Reaktor Ideal Aliran Kontinyu
-
Upload
panji-nugraha-gomis -
Category
Documents
-
view
45 -
download
9
description
Transcript of Reaktor Ideal Aliran Kontinyu
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Reaktor tangki berpengaduk merupakan reaktor yang paling sering dijumpai
dalam industri kimia. Pada industri berskala besar, reaktor alir tangki berpengaduk
lebih sering diaplikasikan karena kemampuan operasinya yang dapat diatur
kapasitasnya. Unjuk kerja reaktor alir berpengaduk perlu dipelajari untuk mengetahui
karakteristik aliran fluida, reaksi yang terjadi secara optimasi pengoperasian reaktor.
Pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk meliputi tiga tahap yaitu
pengisian reaktor tinggi overflow, kondisi kontinyu dan kontinyu steady state.
Evaluasi variabel-variabel operasi sangat mudah dilakukan pada kondisi steady state.
Pemodelan matematik diperlukan untuk mempermudah analisa permasalahan
yang timbul dalam pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk. Model matematika
yang diusulkan diuji keakuratannya dengan membandingkan dengan data-data
percobaan. Model matematika yang diusulkan diselesaikan dengan cara analisis jika
persamaan itu mudah diselesaikan. Namun untuk reaksi yang kompleks akan
diperoleh model matematika yang kompleks juga. Penyelesaian numerik sangat
dianjurkan untuk memperoleh nilai k, tetapan transfer massa, dan orde reaksi yang
merupakan adjustable parameter.
I.2 Tujuan Percobaan
1. Menghitung harga konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH.
2. Mengetahui pengaruh variabel terhadap konstanta reaksi penyabunan etil asetat
(k) dengan NaOH.
3. Mengetahui hubungan orde reaksi dengan harga konstanta reaksi penyabunan (k)
etil asetat dengan NaOH.
4. Membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model matematis reaksi
penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu.
I.3 Manfaat Percobaan
1. Mahasiswa dapat menghitung harga konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat
dengan NaOH.
2. Mahasiswa mampu mengetahui pengaruh variabel terhadap konstanta reaksi
penyabunan etil asetat (k) dengan NaOH.
3. Mahasiswa mampu mengetahui hubungan orde reaksi dengan harga konstanta
reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH.
4. Mahasiswa mampu membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model
matematis reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1. REAKTOR BATCH
Neraca bahan pada reaktor secara simultan
output
input reaktan bereaksi
akumulasi
GambarII. 1 Bagan Neraca Massa Suatu Sistem
input = 0
output = 0
Reaktan yang bereaksi = (-rA)
Input = output + reaktan yang bereaksi + akumulasi
0 = 0 + v (-rA) + π (ππ΄)
ππ‘ β¦(1)
0 = Vi (-rA) + π[ππ΄π 1βππ΄ ]
ππ‘ β¦(2)
0 = Vi (-rA) β ππ΄π πππ΄
ππ‘ β¦(3)
dt = ππ΄π
Vi (βrA) πππ΄ β¦(4)
t = NAo πππ΄
Vi (βrA)
ππ΄
0 β¦(5)
Pada volume konstan
CA = CAo (1-XA)
dCA = -CAo.dXA β¦(6)
Pers. (6) masuk ke pers. (5) diperoleh
t = CAo πππ΄
βππ΄
ππ΄
0 = -
ππΆπ΄
βππ΄
πΆπ΄
πΆπ΄π β¦(7)
II.2. REAKTOR IDEAL ALIRAN KONTINYU / REAKTOR ALIR TANGKI
BERPENGADUK (CSTR)
Tahapan yang terjadi pada reactor CSTR ini terbagi dalam 3 tahap proses, yaitu :
a. Tahap Pertama
Tahap pertama dimulai saat t = 0 sampai terjadi overflow
Dari hukum kekekalan massa
Reaktor
Akumulasi = input-output
Ο ππ£
ππ‘ = Ο Fo β 0 β¦(8)
dV = Fo.dt , pada t = 0 β V = 0
karena density laju alir dianggap konstan maka volumenya hanya merupakan fungsi
dari waktu.
