikan ke persamaan (27) dihasilkan persamaan (29) in Fi 0 H i 1 i0 in in i 1 i 1 - F i H i F A0 i H i0 - H i - H R (T) F A0 x A (29) Persamaan (29) disubstitusikan ke persamaan (12) Q - W S in F A0 i H i0 - H i - H R (T) F A0 x 0 (30) i 1 Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design (30) 7 Menghitung entalpi Entalpi dari suatu zat i pada temperatur dan tekanan tertentu, Hi biasanya dinyatakan sebagai entalpi pembentukkan zat i pada temperatur referen TR, Hio(TR) ditambah perubahan entalpi yang terjadi karena ada kenaikkan temperatur dari temperatur referen, T R ke sembarang temperatur, T sebesar ∆HQi : Hi Hio (T R ) H Qi (31) Temperatur referen untuk menyatakan Hio biasanya 25 oC. Untuk sembarang zat i yang sedang dipanaskan dari temperatur T1 menjadi T2 dan selama pemanasan tidak ada perubahan fasa, maka berlaku : T2 (32) H Qi Cpi dT T1 Satuan dari kapasitas panas zat i, Cpi : Cp Joule cal Btu (mol zat i) (K) (mol zat i) (K) (lbmol zat i) (R) (33) Hubungan antara HA (T) dengan HAo (TR) Pada umunya reaksi kimia yang terjadi di dalam industri tidak melibatkan perubahan fasa, sehingga neraca energi yang dilakukan adalah terhadap reaksi kimia satu fasa (homogen). Jadi nilai entalpi sembarang zat i pada sembarang temperatur T, nilainya terhadap entalpi pada temperatur referen, TR dinyatakan oleh persamaan berikut : T2 o (34) H H (T ) Cp dT i i R i T1 Kapasitas panas, Cp nilainya tergantung pada temperatur, T dan biasanya dinyatakan dalam persamaan kuadrat dalam T. Cpi i i T i T 2 Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design (35) 8 Jadi untuk menghitung perubahan entalpi [Hi – Hi0] dari zat yang terlibat dalam reaksi dan fluida reaksi tidak mengalami perubahan fasa dari temperatur masuk reaktor, Ti0 hingga temperatur reaksi, T dapat dinyatakan oleh persamaan berikut : H i - H i0 H i,o(TR) o Cp dT H i,(TR) i T R T Cp dT i TR Ti0 T (36) (37) H i - H i0 Cpi dT Ti0 Persamaan (37) disubstitusikan ke persamaan (30) ; in T Q - W S F A0 i Cpi dT - H R (T) F A0 x 0 i 1 Ti0 (38) Hubungan antara ∆HR (T); ∆HRo (TR) dan ∆Cp Panas reaksi pada sembarang temperatur T, seperti dinyatakan oleh persamaan (26) H R (T) c d b xA HC xAHD - HA xAHB a a a (26) Entalpi untuk sembarang temperatur T, Hi telah dinyatakan oleh persamaan (34) Hi Hio (TR ) T2 Cpi dT (34) T1 c b d H R (T) H oD (TR ) H oC (TR ) - H oB (TR ) - H oA (TR ) a a a (39) T d c c Cp D Cp C - Cp B - Cp A d d TR a Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 9 Panas reaksi standard, ∆HRo (TR) : H oR (TR ) d o c b H D (TR ) H oC (TR ) - H oB (TR ) - H oA (TR ) a a a (40) Substitusikan persamaan (39) ke persamaan (40) : T H R (T) H oR (TR ) d a Cp D TR Cp c b Cp C Cp B - Cp A d d d c c Cp D Cp C - Cp B - Cp A a d d (41) (42) Substitusikan persamaan (42) ke persamaan (41) : T H R (T) H oR (TR ) Cp dT (43) TR Persamaan (43) digunakan untuk menentukan panas reaksi pada sembarang temperatur T, dan temperatur referen, TR = 25 oC = 298 K. Kapasitas panas rata-rata, Kapasitas panas rata-rata antara temperatur TR hingga T : T Cp dT Cp (44) TR T - TR Persamaan (43) juga bisa dituliskan menjadi : H R (T) H oR (TR ) C p (T - TR ) Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design (45) 10 Kapasitas panas rata-rata zat i antara temperatur Ti0 hingga T : T Cp Cp dT Ti0 (46) T - Ti0 Persamaan (46) dan (45) disubstitusikan ke persamaan (38) in Q - W S F A0 i C p (T - Ti0 ) - F A0 x H oR (TR ) C p (T - TR ) 