Pengantar Reaktor Batch: Dasar-Dasar Dan Aplikasi

Pernahkah Anda berpikir tentang bagaimana reaksi kimia yang membuat hal-hal seperti obat dan bahan bakar terjadi?

Anda tahu bahwa reaksi ini tidak terjadi begitu saja karena Anda adalah seorang mahasiswa teknik atau insinyur.

Mereka membutuhkan kondisi yang tepat, jumlah reaktan dan katalis yang diukur dengan hati-hati, dan jenis reaktor yang tepat.

Reaktor batch membantu dalam hal ini.

Reaktor batch adalah alat penting bagi setiap insinyur kimia karena dapat menangani berbagai macam reaksi dan kondisi reaksi tersebut dapat dikontrol dengan sangat tepat.

Pada artikel ini, saya akan membahas detail tentang reaktor batch, berbicara tentang bagian, manfaat, dan kegunaannya.

Apakah Anda seorang insinyur berpengalaman atau baru memulai, artikel ini akan memberi Anda informasi yang Anda butuhkan untuk memahami reaktor batch dan betapa pentingnya reaktor dalam dunia teknik kimia.

Pengantar Reaktor Batch

Definisi formal:

Reaktor kimia di mana reaktan dan katalis dimasukkan dalam jumlah yang diinginkan dan bejana kemudian ditutup untuk pengiriman bahan tambahan.

Reaktor batch adalah mesin fleksibel yang dapat digunakan untuk banyak operasi proses yang berbeda.

Beberapa hal paling umum yang dilakukan reaktor batch adalah:

Padatan dapat dilarutkan dalam cairan dengan bantuan reaktor batch.

Padatan dan pelarut dimasukkan ke dalam reaktor, dan campuran diaduk sampai semua padatan larut.

• Mencampur Produk: Reaktor batch digunakan untuk mencampur produk yang berbeda untuk membuat campuran yang Anda inginkan.

Hal ini berguna dalam industri makanan dan minuman, di mana berbagai bahan dicampur untuk membuat produk tertentu.

• Reaksi Kimia: Sebagian besar reaksi kimia dilakukan dalam reaktor batch.

Setelah menambahkan reaktan ke dalam reaktor, campuran dibiarkan bereaksi selama waktu tertentu.

Di akhir batch, item tersebut kemudian dikeluarkan.

• Distilasi Batch: Reaktor batch juga dapat digunakan untuk distilasi batch, yang merupakan cara untuk memisahkan bagian campuran berdasarkan titik didihnya.

Keuntungan dan Kerugian Reaktor Batch

Reaktor batch memiliki sejumlah manfaat, seperti:

Reaktor batch serbaguna karena mereka dapat melakukan lebih dari satu hal dalam satu kapal tanpa merusak penahanan.

Reaktor batch dapat membuat produk yang berbeda dalam reaktor yang sama karena dapat digunakan untuk lebih dari satu hal.

• Konversi Tinggi: Reagen dapat bertahan dalam reaktor untuk waktu yang lama, yang menyebabkan konversi tinggi.
• Kemudahan Pembuatan dan Perubahan: Reaktor batch cukup mudah dibuat dan diubah.

Namun reaktor batch juga memiliki beberapa masalah, seperti:

• Backmixing: Backmixing terjadi ketika bahan tidak dikeluarkan sampai reaksi selesai.

Ini memperpendek umur katalis dan menghasilkan banyak limbah.

• Jumlah Terbatas: Reaktor batch bukanlah cara terbaik untuk membuat banyak produk sekaligus.
• Variabilitas Produk: Produk yang dibuat oleh reaktor batch dapat berbeda dari satu batch ke batch berikutnya.
• Kesulitan dengan Produksi Skala Besar: Reaktor batch tidak baik untuk membuat banyak hal sekaligus.
• Mahal untuk Dioperasikan: Reaktor batch perlu sering dihidupkan dan dimatikan, yang membuatnya mahal untuk dijalankan.

Fitur Desain Reaktor Batch

Reaktor batch dibuat dengan beberapa bagian yang serupa, seperti:

• Port untuk Menginjeksi Reaktan dan Mengeluarkan Produk: Reaktor batch memiliki port untuk menginjeksi reaktan dan mengeluarkan produk.
• Penukar Panas atau Sistem Pengadukan: Penukar panas atau sistem pengadukan dapat ditambahkan ke reaktor batch.
• Volume Konstan: Reaktor batch biasanya memiliki volume konstan, tetapi ada juga yang dibuat agar volumenya dapat diubah untuk menjaga tekanan konstan.

