BANK SOAL TK UNRI http://banksoaltkunri.wordpress.com
Chemical Engineering Process Design Raw material unit proses produk Unit proses reactor, unit pemisahan (distilasi, separator, dll), mixing, pemanasan, pendinginan.
Pemanasan
Reaktor
Pendinginan
Pemilihan reactor: Tipe batch, fixed bed, cstr, …. Konsentrasi Temperature Tekanan Phase Katalis pakai / tidak pakai homogen / heterogen A. Alur Reaksi Contoh: Pembentukan vinil klorida Alur 1. CH2 + HCl → C2H3Cl Alur 2. C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2 heat C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl Alur 3. C2H4 + ½ O2 + 2HCl → C2H4Cl2 + H2O heat C2H4Cl2 → C2H3Cl + HCl EP = nilai produk – harga raw material • • •
harga bahan baku, produk dan by produk konsumsi energi safety
Contoh: Material Acetylene Chlorine Ethylene HCl Vinil Chloride Alur 1. Alur 2. Alur 3.
BM (kg/kmol) 26 71 28 36 62
Harga ($/kg) 0.94 0.21 0.53 0.35 0.42
EP = (62x0.42) – (26x0.94) – (36x0.35) = -$11 kmol-1 EP = (62x0.42) + (36x0.35) - (28x0.53) – (71x0.21) = $8.89 kmol-1 EP = (62x0.42) + (36x0.35) - (28x0.53) – (2x36x0.35) = -$1.4 kmol-1 1
BANK SOAL TK UNRI http://banksoaltkunri.wordpress.com B. Performa Reaktor
Konversi =
mol bereaksi mol mula - mula
Selektivitas =
mol produk yang diinginkan × faktor stoikiometri mol reaktan yang bereaksi
Yield Reaktor =
mol produk yang diinginkan × faktor stoikiometri mol reaktan umpan
Faktor stoikiometri =
mol reaktan mol produk
Contoh: Komponen H2 CH4 C 6 H6 C6H5CH3 C12H10 Reaksi:
Input (kmol/hr) 1858 804 13 372 0
Output (kmol/hr) 1583 1083 282 93 4
C6H5CH3 + H2 → C6H6 + CH4 2C6H6 ⇔ C12H10 + H2
a) Tentukan konversi terhadap toluen? b) Tentukan selektivitas benzen dari toluen? c) Tentukan yield benzen dari toluen?
Penyelesain: Basis = 1 jam
Konversi toluen =
mol bereaksi 372 − 93 = 0.75 = mol mula - mula 372
Faktor stoikiometri (fs) =
mol toluen yang dihasilkan 1 = =1 mol benzen yang dihasilkan 1
mol produk yang diinginkan × faktor stoikiometri mol reaktan yang bereaksi 282 - 13 = × 1 = 0.96 372 - 93 mol benzen yg dihasilkan dlm rxtor Yield reaktor benzen dari toluen = × fs mol toluen yg diumpankan dari rxtor 282 - 13 = × 1 = 0.72 372
Selektivitas benzen dari toluen =
2
BANK SOAL TK UNRI http://banksoaltkunri.wordpress.com
C. Model Reaktor Ideal 3 macam: - Batch - CSTR - Plug Flow Jenis Reaksi: 1. Reaksi Single / Tunggal Feed → Produk r = k C afeed
batch
r > → C afeed > 2. Reaksi Paralel Feed → Produk
Feed → By Produk Selektivitas =
1 r1 = k1 C afeed 2 r2 = k 2 C afeed
r1 k1 a1 − a2 = C feed r2 k 2
r1 r > atau 2 < r2 r1 jika a1 > a 2 → C feed > → Batch, Plug flow
a1 < a 2 → C feed < → CSTR 3. Reaksi Seri Feed → Produk Produk → By Produk
1 r1 = k1 C afeed 2 r2 = k 2 C aproduk
4. Reaksi Campuran (Seri & Paralel) 1 Feed → Produk r1 = k1 C afeed
Feed → By Produk
2 r2 = k 2 C afeed
Produk → By Produk
3 r3 = k 3 C aproduk
Batch, PFR
sda
Industri farmasi reaktor batch reaksi mudah dikontrol Reaktor Plug Flow kontinu, kapasitas besar
3
BANK SOAL TK UNRI http://banksoaltkunri.wordpress.com
D. Konsentrasi Reaktor - Excess - Inert dalam bahan baku
menguntungkan merugikan pemisahan
1) Reaksi Irreversible C2H4 + Cl2 C2H4Cl2 inert • Cl2 terkonversi sempurna • Masalah ekonomi, recycle • Sulit dipisahkan • Bahan berbahaya 2) Reaksi Reversible • Feed Rasio C2H5OH + CH3COOH ⇔ CH3COOC2H5 + H2O Excess •
