Makalah Reaktor Membran
-
Upload
sergie-purnaman -
Category
Documents
-
view
148 -
download
39
description
Transcript of Makalah Reaktor Membran
Makalah Reaktor Membran
Disusun Oleh:
Kelompok 2
Grano P. 1306392885
Ivander C.S. 1306449126
M. Ikhlas Ibrahimsyah 1306392802
Miftakhul Huda 1106070893
Sergie 1306392903
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA
FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS INDONESIA
DEPOK 2016
ii
DAFTAR ISI
DAFTAR ISI......................................................................................................................................... ii
BAB I....................................................................................................................................................1
PENDAHULUAN.................................................................................................................................1
1.1. Landasan Teori...........................................................................................................................1
1.2. Tujuan.........................................................................................................................................2
BAB II...................................................................................................................................................3
PEMBAHASAN...................................................................................................................................3
PENUTUP...........................................................................................................................................22
3.1. Kesimpulan...............................................................................................................................22
DAFTAR PUSTAKA..........................................................................................................................23
| DAFTAR ISI ii
0
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Landasan TeoriReaktor membran merupakan PFR dengan tambahan silinder dari material berpori di
dalamnya, semacam tabung dengan shell dari shell-and-tube heat exchanger. Silinder berpori-
pori di dalamnya adalah membran yang memberikan nama reaktor ini.
Gambar 1. Skematik Membran Reaktor dan penjelasannya
Membrane berfungsi layaknya penghalang yang hanya memperbolehkan beberapa
komponen melewatinya. Selektivitas dari membran dikendalikan oleh diameter pori-porinya,
dimana bisa merupakan orde dari Angstroms untuk lapisan mikropori, atau orde mikron
untuk lapisan makropori.
Reaktor membran menggabungkan reaksi dengan separasi untuk meningkatkan
konversinya. Salah satu produk yang dijelaskan oleh reaksi dikeluarkan dari reaktor melalui
| DAFTAR ISI 0
1
membran, memaksa kesetimbangan reaksi bergeser ke kanan (sesuai dengan asas Le
Chatelier), sehingga akan lebih banyak produk yang terbentuk.
Reaktor membran biasa digunakan pada reaksi dehidrogenasi, dimana hanya terdapat
satu produk yang cukup kecil untuk melewati membran. Kenaikan konversi dari reaksi,
membuat proses menjadi lebih ekonomis.
Reaktor membran umum digunakan ketika reaksi yang terjadi melibatkan beberapa
bentuk katalis, dan terdapat dua tipe utama dari reaktor membran : Inert membrane reactor
dan catalytic membrane reactor.
Inert membrane reactor memperbolehkan aliran pelet katalis untuk mengalir bersama
dengan reaktan pada sisi umpan. Biasa dikenal dengan IMRCF, yang memiliki kepanjangan
untuk Inert Membrane Reactor with Catalyst on the Feed Side. Untuk membran reaktor jenis
ini, membran tidak berpartisipasi secara langsung dalam reaksi, membran hanya bertindak
sebagai penghalang dari reaktan dan beberapa produk.
Catalytic Membrane Reactor (CMR) memiliki membran yang bisa telah dilapisi
dengan katalis atau terbuat dari material yang mengandung katalis, dimana berarti membran
bertindak juga di dalam reaksi. Beberapa produk reaksi melewati membran dan keluar dari
reaktor menuju sisi permeat.
1.2. TujuanMakalah ini bertujuan untuk:
1. Memenuhi parameter Tugas Makalah dan Presentasi untuk Mata Kuliah Teknik
Reaksi Kimia 2
2. Mengetahui pengaruh jenis reaktor dalam konversi
3. Mengetahui pengaruh jenis fasa dalam konversi
4. Mengetahui pengaruh kondisi operasi dalam konversi
| DAFTAR ISI 1
2
BAB II
PEMBAHASAN
Pada bab ini akan dibahas mengenai jawaban dari soal berikut ini:
Soal P4-25C
(Membrane Reactor) The first-order, reversible reaction The liquid-phase reaction
A B+C
Is taking place in a membrane reactor. Pure A enters the reactor and B diffuses through the
membrane. Unfortunately, some of the reactant A also diffuses through membrane.
a) Plot the flow rates of A, B and C down the reactor, as well as the flow rates of A and
B through membrane.
b) Compare the conversion profiles of a conventional PFR with those of an IMRCF.
