REAKTOR BATCH NON ADIABATIS

LAPORAN TUGAS BESARMATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSESSIMULASI DAN DESAIN REAKTOR BATCH NON ADIABATIS UNTUK REAKSI STYRENE DARI BUTADIENA MENGGUNAKAN PROGRAM SCILAB

Oleh:GHAFA AL RAMADHAN21030113140183DETA ANNISA LISNANDAR21030113130165

LABORATORIUM PROSES KIMIAJURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS DIPONEGOROSEMARANG2015

BAB IPENDAHULUAN1.1 Latar BelakangDalam industri kimia, ilmu kinetika kimia dan reaktor sangat penting karena proses pembentukan produk terjadi di dalam reaktor. Reaktor merupakan suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energy seperti panas (contoh energi yang paling umum).Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia, jadi terjadi perubahan bahan bukan fasamisalnya dari air menjadi uap yang merupakan reaksi fisika. Salah satu kemampuan yang harus dimiliki oleh sarjana teknik kimia adalah dapat merancang sistem pemroses seperti merancang reaktor. Perancangan reaktor itu sendiri meliputi pemilihan jenis reaktor seperti fase zat pereaksi dan produk yang dihasilkan, tipe reaksi, kapasitas produksi, biaya yang dibutuhkan dalam merancang reaktor, dan kemampuan reaktor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas. Dengan perancangan reaktor tersebut diharapkan seorang sarjana teknik kimia dapat menjalankan proses produksi secara efisien.Styrene merupakan salah satu senyawa kimia yang memiliki rumus molekul C8H8, telah dikenal oleh manusia sejak ratusan tahun yang lalu. Stirena banyak digunakan dalam industri pembuatan polistirena, stirena butadiena dan stirena butadine latex. Pembuatan Styrene dari butadiene terjadi didalam reaktor dimana butadiene dimerisasi Diels Alder dari 1,3 butadiena menjadi 4- vinylcyclohexana (VCH) pada suhu 140C dan tekanan 4 Mpa lalu VCH dihidrogenasi menjadi styrne. Perancangan reaktor reaktor produksi styrene dari butadiene dapat dilakukan secara hand calculation. Tetapi untuk mengefisienkan kerja dalam perancangan maka dapat dibantu menggunakan software seperti scilab. Dengan software scilab maka dapat dilakukan simulasi seperti volume yang dibutuhkan reaktor untuk reaksi tertentu, kinetika reaksi yang terjadi didalam reaktor, dan lain- lain.1.2 Rumusan MasalahPada perancangan reaktor styrene dari butadiene diperlukan kondisi yang optimum agar produk yang dihasilkan maksimal. Styrene dari butadiene merupakan suatu reaksi seri dan bersifat eksotermis. Perancangan reaktor kali ini akan dilakukan pada reaktor batch non adiabatic dengan kondisi sesuai reaksi. Untuk membantu dalam penyelesaian perancangan reaktor, maka akan dibantu dengan program komputer seperti scilab. Tujuan digunkannya program scilab untuk menefisienkan kerja dalam perancangan reaktor. Dengan menggunakaan software scilab diharapkan dapat mensimulasikan kondisi reaktor yang dibutuhkan dalam pembentukan styrene dari butadiene.

1.3 Tujuan Tujuan dari laporan tugas besar komputasi ini adalah1. Dapat menyusun program scilab pada perancangan reaktor non adiabatic pada reaksi styrene dari butadiene.2. Mampu mensimulasikan program scilab pada perancangan reaktor batch non adiabatic pada reaksi styrene dari butadiene.3. Mengetahui hubungan antara konsentrasi styrene yang terbentuk terhadap interval waktu tertentu pada reaksi styrene dari butadiene.

