TUGAS UMUM REAKTOR CSTR Reaktor adalah suatu alat proses tempat dimana terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia atau reaksi nuklir dan bukan secara fisika. Reaktor kimia adalah segala tempat terjadinya reaksi kimia, baik dalam ukuran kecil seperti tabung reaksi sampai ukuran yang besar seperti reaktor skala industry. Reaktor CSTR beroperasi pada kondisi steady state dan mudah dalam control temperatur, tetapi waktu tinggal reaktan dalam reaktor ditentukan oleh laju alir dari umpan yang masuk atau keluar, maka waktu tinggal sangat terbatas sehingga sulit mencapai konversi reaktan pervolume reaktor yang tinggi karena dibutuhkan reaktor dengan volume yang sangat besar (Smith, 1981). Reaktor adalah jantung dari proses kimia. Reaktor adalah suatu tempat proses dimana bahan-bahan diubah menjadi produk, dan perancangan reaktor untuk industri kimia harus mengikuti keperluan: 1. Faktor kimia : reaksi kimia. 2. Faktor transfer panas. 3. Faktor transfer massa. 4. Faktor keselamatan (Coulson, 1983). Continuous Stirred Tank Reactor adalah reaktor yang dirancang untuk mempelajari prosesproses penting dalam ilmu kimia. Reaktor jenis ini merupakan salah satu dari 3 tipe reaktor yang bisa bersifat interchangeable pada unit service reaktor. Reaksi dimonitor oleh probe konduktivitas dari larutan yang berubah dengan konversi dari reaktan menjadi produk. Artinya ini merupakan proses titrasi yang tidak akurat dan tidak efisien dimana ini digunakan untuk memonitor perkembangan reaksi yang tidak begitu penting. Reaksi yang terjadi adalah reaksi safonifikasi etil asetat dengan menggunakan NaOH yang dilakukan pada kondisi tekanan dan temperatur yang aman (Tim Dosen Teknik Kimia, 2009). Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) bisa berbentuk dalam tanki satu atau lebih dari satu dalam bentuk seri. Reaktor ini digunakan untuk reaksi fase cair dan biasanya digunakan untuk reaksi kimia organik. Keuntungan dari reaktor ini adalah kualitas produk yang bagus, control yang otomatis dan tidak membutuhkan banyak tenaga operator. Karakteristik dari reaktor ini adalah beroperasi pada kondisi steady state dengan aliran reaktan dan produk secara kontinyu (Tim Dosen Teknik Kimia, 2009). Keberhasilan operasi suatu proses pengolahan sering kali bergantung pada efektifnya pengadukan dan pencampuran zat cair dalam proses itu. Istilah pengadukan dan pencampuran sebenarnya tidak sinonim satu sama lain. Pengadukan (agitation) menunjukkan gerakan yang tereduksi menurut cara tertentu pada suatu bahan di dalam bejana, dimana gerakan itu biasanya mempunyai semacam pola sirkulasi. Pencampuran (mixing) ialah peristiwa menyebarnya bahanbahan secara acak, dimana bahan yang satu menyebar ke dalam bahan yang lain dan sebaliknya, sedang bahan-bahan itu sebelumnya terpisah dalam dua fase atau lebih. Istilah pencampuran digunakan untuk berbagai ragam operasi, dimana derajat homogenitas bahan yang bercampur itu sangat berbedas-beda. Tujuan dari pengadukan antara lain adalah untuk membuat suspense partikel zat padat, untuk meramu zat cair yang mampu cair (miscible), untuk menyebar (dispersi) gas di dalam zat cair dalam bentuk gelembung-gelembung kecil. Untuk menyebarkan zat cair yang tidak dapat bercampur dengan zat cair yang lain, sehingga membentuk emulsi atau suspense butiran-butiran halus, dan untuk mempercepat perpindahan kalor antara zat cair dengan kumparan atau mantel kalor. Kadang-kadang