0 i 1 (47) Umpan reaktan masuk ke dalam reaktor biasanya pada temperatur yang sama, sehingga : Ti0 T0 (48) Persamaan (47) bisa dituliskan : in Q - W S F A0 i C p (T - T0 ) - F A0 x H oR (TR ) C p (T - TR ) 0 i 1 (49) Panas yang ditambahkan ke dalam reaktor, Q Q U A (TS - T) U A TS T Q Koefisien perpindaha n panas keseluruha n luas permukaan perpindaha n panas tempera tur sekeliling tempera tur reaksi U A Tln mean (50) (51) Apabila sistem tidak ada kerja (WS = 0) maka persamaan (49) menjadi : Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 11 Cp (T - T ) 0 U A (TS - T ) - x H oR (TR ) C p (T - TR ) FA0 in i (52) 0 i 1 Apabila pada sistem tidak ada kerja (WS = 0) dan berlangsung secara adiabatik (tidak ada panas yang masuk maupun keluar ke dan dari sistem, Q = 0) maka persamaan (49) menjadi : in F A0 i C p (T - T0 ) - F A0 x H oR (TR ) C p (T - TR ) 0 (53) i 1 in o i C p (T - T0 ) - x H R (TR ) C p (T - TR ) 0 i 1 x H oR (TR ) (54) in C p (T - TR ) i C p (T - T0 ) (55) i 1 Dari persamaan (55) dapat dihitung konversi yang bisa dicapai pada sembarang temperatur, T : in x EB i Cp (T - T0 ) i 1 o H R (TR ) (56) Cp (T - TR ) Dari persamaan (56) juga dapat ditentukan temperatur reaksi, T pada sembarang konversi, x : T in x H oR (TR ) i C p T0 x C p TR in i 1 i C pi x C p (57) i 1 Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 12 Pemakaian persamaan neraca energi pada CSTR : Persamaan desgn untuk CSTR : VCSTR FA0 x 1 - rA (58) Dianggap tidak ada kerja yang diberikan oleh pengaduk maka : W = 0 (59) Dianggap reaksi berlangsung adiabatik (tidak ada panas yang masuk maupun keluar ke dan dari reaktor) maka : Q = 0 (60) Persamaan (49) menjadi persamaan (55) : x H oR (TR ) in C p (T - TR ) i C p (T - T0 ) (54) i 1 Misal reaksi fasa cair : A P (b) Berlangsung di dalam CSTR : 1. Persamaan Design CSTR (diturunkan dari neraca mol) : VCSTR FA0 x 1 - rA (58) 2. Reaksi fasa cair : ε = 0 3. Reaksi orde satu : CA = CA0 (1 – xA) - rA = k CA 4. Konstanta laju reaksi : k = A e- E/RT (61) (62) (63) 5. Volume yang diperlukan untuk mencapai konversi xA : VCSTR C A0 v 0 x MB 1 A e - E/RT C A0 (1 - x MB ) Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design (64) 13 v0 x MB A e - E/RT (1 - x MB ) (65) V x MB CSTR A e - E/RT (1 - x MB ) v0 (66) VCSTR v0 (67) VCSTR (space time) Persamaan (67) disubstitusikan ke persamaan (66) x MB A e - E/RT (1 - x MB ) (68) x MB A e- E/RT - A e- E/RT x MB (69) 1 (70) A e- E/RT x MB A e- E/RT xMB A e - E/RT (71) 1 A e - E/RT Dari persamaan neraca energi didapat persamaan (56) dan (57) : in x EB T i Cp (T - T0 ) i 1 H oR (TR ) Cp (T - TR ) Cp T in x H oR (TR ) i 1 in i 1 i i 0 x Cp TR Cp i x Cp Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design (56) (57) 14 Algoritma penentuan temperatur (T) terhadap konversi (x) : Reaksi searah fasa cair : A R Diketahui : FA0; CA0; k; E; Cpi; Hi CSTR 1 Persamaan design : VCSTR FA0 x - rA Laju reaksi : - rA = k CA Stokiometri reaksi : CA = CA0 (1 – x) Kombinasikan : 1 VCST R FA0 x k C A0 (1 - x) x (konversi) diketahui V dan T dihitung Dibutuhkan persamaan yang menyatakan Hubungan antara k dengan T : k = f(T) T in x H oR (TR ) i 1 in i 1 i V (volume reaktor) diketahui x dan T dihitung xMB 1 A e - E/RT E k f(T ) A exp R V C A0 FA0 x EB i Cp (T - T0 ) i 1 o H R (TR ) Cp (T - TR ) x Menghitung k in i C p T0 x C p TR Cp i x Cp A e- E/RT xEB 1 1 T - T 0 xMB Menghitung V : VCSTR FA0 x E A exp R 1 1 T - T C A0 (1 - x) 0 