Reaktor kimia

Dalam teknik kimia, Reaktor kimia adalah suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia. Perancangan suatu reaktor kimia harus mengutamakan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil produk dibandingkan masukan (input) yang besar dengan biaya yang minimum, baik itu biaya modal maupun operasi. Tentu saja faktor keselamatan pun tidak boleh dikesampingkan. Biaya operasi biasanya termasuk besarnya energi yang akan diberikan atau diambil, harga bahan baku, upah operator, dll. Perubahan energi dalam suatu reaktor kimia bisa karena adanya suatu pemanasan atau pendinginan, penambahan atau pengurangan tekanan, gaya gesekan (pengaduk dan cairan), dll.

Gambaran Umum

Ada dua jenis utama reaktor kimia:

• Reaktor tangki atau bejana
• Reaktor pipa

Kedua jenis reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun partaian/batch. Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan ajeg namun kadang-kadang bisa juga beroperasi secara transien. Biasanya keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali dioperasikan (mis: setelah perbaikan atau pembelian baru) di mana komponen produk masih berubah terhadap waktu. Biasanya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas, namun kadang-kadang ada juga padatan yang diikutkan dalam reaksi (mis: katalisator, regent, inert). Tentu saja perlakuan terhadap bahan yang akan direaksikan akan berbeda.

Ada tiga tipe pendekatan utama yang digunakan dalam pengoperasian reaktor:

• Model reaktor batch
• Model Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) atau dikenal juga sebagai RTIK (Reaktor Tangki Ideal Kontinu)
• Model Reaktor Alir Pipa (RAP) atau dikenal juga sebagai RAS (Reaktor aliran Sumbat)

Lebih jauh lagi, reaktor dengan katalisator (padatan) membutuhkan pendekatan yang terpisah dari ketiga model tersebut dikarenakan banyaknya asumsi sehingga menyebabkan tiga model perhitungan di atas tidak lagi akurat.

Beberapa ubahan yang memengaruhi rancangan reaktor:

• Waktu tinggal
• Volum (V)
• Temperatur (T)
• Tekanan (P)
• Konsentrasi senyawa (C₁, C₂, C₃, ...,C_n
• Koefisien perpindahan panas (h, U), dll

Jenis

RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk)

Bagian dalam suatu RATB.

RATB dikenal juga sebagai RTIK (Reaktor Tangki Ideal Kontinu). Di RATB, satu atau lebih reaktan masuk ke dalam suatu bejana berpengaduk dan bersamaan dengan itu sejumlah yang sama (produk) dikeluarkan dari reaktor. Pengaduk dirancang sehingga campuran teraduk dengan sempurna dan diharapkan reaksi berlangsung secara optimal. Waktu tinggal dapat diketahui dengan membagi volum reaktor dengan kecepatan volumetrik cairan yang masuk reaktor. Dengan perhitungan kinetika reaksi, konversi suatu reaktor dapat diketahui.

Beberapa hal penting mengenai RATB:

• Reaktor berlangsung secara ajeg, sehingga jumlah yang masuk setara dengan jumlah yang ke luar reaktor jika tidak tentu reaktor akan berkurang atau bertambah isinya.
• Perhitungan RATB mengasumsikan pengadukan terjadi secara sempurna sehingga semua titik dalam reaktor memiliki komposisi yang sama. Dengan asumsi ini, komposisi keluar reaktor selalu sama dengan bahan di dalam reaktor.
• Seringkali, untuk menghemat digunakan banyak reaktor yang disusun secara seri daripada menggunakan reaktor tunggal yang besar. Sehingga reaktor yang di belakang akan memiliki komposisi produk yang lebih besar dibanding di depannya.
• Dapat dilihat, bahwa dengan jumlah RATB kecil yang tak terbatas model perhitungan akan menyerupai perhitungan untuk RAP.

RAP (Reaktor Alir Pipa)

RAP dikenal juga sebagai RAS (Reaktor aliran Sumbat). Dalam RAP, satu atau lebih reaktan dipompa ke dalam suatu pipa. Biasanya reaksi yang menggunakan RAP adalah reaksi fase gas.

Reaksi kimia berlangsung sepanjang pipa sehingga semakin panjang pipa konversi akan semakin tinggi. Namun tidak semudah ini menaikkan konversi, dalam RAP konversi terjadi secara gradien, pada awalnya kecepatan reaksi berlangsung secara cepat namun setelah panjang pipa tertentu jumlah reaktan akan berkurang dan kecepatan reaksi berlangsung lebih lambat dan akan makin lambat seiring panjangnya pipa. Artinya, untuk mencapai konversi 100% panjang pipa yang dibutuhkan adalah tak terhingga.

Beberapa hal penting mengenai RAP:

• Perhitungan dalam model RAP mengasumsikan tidak terjadi pencampuran, dan reaktan bergerak secara aksial bukan radial.
• Katalisator dapat dimasukkan melalui titik yang berbeda dari titik masukan, diharapkan reaksi lebih optimal dan terjadi penghematan.
• Biasanya, RAP memiliki konversi yang lebih besar dibanding RATB dalam volum yang sama. Artinya, dengan waktu tinggal yang sama RAP memberikan hasil yang lebih besar dibanding RATB.

Reaktor Semi-Batch

Reaktor jenis berlangsung secara batch dan kontinyu secara bersamaan. Contoh paling sederhana misalnya tangki fermentor, ragi dimasukkan sekali ke dalam tangki (secara batch) namun CO₂ yang dihasilkannya dikeluarkan secara kontinyu. Contoh lainnya adalah klorinasi, suatu reaksi cair-gas, gas digelembungkan secara kontinyu dari dasar tangki agar bereaksi dengan cairan di tangki yang diam (batch).

Lihat pula

• Teknik kimia
• Neraca massa
• Neraca panas
• Kinetika reaksi
• Kesetimbangan reaksi

Pranala luar

• Reaction Engineering @ Chemical Engineering Information Exchange
• Continuous and Batch reactors