pengaduk (agitator) digunakan untuk beberapa tujuan sekaligus, misalnya dalam hidrogenasi, gas hidrogen didispersikan melalui zat cair dimana terdapat partikel-partikel katalis padat dalam keadaan suspense, sementara kalor reaksi diangkat keluar melalui kumparan atau mantel. Agitator (pengaduk) biasanya juga digunakan untuk beberapa tujuan sekaligus, misalnya dalam hidrogenasi katalitik pada zat cair. Dalam bejana hidrogenasi, gas hidrogen didispersikan melalui zat cair dimana terdapat pertikel-partikel katalis padat dalam keadaan suspensi, sementara kalor reaksi diangkut keluar melalui kumparan atau mantel(McCabe, 2003). Ada dua jenis reaktor kimia: 1. Reaktor tangki atau bejana 2. Reaktor pipa kedua reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun partaian/batch. Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan ajeg namun terkadang bisa juga beroperasi secara transien. Biasanya keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali dioperasikan (mis: setelah perbaikan atau pembalian baru) dimana komponen produk masih berubah terhadap waktu. Biasanya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas, namun terkadang ada juga padatan yang diikutkan dalam reaksi (mis: katalisator, reagen, inert). Tentu saja perlakuan terhadap bahan yang akan direaksikan akan berbeda (Anonim1, 2009) Suatu daya kondisi sistem ukuran konduktansi dapat dilakukan dengan elektronika yang dihubungkan dengan suatu sensor yang terbenam dalam suatu campuran. Daya konduksi mempunyai koefisien suhu 4 % per cc, suatu sensor temperatur yang bertemperatur standar 25 oC (77oC). unit daya pengukuran dari mho menjadi multiplicative kebalikan dari suatu ohm. Suatu daya konduksi 1/100 mho/cm. mho/cm unit dalam SI menjadi Siemen/cm. Daya konduksi pada umumnya dinyatakan dalam ke sejuta Putra, Indra Alex. 2013. CSTR (CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR) . (Online http://alexschemistry.blogspot.com/2013/12/cstr.html , diakses pada 26 Februari 2014) Pengertian RATB RATB adalah salah satu reaktor ideal yang berbentuk tangki alir berpengaduk atau suatu reaktor yang paling sederhana terdiri dari suatu tangki untuk reaksi yang menyederhanakan liquid. RATB sering disebut juga dengan Continuousn stirred Tank Reactor (CSTR) atau Mixed Flow Reactor. RATB digunakan untuk reaksi cair dan dijalankan secara batch ,semi batch/ kontinyu. RATB sering atau biasa digunakan untuk reaksi homogen (reaksi yang berlangsung dalam satu fase saja). Contoh: Cair-cair Gas-gas Untuk reaksi fase gas (nonkatalitik) reaksinya berlangsung cepat tetapi untuk reaksi pada fase ini akan mudah terjadi kebocoran sehingga dinding reaktor harus dibuat tebal. Contohnya: pada reaksi pembakaran, untuk reaksi fase cair (katalitik) reaksinya berlangsung dalam sistem koloid. RATB banyak dipakai pada industri kimia dapat dipakai satu atau lebih dan bisa disusun secara seri. Pada RATB kecepatan volumetrik umpan yang masuk sama dengan kecepatan volumetrik hasil (produk) yang keluar sehingga kecepatan akumulasinya sama dengan nol. Adanya pengadukan yang sempurna menyebabkan komposisi di dalam reaktor sama dengan komposisi yang keluar dari reaktor, begitu pula dengan parameter lain, seperti: kosentrasi, konversi reaksi, dan kecepatan reaksi. 