BAB IPENDAHULUAN

1.1Tujuan Praktikum

Untuk menentukan konstanta kecepatan reaksi pada reaktor CSTR.1.2Landasan Teori

1.2.1Pengertian Reaktor

Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia atau nuklir dan bukan secara fisika. Reaktor kimia adalah segala tempat terjadinya reaksi kimia, baik dalam ukuran kecil seperti tabung reaksi sampai ukuran yang besar seperti reaktor skala industri. Reaktor CSTR beroperasi pada kondisi steady state dan mudah dalam kontrol temperatur, tetapi waktu tinggal reaktan dalam reaktor ditentukan oleh laju alir dari feed masuk dan keluar, maka waktu tinggal sangat terbatas sehingga sulit mencapai konversi reaktan per volume reaktor yang tinggi, karena dibutuhkan reaktor dengan volume yang sangat besar (Smith, 198: 325).Ada dua model teoritis paling populer yang digunakan dalam pereaksian kimia yang beroperasi dalam keadaan tunak (steady-state), yaitu CSTR (Continuos Stirred Tank Reactor) dan Plug Flow Reaktor (PFR). Perbedaannya adalah pada dasar asumsi konsentrasi komponen-komponen yang terlibat dalam reaksi. CSTR merupakan reaktor model berupa tangki berpengaduk dan diasumsikan pengaduk yang bekerja dalam tangki sangat sempurna sehingga konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Model ini biasanya digunakan pada reaksi homogen di mana semua bahan baku dan katalis cair.Tujuan dalam pemilihan reaktor adalah sebagai berikut:

1. Mendapat keuntungan yang besar

2. Biaya produksi rendah

3. Modal kecil atau volume reaktor minimum

4. Operasinya sederhana dan murah

5. Keselamatan kerja terjamin

6. Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya

Adapun pemilihan jenis reaktor dipengaruhi oleh beberapa faktor sebagai berikut:

1. Fase zat pereaksi dan hasil reaksi

2. Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping

3. Kapasitas produksi

4. Harga alat (reaktor) dan biaya instalasinya

5. Kemampuan reaktor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas.1.2.2 Continous Stirred Tank ReactorReaktor industri kimia merupakan peralatan yang komplek dalam transfer panas, transfer massa, difusi dan friksi yang mungkin ditemui selama reaksi kimia, ini harus dijaga dan terkontrol. Continous Stirred Tank Reactor sering digunakan secara multiply dan secara seri. Reaktan secara terus-menerus dimasukkan ke dalam vessel pertama dan overflow diantara masing-masing saat terjadi pencampuran dalam masing-masing vessel. Biasanya komposisi uniform dalam individual vessel, tapi ada gradient konsentrasi dalam sistem secara keseluruhan (Perry, 1999: 23-4). Keberhasilan operasi suatu proses pengolahan sangat bergantung pada aktifnya pengadukan dan pencampuran zat cair dalam proses itu. Istilah pengadukan dan pencampuran sebetulnya tidak sama satu sama lain. Pengadukan (agitator) menunjukkan gerakan yang tereduksi menurut cara tertentu. Pada suatu bahan didalam bejana, dimana gerakan ini biasanya mempunyai semacam pola sirkulasi. Pencampuran (mixing) ialah peristiwa menyebarnya bahan secara acak, dimana bahan yang satu menyebar kedalam bahan yang lain dan sebaliknya, sedang bahan-bahan itu terpisah dalam dua fase atau lebih. Istilah pencampuran digunakan untuk berbagai ragam operasi, dimana derajat homogenitas bahan yang bercampur tersebut sangat berbeda-beda. Tujuan dari pengadukan antara lain adalah untuk membuat suspensi partikel zat padat, untuk meramu zat cair yang mampu bercampur (miscible), untuk menyebar (dispersi) gas di dalam zat cair yang lain, sehingga membentuk emulsi atau suspensi butiran-butiran halus, dan untuk mempercepat perpindahan kalor antara zat cair dengan kumparan atau material kalor. Kadang-kadang pengaduk digunakan untuk beberapa tujuan sekaligus, misal dalam hidrogenasi katalitik pada zat cair. Dalam bejana hidrogenasi gas hidrogen didispersikan melalui zat cair dimana terdapat partikel-partikel katalis padat dalam keadaan suspensi, sementara kalor dikeluarkan melalui kumparan tu mantel (McCabe, 2003:51).

