7_8_Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

8/21/2019 7_8_Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

1/34

Continuous Stirred Tank Reactor

(CSTR)


2/34

Pengantar

Pada reaktor batch, konversi akan meningkat seiring dengan lamanya

waktu reaksi di dalam reaktor. Pada reaktor kontinyu, waktu reaksi

tersebut setara dengan waktu tinggal di dalam reaktor yang ditentukan

dari volume reaktor.

Terdapat banyak sekali tipe reaktor kontinyu dan salah satunya

Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) atau disebut juga Reaktor Alir

Tangki Berpengaduk (RATB).

Sesuai dengan namanya, prinsip dari reaktor ini adalah mixed-flow dan

dapat digunakan ketika reaksi melibatkan fasa cair.


3/34

0

0

0

0

0

A

B

C

D

I

F

F

F

F

F A

B

C

D

I

F

F

F

F

F

L/minute

mol/minute

Da

d C

a

c B

a

b A

Perancangan

CSTR

Isothermal


4/34

Komponen Mula-mula

(mol)

Bereaksi Sisa

A F Ao F Ao.X F A=F Ao- F Ao.X

B FBo (b/a).F Ao.X FB=FBo- (b/a).F Ao.X

C FCo (c/a).F Ao.X FC=FCo+ (c/a).F Ao.X

D FDo (d/a).F Ao.X FD=FDo+ (d/a).F Ao.X

I (Inert) FIo FI=FIo

TOTALs FTo FT=FTo+[d/a+c/a-b/a-1]F AoX

Stoikiometri


5/34

Soal:

Reaksi penyabunan antara soda kaustik dengan tristearin

berlangsung dalam reaktor alir tangki berpengaduk dengan volumekonstan:

3NaOH(aq) + (C17H35COO)3C3H5 3C17H35COONa + C3H5(OH)3

Jika konversi NaOH dinyatakan dalam X, buatlah tabel stoikiometri

untuk menyatakan perubahan mol selama reaksi.


6/34

Design

Equation

Misal reaksi berikut ini terjadi pada suatu CSTR:

Neraca massa A di dalam reaktor pada steady state:

Dari stoikiometri , sehingga

onaccumulati

of rate

reaction

of rate

outputAof

flowof rate

inputAof

flowof rate

Da

d C a

c Ba

b A

00

V -r F F A A A

X F F F A A A 00

V -r X F A A

0

A

A

-r

X F V

0


7/34

Dengan design equation tersebut, untuk konversi sebesar X, dengan

data kinetika reaksi, volume reaktor (V) dapat dihitung.

Ketika laju alir volumetris diketahui sebesar v dan tidak berubah selama

reaksi (v = v0), design equation untuk CSTR dapat ditulis:

Modifikasi persamaan memberikan definisi space time (τ )

A

A

-r

X F V

0

A

A A

-r

C C vV

0

0

A

A A

-r

C C

v

V 0

0


8/34

Misal untuk reaksi irreversible order 1, persamaan laju reaksi (rate

law)

Kombinasi antara design equation dengan rate law:

Dapat disusun ulang menjadi

Volume tetap selama reaksi sehingga

Dengan modifikasi diperoleh

A A

kC r

A

A A

kC

C C 0

k C

C A

A

1

0

X C C C A A A 00

k

k X

1


9/34

Dari persamaan tersebut, jika nilai τ k diketahui, maka konversi dapatdihitung. Nilai τ k inilah yang disebut dengan Dahmköhler number (Da)

untuk reaksi order satu.

Dahmköhler number adalah suatu bilangan tak berdimensi yang dapat

digunakan untuk mengestimasi secara cepat seberapa besar konversiyang dapat dicapai oleh suatu reaksi yang dijalankan pada suatu

reaktor kontinyu.