2.2. Neraca Massa Reaktor Alir Tangki Berpengaduk Di dalam reaktor tangki ideal konsentrasi di setiap titik di dalam reaktor adalah sama, sehingga kecepatan reaksi tidak dipengaruhi oleh posisi campuran di dalam reaktor. Dengan demikian perhitungan neraca massanya dapat dilakukan secara makro, yaitu dengan meninjau reaktor tersebut sebagai suatu unit yang utuh. FAo CAo vo V, XA, CAi, -rA FAf CAf = CA XAf = XA -rAf = rA sehingga neraca massa dapat ditulis sebagai berikut : dimana : Input Output Reaksi Akumulasi : FAo : FA = FAo ( 1-XA) : ( - rA ) V : 0 ( untuk keadaan steady state ) Sedangkan neraca energi dari Reaktor Alir Tangki Berpengaduk dalah sebagai berikut: 2.3. Mekanisme Kerja Pada RATB prosesnya berlangsung secara kontinyu, pengadukan adalah yang terpenting dalam reaktor ini karena dengan pengadukan menjadikan reaksinya menjadi homogen. Di RATB, satu atau lebih reaktan masuk ke dalam suatu bejana berpengaduk dan bersamaan dengan itu sejumlah yang sama (produk) dikeluarkan dari reaktor. Pengaduk dirancang sehingga campuran teraduk dengan sempurna dan diharapkan reaksi berlangsung secara optimal. Waktu tinggal dapat diketahui dengan membagi volum reaktor dengan kecepatan volumetrik cairan yang masuk reaktor. Dengan perhitungan kinetika reaksi, konversi suatu reaktor dapat diketahui. Beberapa hal penting mengenai RATB: Reaktor berlangsung secara ajeg, sehingga jumlah yang masuk setara dengan jumlah yang ke luar reaktor, jika tidak tentu reaktor akan berkurang atau bertambah isinya. Perhitungan RATB mengasumsikan pengadukan terjadi secara sempurna sehingga semua titik dalam reaktor memiliki komposisi yang sama. Dengan asumsi ini, komposisi keluar reaktor selalu sama dengan bahan di dalam reaktor. Seringkali, untuk menghemat digunakan banyak reaktor yang disusun secara seri daripada menggunakan reaktor tunggal yang besar. Sehingga reaktor yang di belakang akan memiliki komposisi produk yang lebih besar dibanding di depannya. Dapat dilihat, bahwa dengan jumlah RATB kecil yang tak terbatas model perhitungan akan menyerupai perhitungan untuk RAP. 2.4. Space Time ( τ ), Holding Time ( τT ), dan Waktu Ruang Pada reaktor batch pengertian dari waktu reaksi adalah sama dengan lamanya operasi berlangsung, tetapi untuk reaktor alir pengertian dari waktu reaksi adalah sama dengan lamanya reaktan berada dalam reaktor. Pada reaktor alir lamanya reaktan tinggal dalam reaktor disebut dengan space time. Space time ditentukan oleh laju alir campuran yang lewat serta volume reaktor di mana reaksi berlangsung. Space time (τ ) = (waktu yang dibutuhkan untuk memproses umpan sebesar satu satuan volume reaktor) = ( satuan waktu ) Kabalikan dari space time adalah space velocity ( s ) = 1/ τ , yaitu kecepatan alir umpan yang diizinkan per satuan volume reaktor, untuk mendapatkan suatu harga konversi tertentu sehingga persamaan bisa ditulis: τ : space time = V / υo maka persamaan di atas menjadi : τ : space time = ( CAo XA ) / - rA sehingga persaman menjadi; τ : space time = 1/s = V / υo = V CAo/FAo = CAo XA/( -rA ) Jika di dalam umpan yang masuk sebagian dari A sudah ada yang terkonversi sebanyak XA , maka persamaan ( VI-8) dapat ditulis : XA - XAo τ : space time = CAo ----------- rA Perhatikan : bentuk XA - XAo ----------- pada persamaan ini menggantikan bentuk diferensial dXA/-rA - rA Holding time adalah waktu tinggal rata-rata campuran di dalam reaktor sama dengan (τT ) didefinisikan sebagai : τT = V / υ o = V / υ o β ( 1 + ε X A ) atau τT = V / υ o ( 1 + ε X A ) persamaan menjadi: τT = τ / β ( 1 + ε XA ) Waktu ruang (Space time) sebagai fungsi dari derajat konversi XA diperoleh dengan memasukkan persamaan di atas ke dalam persamaan ( VI-15) maka persamaan menjadi : 1 + XA τ = kCAo --------------( 1 + ε XA ) atau XA ( 1 + ε XA ) τ = --- -----------------------k ( 1 + XA ) Ekspresi yang serupa bisa diturunkan untuk setiap bentuk persamaan kecepatan reaksi yang lainnya. 