V = Fo. T β¦(9)
Sedangkan dari neraca komponen :
Akumulasi = input β output β laju konsumsi karena reaksi
π
ππ‘ (π. πΆ) = Fo. Co β 0 β V (-rA) β¦(10)
Dalam hal ini :
V = volume bahan dalam reaktor (l)
C = kondentrasi molar reaktan dalam reaktor (mol/l)
Fo = laju alir reaktan masuk (l/ menit)
Co = konsentrasi molar reaktan dalam feed (mol/l)
t = waktu reaksi (menit)
-rA = kecepatan reaksi (mol/menit)
Reaksi yang terjadi =
A + B β C + D
- rA = k CA CB , karena CA = CB maka
- rA = k CA2 = k C
2 β¦(11)
Pers. (11) β pers.(10)
π
ππ‘(π. πΆ) = Fo. Co β V.k.C
2
V ππΆ
ππ‘ + C
ππ
ππ‘ = Fo. Co β V.k.C
2 β¦(12)
Pers. (9) β pers. (12)
Fo.t.ππΆ
ππ‘ + C.Fo = Fo.Co β F.t.k.C
2 β¦(13)
ππΆ
ππ‘ =
πΆπ
π‘ -
πΆ
π‘ - k.C
2 β¦(14)
Dengan menggunakan boundary condition pada t=0 , C = Co dan substitusi U = exp
[k πΆ ππ‘ ] maka pers.14 menjadi :
t2 π2π
ππ‘2 + t
ππ
ππ‘ - k.U. Co. t = 0 β¦(15)
Pers. (15) diubah menjadi fungsi Bessel dengan substitusi z = t0,5
, menjadi :
z2. π
2π
ππ‘2 + z
ππ
ππ‘ - 4.k.Co.z
2.u = 0 β¦(16)
Pers. (16) merupakan modifikasi pers.Bessel yang mempunyai bentuk umum
sebagai berikut:
x2. π2π¦
ππ‘2 + x (a + 2bxr) ππ¦
ππ₯ + [c + dx
2s β b(1-a-r) x.r + b
2.x
2.r].y = 0 ...(17)
Dari pers.(5) didapatkan :
a = 1
r = 0
p = 1
π
(1βπ)2
2β π = 0
b = 0 s = 0 p = 0
c = 0 d = -4.k.Co π
π = imajiner
Sehingga penyelesaian pers. (16) adalah :
U = C1. zp. ( 4. π. πΆπ. π§) + Cz. zp.( 4. π. πΆπ. π§) β¦(18)
Pada t = 0, z = 0 β zp = ~
Sehingga Cz = 0
U = C1. Zp ( 4. π. πΆπ. π§)
Karena p = 0 dan π π = imaginer
Maka = U = C1. I0 ( 4. π. πΆπ. π§)
ππ
ππ‘ =
π
ππ§ C1. I0 ( 4. π. πΆπ. π§) β¦(19)
Dari Sherwood halaman 178 pers. (5.83) didapatkan
ππ
ππ‘ = C1. ( 4. π. πΆπ. π§) I0 ( 4. π. πΆπ. π§) β¦(20)
Dari substitusi semula, diperoleh :
ππ
ππ‘ = 2.k. Cz. C1. I0 ( 4. π. πΆπ. π§) β¦(21)
Maka pers. (14) dan (15) diperoleh :
C1. ( 4. π. πΆπ. π§) I0 ( 4. π. πΆπ. π§) =k. C. C1. I0 ( 4. π. πΆπ. π§)
C = ( 4.π .πΆπ .π§) I0 ( 4.π .πΆπ .π§)
π .πΆ2 .πΆ.πΌ0 ( 4.π .πΆπ .π§)
C = πΆ0. π1(2 π .πΆπ .π)
k.t.T0(2 π .πΆπ .π) β¦(22)
b. Tahap Kedua
Pada tahap ini proses berjalan kontinyu, namun belum tercapai kondisi steady state.