Jika Da ≤

0,1 konversi yang dicapai kurang dari 10%Jika Da ≥ 10 konversi yang dicapai lebih dari 90%

Bagaimana dengan reaksi order dua?

k

k X

1


10/34

Design equation

Jika reaksi order dua dengan persamaan laju reaksi

Substitusi persamaan laju reaksi ke design equation

Jika laju alir volumetris tetap

Definisi konversi

A

A

-r

X F V

0

2

0

0 A

A A

kC

C C

v

V

2 A A

kC r

20

A

A

kC

X F V

A A A

C C v X F vv 0000 ,

X C C C A A A 00


11/34

Jika persamaan dinyatakan dalam konversi, maka bentuk akhir menjadi:

Dengan Dahmköhler number (Da) =

20 1 X kC

X

A

0

00

2

4121

A

A A

kC

kC kC X

0 AkC

Da

Da Da X

2

4121


12/34


13/34

Jika laju alir volumetris tetap, maka

Asumsi: reaksi order satu.

CSTRs in Series

0

0

v

C A

2

22 ,

v

X C A

1

11,

v

X C A

1

1

V

r A

2

2

V

r A

vvvv 210


14/34

Jika laju alir volumetris tetap, maka

Asumsi: reaksi order satu.

Konsentrasi keluar dari reaktor pertama:

Konsentrasi keluar dari reaktor kedua:

CSTRs in Series

0

0

v

C A

2

22 ,

v

X C A

1

11,

v

X C A

1

1

V

r A

2

2

V

r A

vvvv 210

11

0

1

1 k

C

C A

A

2211

0

22

1

2

111 k k

C

k

C C

A A

A


15/34

Jika volume kedua reaktor sama, maka

Jika kedua reaktor beroperasi pada suhu yang sama, maka

Persamaan untuk menentukan konsentrasi keluar dari reaktor kedua:

Konversi keseluruhan

Dari definisi tersebut, jika reaksi order satu dijalankan pada CSTR seri

sebanyak n reaktor, konsentrasi akhir dapat dituliskan:

Dengan konversi keseluruhan

21

20

2

0

2

11 Da

C

k

C C

A A

A

k k k 21

211

1k

X

n A

n

A

An

Da

C

k

C

C

11

00

nn Dak

X

1

11

1

11


16/34


17/34

CSTRs in Paralel

0 A F

01 A F

02 A F

Jika kedua reaktor berukuran

sama, beroperasi pada suhu

yang sama, dan arus masuk

keduanya sama, maka:

;

Ai

i

i Ai

r

X F V

0

X X X 21

A A A r r r 21

2V V

i

2

0

0

A

i A F F

A

Ar

X F V

0


18/34

Contoh soal:

diambil dari example 4.2, Fogler 4th ed

Producing 200 million pounds per year in a CSTRClose to 12,2 billion metric tons of ethylene glycol (EG) were

produced in 2000, which ranked it the twenty-sixth most produced

chemical in the nation that year on a total pound basis. About one-half of

the ethylene glycol is used for antifreeze while the other half is used in the

manufacture of polyesters. In the polyesters category, 88% was used forfibers and 12% for the manufacture of bottles and films. The 2004 selling

price for ethylene glycol was $0,28 per pound.

It is desired to produce 200 million pounds per year of EG. The

reactor is to be operated isothermally. A 1 lbmol/ft3 solution of ethylene

oxide (EO) in water is fed to the reactor together with an equal volumetric

solution of water containing 0,9 wt% of the catalyst H2SO4. The spesific

reaction rate constant is 0,311 min-1.


19/34

a. If 80% conversion is to be achieved, determine the necessary CSTR

volume.

b. If two 800-gal reactor were arranged in parallel, what is the

corresponding conversion?c. If two 800-gal reactors were arranged in series, what is the

corresponding conversion?