T Plot x versus T Gambar 3 : Algoritma perancangan CSTR non-isotermal adiabatik Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 15 Reaksi searah fasa cair orde satu : A B (c) Berlangsung di dalam reator jenis CSTR secara adiabatik : 1 VCSTR FA0 x - rA -E/RT 1. Persamaan design untuk CSTR : 2. Hukum laju : 3. Tabel stokiometri ( reaksi fasa cair : V = V0) : C A C A0 (1- x) 4. Kombinasi kan persamaan (c.1); (c.2) dan (c.3) : - rA k C A ; (c.1) k A e (c.2) VCSTR (c.3) v0 x A e-E/RT 1 - x (c.4) Kasus A : variabel x, v0; CA0 dan FA0 diketahui dan volume reaktor V harus dihitung, maka prosedurnya adalah : 5 A. Hitung temperatur T, untuk umpan A murni dan CpA = CpB ( ΔCp = 0), untuk menghitung T digunakan persamaan (55) : T T0 x - H oR (TR ) (c.5) CpA Untuk proses non-adiabatik, dengan Q = U A (T S – T) maka dengan persamaan (49) : T T0 FA0 x - H oR (TR ) FA0 C p A T0 U A TS FA0 C p A U A 6 A. Hitung konstanta laju reaksi, k dengan persamaan Archenius : k A e 7 A. Hitung volume reaktor dengan persamaan (c.4) (c.6) -E/RT Kasus B : variabel v0; CA0; FA0 dan V diketahui, temperatur dan konversi keluar dari reaktor, T dan x harus dihitung. Maka prosedurnya adalah : 5 B. Dari neraca energi pada proses adiabatik, hitung konversi sebagai fungsi temperatur : x EB Cp A (T - T0 ) - H o R (TR ) (c.7) Untuk proses non-adiabatik dengan Q = U A (T S – T) maka persamaan (49) menjadi : xEB U A (T - TS )/FA0 CpA (T - T0 ) - HoR (TR ) (c.8) 6 B. Dari persamaan (c.4) dapat dituliskan konversi sebagai fungsi temperatur : xMB A e- E/RT 1 A e - E/RT dengan V v0 (c.9) 7 B. Tentukan nilai x dan T yang memenuhi neraca energi (yaitu persamaan c.7) dan neraca massa ( yaitu persamaan c.9) atau dibuat grafik hubungan antara x versus T, maka perpotongan antara kurva yang dihitung dengan neraca energi dan neraca massa adalah nilai konversi, x dan temperatur, T yang memenuhi kedua neraca massa dan energi. Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 16 Variabel Kapasitas Panas : Saat melakukan neraca energi, pasti akan melibatkan variabel kapasitas panas (Cp). Kapasitas panas tersebut nilainya sangat dipengaruhi oleh temperatur pada range temperatur yang sangat besar. Kapasitas panas biasnya dinyatakan dalam persamaan kuadrat temperatur seperti dinyatakan oleh persamaan (35) : Cpi i i T i T 2 (35) Sehingga persamaan (45) : T (45) H R (T) H oR (TR ) Cp dT TR H R (T) H oR (TR ) T T T 2 dT (72) TR H R (T) H oR (TR ) (T - TR ) d c b a D C - B - A a a a a d c b a D C - B - A a a a a in T i 1 Ti0 T0 in T 2 i Cpi dT i i i i T i i T dT i Cp i dT α i θ i (T - T0 ) i 1 Ti0 (73) d c b a D C - B - A a a a a T 2 2 3 3 (T - TR ) (T - TR ) 2 3 i θi 2 2 i θi (T - T0 ) (T 3 - T03 ) 2 3 Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design (74) 17 Sehingga persamaan neraca energi pada keadaan tunak yang dinyatakan oleh persamaan (38) menjadi : in T Q - W Q - W - F A0 S F A0 i Cpi dT - H R (T) F A0 x 0 (38) i 1 Ti0 i θi i θi F A0 α i θ i (T - T0 ) (T 2 - T02 ) (T 3 - T03 ) 2 3 2 2 3 3 x H oR (TR ) (T - TR ) (T - TR ) (T - TR ) 0 2 3 S (75) Persamaan (75) adalah persamaan neraca energi pada keadaan tunak dengan kapasitas panas (Cp) sangat tergantung/dipengaruhi oleh temperatur, T. Perhitungan panas reaksi : Contoh 1 Hitung panas reaksi sintesa amonia dari gas hidrogen dan nitrogen pada temperatur 150 oC dalam satuan kcal/mol N2 yang bereaksi dan dalam satuan kJ/mol H2 yang bereaksi. Penyelesaian : N2 + 3 H2 