Pemilihan Reaktor

PEMILIHAN REAKTOR

Desain proses dimulai dari unit pereaksi (reaktor), sehingga langkah pertama dalam desain proses adalah memilih reaktor. Dalam pemilihan reaktor kondisi dibawah ini perlu pertama sekali dipertimbangkan:

1.    Jenis

2.    Konsentrasi

3.    Temperatur

4.    Tekanan

5.    Fasa

6.    Katalis
Video alat-alat kimia dapat di lihat di link berikut : https://www.youtube.com/watch?v=vhOpIrUjdw0

1.1    JENIS-JENIS SISTEM REAKSI

1.1.1   Reaksi Tunggal

Contoh reaksi tunggal yang menghasilkan produk samping ditunjukkan seperti dibawah ini:

            (CH₃)₂CHOH    à   CH₃COCH₃  +  H₂

iso propil alkohol         aseton

1.1.2   Reaksi Berganda Paralel

Selain reaksi tunggal, suatu reaksi dapat juga menghasilkan reaksi selanjutnya (reaksi sekunder) yang menghasilkan produk samping. Dalam jenis reaksi berganda paralel, produk samping dihasilkan bersamaan (paralel) dengan pembentukan produk. Contoh sistem reaksi paralel dapat dilihat pada pembuatan etilena oksida yang ditunjukkan pada reaksi-reaksi dibawah ini:

            CH₂=CH₂  +     3O₂                   H₂C         CH₂

                                                                          O

etilena              oksigen                 etilen oksida

Reaksi ini paralel dengan reaksi:

            CH₂=CH₂   +    3O₂  à  2CO₂ + H₂O

etilena              oksigen

1.1.3   Reaksi Berganda Seri

Selain reaksi primer dan sekunder secara bersamaan, reaksi-reaksi ini juga dapat berjalan secara seri (setelah satu reaksi diikuti oleh reaksi berikutnya). Contoh sistem reaksi seri dapat dilihat pada pembuatan formaldehida dari methanol yang ditunjukkan pada reaksi dibawah ini:

            CH₃OH    +     ½O₂   à      HCHO      +     H₂O

            metanol           oksigen     formaldehida         air

Selanjutnya diikuti oleh reaksi:

            HCHO          à   CO                          +    H₂

            formaldehida       karbon monoksida         gas hidrogen

1.2    KONSENTRASI DI DALAM REAKTOR

Didalam pemilihan jenis reaktor juga perlu diperhatikan pengaruh konsentrasi. Kondisi konsentrasi di dalam reaktor sering dilakukan melalui salah satu reaktan berlebih (excess), penambahan inert material ke dalam reaktor, atau meresirkulasi produk yang tidak diinginkan kembali ke reaktor.

1.2.1   Reaksi Tunggal Irreversible

Pada reaksi tunggal tidak dapat balik (irreversible), maka memperbesar konsentrasi salah satu reaktan akan memperbesar konversi. Maka dipilih salah satu reaktan dibuat berlebih dan yang lain sebagai limiting reaktan sehingga reaksi mendekati sempurna. Perhatikan reaksi dibawah ini:

            C₂H₄      +   Cl₂        à   C₂H₄Cl₂

            etilena        khlorin            dikhloroetana

Pada reaksi ini etilena diumpankan berlebih agar khorin dapat dikonversi seluruhnya, dimaksudkan agar khlorin tidak menjadi permasalahan pada unit pemisah berikutnya.

1.2.2   Reaksi Tunggal Reversible

Konversi maksimum yang dapat dicapai pada reaksi dapat balik (reversible) sangat dipengaruhi oleh kesetimbangan reaksi atau konversi setimbang.

a.    Rasio umpan

Perbandingan umpan reaktor sedemikian dapat mencapai konversi setimbangan yang maksimum. Konversi maksimum ini dapat dicapai bila produk reaksi dikurangi.

b.    Pengaruh penambahan inert

Penambahan inert (bahan yang tidak bereaksi) dalam reaksi bertujuan mempengaruhi kesetimbangan reaksi sehingga dapat diperoleh konversi yang maksimum. Bila molekularitas reaksi bernilai (-) maka sebaiknya tidak ada penambahan inert tetapi sebaliknya nilai molekuritas bernilai (+) maka disarankan adanya penambahan inert.

c.    Pengambilan produk selama proses reaksi berlangsung

Pada reaksi setimbangan sebaiknya produk diambil secara kontinyu supaya diperoleh konversi yang maksimum. Cara lain dilakukan dengan tahapan reaksi dimana dalam tahapan tersebut dipisahkan produk antara (intermediate products). Sebagai contoh pemisahan produk antara adalah dalam proses produksi asam sulfat melalui reaksi dibawah ini:

       2SO₂                +   O₂               2SO₃

       Sulfur dioksida                       sulfur trioksida

Reaksi tersebut dapat dicapai konversi yang sempurna dengan mengikuti nilai kesetimbangannya dan pengambilan sulfur trioksida yang terbentuk melalui proses absorpsi. Dalam kasus ini pengambilan sulfur trioksida dengan air langsung menghasilkan asam sulfat.

