bab i ardhi-ria p2

Batch

LAPORAN TUGAS BESAR

MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

BATCH

Oleh :

Abdullah Ardhi Firmansyah (21030113120075)

Annisa Rizky Cesaria (21030113140174)

LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2015

Model dan Komputasi Proses

Batch

BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Reaktor adalah bagian yang paling penting pada suatu proses kimia. Di unit

proses inilah reaksi pembentukan produk yang kita inginkan terjadi. Pada industri kimia

reaktor dinilai sebagai jantung dari industri tersebut.Pada dasarnya reaktor dibagi menjadi

dua proses yaitu reaktor batch dan reaktor kontinyu. Reaktor batch adalah reaktor yang

berkerja dengan fungsi waktu, pada reaktor ini juga tidak ada input dan output yang

terjadi selama proses. Sedangkan reaktor kontinyu adalah reaktor yang bekerja yang

bergantung pada fungsi volume.

Bagi sarjana Teknik Kimia memahami tentang perancangan suatu unit adalah

penting. Kita dituntut untuk dapat menyusun suatu proses serta mengaplikasikannya ke

dalam industri, dan perancangan suatu reaktor harus dipikirkan secara matang oleh

sarjana teknik kimia, karena unit inilah yang menghasikan produk yang akan

menghasilkan profit bagi industri. Perancangan ini tentunya memerlukan pendekatan

analitis seperti neraca panas, neraca massa dan lain – lain. Pendekatan analitis diperlukan

untuk mengetahui fenomena dalam reaktor itu sendiri, pendekatan analitis ini juga akan

membantu kita dalam menentukan desain reaktor.

Pada saat ini sudah banyak tools yang dapat membantu kita dalam membuat

sebuah perancangan unit dan melihat bagaimanakah fenomena yang terjadi di dalam unit.

Seperti contohnya adalah Scilab, Scilab adalah suatu software komputer yang dapat

membantu kita dalam menyelesaikan berbagai masalah proses, dalam hal ini perancangan

reaktor juga masuk di dalamnya. Penyelesaian perancangan menggunakan Scilab

tentunya harus dimulai dengan pendekatan analitis yang kita input sebagai perintah dan

logika dalam Scilab.Tugas besar ini akan membahas penyelesian perancangan reaktor

batch adiabatis dengan software Scilab.


Batch

I.2 Rumusan Masalah

Scilab adalah suatu software yang dapat membantu kita dalam penyelesian

modelling dan simulasi. Software ini akan menterjemahkan perintah dan logika yang kita

masukan sehingga akan membuat sebuah modelling dan simulasi yag kita inginkan.

Suatu modelling dan simulasi mengunakan Scilab haruslah mengetahui terlebih dahulu

dasar perhitungan dan logika (pendekatan analitis). Maka dari itu perlunya pemahaman

tentang konsep reaktor itu sendiri. Dalam pemodelan reaktor, kita dapat mengetahui

volume reaktor, konversi reaktan menjadi produk, dan hubungan antara waktu dan

konversi. Oleh karena itu dalam perancangan reaktor batch adiabatis ini digunakan

program scilab untuk memudahkan penyelesaian.

I.3 Tujuan

1. Medesain reaktor batch adibatis untuk reaksi pembentukan butena

2. Mengetahui bagaimana cara modelling dan simulasi menggunakan bantuan Software

Scilab

3. Mengetahui perhitungan neraca massa dan panas pada reaktor

4. Mengetahui hubungan konversi dengan waktu dalam reaktor batch adibatis

I.4 Manfaat

1. Mahasiswa dapat mempelajari bagaimana cara memodelkan dan mesimulasikan

suatu proses dengan bantuan Scilab

2. Hasil dari tugas ini diharapkan dapat membantu dalam mengetahui fenomena yang

terjadi pada reaktor batch adiabtis

3. Hasil dari tugas ini diharapkan dapat menjadi acuan perancangan reaktor

menggunakan metode scilab


Batch

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Dasar Teori

2.1.1. Jenis Reaktor

Dalam teknik kimia, reaktor adalah suatu jantung dari suatu proses kimia.

