Abstrak Reaktor tangki berpengaduk merupakan reaktor yang paling sering dijumpai dalam industri kimia. Hal ini dikarenakan kemampuan operasinya yang dapat diatur kapasitasnya. Percobaan reaktor alir kontinyu bertujuan untuk menghitung harga konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH, mengetahui pengaruh pengadukan terhadap konstanta reaksi penyabunan etil asetat dengan NaOH, mengetahui hubungan orde reaksi dengan harga konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH, membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model matematis reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu. Pada percobaan ini variabel tetap yang digunakan adalah tinggi cairan 10 cm, konsentrasi NaOH dan etil asetat 0,1 N, dan konsentrasi HCl 0,05 N sedangkan variabel berubahnya adalah pengadukan lambat, sedang, dan cepat. Dari hasil percobaan diperoleh bahwa semakin cepat pengadukan, NaOH sisa (Ca) semakin sedikit sehingga orde reaksi dan harga konstanta reaksi penyabunan etil asetat dengan NaOH (k) semakin besar. Ca model lebih kecil dari Ca percobaan karena perhitungan Ca model yang menggunakan metode Runge Kutta yang keakuratannya tinggi, sedangkan Ca percobaan diperoleh dari percobaan. Kata kunci : Reaktor tangki berpengaduk, pengadukan, konstanta reaksi penyabunan

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Tujuan Percobaan

Untuk menentukan konstanta kecepatan reaksi pada raktor CSTR

1.2 Teori

1.2.1 Pengertian Reaktor

Reaktor merupakan alat utama pada industri yang digunakan untuk proses

kimia yaitu untuk mengubah bahan baku menjadi produk. Reaktor dapat

diklasifikasikan atas dasar cara operasi, fase maupun geometrinya. Berdasarkan

cara operasinya dikenal reaktor batch, semi batch, dan kontinyu. Berdasarkan fase

reaksi yang terjadi didalamnya reaktor diklasifikasikan menjadi reaktor homogen

dan reaktor heterogen, sedangkan ditinjau dari geometrinya dibedakan reaktor

tangki berpengaduk, reaktor kolom, reaktor fluidisasi dan lain lain. Reaktor

merupakan alat yang sangat peting dalam suatu proses begitupula , laju aliran

yang digunakan dalam suatu proses.

Dalam industri kimia, hampir dapat dipastikan terdapat pengendalian laju

alir. Oleh sebab itu, mempelajari dinamika tangki adalah hal yang sangat penting

untuk diketahui dan dipelajari. Jenis reaktor yang akan digunakan dalam suatu

proses reaksi pun perlu diperhatikan guna membantu proses reaksi berjalan

dengan baik.

Perhitungan-perhitungan yang melibatkan reaktor tangki biasanya

menganggap reaktor ideal, seperti waktu tinggal partikel adalah sama semua

reaktan dan penyebaran yang homogenya disemua tempat dalam reaktor yang

digunakan. Peristiwa penyebaran partikel yang menyeluruh akan mengakibatkan

konsentrasi di dalam masing-masing reaktor tangki akan menjadi konstan.

Reaktor

1.2.2 Reactor Batch

Neraca bahan pada reaktor secara simultan

output

input reaktan

bereaksi

akumulasi

Gambar 1.1 Bagan Neraca Massa Suatu Sistem

input = 0

output = 0

Reaktan yang bereaksi = (-rA)

Input = output + reaktan yang bereaksi + akumulasi

0 = 0 + v (-rA) + d (NA)dt

…(1)

0 = Vi (-rA) + d [NAo (1−XA )]

dt …(2)

0 = Vi (-rA) – NAo dXAdt

…(3)

dt = NAo

Vi(−r A)dXA …(4)

t = NAo ∫0

XAdXA

Vi(−r A) …(5)

Pada volume konstan

CA = CAo(1-XA)

dCA = -CAo.dXA …(6)

Pers. (6) masuk ke pers. (5) diperoleh

t = CAo ∫0

XAdNA−rA

= -∫CAo

CAdCA−rA

…(7)

1.2.3 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 hokum kekekalan massa

Akumulasi = input-output

ρ dvdt

= ρ Fo – 0 …(8)

dV = Fo.dt , pada t = 0 → V = 0

karena density laju alir dianggap konstan maka volumenya hanya merupakan

fungsi dari waktu.