Konsentrasi Inert 1. Feed ⇔ Produk 1 + Produk 2 - Konversi tinggi - Inert menguntungkan 2. Feed 1 + Feed 2 ⇔ Produk - Inert harus diturunkan/ dipisahkan supaya konversi tinggi - Peningkatan jumlah mol produk
•
Pemisahan produk selama reaksi 2SO2 + O2 ⇔ 2SO3 H2O
SO2
react
O2 (+N2)
SO3
absorb
H2O
react
H2SO4
absorb
SO2 O2
H2SO4
3) Reaksi Paralel dengan Byproduk a) Feed 1 + Feed 2 Produk Feed 1 + Feed 2 By produk b1 1 r1 = k1 C afeed1 C feed2 b2 2 r2 = k 2 C afeed1 C feed2
r1 k1 a1 − a2 b1 −b2 = C feed 1 C feed 2 r2 k 2 r1 > jika (a1 − a 2 ) > (b1 − b2 ) → Feed1 excess r2 (a1 − a 2 ) < (b1 − b2 ) → Feed2 excess 4
BANK SOAL TK UNRI http://banksoaltkunri.wordpress.com b) Feed 1 + Feed 2 Produk Feed 1 + Feed 2 ↔ By produk
+ inert, maka bisa mencegah byproduk
c) Feed 1 + Feed 2 Produk Feed 1 ↔ By produk 1 + By produk 2
inert harus dikurangi untuk mencegah byproduk
d) C3H6 + CO + H2 ↔ CH3CH2CH2CHO n-butyraldehid C3H6 + CO + H2 ↔ CH3CH2CH2CHO iso-butyraldehid F1 + F2 + F3 ↔ Produk F1 + F2 + F3 ↔ Byproduk 4) Reaksi Campuran (Seri + Paralel) CH4 + Cl2 CH3Cl + HCl CH3Cl + Cl2 CH2Cl2 + HCl CH2Cl2 + Cl2 CHCl3 + HCl CHCl3 + Cl2 CCl4 + HCl
E. Temperatur Reaktor Azas Le Chatelier 1. Reaksi Single a. Reaksi Endotermis menyerap kalor o Reaksi reversible T>, konversi >, (-rA) >, VR < o Reaksi irreversible T>, (-rA) > b. Reaksi Eksotermis o Reaksi reversible T<, konversi > Reaksi irreversible T>, (-rA) > o 2. Reaksi Multiple k1 > k2 T > k1 < k2 T <
F. Tekanan Reaktor (Fase Gas) • Reaksi irreversible P >, (-rA) > • Reaksi reversible koefisien Koefisien reaktan > koefisien produk (pengurangan jumlah mol) P > Penambahan jumlah mol P < atmosferik dε e = [ ](− V ) dP V = ∑ Vi = + penambahan jumlah mol = - pengurangan jumlah mol ∑ Vi = produk − reaktan
5
BANK SOAL TK UNRI http://banksoaltkunri.wordpress.com
G. Phase dalam Reaktor • Gas • Cair # Phase Homogen dipilih phase cair o konsentrasinya bias lebih tinggi o tekanan besar # Multi phase / Heterogen misal katalis padat, reaktan cair/gas dipilih phase gas o absorpsi / transfer massa lebih cepat o reaksi dipermukaan katalis Fungsi katalis untuk reaksi reversible untuk mempercepat mencapai kesetimbangan [C ][D] K= [A][B] Katalis ada 2 macam, menurut fase: o fase homogen o fase heterogen
yang dipakai dalam industri yaitu fase heterogen karena mudah dipisahkan katalis mengalami penurunan reaktif (deaktivasi)
6
BANK SOAL TK UNRI http://banksoaltkunri.wordpress.com
PEMILIHAN SEPARATOR Campuran: • Homogen pemisahan dengan membuat fase lain vapor-liquid Liquid-liquid Solid-liquid • Heterogen Solid-vapor Solid-solid Pemisahan campuran heterogen: - Settling & sedimentasi - Flotasi - Sentrigugal - Filtrasi Alat pemisah settling: - flash drum - gravity settler liquid-liquid - gravity settler solid-liquid - gravity settling classifier
DISTILLATION SEQUENCING Jumlah sequence =
(2( N − 1))! N !( N − 1)!
Heuristik: 1) untuk senyawa dengan volatilitas relatifnya kecil, dipisahkan paling akhir 2) untuk senyawa yang paling ringan dipisahkan paling awal 3) senyawa yang fraksi dalam umpan terbesar dipisahkan paling awal 4) untuk senyawa yang jumlah molarnya hampir sama dipisahkan dalam satu menara distilasi, yang ringan pada top menara, yang berat pada bottom.
7