1.4 ManfaatManfaat dari laporan tugas besar komputasi ini adalah1. Mampu merancang reaktor non adiabatic untuk reaksi styrene dari butadiene dengan menggunkan program scilab.2. Mampu mengetahui hubungan antara konsentrasi styrene yang terbentuk terhadap interval waktu tertentu untuk reaksi styrene dari butadiene menggunakan program scilab.

BAB IITINJAUAN PUSTAKA2.1 Dasar Teori2.1.1.ReaktorReaktor kimia adalah sebuah alat industri kimia, dimana terjadi reaksi bahan mentah menjadi hasil jadi yang lebih berharga. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia, yaitu waktu tinggal, volume (V), temperatur (T), tekanan (P), konsentrasi senyawa (C1, C2, C3, ...,Cn), dan koefisien perpindahan panas (h, U). 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. (Achmadirfani,2007) Tujuan pemilihan reaktor adalah :1. Mendapat keuntungan yang besar1. Biaya produksi rendah1. Modal kecil/volume reaktor minimum1. Operasinya sederhana dan murah1. Keselamatan kerja terjamin1. Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya (Achmadirfani,2007) Pemilihan jenis reaktor dipengaruhi oleh :1. Fase zat pereaksi dan hasil reaksi1. Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping1. Kapasitas produksi1. Harga alat (reaktor) dan biaya instalasinya1. Kemampuan reaktor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas (Achmadirfani,2007)

2.1.2.Jenis-jenis reaktor4. Berdasarkan bentuknya0. Reaktor tangkiDikatakan reaktor tangki ideal bila pengadukannya sempurna, sehingga komposisi dan suhu didalam reaktor setiap saat selalu uniform. Dapat dipakai untuk proses batch, semi batch, dan proses alir.0. Reaktor pipaBiasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor Alir Pipa. Dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir didalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa. (Achmadirfani,2007)4. Berdasarkan prosesnya1. Reaktor Batch

0. Biasanya untuk reaksi fase cair0. Digunakan pada kapasitas produksi yang kecilKeuntungan reaktor batch: Lebih murah dibanding reaktor alir Lebih mudah pengoperasiannya Lebih mudah dikontrolKerugian reaktor batch: Tidak begitu baik untuk reaksi fase gas (mudah terjadi kebocoran pada lubang pengaduk) Waktu yang dibutuhkan lama, tidak produktif (untuk pengisian, pemanasan zat pereaksi, pendinginan zat hasil, pembersihan reaktor, waktu reaksi) (Achmadirfani,2007).

1. Reaktor Alir (Continous Flow)

Ada 2 jenis:0. RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk)Keuntungan:0. Suhu dan komposisi campuran dalam rerraktor sama0. Volume reaktor besar, maka waktu tinggal juga besar, berarti zat pereaksi lebih lama bereaksi di reaktor.Kerugian: Tidak effisien untuk reaksi fase gas dan reaksi yang bertekanan tinggi. Kecepatan perpindahan panas lebih rendah dibanding RAP Untuk menghasilkan konversi yang sama, volume yang dibutuhkan RATB lebih besar dari RAP. (Achmadirfani,2007)

0. RAP

Dikatakan ideal jika zat pereaksi dan hasil reaksi mengalir dengan kecepatan yang sama diseluruh penampang pipa.Keuntungan : Memberikan volume yang lebih kecil daripada RATB, untuk konversi yang samaKerugian:1. Harga alat dan biaya instalasi tinggi.2. Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state.3. Untuk reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi Hot Spot (bagian yang suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan . Dapat menyebabkan kerusakan pada dinding reaktor. (Achmadirfani,2007)

1. Reaktor semi batchBiasanya berbentuk tangki berpengaduk

4. Jenis reaktor berdasarkan keadaan operasinya1. Reaktor isotermal.Dikatakan isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalam reaktor, aliran yang keluar dari reaktor selalu seragam dan bersuhu sama.2.Reaktor adiabatis. Dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya.1. Jika reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat dipakai untuk menaikkan suhu campuran di reaktor. ( K naik dan rA besar sehingga waktu reaksi menjadi lebih pendek).3.Reaktor Non-AdiabatisDikatakan non-adiabatis jika ada perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya atau dengan kata lain ada panas yang masuk dari pemanas atau keluar ke pendingin(Achmadirfani,2007).4. Reaktor Gas Cair dengan Katalis Padat3. Packed/Fixed bed reaktor (PBR).Terdiri dari satu pipa/lebih berisi tumpukan katalis stasioner dan dioperasikan vertikal. Biasanya dioperasikan secara adiabatis.

