REAKTOR (R-01)

Tugas : Mereaksikan asam metakrilat dan butanol menjadi n-butil metakrilat
Jenis : Reaktor alir tangki berpengaduk
Proses : Kontinyu
Kondisi Operasi :
Suhu = 115 º C
Tekanan = 1 atm

Perbandingan mol asam metakrilat dan butanol = 6 : 10
Konversi terhadap asam metakrilat : 99,7%
Reaksi : C4H6O2 + C4H9OH ----------> C8H14O2 + H2O
a + b ----------> c + d

A. Penentuan Nilai Kinetika Reaksi (k)
Dari data example 2 US Patent no. 4698440
Jumlah campuran perbandingan reaktan = 0,59
Komponen Berat (g) Bj (g/ml) Vol (ml) na0 (gmol) Ca0 (gmol/ml)
MA 100 1,0150 98,5222 1,1620 0,0041
Butanol 145 0,8134 178,2706 1,9563 0,0071
A. Sulfat 5 1,8400 2,7174
Hydroquinone 1 1,3320 0,7508
Total 251,00 280,261

t (jam) Berat (g) na (mol) Ca (kmol/L) Ln Ca/Ca0
2 0,4267 0,0049 1,7691E-05 5,45754E
3 0,0276 0,00032 1,1447-06 8,1954E
4 0,0038 4,4E-06 1,5609E-07 10,1879


Dari grafik didapat nilai k = 2,36520 l/kmol.jam
Neraca massa di reaktor dalam 1 jam operasi
MASUK kg/jam BM kmol/jam
Asam Metakrilat 3741.59925 86 43.50697
Butanol 5357.36967 74 72.39689
Air 92.67064 18 5.14837
n-Butil Metakrilat 54.34088 142 0.38268
H2SO4 281.41141 98 2.87154
Hydroquinone 56.28228 110 0.51166
Total 9583.67413 124.81811

? µ Fv ?
w fraction kg/L Cp (L/jam) kgmol/L
0.39041 0.10506 192.80224 35614.76636 0.00122
0.83831 0.09978 177.63693 53692.01553 0.00135
0.01450 0.12813 76.01943 723.26124 0.00090
0.00850 0.10255 317.16884 529.90254 0.00570
0.04403 0.14465 154.24953 1945.50157 0.00148
0.00881 0.10243 237.44841 549.46404 0.00093
1.304569 1155.325389 93054.91127


Viscositas campuran = 238,8702 cP
= 0,2387 kg/m.s
Densitas campuran = massa total/V total
= 0,103 kg/l
= 56,3406
1. Menghitung laju alir volumetrik (Fv):
Fv = massa total/rho campuran

= 93054,9113 l/jam




2. Mencari konsentrasi awal
Fa0 = 43,507 kmol/jam
Ca0 = Fa0/Fv

= 0,00047 kmol/l
Fb0 = 72,3969 kmol/jam
Cb0 = Fb0/Fv

= 0,00078 kmol/l
M = Cb0/Ca0

= 1,6640
3. Menghitung waktu reaksi dalam reaktor
Ca0 = naO/Volbahan

= 0,00047 kmol/l
Ca = na/volbahan

= 0,00001 kmol/l
X = CaO-Ca/CaO
-ra = k.Ca
-ra = 2,3652 (liter/(kmol/jam)x0,00001 kmol/liter
t/Ca0 = xa~0 dXa/kCa
t/Ca0 = xa~0 dxa/kCa(1-Xa)
t/Ca0 = 1/kCa0 xa~0 dXa/(1-Xa)
k = 1/t ln (1/1-Xa)
k = ln (Ca0/Ca)

(Levenspiel, 1962)
B. Perancangan Reaktor
Model matematis Perancangan Reaktor
Asumsi: 1. Isotermal
2. Pengadukan sempurna
3. Laju alir volumetrik tetap
4. Steady state
Neraca massa A
Laju A masuk – Laju A keluar – Laju reaksi A = Laju akumulasi
Fa0 - Fa - (-ra) = 0
(-ra)V = Fv Ca0-Ca)
K.Ca0^2 (1-Xa) (M-2Xa)^2.V = Fv.Ca0.Xa
V/Fv = t = Xa / / (k Ca0^2 (1 - Xa) (M - 2Xa)^2)
Dengan M = Cb0/Ca0 = 1,66403
Dirancang: Xa = 0,99



Optimasi jumlah reaktor


Dirancang: Besarnya volume reaktor dan waktu tinggal sama
V1 = V2 = Vi = VN = V
t1 = t2 = ti = tN = t
Sehingga untuk N buah reaktor:

Algoritma perhitungan optimasi jumlah reaktor :
1. Menentukan jumlah reaktor ( N ) buah
2. Trial konversi ( Xa1 sampai Xa, N-1 )
3. Menghitung t1 sampai tN
4. Jika t1 ~ t2 ~ … ~ tN maka perhitungan sudah benar, jika tidak maka ulangi
perhitungan dari no.2.
5. Hitung volum tiap reaktor.
6. Hitung volum total reaktor.
7. Hitung harga relatif reaktor

Penentuan harga relatif reaktor
Jika untuk 1 buah reaktor yang mempunyai volum V1 harganya C1 maka untuk N buah reaktor :




Maka harga relatif N buah reaktor dengan volum masing-masing Vi adalah :


