TEKNIK REAKTOR: CONTOH SOAL MENGHITUNG UKURAN REAKTOR ALIRAN STEKER ISOTERMAL

Diketahui Soal Berikut:

Percobaan laboratorium pada reaksi fase gas homogen ireversibel 2A + B = 2C telah menunjukkan konstanta laju reaksi menjadi 1 × 105 (g · mol/L)−2 s−1 pada 500 ° C (932 ° F). Analisis data isotermal dari reaksi ini telah menunjukkan bahwa ekspresi laju bentuk  memberikan representasi yang memadai untuk data pada tekanan total 500 °C dan 101,325 kPa (1 atm). Hitung volume reaktor aliran steker isobarik isotermal yang akan diperlukan untuk memproses 6 L/s (0,212 kaki3/s) dari gas umpan yang mengandung 25% A, 25% B, dan 50% dimasukkan berdasarkan volume jika konversi fraksional sebesar 90% diperlukan untuk komponen A.

Prosedur Penyelesaian

1. Kembangkan persamaan desain plug-flow-reactor dari keseimbangan material.

   Untuk mengukur reaktor dengan benar untuk reaksi dan bahan baku ini, diperlukan hubungan antara volume reaktor, laju konversi pakan, dan laju reaksi. Hubungan ini disediakan oleh keseimbangan material pada reaktor aliran steker.

   Untuk reaktor ideal tunggal, keseimbangan bahan komponen pada elemen volume diferensial dψ (lihat Gbr. 5.3) menjadi, untuk spesies A

   
   Gambar 5.3 Elemen volume diferensial untuk reaktor aliran steker (Prosedur 5.4).

   

   di mana ψ adalah parameter ukuran reaktor (volume, massa katalis, dll.), FA adalah laju aliran molar dari A, dan rA adalah tingkat generasi A per unit volume. Setelah mengatur ulang dan mengintegrasikan,

   

   Dalam hal tingkat konversi molar total spesies A, yang ditunjuk X, FA = FA0 - X, dan DfA = −dX, di mana FA0 adalah laju aliran molar A dalam pakan. Dengan demikian keseimbangan material untuk reaksi homogen ini menjadi

   

2. Hubungkan laju aliran molar produk dan reaktan dengan laju konversi A.

   Untuk menggunakan keseimbangan massa untuk memecahkan ukuran reaktor V, perlu untuk menghubungkan tingkat generasi +rSEBUAH dari A ke tingkat konversi molar X dari A. Ini mudah dilakukan melalui ekspresi laju. Untuk reaksi ini

   

   mana CA dan CB adalah konsentrasi molar A dan B. Untuk reaksi fase gas ini, konsentrasi A dan B dapat dihitung dari hukum gas ideal, jadi

   
   

   Persamaan laju kemudian menjadi

   

   Fraksi mol untuk komponen A dan B dihitung dari keseimbangan mol komponen demi komponen pada reaktor, mencatat bahwa 1/2 mol B dan l mol C terlibat per mol A bereaksi. Sehingga

   

   Dalam keseimbangan ini, FA, FBdan FC adalah laju aliran molar spesies A, B, dan C pada posisi apa pun di reaktor, FA0, FB0dan FC0 adalah laju aliran molar A, B, dan C dalam umpan, dan FI dan FI0 adalah laju aliran molar inert dalam produk dan dalam pakan.

   Sekarang, menurut definisi,

   

   dan persamaan laju dalam hal tingkat konversi molar A oleh karena itu menjadi:

   

3. Evaluasi laju aliran molar dan integrasikan keseimbangan massa.

   Setelah data yang diketahui tentang laju aliran molar diganti ke dalam keseimbangan massa, itu dapat diselesaikan untuk volume reaktor. Dari langkah 1, persamaan yang akan diselesaikan adalah

   

   Dari pernyataan masalah,

   

   dan

   

   dan

   

   Lebih lanjut

   

   Untuk konversi fraksional 90 persen dari A, batas atas pada integral dapat dievaluasi sebagai

   

   Integral sekarang dapat diselesaikan untuk volume reaktor. Karena solusi analitis sulit karena kompleksitas integrand, integrasi grafis (tidak ditampilkan di sini) dapat digunakan untuk menemukan volume reaktor yang diperlukan.

   Dengan integrasi grafis, nilai integral dievaluasi dan volume reaktor dihitung sebagai berikut: Nilai integral f(X)dX = 91; kemudian

   

   Jadi