3. Fluidized bed reaktor (FBR) Reaktor dimana katalisnya terangkat oleh aliran gas reaktan. Operasinya: isotermal. Perbedaan dengan Fixed bed: pada Fluidized bed jumlah katalis lebih sedikit dan katalis bergerak sesuai kecepatan aliran gas yang masuk serta FBR memberikan luas permukaan yang lebih besar dari PBR (Achmadirfani,2007)

4. Fluid-fluid reaktorBiasa digunakan untuk reaksi gas-cair dan cair-cair.4. Bubble Tank.

Bubble tank adalah suatu alat yang digunakan untuk reaksi gas -cair pertama diterapkan oleh Helmut Gerstenberg . Ini terdiri dari control kolom silinder vertikal. Pengenalan gas terjadi di bagian bawah kolom dan menyebabkan aliran turbulen untuk memungkinkan pertukaran gas yang optimal . Alat ini dibangun dalam berbagai bentuk konstruksi . Pencampuran dilakukan oleh sparging gas dan membutuhkan energi kurang dari pengadukan mekanik . Cairan bisa dalam aliran paralel atau counter-current. ( wikipedia )4. Spray Tower

Spray Tower adalah kontaktor gas-cair yang digunakan untuk mencapai massa dan perpindahan panas antara fase gas terus menerus ( yang dapat berisi tersebar partikel padat ) dan fase cair terdispersi . Ini terdiri dari bejana silinder terbuat dari baja atau plastik dan nozel yang menyemprotkan cairan . Aliran gas inlet biasanya memasuki bagian bawah menara dan bergerak ke atas , sementara cairan yang disemprotkan ke bawah dari satu atau lebih tingkat . Aliran gas inlet dan cair dalam arah yang berlawanan disebut aliran berlawanan( wikipedia )

2.1.3 Reaksi KimiaReaksi kimia adalah suatu proses dimana zat-zat baru yaitu hasil reaksi terbantuk dari beberapa zat aslinya yang disebut dengan pereaksi. Suatu reaksi kimia dapat pula disertai oleh kejadian-kejadian fisika seperti perubahan warna, pembentukan endapan, atau timbulnya gas. ( Heri, 2005)Reaksi kimia :aA+bBcC +dDa,b,c,d adalah koefisien reaksi atau perbandingan zat dalam reaksi. Bilangan tersebut biasanya bulat dan menyatakan jumlah mol.Terdapat banyak reaksi kimia, berikut adalah pengelompokan reaksi kimia :0. Berdasarkan arah reaksi0. Reaksi satu arah (Irreversible)Reaksi irreversible adalah reaksi yang berlangsung searah atau reaksi yang tidak dapat balik. Pada peristiwa reaksi satu arah, zat-zat hasil reaksi tidak dapat bereaksi kembali membentuk zat pereaksi.Ciri-ciri reaksi satu arah adalah sebagai berikut :1)Reaksi ditulis dengan satu arah anak panah ()2)Reaksi berlangsung satu arah dari kiri ke kanan3)Zat hasil reaksi tidak dapat dikembalikan seperti zat mula-mula4)Reaksi baru berhentiapabila salah satu atau semua reaktan habis (Ria,2015)Reaksi:SO3 + H2SO4 H2S2O7 (Susila,2010)