Singkatnya, reaktor batch adalah wadah sederhana yang digunakan dalam industri proses untuk berbagai tugas.

Mereka serbaguna, dapat digunakan untuk lebih dari satu hal, memiliki tingkat konversi yang tinggi, dan mudah dibuat dan diubah.

Tetapi mereka juga memiliki beberapa masalah, seperti backmixing, jumlah yang terbatas, produk yang berbeda, kesulitan membuat banyak, umur katalis yang pendek, dan pemborosan.

Reaktor batch sering digunakan untuk pekerjaan skala kecil, menguji metode baru, dan membuat barang mahal.

Mereka juga sering digunakan di laboratorium untuk produksi skala kecil dan untuk memulai proses fermentasi minuman.

Merangkul Ketidakpastian: Kegembiraan dan Risiko Reaktor Batch

Masih sulit dimengerti? Biarkan saya mengubah sudut pandang sedikit:

Kimiawan, tolong perhatikan! Ingin pekerjaan Anda menjadi lebih menarik? Bosan dengan hal yang sama terjadi berulang-ulang? Reaktor batch adalah semua yang Anda butuhkan.

Reaktor batch sangat cocok untuk kekacauan, ketidakpastian, dan bahkan mungkin sedikit kegembiraan karena Anda dapat menambahkan reaktan dan katalis dalam jumlah yang Anda inginkan dan kemudian menutup bejana untuk menghentikan masuknya lebih banyak bahan.

Siapa yang peduli dengan kontrol dan konsistensi? Terima kenyataan bahwa reaktor batch sulit diprediksi dan lihat ke mana Anda akan dibawa.

Oke, itu hanya lelucon yang dibuat agar terlihat seperti iklan TV.

Sekarang mari kita kembali ke penjelasannya.

Komponen Reaktor Batch

Reaktor batch adalah bejana yang digunakan dalam industri proses untuk melakukan hal-hal seperti melarutkan padatan, mencampur produk, melakukan reaksi kimia, dan menyaring dalam batch.

Bejana reaktor, media reaksi, headspace, dan agitator adalah empat bagian utama.

Kapal Reaktor

Bagian utama dari reaktor batch adalah bejana reaktor, yang sering terbuat dari baja, baja tahan karat, baja berlapis kaca, kaca, atau paduan eksotis.

Bisa lebih kecil dari 1 liter atau lebih besar dari 15.000 liter.

Sebagian besar waktu, cairan dan padatan dimasukkan ke dalam reaktor melalui lubang di penutup atas.

Uap dan gas keluar dari lubang di bagian atas, dan cairan keluar dari lubang di bagian bawah.

Media Reaksi

Benda tempat berlangsungnya reaksi disebut media reaksi.

Bergantung pada jenis reaksi yang dilakukan, bisa dalam fase gas, fase cair, atau fase cair-padat.

Ruang kepala

Headspace adalah ruang kosong di atas media.

Ini memberi ruang untuk gas atau uap yang dibuat selama reaksi.

Agitator

Pengaduk diperlukan untuk mencampur bagian yang berbeda dan menambah atau menghilangkan panas dari reaksi.

Bergantung pada jenis reaksinya, dapat dibuat dengan impeler aliran aksial atau impeler aliran radial untuk menyediakan jenis pencampuran yang berbeda.

Keuntungan dan Tantangan Reaktor Batch

Salah satu hal terbaik tentang reaktor batch adalah betapa fleksibelnya mereka.

Satu kapal dapat melakukan serangkaian tugas berbeda tanpa merusak penahanan.

Ini berguna saat bekerja dengan bahan beracun karena menurunkan risiko pekerja terluka.

Namun reaktor batch memiliki beberapa masalah, seperti backmixing, yang dapat membuat kualitas produk buruk karena reaktan tidak tersebar merata di dalam bejana.

Merancang dan Mengukur Reaktor Batch

Beberapa hal perlu diperhatikan saat merancang dan mengukur reaktor batch untuk reaksi tertentu.

Ini termasuk kinetika reaksi, perpindahan panas, perpindahan massa, pencampuran, dan perilaku fase.

Desain harus memastikan bahwa reaktor dapat melakukan reaksi dengan aman dan efisien, memenuhi spesifikasi produk, dan menekan biaya produksi serendah mungkin.