Reaktor tangki berpengaduk yang ideal beroperasi secara isotermal pada kecepatan alir yang konstan. Bagaimanapun kesetimbangan energi diperlukan untuk memprediksi temperatur agar konstan pada saat panas dari reaksi cukup (atau pertukaran panas antara lingkungan dengan reaktor tidak mencukupi) untuk membuat perbedaan antara suhu umpan dengan reaktor. Tangki berpengaduk dapat memberikan pilihan yang lebih baik atau bahkan lebih buruk daripada tubular flow unit pada sistem reaksi ganda. Biasanya hal terpenting adalah nilai relatif atau energi aktivas (Smith,1981: 327).Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) bisa berbentuk dalam tanki satu atau lebih dari satu dalam bentuk seri. Reaktor ini digunakan untuk reaksi fase cair dan biasanya digunakan dalam industri kimia organik. Keuntungan dari reaktor ini adalah kualitas produk yang bagus, kontrol yang otomatis dan tidak banyak membutuhkan banyak tenaga operator. Karakteristik dari reaktor jenis ini adalah beroperasi pada kondisi steady state dengan aliran reaktan dan produk secara kontinu. Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) adalah reaktor yang dirancang untuk mempelajari proses-proses pening dalam ilmu kimia. Reaktor jenis ini merupakan salah satu dari 3 tipe reaktor yang bisa bersifat interchangble pada unit service reaktor (CEX Mk II). Reaksi dimonitor oleh probe konduktivitas sebagai konduktivitas dari larutan yang berubah dengan konversi dari reaktan menjadi produk. Artinya, ini merupakan proses titrasi yang tidak akurat dan tidak efisien di mana ini digunakan untuk memonitor perkembangan reaksi yang tidak begitu penting (Tim Dosen Teknik Kimia, 2010: 1 ).Coil stainless didalam reaktor CSTR berguna sebagai pemindah panas permukaan untuk memanaskan atau mendinginkan reaktan kimia. Coil itu dihubungkan untuk memanaskan sirkulator air atau disebut juga CW-16 chiller. Coil inlet ini berada pada posisi didepan reaktor dan return reaktor itu berada pada bagian belakang dari reaktor. Agitator (pengaduk) turbin bekerja pada sambungan dengan mengatur baffle (suatu alat untuk mencegah aliran) untuk menghasilkan pengadukan dan perpindahan panas yang sempurna. Agitator ini bekerja dengan menggunakan motor listrik yang ditaruh pada penutup reaktor. Motor ini dijalankan dengan variable speed unit yang ditaruh didepan sevice unit. Tombol untuk plug motor listrik ini diletakkan pada bagian belakang service unit (Tim Dosen Teknik Kimia, 2010: 3)

1.2.3 Faktor-Faktor Yang Mempengaruhi Kecepatan Reaksi

Faktor-faktor yang mempengaruhi kecepatan reaksi, yaitu :

1. Konsentrasi

Reaksi kimia akan berlangsung lebih cepat jika konsentrasi yang bereaksi lebih besar. Makin konsentrasi, makin banyak partikel zat sehingga makin banyak terjadi tumbukan.

2. Luas Permukaan

Makin luas permukaan sentuhan zat bereaksi, makin besar frekuensi tumbukan yang terjadi sehingga reaksi makin cepat.3. Suhu

Dengan kenaikan suhu, energi kinetik molekul zat yang bereaksi bertambah sehingga reaksi akan semakin cepat.4. Katalis

Katalis memungkinkan terjadinya penurunan energi aktivasi dan memperbanyak tahap reaksi.

1.2.4 Kelebihan dan Kekurangan Reaktor CSTR

Reaktor CSTR dapat digunakan jika reaksi memelurkan pengadukan dan konfigurasi seri untuk aliran konsentrasi yang berbeda. Fase zat yang dapat digunakan adalah liquid, gas-liquid, maupun solid-liquid. Kelebihan dari reaktor CSTR adalah sebagai berikut :1. Operasi kontinyu, sehingga memungkinkan produksi dalam jumlah besar.

2. Pengontrolan temperatur mudah dilakukan.

3. Mudah untuk menjalankan dua fase.4. Biaya operasi murah5. Mudah dibersihkanSedangkan kelemahan reaktor CSTR, yaitu :1. Konversi per unit volume rendah.2. Agitasi yang kecil dapat menyebabkan by-passing dan channeling.3. Waktu tinggal dalam reaktor sangat terbatas karena ditentukan oleh laju alir feed yang masuk dan keluar.4. Dapat timbul endapan didasar akibat gaya sentrifugal.