2 NH3 (d) Menghitung panas reaksi standard : H oR (TR ) 2 H oNH 3 (TR ) - 3 H oH 2 (TR ) - H oN 2 (TR ) (1.1) Panas pembentukan gas H2 dan N2 pada temperatur 25 oC adalah nol. H oR (298 K) 2 (- 11.020) cal mol N 2 - 22.040 cal/mol N 2 yang bereaksi - 22,040 kcal/mol N 2 yang bereaksi (1.2) - 92,22 kJ/mol N 2 yang bereaksi Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 18 Tanda negatif menunjukkan bahwa reaksi menghasilkan panas (exotermik). Apabila kapasitas`panas dari zat yang terlibat dalam reaksi adalah konstant atau tersedia nilai rata-rata antara temperatur 25 oC dan 150 oC, maka panas reaksi pada temperatur 150 oC dapat langsung dihitung : CpH2 = 6,992 cal/mol H2.K CpN2 = 6,984 cal/mol N2.K CpNH3 = 8,92 cal/mol H2.K ∆Cp = 2 CpNH3 – 3 CpH2 – CpN2 (1.3) = 2 (8,92) – 3 (6,992) – 1 (6,984) = - 10,12 cal/mol N2 yang bereaksi H R (T) H oR (TR ) C p (T - TR ) (45) H R (423 K) - 22,040 (-10,12) (423 - 298) - 22,040 (- 10,12) (0,125) - 23,310 cal/mol N 2 - 97,53 kJ/mol N 2 Panas reaksi didasarkan pada mol H2 yang bereaksi : H R (423 K) 1 mol N 2 kJ (- 97,53 ) 3 mol H 2 mol N 2 - 32,51 kJ mol H 2 Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 19 Contoh 2 Propilen glycol is produced by the hydrolysis of propylene oxide : CH2 CH CH3 + H2O O H2SO4 CH2 OH CH CH3 OH Over 800 million pounds of propylene glycol were produced in 1997 and the selling price was approximately $0.67 per pound. Propylen glycol makes up about 25% of the major derivatives of propylene oxide. The reaction take place readily at room temperature when catalyzed by sulfuric acid. You are the engineer in charge of an adiabatic CSTR producing propylene glycol by this methode. Unfortunately, the reactor is beginning to leak, and you must replace it. (you told your boss several time that sulfuric acid was corrosive and that mild steel was a poor meterial for construction). There is a nice overflow CSTR of 300-gal capacity standing idle; it is glass-lined and you would like to use it. You are feeding 2500 lb/h (43.04 lbmol/h) of propylene oxide (P.O.) to the reactor. The feed stream consists of (1) an equalvolumetric mixture of propylene oxide (46.62 ft3/h), and (2) water containing 0.1% wt H2SO4. The volumetric flow rate of water is 233.1 ft3/h, which is 2.5 times methanol-P.O. flow rate. The corresponding molar feed rates of methanol and water are 71.87 and 802.8 lbmol/h, respectively. The methanol-propylen oxide-water mixture undergoes a slight decrease in volume upon mixing (aproximately 3%), but you neglect this decrease in your calculations. The temperature of both feed streams is 58 oF prior to mixing, but there is an immediate 17 oF temperature rice upon mixing of the two feed streams caused by the heat of mixing. The entering temperature of all feed streams is thus taken to be 75 oF. Furusawa et. al.5 state that under conditions similar to those at which you are operating, the reaction is first-order in propylene concentration and apparent zero-order in excess of water with the specific reaction rate : Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 20 k A e - E/RT 16.96 x 1012 (e -32 000/RT ) h -1 The unit of E are Btu/lbmol. There is important constraint on your operation. Propylene Oxide is a rather low-boiling substance (b.p. at 1 atm, 93.7 oF). With the mixer are using, you feel that you cannot exceed an operating temperature of 125 oF, or you will lose too much oxide by vaporization