Reaktor kimia
Reaktor kimia adalah volume tertutup di mana reaksi kimia berlangsung. Dalam teknik kimia, umumnya dipahami sebagai bejana proses yang digunakan untuk melakukan reaksi kimia, yang merupakan salah satu unit operasi klasik dalam analisis proses kimia. Desain reaktor kimia berhubungan dengan berbagai aspek teknik kimia. Insinyur kimia merancang reaktor untuk memaksimalkan nilai sekarang untuk reaksi yang diberikan. Desainer memastikan bahwa reaksi berlangsung dengan efisiensi tertinggi menuju produk keluaran yang diinginkan, menghasilkan hasil produk tertinggi sementara membutuhkan biaya paling sedikit untuk membeli dan mengoperasikannya. Biaya operasi normal meliputi masukan energi, pembuangan energi, biaya bahan baku, tenaga kerja, dll. Perubahan energi dapat berupa pemanasan atau pendinginan, pemompaan untuk meningkatkan tekanan, kehilangan tekanan gesekan, atau agitasi.Teknik reaksi kimia adalah cabang dari teknik kimia yang berhubungan dengan reaktor kimia dan desainnya, terutama dengan penerapan kinetika kimia pada sistem industri.
Gambaran Umum
Jenis dasar reaktor kimia yang paling umum adalah tangki (tempat reaktan bercampur dalam seluruh volume) dan pipa atau tabung (untuk reaktor aliran laminar dan reaktor aliran sumbat)
Kedua jenis ini dapat digunakan sebagai reaktor kontinu atau reaktor batch, dan keduanya dapat menampung satu atau lebih padatan (reagen, katalis, atau bahan lembam), tetapi reagen dan produk biasanya berupa cairan (cairan atau gas). Reaktor dalam proses kontinu biasanya dijalankan pada kondisi tunak, sedangkan reaktor dalam proses batch harus dioperasikan dalam keadaan sementara. Ketika sebuah reaktor dioperasikan, baik untuk pertama kalinya atau setelah dimatikan, reaktor tersebut berada dalam keadaan transien, dan variabel-variabel proses utama berubah seiring berjalannya waktu.
Ada tiga model ideal yang digunakan untuk memperkirakan variabel proses yang paling penting dari reaktor kimia yang berbeda:
- Model reaktor batch,
- Model reaktor tangki berpengaduk kontinu (CSTR), dan
- Model reaktor aliran plug (PFR).
Banyak reaktor dunia nyata dapat dimodelkan sebagai kombinasi dari tipe-tipe dasar ini.
Variabel-variabel proses utama meliputi:
- Waktu tinggal (τ, huruf kecil Yunani tau)
- Volume (V)
- Suhu (T)
- Tekanan (P)
- Konsentrasi spesies kimia (C1, C2, C3, ... Cn)
- Koefisien perpindahan panas (h, U)
Reaktor tubular sering kali dapat berupa unggun yang dikemas. Dalam hal ini, tabung atau saluran berisi partikel atau pelet, biasanya katalis padat. Reaktan, dalam fase cair atau gas, dipompa melalui unggun katalis. Reaktor kimia juga dapat berupa unggun terfluidisasi; lihat reaktor unggun terfluidisasi.
Reaksi kimia yang terjadi di dalam reaktor dapat bersifat eksotermis, yang berarti mengeluarkan panas, atau endotermis, yang berarti menyerap panas. Sebuah reaktor tangki mungkin memiliki jaket pendingin atau pemanas atau kumparan pendingin atau pemanas (tabung) yang dililitkan di bagian luar dinding bejana untuk mendinginkan atau memanaskan isinya, sementara reaktor tubular dapat dirancang seperti penukar panas jika reaksinya sangat eksotermis, atau seperti tungku jika reaksinya sangat endotermis.
Jenis
Reaktor batch
Jenis reaktor yang paling sederhana adalah reaktor batch. Bahan-bahan dimasukkan ke dalam reaktor batch, dan reaksi berlangsung seiring waktu. Reaktor batch tidak mencapai kondisi tunak, dan kontrol suhu, tekanan, dan volume sering kali diperlukan. Oleh karena itu, banyak reaktor batch memiliki port untuk sensor dan input dan output material. Reaktor batch biasanya digunakan dalam produksi skala kecil dan reaksi dengan bahan biologis, seperti dalam pembuatan bir, pembuatan pulp, dan produksi enzim. Salah satu contoh reaktor batch adalah reaktor bertekanan.