5. Tidak efisien untuk reaksi bertekanan tinggi.Beberapa hal penting pada CSTR adalah :1. Temperatur dan komposisi diasumsikan seragam selama dalam reaktor.2. Reaksi berlangsung steady-state, dengan aliran kontinyu pada reaktan dan produk sehingga jumlah yang masuk setara dengan jumlah yang keluar reaktor.3. Perhitungan mengasumsikan bahwa pengadukan terjadi secara sempurna sehingga semua titik dalam reaktor memiliki komposisi yang sama.1.2.5 Pengukuran Konduktivitas

Konduktivitas larutan yang bereaksi dalam reaktor tergantung pada tingkat konversi dan hal ini memberikan suatu metode yang cocok untuk memonitor perkembangan reaksi. Konsentrasi umpan dapat dihitung sebagai berikut:

Konsentrasi sodium hydroxide dalam umpan campuran:

..................................(1.1)

Konsentrasi ethyl acetate dalam umpan campuran:

..................................(1.2)

Jika diberikan waktu tak hingga, reaksi akan berlangsung kontinyu sehingga salah satu atau kedua reagen tersebut terkonversi sempurna. Sehingga, konsentrasi sodium acetate dalam reaktor pada waktu tak hingga menjadi:

jika ................................... (1.3)

atau

jika ................................... (1.4)

dan konsentrasi sodium hydroxide dalam reaktor setelah waktu tak hingga:

jika

......................

(1.5)

atau

jika

........................(1.6)Hubungan konduktivitas sodium acetate pada waktu tak hingga dengan konsentrasinya dapat dinyatakan melalui persamaan berikut:

...............(1.7)

untuk T ( 294dengan cara yang sama, hubungan konduktivitas sodium hydroxide pada waktu tak hingga dengan konsentrasinya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:

........................

(1.8)

untuk T ( 294

Konduktivitas larutan setelah waktu tak hingga:

.................................(1.9)

dan konduktivitas sodium hydroxide dalam umpan campuran:

...........................(1.10)

konduktivitas awal larutan dapat juga dihitung dengan asumsi bahwa sodium acetate sama dengan nol:

...........................................(1.11)

asumsi c0 = 0 1.2.6 Perhitungan Faktor Konversi

Dengan perhitungan dari persamaan-persamaan di atas maka harga konsentrasi sodium hydroxide dalam reaktor pada waktu t (a1) dan konsentrasi sodium acetate pada waktu t (c1) serta tingkat konversi (Xa dan Xc) untuk masing-masing sampel konduktivitas yang dilakukan tiap periode waktu selama percobaan dapat dihitung dengan persamaan-persamaan berikut:

Konsentrasi sodium hydroxide dalam reaktor pada waktu t:

........................(1.12)

Dengan cara yang sama, konsentrasi sodium acetate pada waktu t adalah:

.........................(1.13)

untuk c0 = 0

dimana (1 merupakan konduktivitas pada waktu t. Konversi sodium hydroxide dapat didefinisikan sebagai jumlah yang bereaksi, yang dinyatakan sebagai persentase jumlah awal. Jumlah yang sama dapat didefinisikan untuk produksi sodium acetate, sebagai jumlah yang dihasilkan yang dinyatakan sebagai persentase jumlah total yang diharapkan setelah waktu tak hingga:

..................................

(1.14)

..........................................

(1.15)

untuk c0 = 0

1.2.7 Perhitungan Konstanta Laju Reaksi

Konstanta laju spesifik (k), dapat dihitung dari konsentrasi sodium hydroxide pada kondisi steady state dalam reaktor (a1). Neraca massa keseluruhan untuk reaktor dapat ditulis sebagai:

Laju perubahan dalam reaktor = Input Output + Akumulasi .......(1.16)

Untuk reaktan a dalam reaktor dengan volume V, dapat ditulis:

............................(1.17)

Untuk reaktor kontinyu yang beroperasi pada keadaan steady, laju perubahan dalam reaktor adalah nol dan volume dapat diasumsikan konstan, sehingga:

.......................................(1.18)

maka

................................(1.19)1.2.8 Perhitungan Waktu Tinggal

Pengaruh tahap perubahan input membuat kita dapat melakukan perhitungan waktu tinggal rata-rata jika A merupakan konsentrasi dalam tangki pada waktu t setelah tahap perubahan dan E adalah konsentrasi input, kemudian :

(1.20)

Dan :

(1.21) Maka dapat diplot :

(1.22)Terhadap waktu untuk tiap periode waktu selama percobaan, dimana merupakan konsentrasi sodium hydroxide pada waktu t1 dan adalah konsentrasi awal. Slope merupakan rata-rata waktu tinggal yang sama dengan dimana V merupakan volume reaktor dan F adalah laju aliran total masuk reaktor.1.2.9Bentuk-Bentuk Persamaan Kecepatan Reaksi

Menurut hukum kegiatan massa, kecepatan reaksi pada suhu tetap berbanding lurus dengan konsentrasi pengikut-pengikutnya dan masing-masing berpangkat sebanyak molekul dalam persamaan reaksi. Kecepatan reaksi dapat dinyatakan dengan persamaan :

r = k.a.b(1.23)