Sebagian besar waktu, mengetahui ukuran reaktor batch berarti menghitung volume reaktor yang diperlukan untuk mengubah reaktan dengan cara tertentu dan memungkinkan pencampuran dan perpindahan panas yang cukup.

Untuk mendapatkan kinerja terbaik dari reaktor, proses desain dan ukuran dapat melibatkan eksperimen, simulasi, dan model.

Dalam reaktor batch, waktu yang dibutuhkan untuk mencapai tingkat konversi tertentu bergantung pada seberapa cepat reaksi berjalan dan seberapa banyak konversi yang diinginkan.

Jadi, untuk mengetahui volume reaktor batch yang tepat untuk reaksi tertentu, Anda harus memikirkan hal-hal seperti kecepatan reaksi, konsentrasi awal reaktan, tingkat konversi yang Anda inginkan, dan jumlah waktu reaktor. Akan berjalan.

Informasi ini dapat digunakan untuk mengetahui ukuran yang tepat untuk reaktor batch dengan menghitung parameter seperti konstanta laju reaksi dan koefisien stoikiometri.

Berbeda dengan CSTR dan PFR, yang dapat memproses reaktan dalam jumlah besar secara terus menerus dari waktu ke waktu, reaktor batch hanya dapat menangani sejumlah reaktan sekaligus.

Jadi, reaktor batch mungkin tidak dapat menangani jumlah spesies A per hari yang sama dengan reaktor aliran kontinu.

Tetapi reaktor batch masih berguna untuk operasi skala kecil, menguji proses baru yang belum sepenuhnya dikembangkan, dan membuat produk yang mahal.

Singkatnya, reaktor batch memiliki beberapa bagian penting, seperti bejana reaktor, media reaksi, headspace, dan agitator.

Mereka memiliki keuntungan seperti fleksibel dan dapat digunakan untuk lebih dari satu hal, tetapi mereka juga memiliki masalah seperti backmixing.

Untuk merancang dan mengukur reaktor batch untuk reaksi tertentu, Anda harus memikirkan hal-hal seperti kinetika reaksi, perpindahan panas, perpindahan massa, pencampuran, dan perilaku fasa.

Perhitungan dalam Reaktor Batch

Persamaan Keseimbangan Mole dan Reaksi Deret

Untuk reaktor batch dengan reaksi seri, kita perlu menggunakan persamaan keseimbangan mol untuk mengetahui berapa banyak zat yang ada di dalam reaktor.

Persamaan keseimbangan mol digunakan untuk mengetahui seberapa cepat jumlah setiap mol dalam reaktor berubah.

Persamaan keseimbangan mol untuk reaktor batch adalah:

dN_i/dt = r_i*V

di mana N_i adalah jumlah mol spesies i, t adalah waktu, r_i adalah laju reaksi untuk spesies i, dan V adalah volume reaktor.

Setiap kali kita ingin mengetahui berapa banyak setiap spesies dalam reaktor batch selama reaksi seri, kita dapat menggunakan persamaan ini.

Mengukur Reaktor Saponifikasi Batch untuk Proses Panas

Saponifikasi adalah proses kimia yang mengubah lemak dan alkali menjadi sabun.

Untuk proses saponifikasi panas, reaktor batch digunakan.

Untuk proses panas, ukuran reaktor saponifikasi batch akan tergantung pada berapa banyak sabun yang perlu dibuat dan jenis sabun apa yang dibuat.

Selain ukuran reaktor, luas permukaan reaktor juga dapat mengubah kecepatan reaksi yang terjadi.

Jika Anda menggunakan reaktor dengan sekat atau dengan rasio aspek yang lebih tinggi, Anda dapat memperbesar luas permukaan.

Untuk proses saponifikasi panas, suhu reaktor harus dijaga antara 70°C dan 85°C.

Berapa lama reaksi tergantung pada seberapa banyak sabun yang ingin Anda buat.

Ini bisa memakan waktu mulai dari beberapa jam hingga beberapa hari.

Reaktor batch dapat digunakan untuk mempelajari kinetika saponifikasi.

Dengan menggunakan reaktor batch dengan pengadukan magnet dan jaket kaca, siswa dapat mengetahui konstanta laju reaksi orde kedua pada temperatur yang berbeda.

Reaksi saponifikasi juga dapat digunakan untuk mengetahui konversi reaksi dalam reaktor tubular packed-bed.

Pengujian dan Optimalisasi dalam Reaktor Batch

Melakukan Pengujian Reaktor Batch dengan Padatan

Saat melakukan pengujian reaktor batch dengan zat padat, reaktan padat dan cair biasanya dicampur dalam bejana dengan agitator.

Campuran tersebut kemudian dibiarkan bereaksi selama beberapa waktu.

Setelah itu, padatan biasanya dipisahkan dari cairannya dengan penyaringan atau sentrifugasi.

Kemudian, untuk mengetahui sejauh mana reaksi berlangsung, konsentrasi spesies yang diinginkan dalam fase cair diukur.

Saat merencanakan pengujian reaktor batch dengan zat padat, Anda juga harus memikirkan ukuran partikel zat padat, konsentrasi awal reaktan, dan tingkat konversi yang Anda inginkan.

Tes Reaktor Batch Laboratorium Modifikasi

Biodegradasi senyawa organik yang mudah menguap dalam lumpur aktif telah diuji dalam reaktor batch di laboratorium.

Pengujian telah diubah untuk menyertakan serat mikroekstraksi fase padat (SPME) untuk pengambilan sampel dalam fase gas.

Ini menghilangkan kebutuhan akan tabung konsep dan membuatnya lebih mudah digunakan dengan padatan.

Sistem Sequencing Batch Reactor (SBR).

Reaktor batch sequencing (SBR) adalah sistem lumpur aktif yang mengolah air limbah dengan diisi dan kemudian dikeringkan.

Pada sistem ini, air limbah dimasukkan ke dalam satu reaktor batch.

Dua atau lebih reaktor batch digunakan dalam urutan tertentu untuk mendapatkan performa terbaik dari sistem.

Sistem SBR telah digunakan untuk mengolah air limbah baik dari kota maupun pabrik.

Persamaan Neraca Material

Persamaan keseimbangan material dapat digunakan untuk mengetahui apa yang terjadi di reaktor batch ketika reaksi kimia terjadi.

Sebagai contoh, persamaan d dt ∫V cj dV = Q0cj0 − Q1cj1 + ∫V. Rj dV dapat digunakan untuk reaktor batch berpengaduk baik karena integralnya mudah dievaluasi karena pencampuran yang baik di dalam reaktor.

Reaktor Semi-Batch

Reaktor semi-batch memiliki fitur reaktor batch dan reaktor tangki berpengaduk yang berjalan sepanjang waktu (CSTR).

Mereka dapat menambahkan umpan saat reaksi berlangsung, seperti CSTR, tetapi diisi dengan reaktan di awal, seperti reaktor batch.

Sebagian besar waktu, reaktor semi-batch digunakan ketika reaksi perlu menambahkan satu reagen secara perlahan atau ketika reaksi terlalu panas untuk dilakukan dalam reaktor batch.

Ikhtisar Reaktor Batch

Tip: Nyalakan tombol keterangan jika Anda membutuhkannya. Pilih "terjemahan otomatis" di tombol pengaturan, jika Anda tidak terbiasa dengan bahasa lisan. Anda mungkin perlu mengeklik bahasa video terlebih dahulu sebelum bahasa favorit Anda tersedia untuk diterjemahkan.

Kasus penggunaan

Kesimpulan

Pada akhirnya, reaktor batch adalah alat penting bagi insinyur kimia di berbagai bidang.

Ini memungkinkan Anda mengontrol kondisi reaksi dengan sangat tepat, yang penting untuk membuat produk yang konsisten dan berkualitas tinggi.

Tetapi meskipun reaktor batch adalah teknologi yang hebat, itu bukanlah obat untuk semuanya.

Itu tidak dapat digunakan untuk setiap jenis reaksi karena memiliki beberapa kekurangan.

Sebagai insinyur, adalah tugas kami untuk terus memunculkan ide-ide baru dan mencoba teknologi baru yang dapat membantu kami mengatasi masalah ini dan mempermudah pembuatan produk kimia yang kompleks.

Kita dapat membuat masa depan yang lebih baik untuk diri kita sendiri dan planet ini jika kita mendorong batas dari apa yang mungkin.

Jadi, mari terus mencari dan mencoba hal-hal baru untuk menemukan solusi yang lebih baik, lebih efisien, dan lebih berjangka panjang.

Tautan dan referensi

Saldo Mole:

https://www.pearsonhighered.com/assets/samplechapter/0/1/3/5/0135317088.pdf

Reaktor dalam Rekayasa Proses:

https://www.researchgate.net/publication/241765470_Reactors_in_Process_Engineering