Reaktor kimia merupakan suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia.Secara

umum terdapat 2 jenis reaktor yaitu reaktor tangki dan reaktor pipa.Kedua-duanya

dapat digunakan sebagai reaktor batch atau reaktor kontinu.Biasanya, reaktor

beroperasi dalam keadaan steady state, tetapi kadang juga dioperasikan di dalam

suatu kondisi unsteady. Ada tiga model dasar utama dari reaktor kimia :

a. Batch reactor model ( Batch)

Batch reactor adalah tempat terjadinya suatu reaksi kimia tunggal, yaitu

reaksi yang berlangsung dengan hanya satu persamaan laju reaksi yang

berpasangan dengan persamaan kesetimbangan dan stoikiometri. Reaktor jenis

ini biasanya sangat cocok digunakan untuk produksi berkapasitas kecil misalnya

dalam proses pelarutan padatan, pencampuran produk, reaksi kimia, batch

distillation, kristalisasi, ekstraksi caircair, polimerisasi, farmasi dan fermentasi.

Terdapat beberapa ketetapan menggunakan reaktor tipe batch sebagai berikut :


Batch

Selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan temperatur

Pengadukan dilakukan dengan sempurna, konsentrasi di semua titik

dalam reaktor adalah sama atau homogen pada waktu yang sama

Reaktor ideal

Batch reactor bisa tersusun oleh sebuah tangki dengan pengaduk serta

sistem pendingin atau pemanas yang menyatu dengan reaktor.Tangki ini

memiliki ukuran yang bervariasi mulai dari < 1 L sampai > 15.000L tergantung

kebutuhan.Batch reactor biasanya terbuat dari baja, stainless steel atau baja

berlapis kaca.

Keuntungan penggunaan reaktor batch adalah sebagai berikut :

Ongkos atau harga instrumentasi rendah.

Penggunaannya fleksibel, artinya dapat dihentikan secara mudah dan

cepat kapan saja diinginkan.

Penggunaan yang multifungsi.

Reaktor ini dapat digunakan untuk reaksi yang menggunakan campuran

kuat dan beracun.

Mudah dibersihkan.

Dapat menangani reaksi dalam fase gas, cair dan cair-padat.

Kerugian dari penggunaan reaktor batch adalah sebagai berikut :

Kadang-kadang waktu shut downnya besar, yaitu waktu untuk

mengosongkan, membersihkan dan

mengisi kembali.

Pengendalian kualitas dari produk jelek atau susah.

Skala produksi yang kecil

b. Continous stirred-tank reactor model ( CSTR)

Continous stirred-tank reactor adalah proses umpan dan produk mengalir

secara terus-menerus.


Batch

Keuntungan penggunaan reaktor CSTR adalah sebagai berikut :

Bahan yg diolah lebih sedikit shg resiko kerusakan bahan lebih kecil

Kondisi operasi lebih seragam

Produk seragam

Biaya operasi & investasi rendah

Pengendalian kondisi operasi yang mudah

Kerugian penggunaan reaktor CSTR adalah sebagai berikut :

Untuk volume yang sama konversi lebih rendah daripada PFR

Tidak baik untuk fase gas karena rentan bocor

Tidak effisien untuk reaksi fase gas dan reaksi yang bertekanan tinggi.

c. Plug flow reactor model ( PFR)

Plug flow reactor adalah reaktor alir pipa, dimana umpan masuk pada

masukan pipa,terjadi reaksi sepanjang pipa lalu keluar. Konversi semakin lama

semakin tinggi di sepanjang pipa.Umumnya digunakanFase gas dengan tekanan

dan suhu tinggi. Contoh petrokimia dan pertamina

Keuntungan penggunaan reaktor PFR adalah sebagai berikut :

Konversi yang cukup tinggi

Waktu yang relatif lebih singkat

Kerugian penggunaan reaktor PFR adalah sebagai berikut :

Perawatan yang mahal

Memerlukan waktu utk kondisi steady state

2.1.2. Kondisi Operasi Reaktor

a. Reaktor Adiabatis

Reaktor yang disebut beroperasi secara adiabatik, jika tidak ada

perpindahan panas antara reaktor dengan sekelilingnya. Ditinjau dari segi

operasionalnya, reaktor adiabatik yang paling sederhana, cukup dengan

menyekat reaktor, sehingga tidak ada panas yang hilang ke sekelilingnya.Jika


Batch

reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat dipakai

untuk menaikkan suhu campuran di reactor(Davis & Davis, 2003).