What generalizations can you make?
c) Would the conversion of A be greater or smaller if C were difusing out instead of B?
d) Discuss how your curves change if the temperature were increased significantly or
decreased significantly for an exothermic reaction and for an endothermic reaction.
Additional information:
k = 10 min-1
Kc = 0.01 mol2/dm6
KCA =1 min-1
KCB =40 min-1
FA0 = 100 mol/min
v0 =100 dm3/min
Vreactor = 20 dm3
| DAFTAR ISI 2
3
Gambar 2. Skematik proses dalam reaktor membran
JAWABAN PERTANYAAN A
Untuk menjawab soal bagian A, kita terlebih dahulu membuat neraca mol komponen A
seperti di bawah ini:
Membagi persamaan di atas dengan nilai ΔV, didapatkan persaman differensial sebagai
berikut:
Begitu juga dengan komponen B dan komponen C.
| DAFTAR ISI 3
4
Pada bagian atas, dapat dilihat bahwa mol C tidak berdifusi keluar layaknya mol B dan A.
Oleh karena itu, bentuk neraca mol dari komponen C sedikit berbeda dari komponen A dan
B. Setelah membuat neraca mol, kita dapat membuat persamaan laju reaksi untuk reaksi yang
terjadi pada membran reaktor ini. Karena reaksi bersifat reversible, maka laju reaksi untuk
persamaan reaksi adalah:
A B+C
−r A=k (CA−CBCC
2
KC)
Untuk laju reaksi komponen B dan C ditulis dalam persamaan berikut:
Pada membrane reactor, terdapat komponen B dan A yang terdifusi keluar dari reaktor.
Persamaan untuk menghitung difusi keluar yang terjadi adalah:
Stokiometri reaksi yang terjadi pada persamaan reaksi di atas adalah:
| DAFTAR ISI 4
5
Semua persamaan di atas, dari persamaan neraca mol sampai dengan persamaan stokiometri,
disubtitusikan sedemikian rupa sehingga didapatkan persamaan sebagai berikut:
Persamaan-persamaan di atas ini kemudian disubtitusikan untuk masuk ke dalam program
polymath. Hasil running program polymath sebagai berikut:
| DAFTAR ISI 5
6
Dan didapatkan plot laju mol komponen A, B dan C terhadap volume reaktor. Pada hasil plot
di bawah, sumbu x adalah Volume sedangkan sumbu y adalah laju mol kompoen. Hasil plot
dapat dilihat pada gambar berikut:
Sedangkan untuk laju difusi komponen A dan B adalah sebagai berikut:
| DAFTAR ISI 6
7
Dari hasil running polymath di atas, kita ingin mgentahui profil konversi terhadap volume
reaktor, maka mengubah program polymath dan mendapatkan hasil sebagai berikut:
Ternyata, untuk mendapatkan nilai konversi mendekati 1, dibutuhkan volume reaktor sebesar
350 liter.
| DAFTAR ISI 7
8
JAWABAN PERTANYAAN B
Untuk reaktor membran, kita mempunyai persamaan neraca mol dalam bentuk differensial sebagai berikut:
Persamaan di atas menunjukkan bahwa tedapat komponen A, B dan C yang terdifusi keluar reaktor (diwakili oleh minus Ra, Rb, dan Rc). Untuk persamaan neraca mol tanpa adanya mol A, B dan C yang keluar reaktor, dapat dilihat dari persamaan berikut:
Persamaan di atas ini identik dengan persamaan neraca mol pada PFR (Plug Flow Reactor). Untuk mendapatkan laju mol terhadap volume reaktor, kita bisa memasukkan persamaan di atas dalam program polymath. Hasil running program polymath menghasilkan hasil seperti di bawah ini:
| DAFTAR ISI 8
9
Dan didapatkan profil laju mol terhadap volume reaktor sebagai berikut:
Kita dapat membandingkan nilai konversi dari reaktor membran dan PFR. Didapatkan perbandingan konversi dari keduanya dalam bentuk profil konversi terhadap volume reaktor, dengan grafik berikut:
| DAFTAR ISI 9
10
Dapat kita lihat pada grafik di atas, dengan sumbu x sebagai volume reaktor dan sumbu y sebagai konversi, nilai konversi pada reaktor membran lebih besar dibanding pada reaktor PFR. Hal ini dikarenakan reaktor membran mencegah terjadinya reaksi balik dari B dan C kembali menjadi A. Reaktor membran meminimalisir hal tersebut dengan membuang B yang dihasilkan dari reaksi ke luar reaktor. Oleh karena itu, nilai konversi reaktor membran dapat lebih besar dibanding reaktor PFR.