1.2.3   Reaksi Berganda Paralel

Pada prinsipnya untuk memaksimalkan nilai selektifitas. Maka rasio kecepatan dibawah ini harus diminimalkan:

Umpan 1 + Umpan 2 à Produk                    

Umpan 1 + Umpan 2 à Produk samping     

                       

Dalam hal ini,

apabila (α₂ – α₁) > (β₂ – β₁), maka lakukan operasi reaksi dengan C_{Umpan 2} berlebih

apabila (α₂ – α₁) < (β₂ – β₁), maka lakukan operasi reaksi dengan C_{Umpan 1} berlebih

1.2.4   Reaksi Berganda Seri

Pada reaksi seri maka bila produk merupakan produk tengahan maka konversi rendah pada reaksi utama akan memperbesar selektifitas. Dan bila reaksi samping merupakan produk tengahan maka konversi besar akan memperbesar selektifitas.

1.3    TEMPERATUR REAKTOR

Pemilihan temperatur operasi reaksi tergantung pada banyak faktor. Selain pertimbangan kecepatan reaksi, juga perlu diperhatikan bahan konstruksi. Bahasan berikut hanya melihat pengaruh temperatur terhadap konversi dan selektifitas sistem reaksi.

1.3.1   Reaksi Tunggal

Jenis reaksi yang berhubungan dengan temperatur dibagi dua yaitu reaksi endotermis dan reaksi eksotermis.

a.    Reaksi Endotermis

Pada reaksi endotermis reversible, untuk meminimalkan volume reaktor atau meningkatkan konversi reaksi, maka sistem reaksi dioperasikan pada temperatur tinggi. Temperatur reaksi yang digunakan juga harus memperhatikan kemampuan katalis dan batasan material konstruksi.

b.   Reaksi Eksotermis

Pada reaksi eksotermis irreversible maka sebaiknya reaktor dioperasikan pada temperatur setinggi mungkin yang disesuaikan dengan kemampuan bahan konstruksi dan katalis sehingga kecepatan reaksi akan besar dan volume reaktor akan kecil. Pada reaksi eksotermis reversible sebaiknya temperatur reaktor dioperasikan pada temperatur rendah supaya diperoleh konversi maksimum yang tinggi. Tetapi temperatur rendah akan mengakibatkan kecepatan reaksi menjadi kecil sehingga volume reaktor akan menjadi besar. Maka diperlukan kondisi operasi yang optimum.

1.3.2   Reaksi Berganda

Pada permasalah reaksi berganda, maka pemilihan temperatur pada kondisi reaktor adalah untuk memaksimalkan nilai selektifitas dan meminimalkan volume reaktor pada nilai konversi yang diberikan.

k₁

            A                             B

k₂

apabila k₁ > k_2, maka sistem reaksi dilakukan pada temperatur tinggi

apabila k₂ > k_1,  maka sistem reaksi dilakukan pada temperatur rendah. Dalam hal ini perlu diperhatikan, pada kondisi temperatur rendah akan menaikkan selektifitas tetapi juga meningkatkan volume reaktor. Pertimbangan ekonomi selanjutnya dilakukan antara menurunkan terbentuknya produk samping atau menaikkan biaya konstruksi.

1.4    TEKANAN REAKTOR

1.4.1   Reaksi Tunggal

a.    Penurunan jumlah mol

Bila selama reaksi terjadi penurunan jumlah mol maka tekanan reaktor harus besar. Sehingga reaksi akan bergeser kearah kanan.

b.    Penambahan jumlah mol

Bila selama reaksi terjadi penambahan jumlah mol maka tekanan reaksi harus kecil.

1.4.2   Reaksi Berganda

Pengambilan tekanan operasi pada reaksi yang lebih dari satu maka harus mempertimbangkan masalah selektifitas, konversi dan volume reaktor.

1.5    FASA REAKSI

Penentuan fase reaksi sangat dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan reaksi. Sehingga pengetahuan fase bahan pada suhu reaksi sangat penting, apakah dalam fase padat, fase cair, fase uap atau fase gas.