Solution

EG adalah satu-satunya produk yangdihasilkan


20/34

Diinginkan memproduksi EG sebanyak 200 juta pound per tahun,

jumlah ini setara dengan:

Dari stoikiometri

Jika diinginkan konversi ethylene oxide sebesar 80%, maka ethyleneoxide yang dibutuhkan yaitu:

a. Volume 1 CSTR

Reaksi order 1

menit

lbmol6,13762lb

1lbmol

60menit

1jam

24jam

1hari

365hari

1tahun

tahun

lb102 8

C F

X F F AC 0

menit

lbmol67,7

8,0

137,60

X

F F

C

A

A

A

-r

X F V 0

A

A

kC

X F V

0


21/34

Dari stoikiometri

Dari persamaan tersebut, nilai k dan X diketahui, tetapi v0 belum

diketahui. Dari definisi, v0 adalah laju alir volumetris total dari umpan

masuk. Karena umpan masuk terdiri dari A dan B, maka:

Dari soal diketahui bahwa konsentrasi umpan A sebesar 1 lbmol/ft3 dan

umpan B memiliki laju alir volumetris yang sama dengan umpan A.

0

0

0

1

v

X F

v

F C

A A

A

A

A

kC

X F V

0

X k X v

v

X F k

X F V

A

A

11

0

0

0

0

000 B A vvv


22/34

Umpan B memiliki laju alir volumetris yang sama dengan umpan A. Jadi

Dengan demikian, volume reaktor dapat dihitung

Jadi volume reaktor yang dibutuhkan adalah 197,3 cuft atau setara

dengan 1476 gal.

menit

ft

ft

lbmol menit

lbmol

C

F v

A

A A

3

30

0

0 67,7

1

67,7

menit

ft vvvv A B A

3

0000 34,152

3

3

0 3,197

8,011311,0

8,034,15

1

ft

menit

menit

ft

X k

X vV


23/34

Mechanical Design CSTR

Mechanical design CSTR kurang lebih sama dengan mechanical design

untuk reaktor bacth dan semibatch meliputi:1. Spesifikasi tangki (vessel) meliputi ukuran, material konstruksi, tebal

dinding, jenis head, isolasi, dsb.

2. Spesifikasi impeller (tipe, jumlah, posisi, ukuran, kecepatan putaran)

3. Power requirement untuk pengaduk.

4. Baffle (tipe, jumlah, posisi)

5. Prosedur pengumpanan (akan menentukan posisi dan ukuran

nozel)

6. Heat transfer equipment meliputi tipe (jaket, koil, atau eksternal),

beban panas (heat load), jenis pendingin/pemanas, luas transferpanas, dsb.


24/34

R u l e o f T

h u m b s


25/34

Rule of Thumbs


26/34


27/34


28/34


29/34


30/34


31/34


32/34


33/34

Berikut adalah beberapa referensi untuk mechanical design reaktor

batch dan semibatch:

1. Rase, M.F., 1977, Chemical Reactor Design for Process Plant, Vol. 1.

2. Fogler, H.S., Element of Chemical Reaction Engineering, 4th ed.

3. Couper J.R., Penney, W.R., Fair, J.R., and Walas, S.M., 2005, Chemical

Process Equipment : Selection and Design , 2nd ed.

4. Coulson&Richardson’s Chemical Engineering vol.1, 6th edition.

5. Brownel&Young, Process Equipment Design,

6. Smith, J.M., Chemical Engineering Kinetics, 3rd

ed.

dll...


34/34

Quiz 6

1. Jelaskan apa yang dimaksud dengan Damkohler number dan

pengaruhnya terhadap perancangan RATB.

2. Diketahui reaksi A + B C + D ,reaksi order satu terhadap A

dengan konstanta laju reaksi 7,25 x 10-4 s-1. Untuk menjalankan

reaksi tersebut, tersedia 3 buah reaktor dengan volume sama 5 m3

dan 1 buah reaktor dengan volume 15 m3. Diketahui laju volumetris

masuk reaktor sebesar 1,9 L/s dan tidak terjadi perubahan densitas

selama reaksi berlangsung. Jelaskan (dengan perhitungan)

konfigurasi reaktor yang sesuai untuk mendapatkan konversi yang

optimum.

7_8_Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

Documents