bahan baku diubah menjadi produk, dan desain reaktor merupakan langkah penting dalam keseluruhan desain proses. Banyak teks telah diterbitkan pada desain reaktor, dan pilihan diberikan dalam daftar pustaka di akhir bab ini. Volume oleh Rase (1977), (1990) mencakup aspek praktis dari desain reaktor dan termasuk studi kasus reaktor industri. Desain reaktor elektrokimia dicakup oleh Pickett (1979), Rousar et al (1985) dan Scott (1991). Perlakuan desain reaktor dalam bagian ini akan dibatasi pada diskusi pemilihan jenis reaktor yang sesuai untuk proses tertentu, dan garis besar langkah-langkah yang harus diikuti dalam desain reaktor (Coulson., 1999).
Desain reaktor kimia industri harus memenuhi persyaratan berikut:
1. Faktor kimia: kinetika reaksi. Desain harus memberikan waktu tinggal yang cukup untuk reaksi yang diinginkan untuk melanjutkan ke tingkat konversi yang diperlukan.
2. Faktor transfer massa: dengan reaksi heterogen, laju reaksi dapat dikendalikan oleh laju difusi spesies yang bereaksi; daripada kinetika kimia.
3. Faktor perpindahan panas: penghilangan, atau penambahan, dari panas reaksi.
4. Faktor keamanan: pengurungan reaktan dan produk berbahaya, dan kontrol reaksi dan kondisi proses.
Kebutuhan untuk memuaskan faktor-faktor yang saling terkait ini, dan seringkali saling bertentangan, membuat desain reaktor menjadi tugas yang kompleks dan sulit. Namun, dalam banyak kasus salah satu faktor akan mendominasi dan akan menentukan pilihan jenis reaktor dan metode desain.
1. Jenis reaktor utama
Karakteristik berikut biasanya digunakan untuk mengklasifikasikan desain reaktor:
1. Mode operasi: batch atau kontinu.
2. Fase yang ada: homogen atau heterogen.
3. Geometri reaktor: pola aliran dan cara menghubungi fase
(i) reaktor tangki berpengaduk;
(ii) reaktor tabung;
(iii) tempat tidur penuh, diperbaiki dan bergerak;
(iv) unggun terfluidisasi.
1.1. Batch atau pemrosesan berkelanjutan
Dalam suatu proses batch semua reagen ditambahkan pada permulaan; reaksi berlangsung, komposisi berubah seiring waktu, dan reaksi dihentikan dan produk ditarik ketika konversi yang diperlukan telah tercapai. Proses batch cocok untuk produksi skala kecil dan untuk proses di mana berbagai produk, atau grade yang berbeda, harus diproduksi di peralatan yang sama; misalnya, pigmen, zat warna dan polimer.
1.2. Reaksi homogen dan heterogen
Reaksi homogen adalah reaksi di mana reaktan, produk, dan katalis apa pun digunakan
membentuk satu fase kontinu: gas atau cair.
Reaktor fase gas homogen akan selalu dioperasikan terus menerus; sedangkan reaktor fase cair dapat batch atau kontinyu. Reaktor berbentuk tabung (pipa) biasanya digunakan untuk reaksi fase gas homogen; misalnya, dalam perengkahan termal fraksi minyak mentah minyak bumi menjadi etilena, dan dekomposisi termal dikloroetana menjadi vinil klorida. Reaktor tubular dan tangki berpengaduk digunakan untuk reaksi fase cair yang homogen.
Dalam reaksi heterogen dua fase atau lebih ada, dan masalah utama dalam desain reaktor adalah untuk mempromosikan transfer massa antar fase. Kemungkinan kombinasi fase adalah:
1. Cairan-cair: fase cair tidak bercampur; reaksi seperti nitrasi toluena atau benzena dengan asam campuran, dan polimerisasi emulsi.
2. Liquid-solid: dengan satu, atau lebih, fase cair dalam kontak dengan padatan. Padatan dapat berupa reaktan atau katalis.
3. Liquid-solid-gas: di mana padatan biasanya katalis; seperti dalam hidrogenasi amina, menggunakan bubur platinum pada karbon aktif sebagai katalis.
4. Gas-solid: di mana zat padat dapat mengambil bagian dalam reaksi atau bertindak sebagai katalis. Pengurangan bijih besi dalam blast furnace dan pembakaran bahan bakar padat adalah contoh dimana padatan adalah reaktan.
5. Gas-cair: di mana cairan dapat mengambil bagian dalam reaksi atau bertindak sebagai katalis.
1.3. Geometri reaktor (tipe)
Reaktor yang digunakan untuk proses yang sudah mapan biasanya desain rumit yang telah dikembangkan (telah berevolusi) selama beberapa tahun untuk memenuhi persyaratan proses, dan merupakan desain unik. Namun, akan lebih mudah untuk mengklasifikasikan desain reaktor ke dalam kategori luas berikut.