2.5. Konfigurasi Reaktor Alir Tangki Berpengaduk Reaktor Tangki Alir Berpengaduk atau yang biasa dikenal sebagai Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) merupakan jenis reaktor dengan model berupa tangki berpengaduk dan diasumsikan pengaduk yang bekerja dalam tangki sangat sempurna sehingga konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Reaktor jenis ini merupakan reaktor yang umum digunakan dalam suatu industri. Dalam operasinya, reaktor ini sering digunakan dalam jumlah lebih dari satu dengan rangkaian reaktor disusun secara seri maupun paralel. Pemilihan susunan rangkaian reaktor dipengaruhi oleh berbagai pertimbangan, tergantung keperluan dan maksud dari operasinya. Masing-masing rangkaian memiliki kelebihan dan kekurangan, karena di dunia ini tidak ada yang sempurna. Semua yang ada didunia ini saling melengkapi satu sama lainnya. Secara umum, rangkaian reaktor yang disusun secara seri itu lebih baik dibanding secara paralel. Setidaknya ada 2 sisi yang dapat menjelaskan kenapa rangkaian reaktor secara seri itu lebih baik. Pertama, ditinjau dari konversi reaksi yang dihasilkan dan yang kedua ditinjau dari sisi ekonomisnya. Pertama, ditinjau dari konversi reaksinya. Feed yang masuk ke reaktor pertama dalam suatu rangkaian reaktor susunan seri akan bereaksi membentuk produk yang mana pada saat pertama ini masih banyak reaktan yang belum bereaksi membentuk produk di reaktor pertama, sehingga reaktor selanjutnya berfungsi untuk mereaksikan kembali reaktan yang belum bereaksi dan seterusnya sampai mendapatkan konversi yang optimum. Secara sederhana, reaksi yang berlangsung itu dapat dikatakan berkali-kali sampai konversinya optimum. Konversi yang optimum merupakan maksud dari suatu proses produksi. Sementara itu jika dengan reaktor susunan paralel, dengan jumlah feed yang sama, maka reaksi yang terjadi itu hanya sekali sehingga dimungkinkan masih banyak reaktan yang belum bereaksi. Walaupun pada outletnya nanti akan dijumlahkan dari masing-masing reaktor, namun tetap saja konversinya lebih kecil, sebagai akibat dari reaksi yang hanya terjadi satu kali. Kedua, tinjauan ekonomisnya. Dalam pengadaan alat yang lain, misal jika seri hanya memerlukan satu wadah untuk bahan baku (baik dari beton ataupun stainless steel), dan konveyor yang digunakan juga cukup satu. Namun jika paralel mungkin memerlukan wadah lebih dari satu ataupun konveyor yang lebih dari satu untuk memasukkan feed ke masingmasing reaktor. Konsekuensi yang lain dari suatu reaktor rangkain paralel adalah karena masih ada reaktan yang banyak belum bereaksi maka dibutuhkanlah suaturecycle yang berakibat pada bertambahnya alat untuk menampungnya, sehingga lebih mahal untuk mendapatkan konversi yang lebih besar Salah satu kerugian dari penggunaan reaktor tangki (CSTR) adalah bahwa reaksi berlangsung pada konsentrasi yang realtif rendah, yaitu sama dengan konsentrasi di dalam campuran yang meninggalkan reaktor. Akibatnya untuk reaksi-reaksi berorde positif volume reaktor yang diperlukan menjadi besar. Salah satu cara untuk menghindari