Menghitung laju alir volumetrik (Fv) dan konsentrasi a mula-mula (Ca0) :
Fv = 93054,91127 l/jam
Ca0 = 0,00047 kmol/l
CA = 0,00001 kmol/l
k = 2,36520 jam.l/kmol

Perhitungan optimasi jumlah reaktor :
Jumlah Reaktor 1
Reaktor ke- Xa,N-1 Xa,N t (jam) error t
1 0 0.99 41,85692542 0
41,85692542 0

N = 1
t, rata-rata = 41,85692542 jam
Vi = t.Fv = 3894992.481 liter
V = N.Vi = 3894992.481 liter
Crelatif = 1



Jumlah Reaktor 2
Reaktor ke- Xa,N-1 Xa,N t (jam) error t
1 0 0,9899 0,211356315 0
2 0.9899 0.99 0,211356771 1 E-06
0,422713086 1E-06

N = 2
t, rata-rata = 0,211356543 jam
Vi = t.Fv = 19667,76434 liter
V = N.Vi = 39335,52867 liter
Crelatif = 0,1439

Jumlah Reaktor 3
Reaktor ke- Xa,N-1 Xa,N t (jam) error t
1 0 0.9799 0.265009211 0
2 0.9799 0.9879 0.26500857 6.4064E-07
3 0.9799 0.9900 0.265008998 2.1325E-07
0.795026779 8.5389E-07
N = 3
t, rata-rata = 0.265008926 jam
Vi = t.Fv = 24660.3821 m3
V = N.Vi = 73981.1463 m3
Crelatif = 0.1439

Jumlah Reaktor 4
Reaktor ke- Xa,N-1 Xa,N t (jam) error t
1. 0.0000 0.9824 0.15819542 0
2. 0.9824 0.9856 0.158195036 3.8452E-07
3. 0.9856 0.9876 0.158195747 3.2677E-07
4. 0.9876 0.9900 0.158195061 2.4944E-08
0.632781264 7.3623E-07

N = 4
t, rata-rata = 0.158195316 jam
Vi = t.Fv = 14720.8511 m3
V = N.Vi = 58883.4044 m3
Crelatif = 0.1408











Jumlah Reaktor 5
Reaktor ke- Xa,N-1 Xa,N t (jam) error t
1. 0 0.7554 1.1057 0
2. 0.7554 0.9375 1.1057 7,1909E-07
3. 0.9375 0.9839 1.1057 4,5250E-07
4. 0.9839 0.9958 1.1057 3,1221E-08
5. 0.9958 0.9989 1.1057 1,8579E-07
5,5286 1,3886E-06

N = 5
t, rata-rata = 0,135421024 jam
Vi = t.Fv = 12601,5913 m3
V = N.Vi = 63007,9567 m3
Crelatif = 0,603

Tabulasi volum reaktor dan harga relatif untuk berbagai jumlah reaktor :
Jmlh Reaktor Waktu Harga Relatif
1. 401,4097 1,0000
2. 12,1221 0,2449
3. 3,4972 0,1743
4. 1,7722 0,1545
5. 1,1057 0,1455


Dari data-data yang ditampilkan oleh data dan grafik terlihat bahwa RATB yang digunakan berjumlah 2 buah, karena perubahan waktu dari 2 ke 3 dan 3 ke 4 dan 4 ke 5 tidak terlalu besar dan nantinya akan menghemat biaya harga 1 buah reaktor, sementara perubahan waktu dari reaktor 1 ke 2 sangat mencolok karena pada waktu itulah terjadi perubahan reaksi di dalam reactor.
Sehingga susunan reaktor yang dipilih :
• 2 buah reaktor disusun secara seri
• Volume masing-masing reaktor = 19667,76434 l
= 19,66776434 m3
= 694,5611972 ft3
• Waktu tinggal di tiap reaktor = 0,211356543 jam

Diketahui, Xa1 = 0.9899
Xa2 = 0.99

Reaktor-01
Komponen BM Umpan Hasil Reaksi
(kg/kmol) Fm (kmol/jam) Fw (kg/jam) Fm (kmol/jam) Fw (kg/jam)
Asam Metakrilat 86 43.50697 3741.59925 0.43942 37.79015
Butanol 74 72.39689 5357.36967 29.32934 2170.37115
Air 18 5.14837 92.67064 48.21592 867.88649
n-Butil Metakrilat 142 0.38268 54.34088 43.45023 6169.93264
H2SO4 98 2.87154 281.41141 2.87154 281.41141
Hydroquinone 110 0.51166 56.28228 0.51166 56.28228
Total 124.81811 9583.67413 124.81811 9583.67413

Reaktor-02
Komponen
BM Umpan Hasil Reaksi
(kg/kmol) Fm (kmol/jam) Fw (kg/jam) Fm (kmol/jam) Fw (kg/jam)
Asam Metakrilat 86 0.43942 37.79015 0.43507 37.41599
Butanol 74 29.32934 2170.37115 29.32499 2170.04919
Air 18 48.21592 867.88649 48.22027 867.96481
n-Butil Metakrilat 142 43.45023 6169.93264 43.45458 6170.55044
H2SO4 98 2.87154 281.41141 2.87154 281.41141
Hydroquinone 110 0.51166 56.28228 0.51166 56.28228
Total 124.81811 9583.67413 124.81811 9583.67413