1.6    KATALIS

Kebanyakan proses menggunakan katalis untuk meningkatkan laju reaksi, tetapi katalis tidak berubah secara kuantitas dan komposisi kimia pada akhir reaksi. Pemilihan katalis adalah tahapan yang sangat penting. Apabila katalis digunakan pada reaksi berganda, maka katalis tersebut mempunyai efek yang berbeda terhadap reaksi primer dan sekunder. Oleh karena itu, katalis biasanya dikembangkan untuk meningkatkan reaksi yang diinginkan. Pemilihan katalis akan sangat berpengaruh pada selektifitas reaksi. Proses katalitik dapat dibagi dua yaitu homogen atau heterogen.

1.6.1   Katalis Homogen

Pada sistem katalis homogen reaksi berjalan seluruhnya pada fasa uap atau fasa cair. Jenis katalis ini mempunyai fasa yang sama dengan bahan yang bereaksi. Biasanya katalis ini tidak begitu disukai karena akan menimbulkan problem pada proses pemisahan katalis dan sering menimbulkan dampak lingkungan.

1.6.2   Katalis Heterogen

Dalam sistem katalis heterogen, katalis berbeda fasa dengan spesies yang bereaksi. Pada sistem katalis heterogen, katalis biasanya berbentuk padatan. Selama proses reaktan berdifusi pada permukaan katalis dan terserap kedalam permukaannya dimana reaksi terjadi. Setelah bereaksi, produk keluar dari katalis berdifusi kembali kedalam fasanya (cair atau gas).

1.7    UNJUK KERJA REAKTOR

Dalam memilih jenis reaktor perlu diketahui terlebih dahulu kriteria untuk kerja (performance) reaktor. Untuk jenis reaktor (selain reaktor polimerisasi) parameter yang penting untuk menjelaskan unjuk kerja adalah konversi, selektifitas, dan yield. Dalam menjelaskan unjuk kerja reaktor, nilai selektifitas lebih berarti dibandingkan dengan yield. Yield berdasarkan reaktan yang diumpankan kedalm reaktor bukan berdasarkan berapa besar reaktan yang dikonsumsi. Hal ini disebabkan reaktan yang diumpankan bisa saja berasal dari lairan resirkulasi bukan dari umpan segar (fresh feed). Walaupun demikian nilai yield bermanfaat untuk menjelaskan unjuk kerja pabrik kimia secara keseluruhan.

1.7.1   Reaksi Tunggal

Pada reaksi tunggal, sasaran yang ingin dicapai adalah meminialkan biaya reaksi tunggal, meminimalkan biaya konstruksi untuk konversi reaksi yang diketahui. Dengan menaikkan konversi juga akan meningkatkan ukuran reaktor dan biaya.

1.7.2   Reaksi Berganda Paralel

Dalam reaksi berganda paralel sasaran yang ingin dicapai adalah meminimalkan terbentuknya produk samping (memaksimalkan selektifitas) untuk konversi yang diketahui.

Umpan  à Produk                 

Umpan  à Produk samping  

Dimana:

r₁ dan r₂ = kecepatan reaksi primer dan sekunder

k₁ dan k₂ = konstanta kecepatan reaksi primer dan sekunder

C_Umpan = konsentrasi umpan didalam reaktor

α₁ dan α₂ = orde reaksi primer dan sekunder

Perbandingan kecepatan reaksi sekunder terhadap primer adalah:

                       

Untuk mendapatkan selektifitas maksimum maka nilai perbandingan  harus minimum. Konversi yang tinggi didalam reaktor akan menyebabkan penurunan C_Umpan. Dengan demikian jika:

α₁>α₂ maka apabila konversi meningkat, selektifitas juga meningkat

α₁<α₂ maka apabila konversi meningkat, selektifitas menurun

Dengan kata lain apabila α₁>α₂ untuk mendapatkan produk yang besar maka konsentrasi umpan harus tinggi, sebaliknya apabila α₁<α₂ untuk mendapatkan produk yang besar, maka konsentrasi umpan harus rendah.

1.7.3   Reaksi Berganda Seri

Untuk reaksi berganda seri yang menghasilkan produk samping seperti ditunjukkan oleh persamaan dibawah ini:

Umpan  à Produk                 

Umpan  à Produk samping  

Dimana:

r₁ dan r₂ = kecepatan reaksi primer dan sekunder

k₁ dan k₂ = konstanta kecepatan reaksi primer dan sekunder

C_Umpan = konsentrasi umpan didalam reaktor

α₁ dan α₂ = orde reaksi primer dan sekunder

Dari kedua reaksi diatas, maka dapat dilihat bahwa reaktor sebaiknya dioperasikan pada konsentrasi produk yang rendah untuk menghindari terbentuknya produk samping yang tinggi. Biasanya pada pendekatan awal diambil konversi sebesar 50% untuk reaksi irreversible atau konversi kesetimbangan 50% untuk reaksi reversible.