kerugian ini adalah dengan mempergunakan beberapa reaktor tangki yang dipasang seri, sehingga konsentrasi reaktan tidak turun secara drastis tetapi bertahap dari satu tangki ke tangki yang berikutnya. Dengan cara ini maka kecepatan reaksi di masing-masing tangki akan turun menurun secara bertahap pula, sehingga volume total seluruh reaktor untuk mendapatkan besarnya konversi tertentu akan lebih kecil dibandingkan dengan sistem reaktor tunggal. FA0 υo CAN 1 CAi rA V2 2 XA2 FAi , CAi -rA VN N υo XAN FAN -rA XA1 FAi, - V1 2.6.Aplikasi Reaktor Alir Tangki Berpengaduk A.SPM-2100 SPM-2100 Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) dapat digunakan untuk mereaksikan 2 macam gas. Reaksinya dapat terjadi dalam keadaan endoterm maupun eksoterm. Contohnya: reaksi antara etilen (reaktan A) dengan benzena (reaktan B) yang terjadi dalam keadaan eksoterm, untuk memproduksi etilbenzena (produk C), bahan kimia yang digunakana dalam pembuatan monomer stirena. Reaktan A dan B dimasukkan ke dalam CSTR agar kedua reaktan tersebut tercampur dengan sempurna menggunakan pemutar bermotor (motorized agitator). B. CSTR dengan cooling jacket Pada CSTR disamping yang terjadi adalah reaksi tunggal dalam keadaan eksoterm yang tidak dapat balik (irreversible), dapat dilihat bahwa aliran fluida dimasukkan secara terus-menerus ke dalam reaktor dan aliran fluida lainnya dikeluarkan terus-menerus dari reaktor. Sejak reaktor tersebut menggabungkan dengan sempurna, aliran keluar memiliki konsentrasi dan temperatur yang sama dengan fluida dalam reaktor. Menyadari bahwa lapisan disekitar reaktor juga masuk dan keluar aliran, pelapis diasumsikan bergabung dengan sempurna dan pada temperatur yang lebih rendah dari reaktor. Energi lalu melewati dinding reaktor menuju pelapis, memindahkan panas yang dihasilkan oleh reaksi. Banyak contoh reaktor yang digunakan dalam industri yang serupa dengan reaktor di atas. Contohnya adalah tipe-tipe dari reaktor polmerisasi yang memproduksi polimer yang digunakan dalam produk plastik seperti pendingin polistirena atau botol plastik. DESIGN REAKTOR Perancangan Reaktor CSTR Diinginkan untuk menghasilkan 200 juta pon per tahun etilen glikol. Reaktor itu dioperasikan pada kondisi isotermal. Konsentrasi etilen oksida yang diumpankan adalah 1 mol/ft3 , dan juga air diumpankan ke reaktor bersama dengan 0,9% berat katalis H 2SO4. Jika konversi 80% akan dicapai, maka designlah reaktor tersebut. Diketahui persamaan reaksi sebagai berikut dengan k=0,311min-1 dan suhu umpan masuk 25oC. 1. Menghitung Volume Reaktor laju produksi etilen glikol : dimana : laju alir molar umpan yang dibutuhkan untuk memproduksi etilen glikol : sehingga volum reaktor CSTR dapat dihitung dengan persamaan : Hukum Laju Reaksi : sehingga persamaan menjadi : laju alir volum dari A (etilen oksida) dengan Cao= 1 mol/L sebelum dicampur adalah : diasumsikan bahwa : jadi total laju alir volum dari umpan adalah: k=0,311 min-1 untuk kapasitas tangki >500 galon, maka safety factor yang digunakan adalah 10% [Bassel,1990]. maka volume reaktor, V = 1,1 x 5,6 m3 = 6,16 m3 Volum reaktor = volum silinder + (2 x volum tutup) Diasumsikan perbandingan Hs/Dt = 1,5 Volum silinder = ��/4 x Dt x Hs Volum silinder = ��/4 x Dt x 1,5 Dt Volum tutup toripherical = 0,0847 Dt3................