through the vent system. Can you use the idle CSTR as a replacement for the leaking one if it will be operated adiabatically ? If so, what will be the conversion of oxide to glycol ? Propilen glikol diproduksi melalui reaksi/proses hidrolisa terhadap propilen oksid, menurut persamaan stokiometri reaksi berikut : CH2 CH CH3 + H2O O H2SO4 CH2 OH CH CH3 OH Pada tahun 1997, propilen-glikol telah diproduksi lebih dari 800 juta pound dengan harga jual sekitar $0.67 per pound. PropilenOksid yang diproduksi atau tersedia di dunia ini hampir 25% nya digunakan untuk produksi propilen-glikol. Reaksi pembuatan propilen-glikol berlangsung pada temperatur kamar apabila digunakan katalis asam sulfat. Anda adalah insinyur atau engineer yang bertanggung jawab terhadap reaktor jenis CSTR yang digunakan untuk produksi propilen-glikol dengan sistem proses tersebut. Sayangnya reaktor yang telah digunakan sudah mulai bocor dan harus diganti. (bahkan anda sudah beberapa kali melaporkan ke atasan anda bahwa asam sulfat yang digunakan sebagai katalis bersifat sangat korosif dan ditambah lagi baja yang digunakan sebagai bahan reaktor adalah baja yang tidak bagus). Di lain pihak ada CSTR yang nganggur dengan kapasitas 300-gallon dan didalamnya Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 21 dilapisi gelas sehingga tidak korosif dan anda tertarik untuk memanfaatkannya. Penyelesaian : Reaksi : A = B = C = M= PO FA0 A + B C propilen oksid Air propilen glikol metanol = T0 = 58 oF T0 = 58 oF FB0 = air Metanol = FM0 T0 = 75 oF T =? x=? V = 300 gal Gambar 10 : Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 22 Kapasitas panas dari zat yang terlibat dalam reaksi : Cp,A 35 Btu/(lb.mo l o F) C p,B 18 Btu/(lb.mo l o F) Cp,C 46 Btu/(lb.mo l o F) Cp,M 19,5 Btu/(lb.mo l o F) Reksi berlangsung di dalam CSTR : VCSTR FA0 xA - rA' Reaksi orde satu terhadap propilen oksid ( diketahui) : - rA' k C A Reaksi fasa cair maka : 0 CA CA0 (1 - x A ) Kombinasikan : VCSTR FA0 xA k CA0 (1 - x A ) Reaktor non-isotermal, berarti konstanta laju reaksi (k) tergantung pada temperatur reaksi : k Ae - E RT Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 23 xA VCSTR FA0 Ae xMB - E RT C A0 (1 - x A ) A e - E/RT 1 A e - E/RT Reaktor beroperasi secara adiabatik, maka dapt digunakan hubungan : T Cp T x H (TR ) o R in i 1 i 0 x C p TR in i C p i x C p atau i 1 in x EB i C p (T - T0 ) i 1 o R R H (T ) C p (T - TR ) Menghitung fraksi masing-masing zat yang terlibat dalam reaksi terhadap reaktan pembatas (θi) : A FA0 1 FA0 B FB0 802,8 lbmol/jam 18,65 FA0 43,04 lbmol/jam C FC0 0 FA0 Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 24 Yang masuk ke dalam reaktor : propilen oksid tercampuri metanol yang perbandingan volumnya equalvolumetrik, dan air v0 vA0 vM0 vB0 v 0 46,62 46,2 233,1 326,3 ft 3 /jam VCSTR 300 gallon 0,1337 ft 3 40,1 ft 3 0,1229 jam v0 326,3 ft 3 /jam 1 gallon 326,3 ft 3 /jam CA0 M FA0 43,04 lbmol/jam 0,132 lbmol/ft v0 326,3 ft 3 /jam 3 FM0 71,87 1,67 FA0 43,04 Cp CpC - CpA - CpB Cp 46 - 35 - 18 - 7 Btu/(lbmol o F) Panas reaksi standard ( ∆HRo) H oR(TR) H of, C - H of, A - H of, B H oR(TR) 226 000 - (- 123 000) - (- 66 600) - 36 400 Btu/lbmol PO Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 25 in i 1 in i 1 i C p (T - T0 ) ( A C p A B C p B M C p M ) ( T - 75) i C p (T - T0 ) ((1) (35) (18,65) (18) (1,67)(19, 5)) ( T - 75) (403,3) (T - 75) Mining Harsanti, TRK 2, Non-isothermal reactor design 26