1.3.1. Reaktor tangki berpengaduk
Reaktor tangki berpengaduk (teraduk) terdiri dari tangki yang dilengkapi 'dengan pengaduk mekanik dan jaket pendingin atau gulungan. Mereka dioperasikan sebagai reaktor batch atau terus menerus. Beberapa reaktor dapat digunakan secara seri.
Reaktor tangki yang diaduk dapat dianggap sebagai reaktor kimia dasar; pemodelan dalam skala besar labu laboratorium konvensional. Ukuran tangki berkisar dari beberapa liter hingga beberapa ribu liter. Mereka digunakan untuk reaksi cair-cair dan gas-cair yang homogen dan heterogen; dan untuk reaksi yang melibatkan padatan tersuspensi halus, yang ditahan dalam suspensi oleh agitasi. Karena tingkat agitasi berada di bawah kendali desainer, reaktor tangki berpengaduk sangat cocok untuk reaksi di mana perpindahan massa yang baik atau perpindahan panas diperlukan.
Ketika dioperasikan sebagai proses kontinu, komposisi dalam reaktor konstan dan sama dengan aliran produk, dan, kecuali untuk reaksi yang sangat cepat, ini akan membatasi konversi yang dapat diperoleh dalam satu tahap.
Persyaratan daya untuk agitasi akan tergantung pada tingkat agitasi yang diperlukan dan akan berkisar dari sekitar 0,2 kW / m3 untuk pencampuran sedang hingga 2 kW / m3 untuk pencampuran intens.
1.3.2. Reaktor berbentuk tabung
Reaktor tubular umumnya digunakan untuk reaksi gas, tetapi juga cocok untuk beberapa reaksi fase cair.
Jika diperlukan laju perpindahan panas yang tinggi, tabung berdiameter kecil digunakan untuk meningkatkan luas permukaan terhadap rasio volume. Beberapa tabung dapat disusun secara paralel, dihubungkan ke manifold atau dipasang ke lembaran tabung dalam pengaturan yang mirip dengan penukar panas shell dan tabung. Untuk reaksi suhu tinggi, tabung dapat disusun dalam tungku.
Koefisien penurunan tekanan dan perpindahan panas dalam reaktor tabung kosong dapat dihitung dengan menggunakan metode aliran dalam pipa.
1.3.3. Reaktor unggun dikemas
Ada dua tipe dasar reaktor unggun dikemas: yang di mana padatan adalah reaktan, dan di mana padatan adalah katalis. Banyak contoh tipe pertama dapat ditemukan di industri metalurgi ekstraktif.
1.3.4. Reaktor unggun terfluidisasi
Fitur penting dari reaktor unggun terfluidisasi adalah bahwa padatan ditahan dalam suspensi oleh aliran ke atas dari fluida yang bereaksi; ini mendorong perpindahan massa dan perpindahan panas yang tinggi serta pencampuran yang baik. Koefisien perpindahan panas dalam urutan 200 W / m2 ° C ke jaket dan kumparan internal biasanya diperoleh. Padatan dapat menjadi katalis; reaktan dalam proses pembakaran terfluidisasi; atau bubuk lembam, ditambahkan untuk meningkatkan perpindahan panas.
Meskipun keuntungan utama dari unggun terfluidisasi di atas unggun tetap adalah laju perpindahan panas yang lebih tinggi, unggun terfluidisasi juga berguna di mana perlu untuk mengangkut sejumlah besar padatan sebagai bagian dari proses reaksi, seperti di mana katalis dipindahkan ke bejana lain untuk regenerasi.
Fluidisasi hanya dapat digunakan dengan partikel berukuran relatif kecil, <300 μm dengan gas. Banyak penelitian dan pengembangan telah dilakukan pada reaktor unggun terfluidisasi dalam beberapa tahun terakhir, tetapi desain dan peningkatan reaktor berdiameter besar masih merupakan proses yang tidak pasti dan metode desain sebagian besar bersifat empiris.
Prinsip-prinsip proses fluidisasi dicakup dalam Volume 2, Bab 6. Desain
reaktor unggun terfluidisasi dibahas oleh Rase (1977).
2. Prosedur desain
Prosedur umum untuk desain reaktor diuraikan di bawah ini:
1. Kumpulkan bersama-sama semua data kinetik dan theraiodynamic pada reaksi yang diinginkan dan reaksi samping. Kecil kemungkinan bahwa banyak informasi yang berguna akan diperoleh dari pencarian literatur, karena sedikit yang dipublikasikan dalam literatur terbuka tentang proses yang menarik secara komersial. Data kinetik yang diperlukan untuk desain reaktor biasanya akan diperoleh dari studi laboratorium dan pilot plant. Nilai akan diperlukan untuk laju reaksi pada berbagai kondisi operasi: tekanan, suhu, laju aliran, dan konsentrasi katalis. Desain reaktor eksperimental dan peningkatan skala dibahas oleh Rase (1977) dan Jordan (1968).