(Brownell dan Young, 1959) Volum reaktor = (��/4 x Dt x 1,5Dt) + (2 x 0,0847 Dt3) 6,16 m3 = 1,3469 D3 Diperoleh : Dt = 1,104 m = 43,478 in Hs = 1,656 m = 65,2 in 2. Menghitung Tebal dinding silinder (shell, ts) dan tutup reaktor (head, th) Bahan konstruksi reaktor : Loy Alloy SA-204 Grade C Tegangan yang diizinkan : 18750 psi Efisiensi sambungan : 0,8 (double welded butt-joint) Menurut Hesse dan Rushton (1945), hasil perhitungan tebal dinding dan tebal tutup suatu bejana harus ditambah dengan faktor korosi (c) sebesar 0,125 in ts P = + c...........(Brownell and Young,1959) = tekanan operasi = 1 atm = 14,7 psi ts = + 0,125 = 0,146 in (diambil ts standar 3/16 in) Diametet luar reaktor (outside diameter, OD) OD = ID + (2 x ts) = 43,478 in + (2 x 0,1875 in) = 43,853 in (digunakan ukuran OD standar 48 in) Dari tabel 5.7 Brownell dan Young diperoleh : rc = 48 icr = 3 in Maka, ID koreksi = OD standar – (2 x ts) = 48 in – (2 x 0,1875 in) = 47,625 in Hs koreksi = 1,5 x 47,625 in = 71,4375 in th = +c rc = ID koreksi = 47,625 in th = + 0,125 = 0,062 in (diambil th standar 3/16 in) Tinggi tutup, OA Tinggi tutup reaktor dihitung dengan menggunakan rumus dari Brownell dan Young (1959). a = ID/2 = 47,625/2 = 23,8 in AB = a – icr = (23,8 – 3) in = 20,8125 in BC = r – icr = (48 – 3)in = 45 in AC = = in = 39,89 in b = r – AC = 48 in – 39,89 in = 8,1 in Dari tabel 5.6 Brownell untuk th 0,1875 in, maka sf = 2 in OA = th + b + sf = 0,1875 in + 8,1 in + 2 in = 10,3 in Tinggi total reaktor, Ht 3. = Hs + (2 x OA) = 71,4375 in + (2 x 10,3) in = 92,0167 in = 7,668 ft Perancangan Pengaduk (impeller) Perhitungan Pengaduk Direncanakan menggunakan pengaduk tipe vertical blade turbine, serta tangki dilengkapi 4 baffle. Bahan konstruksi Low Alloy SA 204 Grade C konfigurasi design pengaduk ditentukan dari hubungan berikut: dengan : D: diameter tangki d:diameter impeller W:lebar impeller L:panjang impeller E:jarak impeller dar dasar tangki J:lebar baffle maka didapat ; 4. Perancangan Nozzle Diameter nozzle pemasukan Laju alir volumetrik, q Faktor safety 10 % q = 1,1 x 15,34 ft3/min= 0,28 ft3/det asumsi aliran turbulen, maka diamter pipa optimum adalah Di opt = 3,9 . q0,45 . ρ0,13 (Pers. 15 Peter Timmerhaus) Di opt = 3,9 . ( 0,28)0,45 . (67,808)0,13 Di opt = 3,805 in Dari Q.Kern Tabel 11, dimensi pipa yang digunakan adalah : Nomonal Pipe Size : 4 in ID : 4,026 in OD : 4,5 in Dengan cara yang sama maka diperoleh diameter nozzle keluaran reaktor 5. Perhitungan Sambungan Tutup Dengan Dinding Reaktor Sambungan antara tutup atas dan shell adalah dengan menggunakan flange dan baut, sedangkan antara tutup bawah dengan shell dilakukan dengan pengelasan. 1. Flange Bahan : Low-alloy Steel SA-336 Grade M tipe 316 (Appendix D Brownell and Young) Tensile strength minimum : 75000 psi Tekanan yang diizinkan : 35900 psi 2. Bolt (baut) Low-alloy Steel SA-336 Grade M tipe 316 (Appendix D, Brownell and Young) Tensile strength minimum : 75000 Tekanan yang diizinkan : 15000 psi 3. Gasket Bahan : Asbertos dengan tebal 1/16 in Heating stress minimum : 1600 psi Faktor gasket :2 6. Perhitungan Laju Alir Air Pendingin ΔH= -146040 btu/min Reaksi dalam kondisi eksoterm, dimana untuk memenuhi kondisi operasi berupa suhu masuk bahan ke reaktor sama dengan suhu keluaran produk maka dibutuhkan air pendingin. Suhu bahan masuk yaitu 298oK, Suhu air pendingin masuk 298oK dan keluar pada suhu 333oK. Sehingga dapat dihitung laju alir air pendingin sebagai berikut : Rancangan Reaktor CSTR http://nirmalayahdi.blogspot.com/2013/05/rancangan-reaktorcstr.html