Jika konsentrasi awal A (a0) sama dengan konsentrasi awal B (b0), maka persamaan (1) tersebut dapat disederhanakan menjadi :

r = k.a2(1.24)

Secara umum untuk reaksi orde n dapat dituliskan dengan :

r = k.an(1.25)

Reaksi orde dua arah pada persamaan (1.24) dapat dinyatakan dengan hubungan konversi A(Xa) dengan waktu reaksi (t) sebagai berikut :

(1.26)

Pada persamaan (1.26) dapat diplotkan pada grafik versus t, sehingga diperoleh slope k.a0. Dengan diketahui awal A (a0) maka nilai konstanta kecepatan (k) dapat dihitung.

Reaksi saponifikasi Ethyl Acetat dengan NaOH merupakan contoh reaksi orde dua dengan batasan konsentrasi (0-0,1 M) dan temperatur (20-40o-C).

Adapun reaksi adalah sebagai berikut :

NaOH + CH3COOC2H5CH3COONa + C2H5OH

Reaksi ini dapat dilakukan pada reaksi CSTR maupun tubular sampai kondisi steady-state. Kondisi steadi-state ini tergantung pada konsentrasi reagen, flowrate, volume reactor dan temperatur reaksi.

Untuk reactor tubular plug flow mengikutu persamaan berikut :

(1.27)

dengan :F = flow rate feed total (dm3/s)

A = luas cross sectional dari reactor tubular (cm)

L = panjang overall dari reactor tubular (cm)

(1.28)

dengan :tR= Waktu

Jika persamaan (1.24) dan (1.28) disubstitusikan ke persamaan (1.27), maka persamaan menjadi :

(1.29)

Jika persamaan (1.29) diintegralkan maka :

(1.30)

(1.31)

Jika persamaan (1.31) disubstitusikan ke persamaan (1.30), maka diperoleh persamaan berikut :

(1.32)

Dari persamaan (1.32), menunjukkan bahwa berbanding lurus dengan tR pada temperatur reaksi konstan.

Konstanta kecepatan reaksi (k) pada persamaan di atas sangat dipengaruhi oleh temperatur. Hal tersebut dinyatakan dengan persamaan Arthenius sebagai berikut :

(1.33)

dengan :E = energi aktivasi

R = konstanta gas ideal

T = temperatur reaksi

Dengan dilogkan maka persamaan (1.33) menjadi :

(1.34)

Jika diplotkan pada grafik log k vs 1/T, maka akan memberikan garis lurus.DAFTAR PUSTAKA

Smith, J.M. 1981. Chemical Engineering Kinetic. Third Editions, McGraw-Hill International.

Mc. Cabe, W. L., J.C Smith and P. Harriot. 2003. Unit Operation of Chemical Engineering, 5th edition. McGraw-Hill book Co. Inc.,New York.

Tim Dosen Teknik Kimia. 2010. Penuntun Praktikum Laboratorium Teknik Kimia II. Program Studi S1 Teknik Kimia Fakultas Teknik Universitas Riau. Pekanbaru.

Perry, Robert H., Don W. Green & James O. Maloney. 1999. Perrys Chemical Engineers Handbook. 7th Edition. McGraw Hill Book Company : New York, USA.

LAPORAN PRAKTIKUM

LABORATORIUM TEKNIK KIMIA II

REAKTOR

OLEH

KELOMPOK 4

AISYAH DEWI RANTI

(1107111852)

KHAFID ALI MAHDI

(1107114147)

RAHMA FIFIYANA

(1107114119)

TARSENSIUS WHL

(1107120098)

PROGRAM STUDI TEKNIK KIMIA S1

UNIVERSITAS RIAU

PEKANBARU

2014

_1460921880.unknown

_1460921888.unknown

_1460921892.unknown

_1460921896.unknown

_1460921898.unknown

_1460921899.unknown

_1460921900.unknown

_1460921897.unknown

_1460921894.unknown

_1460921895.unknown

_1460921893.unknown

_1460921890.unknown

_1460921891.unknown

_1460921889.unknown

_1460921884.unknown

_1460921886.unknown

_1460921887.unknown

_1460921885.unknown

_1460921882.unknown

_1460921883.unknown

_1460921881.unknown

_1460921872.unknown

_1460921876.unknown

_1460921878.unknown

_1460921879.unknown

_1460921877.unknown

_1460921874.unknown

_1460921875.unknown

_1460921873.unknown

_1460921868.unknown

_1460921870.unknown

_1460921871.unknown

_1460921869.unknown

_1460921866.unknown

_1460921867.unknown

_1460921865.unknown