Dapat dinyatakan dengan :
C = f(t) dan V= konstan = 0
Dari neraca massa komponen diperoleh :
= F.Co β F.C β k.V.C2 β¦(23)
V - C = F.Co β F.C - k.V.C2 β¦(24)
Apabila T = t β Ε€ waktu, menit
Ε€ = konstanta waktu
Pers. (24) menjadi
= - k. C 2
β¦(25)
Pada keadaan steady state C = Co
Penyelesaian partikular pers. (25) adalah C β Cs, dimana Cs adalah konsentrasi pada
keadaan steady.
Substitusikan C = Cs +
Pers. (25) berubah menjadi pers.differential orde 1 yang mana dapat diselesaikan
dengan metode factor integrasi
C β Co = β¦(26)
C1 adalah konsentrasi awal tiap tahap kedua yaitu pada saat t = Ε€ yang diperoleh
dengan pengukuran konsentrasi contoh.
c. Tahap Ketiga
Pada tahap ini proses berjalan dalam keadaan steady state dan akumulasi = 0
Dari neraca komponen , diperoleh :
F β Co = F.C + Vr β¦(27)
F β Co = F.C + V.k.Cs2 β¦(28)
Co = Cs + k. Cs 2 β¦(29)
k. Ε€. Cs 2 + Cs β Co = 0 β¦(30)
Apabila k diketahui maka Cs dapat diprediksikan. Sebaliknya apabila Cs diukur
maka nilai k dapat dihitung. Pers. (30) merupakan persamaan aljabar biasa dan dapat
diselesaikan dengan mudah.
II. 3. TINJAUAN THERMODINAMIKA
Reaksi = CH3COOC2H5 + NaOH β CH3COONa + C2H5OH
Untuk menetukan sifat reaksi apakah berjalan eksotermis / endotermis maka perlu
membuktikan dengan menggunakan panas permbentukan standart (βHf) pada 1 atm
dan 298 K dari reaktan dan produk
βH298 = βHreaktan - βHproduk
Diketahui data sebagai berikut :
βH CH3COOC2H5 = -444.500 J/mol
βH NaOH = -425.609 J/mol
βH CH3COONa = -726.100 J/mol
βH C2H5OH = -235 J/mol
Sehingga
βH reaksi = (βH CH3COONa + βH C2H5OH) β (βH CH3COOC2H5 + βH
NaOH )
= (-726.100 + -235.609) β (-444.500 - 425.609)
= -91600 J/mol
Karena βH bernilai negative maka reaksi yang berlangsung adalah reaksi eksotermis
yang menghasilkan panas.
Selain dapat mengetahui bahwa reaksi tersebut eksotermis, berdasarkan
tinjauan thermodinamika juga dapat diketahui apakah reaksi tersebut berjalan searah
atau bolak balik dapat diketahui dari nilai konstanta keseimbangan reaksi. Pada suhu
kamar diperoleh data :
βG CH3COOC2H5 = -328 000 J/mol
βG NaOH = -379 494 J/mol
βG CH3COONa = -631 200 J/mol
βG C2H5OH = -168 490 J/mol
Sehingga,
βG reaksi = βG produk - βG reaktan
= [βG CH3COONa + βG C2H5OH] β [βG CH3COOC2H5 +
βG NaOH]
= [-631 200 - 168 490] J/mol β [-328 000 -379 494]
= -92196 J/mol
π
ππ (βG/RT) =
βπ»
π π2
βG = RT ln K
K pada standar 298Β° K = π(ββπΊ/π π)
Dari data di atas diperoleh nilai konstanta keseimbangan pada temperature 298 K
adalah 4,179 x 1067
. Pada temperature operasi, harga K dihitung dengan persamaan:
ln(πΎ
πβ²) = -
βπ»Β°
π (
1
πβ
1
π1)
ln(4,19 .10β67
πβ²) = -
91091
1,987 (
1
298β
1
343)
= 20, 1827
kβ = 7, 715 . 1058
Karena harga konstanta keseimbangan besar, maka reaksi berlangsung searah
(irreversible).