Reaksi berganda juga dapat terjadi akibat kotoran (impuritis) yang ada didalam umpan. Untuk kasus seperti ini sebaiknya umpan reaktor dimurnikan terlebih dahulu daripada mengkondisikan reaktor sehingga tidak terbentuk produk samping akibat impuritis.

1.8    MODEL REAKTOR IDEAL

Dalam desaim reaktor ada tiga jenis model desain yang dapat digunakan yaitu model batch ideal, model tangki berpengaduk kontinyu, dan model reaktor  plug flow (reaktor sumbat).

Pada model batch ideal, reaktan diumpankan ke reaktor, dilakukan pengadukan, dan setelah waktu tertentu produk dikeluarkan dari reaktor. Konsentrasi didalam reaktor berubah bersamaan dengan waktu. Pada sistem ini diperlukan pengadukan yang sempurna untuk mendapatkan komposisi dan temperatur yang seragam di seluruh bagian reaktor.

Pada model tangki berpengaduk kontinyu, umpan dan produk masing-masing dimasukkan dan dikeluarkan secara kontinyu (terus-menerus) dengan melakukan pengadukan yang sempurna. Akibat pengadukan ini, reaktan dapat langsung keluar dari reaktor atau tetap berada didalam reaktor untuk waktu tertentu. Dengan demikian waktu tinggal (residence time) masing-masing komponen dapat berbeda.

Pada model reaktor plug flow (reaktor sumbat) diasumsikan bahwa pergerakan reaktan seragam didalam satu arah aliran yang tidak diberikan pengadukan. Waktu tinggal plug flow pada seluruh aliran adalah sama untuk setiap komponen (seperti model batch). Model plug flow dianggap sama seperti model tangki berpengaduk kontinyu yang dihubungkan secara seri.

1.8.1   Reaksi Tunggal

Untuk reaksi tunggal dibawah ini,

Umpan  à Produk                 

Dimana:

r = kecepatan reaksi

k = konstanta kecepatan reaksi

C_Umpan = konsentrasi umpan didalam reaktor

α = orde reaksi

Dari persamaan diatas diperoleh bahwa untuk mendapatkan laju reaksi yang tinggi, maka konsentrasi umpan juga harus tinggi. Didalam reaktor model tangki berpengaduk kontinyu, reaktan yang masuk kedalam reaktor mengalami pengenceran oleh produk yang telah terbentuk, sehingga akan menurunkan laju reaksi.

Laju reaksi untuk reaksi tunggal pada model tangki berpengaduk kontinyu lebih rendah dibandingkan dengan yang terjadi pada model batch ideal atau plug flow. Apabila juga ingin dilakukan, maka model tangki berpengaduk kontinyu membutuhkan volume reaktor yang lebih besar. Kesimpulannya, model batch ideal dan plug flow sesuai untuk reaksi tunggal.

1.8.2   Reaksi Berganda Paralel

Secara umum dapat dikatakan bahwa apabila laju reaksi untuk produk yang diinginkan lebih besar dari laju reaksi produk samping, maka digunakan reaktor batch atau plug flow. Sebaliknya apabila laju reaksi dari produksi yang diinginkan lebih rendah dari produk samping, maka digunakan reactor tangki berpengaduk kontinyu.

1.8.3   Reaksi Berganda Seri

Dari persamaan untuk reaksi berganda (lihat kembali pada bagian 1.7.3), untuk konversi reaktor tertentu reaktan membutuhkan waktu tinggal tertentu didalam reaktor. Didalam reaktor tangki berpengaduk kontinyu reaktan dapat langsung keluar dari reaktor atau tetap berada didalam reaktor. Demikian juga produk yang terbentuk dapat langsung keluar atau berada didalam reaktor untuk waktu tertentu. Oleh sebab itu, penggunaan reaktor tangki berpengaduk kontinyu untuk jenis reaksi berganda seri memberikan selektifitas yang lebih rendah dibandingkan dengan reactor batch atau plug flow.

DAFTAR PUSTAKA

Machdar, Izarul.2008.Dasar-dasar Sintesis Proses.Penerbit Hadzam Raya.

http://www.scrib.com/reaktor-ku

    

Share this post