JAWABAN PERTANYAAN C
Pada pertanyaan C, ditanyakan bahwa apakah jika komponen C yang terdifusi keluar akan
menghasilkan konversi yang lebih baik dibanding jika komponen B yang terdifusi keluar.
Dari pertanyaan tersebut, kita memerlukan beberapa asumsi yaitu:
Laju keluaran C=laju keluaran B
Kcb=Kcc
Tidak ada B yang keluar reaktor
Dengan berbekal asumsi tersebut, dapat ditulis dalam program polymath sebagai berikut:
| DAFTAR ISI 10
11
Dari program polymath di atas, dapat dilihat bahwa nilai neraca mol C berubah, begitu pula
dengan laju difusi B (Rb) yang berubah menjadi laju difusi C (Rc) dengan tetap memakai
parameter Kb sebagai koefisien perpindahan massanya. Dari program polymath di atas,
didapatkan hasil sebagai berikut:
| DAFTAR ISI 11
12
Didapatkan pula perbandingan konversi seperti pada grafik di bawah ini:
Dapat dilihat dari grafik di atas bahwa reaktor Membran dengan komponen A dan C yang
keluar dibanding reaktor Membran dengan komponen A dan B yang keluar memiliki
konversi yang lebih baik. Hal ini dikarenakan komponen C memiliki koefisien stokiometri 2
di persamaan reaksinya dibanding komponen B yang koefisien stokiometrinya hanya 1. Hal
| DAFTAR ISI 12
13
tersebut membuat dibentuknya C, dibanding dibentuknya B, membuat reaksi balik menjadi
signifikan. Dengan dibentuknya C, maka reaksi balik menjadi semakin besar nilainya.
Dengan dikeluarkannya komponen C dengan difusi dari reaktor membran, reaksi balik dari
reaksi yang terjadi menjadi sangat minim. Oleh karena itu nilai konversi menjadi lebih besar.
Selanjutnya, kita dapat mengembangkan soal dengan mencari tahu bagaimana jika
hanya komponen C yang terdifusi keluar dari reaktor. Dengan menggunakan program
polymath, kita dapat langsung mengetahui hal tersebut. Berikut hasil program polymath yang
digunakan untuk mengetahui pengaruh komponen A tidak terdifusi keluar:
| DAFTAR ISI 13
14
Didapatkan grafik perbandingan konversi sebagai berikut:
Dari hasil di atas, dapat dilihat bahwa dengan komponen A tidak terdifusi keluar
reaktor sehingga hanya komponen C yang terdifusi keluar reaktor, menghasilkan konversi
yang lebih kecil dibanding ketika A dan C keluar reaktor. Hal ini tidak sesuai dengan teori.
Seharusnya, jika hanya C yang keluar, maka nilai konversi akan lebih besar karena reaksi
balik sangat diminimalisir. Namun, hasil simulasi tidak menggambarkan hal tersebut. Hal ini
dapat disebabkan simulasi tidak memperhitungkan adanya pressure drop. Pressure drop
dalam reaktor membran harus diperhitungkan karena akan memengaruhi konversi yang
terjadi di dalam reaktor membran.
Selanjutnya, kita ingin mengetahui seberapa banyak volume reaktor yang diperlukan
agar konversi yang terjadi dapat mendekati nilai 1. Untuk itu, kita dapat mengubah volume
reaktor yaitu sebagai nilai final value. Dari hasil perubahan volume, didapatkan profil
konversi vs volume reaktor. Untuk mendapatkan hal tersebut, kita menggunakan program
polymath kembali. Hasilnya adalah sebagai berikut:
| DAFTAR ISI 14
15
| DAFTAR ISI 15
16
X Volume0 0
0,393753 100,60256 20
0,750491 300,852974 400,920654 500,961997 600,984406 700,994637 80
Dari hasil di atas, dengan komponen A dan C terdifusi keluar, volume reaktor membran yang
diperlukan untuk mendapatkan nilai konversi mendekati 1 adalah sebesar 80 liter. Dengan
profil konversi terhadap volume reaktor seperti pada grafik di atas.
