TEKNIK REAKTOR: CONTOH SOAL MENENTUKAN UKURAN DAN DESAIN PADA SISTEM REAKTOR TANGKI BERPENGADUK

 Diketahui Soal Berikut:

Diusulkan untuk memproses 3 m3/h dari campuran reaksi dalam satu atau dua (secara seri) reaktor tangki diaduk aliran kontinu. Reaksinya adalah A + 2B → C. Pada 50 °C, ekspresi laju kinetik adalah sebagai berikut:

dimana k1 = 0,1 dan k2 = 0,6, dengan konsentrasi kilogram-mol per meter kubik dan tarif dalam kilogram-mol per meter kubik per jam.

Berat jenis campuran konstan dan sama dengan 1,2 kg/dm3. Berat molekul pakan adalah 40. Pakan mengandung 10 mol% A, 20% B, dan 70% pelarut lembam S. Viskositas cair adalah 0, 8 mPa · s (cp) pada suhu reaksi.

Tentukan volume reaktor yang diperlukan untuk satu reaktor dan untuk dua reaktor berukuran sama secara seri untuk konversi 80 persen A. Dan jika biaya modal unit reaktor tangki diaduk aliran kontinu diberikan sebesar 200.000 (V / 100)0.6 (di mana V adalah volume reaktor dalam m3), umurnya adalah 20 tahun tanpa nilai penyelamatan, dan biaya listrik 3 sen per kilowatt-jam, menentukan sistem mana yang memiliki keunggulan ekonomi. Asumsikan bahwa overhead, personel, dan biaya operasi lainnya, kecuali agitasi, adalah konstan. Tahun operasional adalah 340 hari. Setiap reaktor bingung (dengan lebar penyekat hingga diameter tangki 1/12) dan dilengkapi dengan impeller yang diameternya sepertiga diameter tangki. Impeller adalah turbin enam bilah yang memiliki rasio lebar-ke-diameter 1/5. Impeller terletak di sepertiga kedalaman cairan dari bawah. Rasio kedalaman-terhadap-diameter cairan tangki adalah kesatuan.

Prosedur Penyelesaian

1. Kembangkan ekspresi keseimbangan material yang diperlukan untuk satu reaktor, dan temukan volumenya.

   Untuk reaktor tunggal, persamaan desain keseimbangan massa adalah

   

   di mana V adalah volume material di dalam reaktor, FSEBUAH,0 adalah laju aliran molar masuk dari spesies A, FSEBUAH adalah laju aliran molar keluarnya, dan X adalah mol dari A yang bereaksi per satuan waktu. Seperti disebutkan, FSEBUAH = (FSEBUAH,0 - X), dan karena reaksi 1 mol A melibatkan 2 mol B dan menghasilkan 1 mol C, dan karena saluran masuknya adalah 10% A dan 20% B, FB = FB,0 - 2X = 2(FSEBUAH,0 - X) dan FC = X. Karena pelarutnya lembam, FS = FS,0.

   Sekarang

   

   di mana v adalah laju aliran volumetrik di outlet (yang sama dengan laju volumetrik masuk, karena sistem ini memiliki kepadatan konstan).

   Karena 80% konversi A ditentukan, X/FSEBUAH,0 = 0,8. Dan karena laju aliran molar masuk total FT,0 adalah 10% A,

   

   Oleh karena itu, tingkat konversi molar X adalah 0,8(9) = 7,2 kg · mol/jam. Konsentrasi outlet A diberikan oleh

   

   Dengan demikian tarif pada kondisi outlet diberikan oleh

   

   Akhirnya, volumenya adalah

   

2. Kembangkan persamaan untuk dua reaktor secara seri, dan temukan volumenya.

   Untuk sepasang reaktor secara seri, tentukan X1 dan X2 karena lalat A bereaksi per unit waktu dalam reaktor 1 dan 2, masing-masing.

   Kemudian

   

   Jadi

   

   Dengan keseimbangan material,

   

   Sekarang, nilainya −rA2 sama dengan laju untuk reaktor tunggal, karena X1 + X2 = konversi keseluruhan; oleh karena itu, −rA2 = 0,053 kg · mol/(m)3)(h). Sesuai

   

   Solusi dari persamaan kubik ini (dengan, misalnya, metode Newton) memberikan X1 = 5,44. Oleh karena itu, volume untuk setiap reaktor adalah sebagai berikut:

   

3. Melakukan analisis ekonomi dan memutuskan antara sistem satu dan dua reaktor.

   Dua biaya yang harus diperhatikan adalah penyusutan modal dan biaya listrik untuk agitasi. Menggunakan volume, kehidupan 20 tahun tanpa penyelamatan, dan metode penyusutan garis lurus:

   Sistem	Biaya modal	Biaya penyusutan tahunan
   Satu reaktor, 136 m3	$ 240,520	$ 12,026
   Dua reaktor, masing-masing 33, 2 m3	206,415	10,321

   Untuk pencampuran normal, angka indeks agitasi Pfaudler (γ) untuk cairan viskositas rendah ini adalah 2 kaki2/s3. Sebagian besar pengaduk dirancang untuk impeller Reynolds nomor 1000 atau lebih besar. Untuk impeller yang ditentukan, nomor daya ψn adalah 0,6 pada angka Reynolds tinggi .

   Diameter impeller yang diperlukan Dsaya dapat dihitung dari data yang diberikan. Dengan tinggi cairan HL sama dengan diameter tangki Dt,

   

   Untuk kedua kasus tersebut, diameter impeller dengan demikian ditemukan masing-masing 1,86 m (6,10 kaki) dan 1,16 m (3,81 kaki). Dalam hal indeks Pfaudler, untuk likuiditas viskositas rendah,

   

   di mana n adalah putaran mixer per menit. Memecahkan persamaan ini untuk n, dan mencatat bahwa γ = 2 kaki2/s3 = 0,186 m2/s3, putaran mixer per menit diberikan sebagai berikut:

   

   Mengganti diameter impeller dalam meter menghasilkan 107,2 r/menit untuk tangki besar dan 146,8 r/menit untuk setiap tangki kecil. Nomor Reynolds

   

   adalah 9,27 × 106 untuk yang besar dan 4,95 × 106 untuk tangki kecil, masing-masing, sehingga asumsi nomor daya 0, 6 memuaskan.

   Dari definisi nomor daya,

   

   Jadi

   

   Untuk dua kasus, konsumsi daya dihitung menjadi 91.417 N · m/s dan 22.150 N · m/s untuk tangki besar dan kecil, masing-masing (1 watt = 1 N · m/s). Konsumsi daya setiap tahun adalah 745.960 kW untuk tangki besar dan 361.490 kW untuk dua tangki kecil. Oleh karena itu, keuntungan biaya tahunan adalah sebagai berikut:

   Sistem	Depresiasi	Kuasa	Total biaya
   1 tangki	$ 12,026	$ 22,379	$ 34,405
   2 tangki	10,321	10,845	21,166

   Manfaat untuk sistem dua tangki adalah $13,239 per tahun.