CSTR (reaktor tangki berpengaduk kontinu)
Dalam CSTR, satu atau lebih reagen fluida dimasukkan ke dalam reaktor tangki yang biasanya diaduk dengan impeler untuk memastikan pencampuran yang tepat dari reagen sementara limbah reaktor dibuang. Membagi volume tangki dengan laju aliran volumetrik rata-rata melalui tangki memberikan ruang waktu, atau waktu yang diperlukan untuk memproses satu volume cairan reaktor. Dengan menggunakan kinetika kimia, persen penyelesaian reaksi yang diharapkan dapat dihitung. Beberapa aspek penting dari CSTR:
- Pada kondisi tunak, laju aliran massa yang masuk harus sama dengan laju aliran massa yang keluar, jika tidak, tangki akan meluap atau kosong (kondisi transien). Ketika reaktor dalam keadaan transien, persamaan model harus diturunkan dari neraca massa dan energi diferensial.
- Reaksi berlangsung dengan laju reaksi yang terkait dengan konsentrasi akhir (output), karena konsentrasi diasumsikan homogen di seluruh reaktor.
- Seringkali, secara ekonomi menguntungkan untuk mengoperasikan beberapa CSTR secara seri. Hal ini memungkinkan, misalnya, CSTR pertama beroperasi pada konsentrasi reagen yang lebih tinggi dan oleh karena itu laju reaksi yang lebih tinggi. Dalam kasus ini, ukuran reaktor dapat divariasikan untuk meminimalkan total investasi modal yang diperlukan untuk mengimplementasikan proses.
- Dapat ditunjukkan bahwa jumlah CSTR yang tak terbatas dan tak terhingga yang beroperasi secara seri akan setara dengan PFR.
Perilaku CSTR sering didekati atau dimodelkan dengan perilaku Reaktor Tangki Berpengaduk Ideal Kontinu (CISTR). Semua perhitungan yang dilakukan dengan CISTR mengasumsikan pencampuran yang sempurna. Jika waktu tinggal 5-10 kali waktu pencampuran, perkiraan ini dianggap valid untuk tujuan rekayasa. Model CISTR sering digunakan untuk menyederhanakan perhitungan teknik dan dapat digunakan untuk menggambarkan reaktor penelitian. Dalam praktiknya, model ini hanya dapat didekati, terutama pada reaktor ukuran industri yang waktu pencampurannya mungkin sangat besar.
Reaktor loop adalah jenis reaktor katalitik hibrida yang secara fisik menyerupai reaktor tubular, tetapi beroperasi seperti CSTR. Campuran reaksi disirkulasikan dalam lingkaran tabung, dikelilingi oleh jaket untuk pendinginan atau pemanasan, dan ada aliran terus menerus dari bahan awal dan produk keluar.
PFR (reaktor aliran steker)
Dalam PFR, kadang-kadang disebut reaktor tubular kontinu (CTR), satu atau lebih reagen fluida dipompa melalui pipa atau tabung. Reaksi kimia berlangsung saat reagen bergerak melalui PFR. Dalam jenis reaktor ini, laju reaksi yang berubah menciptakan gradien sehubungan dengan jarak yang ditempuh; pada saluran masuk ke PFR, lajunya sangat tinggi, tetapi ketika konsentrasi reagen menurun dan konsentrasi produk meningkat, laju reaksi melambat. Beberapa aspek penting dari PFR:
- Model PFR yang ideal mengasumsikan tidak ada pencampuran aksial: elemen fluida apa pun yang mengalir melalui reaktor tidak bercampur dengan fluida di bagian hulu atau hilir, seperti yang tersirat dalam istilah "aliran sumbat".
- Reagen dapat dimasukkan ke dalam PFR di lokasi-lokasi di dalam reaktor selain saluran masuk. Dengan cara ini, efisiensi yang lebih tinggi dapat diperoleh, atau ukuran dan biaya PFR dapat dikurangi.
- PFR memiliki efisiensi teoritis yang lebih tinggi daripada CSTR dengan volume yang sama. Artinya, dengan ruang-waktu yang sama (atau waktu tinggal), suatu reaksi akan berlanjut ke persentase penyelesaian yang lebih tinggi dalam PFR daripada CSTR. Hal ini tidak selalu berlaku untuk reaksi yang dapat dibalik.