II. 4. TINJAUAN KINETIKA
Ditinjau dari kinetika reaksi, kecepatan reaksi saponifikasi etil asetat dengan
NaOH akan makin besar dengan kenaikan suhu, adanya pengadukan dan perbedaan
konsentrasi. Hal ini dapat dijelaskan oleh persamaan Arrhenius yaitu
π = π΄πβπΈπ΄π π
Dengan :
k = kontanta laju reaksi
A = faktor frekuensi tumbukan
T = suhu
EA = Energi Aktivasi
R = konstanta gas ideal
= 1.98 cal/gm-mol.oK
= 1.98 Btu/lb-mol.oR
= 82.06 cm3.atm/gm-mol.oK
Berdasarkan persamaaan Arrenius dapat dilihat bahwa konstanta laju reaksi
dipengaruhi oleh nilai faktor frekuensi tumbukan, suhu, dan energi aktivasi.
II. 5. SIFAT FISIS DAN KIMIA REAGEN
1) NaOH
Sifat fisis :
- Berat Molekul = 40 gr/mol
- Titik didih = 134 Β°C
- Titik lebur = 318, 4 Β°C
- Berat jenis = 2, 130 gr/mol
- Kelarutan dalam 100 bagian air dingin 10 Β°C = 42
- Kelarutan dalam 100 bagian air panas 100Β°C = 32
Sifat kimia :
- Dengan Pb(NO3)2 membentuk endapan Pb(OH)2 yang larut dalam reagen
excess, merupakan basa kuat, mudah larut dalam air.
2) Etil Asetat
Sifat fisis : Berat jenis = 1, 356 gr/mol
Titik didih = 85 Β°C
Berat molekul = 88 gr/mol
Titik lebur = -111 Β°C
Sifat kimia:
Bereaksi dengan Hg+ membentuk endapan Hg2Cl2 putih yang tidak larut dalam air
panas dan asam encer tetapi larut dalam ammonia encer dan KCN tiosulfat,
beraksi dengan Pb2+
membentuk PbCl2 putih, mudah menguap apabila
dipanaskan.
II.6. FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI HARGA k
Persamaan Arhenius
π = π΄πβπΈπ΄π π
1. Frekuensi tumbukan
Pengadukan akan memperbesar tumbukan partikel sehingga akan menurunkan
energi aktivasi, jika energi aktivasi turun, maka kecepatan reaksi juga naik
2. Energi aktivasi
Energi aktivasi merupakan energi minimum yang diperlukan bagi reaksi untuk
berlangsung. Semakin rendah energi aktivasi, maka reaksi akan berjaan semakin
cepat.
3. Suhu
Semakin tinggi suhu, maka reaksi akan berjalan semakin cepat.
4. Konsentrasi pereaksi
Perbedaan konsentrasi reaktan akan mempengaruhi kecepatan reaksi. Semakin
besar konsentrasi maka semakin banyak partikel yang bertumbukan sehingga
harga konstanta laju reaksi semakin besar pula.
5. Katalis
Katalis dapat mempercepat reaksi karena kemammpuannya mengadakan reaksi
dengan paling sedikit satu molekul reaktan untuk menghasilkan senyawa yang
lebih aktif. Interaksi ini akan meningkatkan laju reaksi
(Levenspiel. O., 1970, Chemical Reaction Engineering)
II.7. MENGHITUNG HARGA KONSTANTA REAKSI PENYABUNAN (k) ETIL
ASETAT DENGAN NaOH
Reaksi : NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH
A + B C + D
Persamaan kecepatan reaksi:
dimana Ca=Cb
y = mx + c
Harga k didapat dari least square. Dimana harga k merupakan nilai dari m.