V = Fo. T …(9)

Sedangkan dari neraca komponen :

Akumulasi = input – output – laju konsumsi karena reaksi

ddt

(V .C) = Fo. Co – 0 – V (-rA) …(10)

Dalam hal ini :

V = volume bahan dalam reactor (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 → C + D

- rA = k CA CB , karena CA = CB maka

- rA = k CA2 = k C2 …(11)

Pers. (11) → pers.(10)

ddt

(V .C) = Fo. Co – V.k.C2

V dCdt

+ C dVdt

= Fo. Co – V.k.C2 …(12)

Pers. (9) → pers. (12)

Fo.t.dCdt

+ C.Fo = Fo.Co – F.t.k.C2 …(13)

dCdt

= Cot

- Ct

- k.C2 …(14)

Dengan menggunakan boundary condition pada t=0 , C = Co dan substitusi U =

exp [k∫C dt ¿¿ maka pers.14 menjadi :

t2 d2Udt 2 + t

dUdt

- k.U. Co. t = 0 …(15)

Pers. (15) diubah menjadi fungsi Bessel dengan substitusi z = t0,5 , menjadi :

z2. d2Vd t2

+ z dVdt

- 4.k.Co.z2.u = 0 …(16)

Pers. (16) merupakan modifikasi pers.Bessel yang mempunyai bentuk umum

sebagai berikut:

x2. d2 yd t2

+ x (a + 2bxr) dydx

+ [c + dx2s – b(1-a-r) x.r + b2.x2.r].y = 0

Dari pers.(5) didapatkan :

a = 1

r = 0

p = 1s

❑√ (1−a)2

2−c = 0

b = 0 s = 0 p = 0

c = 0 d = -4.k.Co √ ds = imajiner

Sehingga penyeledaian pers. (16) adalah :

U = C1. zp. (√4.k .Co. z) + Cz. zp.( √4.k .Co. z) …(18)

Pada t = 0, z = 0 → zp = ~

Sehingga Cz = 0

U = C1. Zp (√4.k .Co. z)

Karena p = 0 dan √d /s = imaginer

Maka = U = C1. I0 (√4.k .Co. z)

dUdt

= ddz

C1. I0 (√4.k .Co. z) …(19)

Dari Sherwood halaman 178 pers. (5.83) didapatkan

dUdt

= C1. (√4.k .Co. z) I0 (√4.k .Co. z) …(20)

Dari substitusi semula, diperoleh :

dUdt

= 2.k. Cz. C1. I0 (√4.k .Co. z) …(21)

Maka pers. (14) dan (15) diperoleh :

C1. (√4.k .Co. z) I0 (√4.k .Co. z) =k. C. C1. I0 (√4.k .Co. z)

C = (√4.k .Co . z )I 0(√4.k .Co. z)k .C2 .C . I 0(√4.k .Co. z)

C = C0.T 1(2√k .Co .T )k .t .T 0(2√k .Co.T )

…(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 dVdt

= 0

Dari neraca massa komponen diperoleh :

ddt

(V .C) = F.Co – F.C – k.V.C2 …(23)

VdCdt

- C dVdt

= F.Co – F.C - k.V.C2 …(24)

Apabila T = t – Ť waktu, menit

Ť = VF

konstanta waktu

Pers. (24) menjadi

dCdt

= CoŤ

- CŤ

k. C 2 …(25)

Pada keadaan steady state C = Co

Penyelesaian partikular pers. (25) adalah C – Cs, dimana Cs adalah konsentrasi

pada keadaan steady.

Substitusikan C = Cs + 1/ s

Pers. (25) berubah menjadi pers.differential orde 1 yang mana dapat diselesaikan

dengan metode factor integrasi

C – Co = 1

B . sxp (AT )− KA

…(26)

C1 adalah konsentrasi awal tiap tahap kedua yaitu pada saat t = Ť 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 – Co = F.C + Vr …(27)

F – Co = F.C + V.k.Cs2 …(28)

Co = Cs + VF

k. Cs 2 …(29)

k. Ť. Cs 2 + Cs – Co = 0 …(30)

Apabila k diketahui maka Cs dapat diprediksikan. Sebaliknya apanila Cs

diukur maka nilai k dapat dihitung. Pers. (30) merupakan persamaan aljabar biasa

dan dapat diselesaikan dengan mudah.