Untuk sebagian besar reaksi kimia yang menjadi kepentingan industri, tidak mungkin reaksi berlanjut hingga 100%. Laju reaksi menurun seiring dengan habisnya reaktan hingga titik di mana sistem mencapai kesetimbangan dinamis (tidak ada reaksi bersih, atau perubahan spesies kimia yang terjadi). Titik kesetimbangan untuk sebagian besar sistem kurang dari 100%. Karena alasan ini, proses pemisahan, seperti distilasi, sering kali mengikuti reaktor kimia untuk memisahkan reagen atau produk sampingan yang tersisa dari produk yang diinginkan. Reagen-reagen ini kadang-kadang dapat digunakan kembali pada awal proses, seperti dalam proses Haber. Dalam beberapa kasus, reaktor yang sangat besar akan diperlukan untuk mendekati kesetimbangan, dan insinyur kimia dapat memilih untuk memisahkan campuran yang bereaksi sebagian dan mendaur ulang reaktan yang tersisa.
Dalam kondisi aliran laminar, asumsi aliran sumbat sangat tidak akurat, karena fluida yang bergerak melalui pusat tabung bergerak jauh lebih cepat daripada fluida di dinding. Reaktor baffled osilasi kontinu (COBR) mencapai pencampuran menyeluruh dengan kombinasi osilasi fluida dan orifice baffle, memungkinkan aliran steker diperkirakan dalam kondisi aliran laminar.
Reaktor semibatch
Reaktor semibatch dioperasikan dengan input dan output kontinu dan batch. Fermentor, misalnya, diisi dengan sejumlah media dan mikroba yang secara konstan menghasilkan karbon dioksida yang harus dihilangkan secara terus menerus. Demikian pula, mereaksikan gas dengan cairan biasanya sulit, karena volume gas yang besar diperlukan untuk bereaksi dengan massa cairan yang sama. Untuk mengatasi masalah ini, umpan gas yang terus menerus dapat digelembungkan melalui batch cairan. Secara umum, dalam operasi semibatch, satu reaktan kimia dimasukkan ke dalam reaktor dan bahan kimia kedua ditambahkan secara perlahan (misalnya, untuk mencegah reaksi samping), atau produk yang dihasilkan dari perubahan fasa terus menerus dihilangkan, misalnya gas yang terbentuk oleh reaksi, padatan yang mengendap, atau produk hidrofobik yang terbentuk dalam larutan air.
Reaktor katalitik
Meskipun reaktor katalitik sering diimplementasikan sebagai reaktor aliran sumbat, analisisnya memerlukan perlakuan yang lebih rumit. Laju reaksi katalitik sebanding dengan jumlah katalis yang bersentuhan dengan reagen, serta konsentrasi reaktan. Dengan katalis fase padat dan reagen fase cair, ini sebanding dengan area yang terpapar, efisiensi difusi reagen masuk dan keluar, dan kemanjuran pencampuran. Pencampuran sempurna biasanya tidak dapat diasumsikan. Selain itu, jalur reaksi katalitik sering kali terjadi dalam beberapa langkah dengan zat antara yang terikat secara kimiawi pada katalis; dan karena pengikatan kimiawi pada katalis juga merupakan reaksi kimiawi, maka hal ini dapat mempengaruhi kinetika. Reaksi katalitik sering menampilkan apa yang disebut kinetika yang dipalsukan, ketika kinetika yang terlihat berbeda dari kinetika kimia yang sebenarnya karena efek transportasi fisik.Perilaku katalis juga menjadi pertimbangan. Khususnya dalam proses petrokimia bersuhu tinggi, katalis dinonaktifkan oleh proses seperti sintering, kokas, dan keracunan.
Contoh umum dari reaktor katalitik adalah konverter katalitik yang memproses komponen beracun dari knalpot mobil. Namun, sebagian besar reaktor petrokimia bersifat katalitik, dan bertanggung jawab atas sebagian besar produksi bahan kimia industri, dengan contoh bervolume sangat tinggi termasuk asam sulfat, amonia, reformat/BTEX (benzena, toluena, etilbenzena, dan xilena), dan perengkahan katalitik fluida. Berbagai konfigurasi dimungkinkan, lihat Reaktor katalitik heterogen.
Disadur dari: en.wikipedia.org