2. Kumpulkan data properti fisik yang diperlukan untuk desain; baik dari literatur, dengan estimasi atau, jika perlu, dengan pengukuran laboratorium.
3. Identifikasi mekanisme pengendali laju yang dominan: Mnetic, perpindahan massa atau panas. Pilih jenis reaktor yang sesuai, berdasarkan pengalaman dengan reaksi yang sama, atau dari laboratorium dan pekerjaan pilot plant.
4. Buat pilihan awal dari kondisi reaktor untuk memberikan konversi dan hasil yang diinginkan.
5. Ukur reaktor dan perkirakan kinerjanya. Solusi analitik yang tepat dari hubungan desain jarang dimungkinkan; metode semiempiris berdasarkan analisis reaktor ideal biasanya harus digunakan.
6. Pilih bahan konstruksi yang sesuai.
7. Buat desain mekanik awal untuk reaktor: desain kapal, permukaan perpindahan panas, bagian dalam dan pengaturan umum.
8. Biaya desain, modal, dan operasi yang diusulkan, dan ulangi langkah 4 hingga 8, jika perlu, untuk mengoptimalkan desain.
Dalam memilih kondisi reaktor, terutama konversi, dan mengoptimalkan desain, interaksi desain reaktor dengan tiang operasi proses lainnya tidak diabaikan. Tingkat konversi bahan baku dalam reaktor akan menentukan ukuran, dan biaya, dari setiap peralatan yang diperlukan untuk memisahkan dan mendaur ulang bahan yang tidak bereaksi. Dalam keadaan ini, reaktor dan peralatan terkait harus dioptimalkan sebagai satu unit.
Desain reaktor bukan masalah rutin, dan banyak alternatif dapat diusulkan untuk suatu proses. Dalam mencari yang optimal itu bukan hanya biaya reaktor yang harus diminimalkan. Satu desain mungkin memiliki biaya reaktor yang rendah, tetapi bahan yang meninggalkan unit mungkin sedemikian sehingga perawatannya membutuhkan biaya yang jauh lebih tinggi daripada desain alternatif. Oleh karena itu, ekonomi dari keseluruhan proses harus dipertimbangkan.
Desain reaktor menggunakan informasi, pengetahuan, dan pengalaman dari berbagai bidang-termodinamika, kinetika kimia, mekanika fluida, perpindahan panas, perpindahan massa, dan ekonomi. Rekayasa reaksi kimia adalah sintesis dari semua faktor ini dengan tujuan merancang dengan benar reaktor kimia.
Untuk menemukan apa yang dapat dilakukan oleh reaktor, kita perlu mengetahui kinetika, pola kontak, dan persamaan kinerja. Ini ditunjukkan secara skematis pada gambar di bawah ini:
Gambar 1.1 Proses kimia khas.
Gambar 1.2 Informasi yang diperlukan untuk memprediksi apa yang dapat dilakukan reaktor.
Sebagian besar buku ini membahas menemukan ekspresi yang menghubungkan input ke output untuk berbagai kinetika dan berbagai pola kontak, atau
output = f [input, kinetika, menghubungi]
Ini disebut persamaan kinerja. Mengapa ini penting? Karena dengan ungkapan ini kita dapat membandingkan desain dan kondisi yang berbeda, menemukan mana yang terbaik, dan kemudian meningkatkan ke unit yang lebih besar. (Levenspiel, 1999)
4. REFERENSI
Coulson & Richardson's, 1999, TEKNIK KIMIA, vol. 2, Desain Teknik Kimia, Butterworths
Levenspiel, O., 1999, Teknik Reaksi Kimia, edisi ke-3, John Wiley & Sons
Rase, H. F., 1977, Desain Reaktor Kimia untuk Pabrik Proses, 2 volume, John Wiley & Sons
Rase, H. F., 1990, Desain dan Diagnostik Fixed ~ bed Reactor, Butterworths
Perry, R. H., Green, D. W. dan Maloney, J.O., 1997, Perry's Chemical Engineers Handbook ', edisi ke-7, McGraw-Hill.
Pickett, D. J., 1977, Desain Reaktor Elektrokimia, Elsevier.
Rousar, I, Mich A, K. dan Kimla, A., 1985, Teknik Elektrokimia, 2 jilid., Butterworths.
Walas, S, M., 1990, Peralatan Proses Kimia: Seleksi dan Desain, Butterworths.
(http://simoehch.blogspot.com/2012/06/reactors.html)
Tidak ada komentar:
Posting Komentar