1.2.4 Tinjauan Thermodinamika

Reaksi = CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH

Untuk menetukan sifat reaksi apakah berjalan eksotermis / endotermis

maka perlu membuktikan dengan menggunakan panas permbentukan standart

(∆Hf) pada 1 atm dan 298 K dari reaktan dan produk

∆H298 = ∆Hreaktan - ∆Hproduk

Diketahui data sebagai berikut :

∆H CH3COOC2H5 = -444.500 J/mol

∆H NaOH = -425.609 J/mol

∆H CH3COONa = -726.100 J/mol

∆H C2H5OH = -235 J/mol

Sehingga

∆H reaksi = (∆H CH3COONa + ∆H C2H5OH) – (∆H CH3COOC2H5 +

∆H NaOH )

= -726.100 + -235.609 – (444.500 + 425.609)

= -91091 J/mol

Karena ∆H bernilai negative maka reaksi yang berlangsung adalah reaksi

eksotermis yang menghasilkan panas.

1.2.5 Tinjauan Kinetika

Reaksi = CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa + C2H5OH

Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan searah atau bolak balik

dapat diketahui dari nilai konstanta keseimbangan reaksi. Pada suhu kamar

diperoleh data :

∆G CH3COOC2H5 = -328 000 J/mol

∆G NaOH = -379 494 J/mol

∆G CH3COONa = -631 200 J/mol

∆G C2H5OH = -168 490 J/mol

Sehingga,

∆H reaksi = ∆G produk - ∆G reaktan

= [∆G CH3COONa + ∆G C2H5OH] – [∆G

CH3COOC2H5 + ∆G NaOH]

= [-631 200 - 168 490] J/mol – [-328 000 - -379

494]

= -92 196 J/mol

ddT

(∆G /RT ) = ∆ H

RT 2

∆G = RT ln K

K pada standar 298° K = e(−∆G /RT)

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(Kk '

) = - ∆ H °R

(1T

− 1T 1

)

ln( 4,19 .10−67

k ') = -

910911,987

(1

298− 1

343)

= 20, 1827

k’ = 7, 715 . 1058

Karena harga konstanta keseimbangan besar, maka reaksi berlangsung

searah (irreversible).

1.2.6 Sifat Fisis dan Sifat Kimia Reagen

1) NaOH

Sifat fisis :

- Berat Molekul = 40 gr/mol

- Titik didih = 134 °C

- Titik lebur = 318, 4 °C

- Berat jenis = 2, 130 gr/mol

- Kelarutan dalam 100 bagian air dingin 10 °C = 42

- Kelarutan dalam 100 bagian air panas 100°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 °C

Berat molekul = 88 gr/mol

Titik lebur = -111 °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.

1.2.7 Faktor - Faktor yang Mempengaruhi Harga k

Persamaan Arhenius

1. Frekuensi tumbukan

Pengadukan akan memperbesar tumbukan partikel sehingga akan

menaikan energi aktifasi,jika energi aktivasi naik, 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. 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.

DAFTAR PUSTAKA

Abu Khalaf, A.M., “Chemical Engineering Education”, 28 (1), 48. 1994

Charles, E. R, Harold, SM and Thomas K.S., “Applied Mathematics in Chemical

Engineering” 2nd end.,Mc. Graw Hill Book Ltd. 1987, New York

Hill, G.C., “An Introduction to Chemical Engineering Kinetika and Reactor

Design”. 1nd ed, John Willey, New York, N.Y, 1977

Levenspiel. O., “Chemical Reaction Engineering” 2nd ed, Mc. Graw Hill Book

Kogakusha Ltd, Tokyo, 1970

Daftar pustaka bisa bertambah , disesuaikan dengan kebutuhan, terutama pustaka-

pustaka yang mendukung ketika Anda membahas hasil percobaan.