(Levenspiel. O., 1970, Chemical Reaction Engineering)
II.8. MENGHITUNG ORDE REAKSI
Untuk menghitung orde reaksi menggunakan persamaan:
y = mx + c m = n = orde reaksi
Orde reaksi didapat dari least square. Dimana orde reaksi merupakan nilai dari m.
(Levenspiel. O., 1970, Chemical Reaction Engineering)
BAB III
METODOLOGI PERCOBAAN
III.1. BAHAN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN
III.1.1 Bahan Yang Digunakan
1. NaOH
2. Etil asetat
3. HCl
4. Indikator MO
5. Aquadest
III.1.2 Alat Yang Dipakai
1. Pipet
2. Thermometer
3. Magnetic stirer
4. Reaktor Batch
5. Gelas Ukur
6. Buret
7. Statif dan Klem
8. Erlenmeyer
9. Rangkaian alat reaktor aliran kontinyu
III.2. GAMBAR RANGKAIAN ALAT PERCOBAAN
a. Proses Batch
Gambar III.1 Gambar Alat Utama Proses Batch
Keterangan :
1. Reaktor Batch
2. Stirer
3. Statif
b. Proses kontinyu
Gambar III.2. Gambar Alat Utama Proses Kontinyu
Keterangan :
1. Reaktor Kontinyu
2. Stirrer
3. Statif
4. Tangki umpan NaOH
5. Tangki umpan etil asetat
6. Pompa
III.3. VARIABEL PERCOBAAN
Variabel Berubah
Variabel Tetap
III.4. RESPON UJI HASIL
Konsentrasi NaOH sisa yang dapat diamati dengan konsentrasi titran HCl sampai
TAT.
III.5. PROSEDUR PERCOBAAN
Percobaan Batch
1. Siapkan reagen yang dibutuhkan: etil asetat .. N, HCl ... N, dan NaOH .. N.
2. Masukkan etil asetat .. N dan NaOH .. N sampai ketinggian .. cm ke dalam
reaktor batch.
3. Ambil sampel 5 ml tiap .. menit, kemudian tambahkan indikator MO 3 tetes ke
dalam sampel dan titrasi dengan HCl sampai warna merah orange. Titrasi
dihentikan sampai volume titran yang digunakan 3 kali konstan.
4. Dengan perhitungan dapat diperoleh nilai Ca (konsentrasi NaOH sisa).
5. Lakukan langkah 1 sampai 4 dengan variable yang berbeda.
Percobaan Kontinyu
1. Siapkan reagen yang dibutuhkan: etil asetat .. N, HCl ... N, dan NaOH ... N.
2. Masukkan etil asetat dan NaOH ke dalam tangki umpan masing-masing.
3. Pompa masing-masing reaktan ke dalam CSTR yang kosong dan menjaga
konstan laju alirnya serta mereaksikannya.
4. Ambil sampel 5 ml tiap .. menit, kemudian tambahkan indikator MO 3 tetes ke
dalam sampel dan titrasi dengan HCl sampai warna merah orange. Titrasi
dihentikan sampai volume titran yang digunakan 3 kali konstan.
5. Dengan perhitungan dapat diperoleh nilai Ca (konsentrasi NaOH sisa).
6. Lakukan langkah 1 sampai 5 dengan variabel yang berbeda.
DAFTAR PUSTAKA
Abu Khalaf, A.M., 1994, Chemical Engineering Education. Mc. Graw Hill Book Ltd., New
York.
Charles, E. R, Harold, SM and Thomas K.S., 1987, Applied Mathematics in Chemical
Engineering 2nd
ed., Mc. Graw Hill Book Ltd., New York.
Hill, G.C., 1977, An Introduction to Chemical Engineering Kinetika and Reactor Design 1st
ed, John Willey, New York, N.Y.
Levenspiel. O., 1970, Chemical Reaction Engineering 2nd
ed, Mc. Graw Hill Book
Kogakusha Ltd, Tokyo.