5. Reaksi bolak-balik (Reversible)Reaksi reversible adalah reaksi yang dapat balik. Pada reaksi dua arah, zat-zat hasil reaksi tidak dapat bereaksi kembali membentuk zat pereaksi. Reaksi kesetimbangan dinamis dapat terjadi bila reaksi yang terjadi merupakan reaksi bolak-balik.Ciri-ciri reaksi bolak-balik adalah sebagai berikut :1. Reaksi ditulis dengan dua anak panah yang berlawanan ( )2. Reaksi berlangsung dari dua arah, yaitu dari kiri ke kanan dan dari kananke kiri3.Zat hasil reaksi dapat dikembalikan seperti zat mula-mula4.Reaksi tidak pernah berhenti karena komponen zat tidak pernah habis (Ria,2015)Reaksi :H2S2O7 + H2O 2H2SO4 (Susila, 2010)2. Berdasarkan KemolekulanMolekularitas pada reaksi kimia didefenisikan sebagai jumlah molekul pereaksi yang ikut serta pada reaksi sederhana yang sesuai pada tahap dasar. Umumnya reaksi dasar memiliki satu atau dua molekularitas, meskipun beberapa rreaksi meliputi tiga molekul yang bertumbukan secara serentak mempuyai tiga molekularitas, dan pada hal yang sangat jarang penyelesaiannya, empat molekularitas. Reaksi berdasarkan kemolekulan dibagi 3, yaitu :

a. Reaksi-reaksi UnimolekularReaksi unimolekular meliputi satu molekul pereaksi dan salah satunya isomerisasiA B

Atau dekomposisiA B + CBeberapa contoh reaksi-reaksi UnimolekularCH3NC CH3CNC2H62 CH3C2H5C2H4 + H (Wili,2008)

b. Reaksi-reaksi BimolekularReaksi bimolekular adalah satu reaksi dimana dua molekul pereaksi yang sama atau tidak bergabung menghasilkan satu atau sejumlah molekul produk. Mereka adalah reaksi-reaksi asosiasi (kebalikan reaksi dekomposisi) atau reaksi pertukaran (Wili,2008)Beberapa contoh reaksi-reaksi bimolekular CH3 + C2H5 C3H8 CH3 + CH3 C2H6 C2H4 + HI C2H5IH + H2 H2 + HO3 + NO O2 + NO2 c. Reaksi-reaksi TermolekularReaksi termolekular relatif jarang terjadi mereka termasuk tumbukan pada tiga molekul secara serentak menghasilkan satu atau lebih produk (Wili,2008)A + B + C produk Beberapa contoh reaksi-reaksi termolekularNO + O2 2NO2NO + Cl2 2NOCl2I + H2 2HI3. Berdasarkan mekanisme atau kompleksitasnyaReaksi tunggal(single reaction) : reaksiyang mempunyai satu persamaan stoikiometri dan satu persamaan laju yang bertanggungjawab pada jalannya reaksi. (Sinta,2012)Reaksi kompleks(multiple reaction) : reaksiyang mempunyai lebih dari satu persamaan stoikiometri dan kinetika reaksi yang bertanggungjawab pada jalannya reaksi. Reaksi kompleks dibagi menjadi 2, yaitu : (Sinta,2012)a. Reaksi seriReaksi seri atau reaksi konsekutif adalah reaksi dari reaktan yang terbentuk zat antara yang reaktif sebelum berubah menjadi produk yang stabil.A B PContoh :C2H4O + NH3 HOCH2CH2NH2 (HOCH2CH2NH) 2NH (HCOCH2CH2)3Nb. Reaksi paralel Reaksi paralel atau reaksi samping (competitive reaction) yaitu dari reaktan yang sama dihasilkan produk yang berbeda melalui jalur reaksi yang berbeda pula. Contoh :C2H2 + O2 C2H40C2H4 + 3 O2 2C02 + H2O (Sinta,2012)4. Berdasarkan panas atau kalor atau energi yang dihasilkanMenurut panas atau kalor atau energi yang dihasilkan, suatu reaksi kimia dibedakan menjadi reaksi eksoterm dan reaksi endoterm. Reaksi dikatakan eksoterm bila proses reaksi tersebut menghasilkan panas atau kalor. Sedangkan suatu reaksi dikatakan endoterm bila menyerap kalor atau panas atau energi dari lingkungannya untuk proses reaksi tersebut.

