TEKNIK REAKTOR: CONTOH SOAL MENENTUKAN VOLUME YANG DIPERLUKAN UNTUK REAKTOR TANGKI DIADUK ALIRAN KONTINYU ADIABATIK

Diketahui Soal Berikut: 

Tentukan volume yang diperlukan untuk pemrosesan reaktor aliran campuran adiabatik 56,64 L/menit (2 kaki)3 min atau 0,05664 m3/min) dari umpan cair yang mengandung reaktan R dan inert I yang mengalir pada laju 0,67 g · mol/menit dan 0,33 g · mol/menit, masing-masing. Dalam reaktor, R diisolerisasi ke S dan T (90 persen konversi fraksional R) oleh reaksi elementer berikut: . Pakan memasuki reaktor pada 300 K (80,6 ° F). Data pada sistem adalah sebagai berikut:

Kapasitas Panas

Konstanta Laju Reaksi pada 298 K

Energi Aktivasi

Panas Reaksi pada 273 K

Prosedur Perhitungan

1. Tulis ekspresi keseimbangan material dan energi untuk reaktor.

   Masalah ini harus diselesaikan dengan solusi simultan dari hubungan keseimbangan material dan energi yang menggambarkan sistem reaksi. Karena reaktor terisolasi dengan baik dan reaksi eksotermik sedang terjadi, cairan dalam reaktor akan memanas, menyebabkan reaksi terjadi pada suhu tertentu selain di mana laju reaksi konstan dan panas reaksi diketahui.

   Dengan asumsi sistem reaksi kepadatan konstan, laju aliran volumetrik konstan melalui reaktor, dan operasi steady-state, keseimbangan material pada spesies R memberikan ekspresi

   
   

   Persamaan ini dapat disusun ulang menjadi

   

   di mana τ = waktu tinggal (V/v).

   Keseimbangan energi hukum pertama pada reaktor tangki diaduk aliran kontinu memberikan ekspresi

   

   • di mana Q = tingkat pertukaran panas dengan sekitarnya

   • Fi = laju aliran molar outlet spesies i

   • Fi0 = laju aliran molar inlet spesies i

   •  = kapasitas panas rata-rata spesies i

   • Ti0 = suhu saluran masuk (pakan) spesies i

   • T = suhu operasi reaktor

   • X = tingkat konversi molar spesies R (= FR0 − FR)

   • ΔH° = panas reaksi pada T°

   • T° = suhu referensi untuk data panas reaksi

   • 

   • vi = koefisien stoikiometri molar

2. Hitung suhu operasi di reaktor.

   Penerapan keseimbangan energi yang ditunjukkan di atas memungkinkan suhu massa reaksi dihitung, karena semua jumlah dalam ekspresi diketahui kecuali T. Perhitungan dan parameter terkait adalah sebagai berikut:

   

   Mengganti ke dalam keseimbangan energi,

   

   Memecahkan untuk suhu reaktor,

   

3. Hitung konstanta laju reaksi pada suhu operasi reaktor.

   Karena suhu dalam reaktor tidak 25 °C (di mana nilai untuk konstanta laju reaksi diketahui), konstanta laju harus diperkirakan pada suhu reaktor. Bentuk Arrhenius dari konstanta laju dapat digunakan untuk mendapatkan perkiraan ini:

   
   

   Membagi persamaan Arrhenius ini untuk T = T dengan persamaan Arrhenius untuk T = 298 K (25 °C) dan mencatat bahwa (1/T) − (1/298) = (298 − T)/298T, ungkapan berikut dapat diturunkan:

   

   Sekarang k298 = 0,12 jam−1, jadi ketika T = 323, 4 K (suhu operasi reaktor), konstanta laju reaksi menjadi k323.4 = 3,31 jam−1.

4. Pecahkan untuk volume reaktor menggunakan ekspresi keseimbangan material.

   Keseimbangan material untuk reaktor tangki diaduk aliran kontinu sekarang dapat digunakan untuk menghitung volume reaktor yang diperlukan untuk isomerisasi. Memasukkan ekspresi tingkat orde pertama ke dalam keseimbangan material,

   

   Untuk menerapkan keseimbangan material ini, pertama-tama perlu untuk menghitung konsentrasi masuk dan keluar spesies R. Ini dapat dengan mudah dicapai dari data yang diberikan dan hubungan

   

   Karena v = konstanta, Ci = Ci0(1 − Xi). Dalam hubungan ini, Ci adalah konsentrasi spesies i, Fi adalah laju aliran molar spesies i, v adalah laju aliran volumetrik, dan Xi adalah konversi fraksional dari spesies i.

   Untuk contoh ini,

   

   dan

   

   Dengan demikian volume reaktor sekarang dapat langsung dihitung setelah mengubah laju aliran volumetrik menjadi per jam: