P4-19 A microreactor similar to the one shown in figure 4.19 from the MIT group is usd to produce phosgne in th gas phase.

The microreactor is 20 mm long, 500 m in diameter and packer with catalyst particle 35 m in diameter. Th entering pressure is 830 kPa (8.2 atm), and the entering flow to the each microreactor is quimolar. The molar flow rate of is 2x10-5 mol/s and the volumetric flow is 2.83x10-7 m3/s. The weight of catalyst in one microreactor: W = 3.5x10-6 kg. The reactor is kept isothermal at 1200 C. Because the catalyst is also slightly different then the one in Figure 4.19, the rate law is different as well :

a. Plot the molar flow rates FA, FB, FC, the conversion X and pressure ratio y along the length (i.e. catalyst weight, W) of the reactor. b. Calculate the number of microreactors in parallel to produce 10000 kg/year phosgne. c. Repeat part (a) for the case when the catalyst weight remains the same but the particle diamter is cut in half. If possible compare your answer with part (a) and describe what you find, nothing anything unusual. d. How would you answers to part (a) change if the reaction were reversible with Kc = 0.4 dm3/mol? Describe what you find. e. What are the advantanges and disadvantanges of using an array of microreactors over using one conventional packed bed reactor that provides the same yield and conversion? f. Write a question that involves critical thinking and explain why it involves critical thinking? g. Discuss what you larned from this problem and what you believe to be the point of the problem.

Jawab : Diketahui : L = 20 mm D = 500 m Dp = 35 m Pi = 8.2 atm = 830 atm FAO = 2.10-5 mol/s T = 120C (Isothemal) = 373 K Vo = 2.83 10-7 m3/s W = 3.5 10-6 kg = 3,55.10-3/kg catalyst (based on properties of air and = 0.4)` k = 0,004 m6/mol.s.kg catalyst at 1200 C V0 =2,83.10-7 m3/s = 7 kg/m3 = 1,94.10-5 kg/m.s AC = 1,96.10-7 m2 G = 10,1 kg/m2s Mr COCl2 = 99 g/mol

A. Grafik FA, FB, FC, X, y Vs. W Mol Balance on species A B and C: (1) (2) (3) Rate Law : (4) Stoichiometry a. Relative Rates (5) b. Concentration (6) (7) (8) Dengan Combine

(11 ) (12 ) (13 )

Total Concentration :

Dengan mengambil asumsi bahwa gasnya adalah gas ideal maka :

(

)

Didapatkan konsentrasi sebesar Kemudian untuk menyelesaikan persamaan differensial ini dan mengetahui plot antara FA, FB, FC, X, y Vs. W digunakan solusi dengan Polymath Solve With STIFF sebagai berikut :

Dengan hasil perhitungan sebagai berikut :

. Plot antara FA vs. W

Plot antara FB vs. W

Plot antara Fc vs. W

Plot antara y vs. W :

Plot antara X vs. W

Plot antara X,y vs. W

B. Menentukan Jumlah Mikroreaktor : Berdasarkan perhitungan dengan polymath Dari data tabel yang ada pada bagian A, diperoleh bahwa nilai Fc final adalah 1.908 x 10-5.

Jumlah microreactor parallel yang dibutuhkan =

c.

Repeat part (a) for the case when the catalyst weight remains the same but the particle diamter is cut in half. If possible compare your answer with part (a) and describe what you find, nothing anything unusual.

Langkah yang dilakukan sama seperti soal a namun dengan diameter partikel yang berbeda.

Diameter Partikel 1 = 35 m Diameter Partikel 2 = 17.5 m Adanya perubahan nilai diameter partikel maka akan merubah nilai :

Penyelesaian persamaan differensial menggunakan nilai baru ini : Nilai tersebut lebih besatr, dan nantinya akan digunakan dalam penghitungan dengan menggunakan program Polymath seperti berikut:

Sehingga dari program tersebut akan diperoleh tabel data hasil perhitungan:

Plot FA vs W

Plot FB vs W

Plot FC vs W

Plot y vs W

Plot X vs W

Kesimpulan Ketika nilai dinaikkan dua kali seiring dengan diperkecil diameter partikel setengah

kali menyebabkan pengurangan jumlah mol A (FA) yang sedikit, sehingga konversi reaktor akan semakin kecil.

d. How would you answers to part (a) change if the reaction were reversible with Kc = 0.4 dm3/mol? Describe what you find. Dalam soal ini reaksi yang terjadi adalah reversibel. dengan

( ) ( ) ( )

Dari persamaan diatas kita dapat menyusun persamaan dan parameter tersebut ke dalam suatu program Polymath untuk mendapatkan plot nilai-nilai FA, FB, FC, y, X versus nilai W.

Program polymath yang dibentuk adalah sebagai berikut:

Sehingga dari program tersebut akan diperoleh tabel data hasil perhitungan:

Plot FA vs W

Plot FB vs W

Plot FC vs W

Plot y vs W

Plot X vs W

e.

What are the advantanges and disadvantanges of using an array of microreactors

over using one conventional packed bed reactor that provides the same yield and conversion? Keuntungan 1. Konversi lebih baik karena rasio luas permukaan lebih tinggi 2. Waktu tinggal yang lebih pendek singkat sehingga dapat mempersingkat waktu operasional 3. Dapat mengurangi hambatan akibat dari perpindahan massa yang sering ditemukan pada reaktor dengan ukuran lebih besar (seperti reaktor packed bed). 4. Pencampuran dalam mikroreaktor lebih baik (proses pencampuran dapat lebih cepat dan hasilnya lebih merata) karena yang terlibat ukurannya mikro. 5. Reaksi katalis permukaan dapat dimaksimalkan, temperatur yang terlalu tinggi pada reaksi eksotermis dapat dihilangkan, bahkan reaksi eksotermis tersebut dapat diperlakukan secara isotermal. Kerugian 1. Gas yang terlibat akan menurunkan waktu tinggal dari reaktan dengan mendorong material lebih cepat dari yang diharapkan. 2. Saat ini hanya bisa digunakan dengan baik hanya pada sistem reaksi liquid-liquid. 3. Masih mengalami masalah penyumbatan oleh partikulat. 4. Kenaikan temperatur yang tinggi dapat merusak katalis

f. Write a question that involves critical thinking and explain why it involves critical thinking? Bagaimana sebuah mikroreaktor bisa mengurangi hambatan perpindahan massa yang umum dijumpai pada reaktor dengan ukuran yang lebih besar? Untuk bisa menjawab pertanyaan ini dibutuhkan analisis mengenai mekanisme kerja mikroreaktor dibandingkan dengan reaktor lain.

g.

Discuss what you larned from this problem and what you believe to be the point of the problem. Yang sudah kami pelajari dalam soal ini adalah :

Konversi pada mikroreaktor lebih besar dibandingkan dengan reaktor yang lebih besar ukurannya karena mikroreaktor memiliki luas permukaan yang besar dibanding dengan volume reaktor sendiri. Pencampurannya juga lebih baik dan merata karena partikel yang terlibat hanya yang berukuran mikro. Keuntungan dan kerugian penggunaan mikroreaktor Ukuran diameter partikel katalis dan jenis reaksi berpengaruh terhadap laju alir dan konversi dari mikroreaktor