Contoh reaksi eksoterm Reaksi pembakaran karbon C (s) + O2 (g) CO2 (g) Reaksi penetralan NaOH (aq) + HCl (aq) NaCl (aq) + H2O (aq) Reaksi pelarutan NaOH (s) + H2O (l ) NaOH (aq) + H2O Contoh reaksi endotermReaksi pelarutan urea CO (NH2)2 (s) + H2O (l ) CO (NH2)2 (aq) + H2O (l )Dalam reaksi kimia terjadi perubahan kalor atau panas atau energi, karena adanya perbedaan energi antara daya adhesi di antara partikel pereaksi dengan daya kohesi sesama partikel pereaksi yang sejenis. Apabila daya adhesi antara partikel pereaksi yang tidak sejenis lebih kuat daripada daya kohesi, maka reaksi akan mengeluarkan panas atau kalor atau energi dan dikatakan sebagai reaksi eksoterm. Sedangkan bila daya kohesi lebih kuat dari pada daya adhesinya, maka reaksi akan membutuhkan atau meyerap kalor atau panasa dari lingkungannya dan termasuk reaksi endoterm. (Endang,2004)2.2 Studi Kasus2.2.1. Reaksi UtamaReaksi styrene dari butadiene merupakan Reaksi dimerisasi Diels Alder dari 1,3 butadiena menjadi 4-vinylcyclreohexana (VCH). Reaksi ini bersifat eksotermis dan berlangsung pada suhu 140C dan tekanan 4 Mpa. Reaksi yang terjadi sebagai berikut:2C4H6 C6H9CH=CH2Kemudian VCH dehidrogenasi menjadi stirena :C6H9CH=CH2 C6H5CH = CH2 + 2H2 2.2.2. Kondisi OperasiKondisi operasi yang dibutuhkan untuk membentuk styrene dari butadiene sebagai berikut:Temperatur : 140C Tekanan : 4MpaSifat reaksi : eksotermis Fase : cair-cair Laju umpan (Butadiene): 2000 kg/jamJenis Reaktor : Batch Non Adiabatis2.2.3. Tinjauan TermodinamikaData- data entalpi dan energy Gibbs pada suhu 298K untuk pembentukan styrene dari butadiene dapat dilihat pada berikut:Tabel 2.1 Nilai entalpi dan energy gibbs tiap unsurKomponenHf (Kj/mol)G (Kj/mol)

C4H6110.16150.67

C8H1231158.73

C8H8103.89202.38

H200

Maka H reaksi dapat dihitung sebagai berikut :Reaksi butadiene menjadi VCH 2C4H6 C6H9CH=CH2H reaksi= Hf0 produk - Hf0 reaktan= Hf0 C8H12 (Hf0 C4H6)= (31) (2 x110.16)= -189.32/ l= 45229.10 /Reaksi VCH menjdi styreneC6H9CH=CH2 C6H5CH = CH2 + 2H2H reaksi= Hf0 produk - Hf0 reaktan= (Hf0 C8H8+Hf0 H2) (Hf0 C8H12)= (103.89 + 0) (31)= 72/ l= 17201 /Reaksi totalH reaksi= Hf0 produk - Hf0 reaktan= (Hf0 C8H8+Hf0 H2) (Hf0 C4H6)= (103.89 + 0) (2 x 150.67)= -197.45/ l= -27815.47 /