| DAFTAR ISI 16
17
JAWABAN PERTANYAAN D
*Untuk kasus A dan B berdifusi
1. Mole Balances
Neraca mol
[¿by flow ]− [Out by flow ]−[out by diffusion]+ [Generation ]=[ Accumulation ]
F i∨V −F i∨V +∆ V +r A ∆ V =0
Apabila persamaan di atas dibagi ∆ V dan limit ∆ V → 0 maka persamaan di atas menjadi
dFidV
=r i
d F A
dV=r A−RA
d FB
dV=rB−RB
d FC
dV=−2 r A
2. Rate Law
−r A=k A (C A−CB CC
2
KC)
3. Transport out of the reactor (difussion)
Komponen A
RA=W A a=k CA ' a (CA−C AS)
Apabila kCA' a=kCAdan asumsi sweep gas C AS=0 maka persamaan di atas menjadi sebagai
berikut
RA=kCA CA
Komponen B
RB=W B a=kCB' a (CB−CBS )
Apabila kCB' a=kCBdan asumsi sweep gas CBS=0 maka persamaan di atas menjadi sebagai
berikut
| DAFTAR ISI 17
18
RB=k CB CB
4. Stoikiometri
Concentrations :
C j=C ¿( F j
FT)( P
Po )(T o
T )Karena reaktor membran beroperasi dalam kondisi non-isothermal dan tidak ada pressure drop, maka konsentrasi tiap komponen menjadi :
C j=C ¿( F j
FT)(T o
T ) Untuk kondisi Endotermis T<¿ Untuk kondisi Eksotermis T<¿
C A=C ¿( F A
FT)(T o
T )CB=C ¿( FB
FT)(T o
T )CC=C ¿( FC
FT)(T o
T )FT=F A+FB+FC
Relative rates :
r A
−1=
r B
1=
rC
2
r B=−r A
rC=−2 r A
5. Combining and summarizing
d F A
dV=r A−kCA C ¿( FA
FT)( T o
T )
d FB
dV=rB−kCB C ¿( FB
FT)(T o
T )| DAFTAR ISI 18
19
d FC
dV=−2 r A
r A=−k A(C¿( FA
FT )(T o
T )−C¿( FB
FT )( T o
T )[C¿( FC
FT )( T o
T )]2
K C)
Exothermic reactionReaksi eksotermis terjadi saat T>¿, maka perubahan suhu dibandingkan pada dua kondisi berikut :
T=10¿
Konversi komponen A pada reaksi eksotermis dengan suhu yang dinaikkan adalah X=¿0,17516005
Sedangkan untuk,
T=0.2 ¿
| DAFTAR ISI 19
20
Konversi komponen A pada reaksi eksotermis dengan suhu yang diturunkan adalah X=¿0,78872113
Endothermic ReactionReaksi endotermis terjadi saat T<¿, maka perubahan suhu dibandingkan pada dua kondisi berikut¿=10T
Konversi komponen A pada reaksi endotermis dengan suhu yang dinaikkan adalah X=1
¿=0.2T
Konversi komponen A pada reaksi endotermis dengan suhu yang diturunkan adalah X=¿0,29285367
| DAFTAR ISI 20
21
BAB III
PENUTUP
3.1. KesimpulanUntuk volume yang sama, reaktor membran menghasilkan konversi yang lebih
besar dibanding reaktor PFR.
Komponen C mempunyai pengaruh lebih besar untuk reaksi balik dibanding
komponen B.
Dari hasil simulasi, kondisi optimal adalah dengan mendifusikan A dan C keluar
dari reaktor.
Perlu diperhitungkannya pressure drop agar simulasi menjadi lebih akurat
Pengaruh kenaikan dan penurunan temperatur pada reaksi eksoterm dan endoterm
sesuai dengan asa Le Chatelier.
| DAFTAR ISI 21
22
DAFTAR PUSTAKA
Fogler, H.Scott. 2006. Elements of Chemical Reaction Engineering (4th ed.). New York :
Prentice Hall.
| DAFTAR ISI 22