Reaksi yang terjadi merupakan eksotermis, karena harga enthalpy reaksi bernilai negatif sehingga reaksi melepas panas.Dalam pembuatan Styrene, merupakan reaksi irreversible (searah) yang terlihat dari harga Gibs pemebentukan, hal tersebut dapat dibuktikan dengan cara sebagai berikut: Reaksi utama:Reaksi butadiene menjadi VCH2C4H6 C6H9CH=CH2G reaksi= Gf0 produk - Gf0 reaktan= Gf0 C8H12 (Gf0 C4H6)= (158.73) (2 x110.16)= -189.32/ l= 47171.39 /Nilai K sebesar :ln K= - G0 / RTK= 5 x 1034Reaksi VCH menjdi styreneC6H9CH=CH2 C6H5CH = CH2 + 2H2G reaksi= Hf0 produk - Hf0 reaktan= (Gf0 C8H8+Gf0 H2) (Gf0 C8H12)= (202.38+ 0) (158.73)= 43.65/ l= 10428 /Nilai K sebesarln K= - G0 / RTK= 2.1113 x 10-8Untuk reaksi totalGf reaksi = Gf produk Gf reaktan = (Gf C8H8) (Gf C4H6) =( 202.38) (2 x 150.67)= 98.96 kJ /mol = 23641.84 kal /molHarga konstanta kesetimbangan reaksi (K)Untuk menghitung nilai K , dibutuhkan harga perubahan energi gibbs (G) dapat dihitung dengan persamaan (Levenspiel,1999) :G = - R T ln K Nilai K pada suhu referensi (298 K) dihitung sebagai berikut :ln K= - G0 / RT= - (-23641.84 kal /mol ) / (1,987 kal/mol.K x 298)K= 2,188 x 1017Harga konstanta keseimbangan pada suhu 298K adalah 2,188 x 1017. Untuk mencari konstanta keseimbangan pada suhu operasi dapat menggunakan persamaan :

Dari persamaan diatas, diperoleh harga K sebesar 1.0488 x 1023 yang menandakan reaksi tersebut irreversible.

2.2.4. Tinjauan Kinetika Kecepatan reaksi styrene menjadi butadiene sebagai berikut:Persamaan reaksi :2C4H6 C6H9CH=CH2C6H9CH=CH2 C6H5CH = CH2 + 2H2 Reaksi butadiene menjadi VCHr1= k1.CaDiperoleh harga k1 melalui persamaan berikut

Maka nilai k1 sebesar 2.68 x1025Reaksi VC H menjadi styrener1= k1.Ca

Nilai k sebesar -8.112.2.5. Deskripsi Proses Pembuatan Styrene dari Butadiena di ReaktorButadiene masuk kedalam reactor batch non adiabatis dengan laju alir sebesar 2000 kg/jam dengan konsentrasi awal 5gr/L. Kondisi operasi pada pembentukan styrene dari butadiene berlangsung pada suhu 140oC dan tekanan sebesar 4Mpa berlangsung selama 60 menit. Reaksi yang terjadi didalam reactor, butadiene dimerisasi pada 1,3-butadiene untuk membentuk 4-vinylcyclohexene-1 (VCH) dengan konstanta kecepatan reaksi 2.68 x1025 sesuai reaksi berikut :2C4H6 C6H9CH=CH2Selanjutnya VCH didehidrogenasi menjadi styrene dengan konstanta kecepatan reaksi sebesar -8.11:C6H9CH=CH2 C6H5CH = CH2 + 2H2 Berdasarkan Tugas Besar Model dan Komputasi Proses 2015, maka studi kasus yang akan dibahas adalah perancangan reactor dan simulasinya untuk reaksi seri, monomolekuler, irreversible, eksotermis pada reactor batch non Adiabatis. Reaksi yang akan digunakan adalah styrene dari butadiene. Dengan demikian maka yang akan dicari adalah Hubungan antara konsentasi dengan interval waktu tertentu.

Model dan Komputasi Proses

Cooling/heatingmedium in

Out

Feed

Product stream