b. Reaktor non-adiabatis

Reaktor yang disebut beroperasi secara non adiabatis, jika terjadi

perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya. Reaktor ini sering juga

disebut reaktor isothermal dikarenakan perpindahan panas yang ada digunakan

untuk menjaga suhu operasi di dalam reaktor. Reaktor jenis ini mudah dikenali

dengan pemasangan heater dan cooler pada reaktor.(Davis & Davis, 2003)

2.1.3. Sifat Reaksi

Dalam reaksi kimia, ada reaksi yang membutuhkan energi panas dan juga ada

reaksi yang melepas energi panas. Secara umum ada dua yaitu :

a. Eksotermis

Reaksi eksoterm adalah reaksi yang menyebabkan adanya transfer kalor

dari sistem ke lingkungan.Reaksi eksoterm selalu ditandai dengan adanya

kenaikan suhu sistem saat reaksi berlangsung.Perubahan entalpi dihitung

denganΔH = energi untuk memutus ikatan energi untuk membuat produk

reaksi(Nanda, 2014)

Dengan demikian, perubahan entalpi bertanda negatif (ΔH < 0).Hal ini

dikarenakan energi yangdilepaskan lebih besar daripada energi yang digunakan

untuk reaksi.

Contoh reaksi eksoterm yang lain adalah:

Reaksi pembakaran

Reaksi netralisasi asam dan basa

Reaksi korosi seperti oksidasi logam

Reaksi polimerisasi

Respirasi

Dekomposisi tumbuhan menjadi kompos


Batch

b. Endotermis

Reaksi endoterm adalah reaksi yang menyebabkan adanya transfer kalor

dari lingkungan ke sistem.Reaksi endoterm ditandai dengan adanya penurunan

suhu sistem.Dengan demikian kalordipindahkan dari lingkungan ke dalam

sistem reaksi.Reaksi endoterm mempunyai entalpi bernilaipositif (ΔH > 0).

Energi yang dilepaskan lebih kecil daripada energi yang digunakan saat

reaksi(Nanda, 2014)

Contoh reaksi endoterm yang lain adalah:

Fotosintesis

Cracking alkana

Reaksi dekomposisi termal

Es batu meleleh

2.1.4. Jenis Reaktan

a. Reaksi Unimolekuler

Reaksi unimolekuler adalah suatu reaksi yang reaktannya hanya melibatkan

satu molekul zat. Reaksi ini biasa terjadi pada dekomposisi suatu zat.

Contoh reaksi unimolekuler yang sederhana adalah pemecahan molekul

radioaktif uranium menjadi thorium dan helium :

92U238 90Th234 + 2He4 (Fogler, 2004)

b. Reaksi Bimolekuler

Reaksi Bimolekuler adalah suatu reaksi yang melibatkan 2 molekul reaktan

atau bisa dibilang produk terjadi dikarenakan reaksi antara 2 molekul

reaktan. Contoh sederhana dari rekasi ini adalah reaksi netralisasi antara

NaOH dan HCl :

NaOH + HCl NaCl + H2O

c. Reaksi Termolekular


Batch

Reksi termolekular adalah suatu reaksi yang melibatkan 3 molekul reaktan

untuk menghasilkan suatu produk. Reaksi ini memang tidak terlalu dikenal

seperti bimolekular dan unimolekular. Contoh dari reaksi ini adalah sebagai

berikut :

NaOH + CH, Br CH3OH + NaBr (Fogler, 2004)

2.1.5. Jenis Reaksi

Reaksi yang terjadi di dalam suatu reaktor jarang sekali hanya terdiri satu buah

reaksi (reaksi tunggal/ single reaction) tetapi kebanyakan yang terjadi adalah reaksi

ganda (multiple reaction) yang akan dihasilkan produk yang diinginkan dan produk

yang tidak diinginkan. Reaksi ganda terdiri dari reaksi paralel dan reaksi seri

a. Reaksi Paralel

Reaksi paralel atau reaksi samping (competitive reaction) yaitu dari reaktan

yang sama dihasilkan produk yang berbeda melalui jalur reaksi yang berbeda

pula.(Levenspiel, 1999)

Contoh reaksi paralel yang cukup terkenal pada skala industri adalah reaksi

oksidasi terhadap etilen akan dihasilkan produk yang diinginkan adalah etilen

oksid sementara selama terjadi reaksi oksidasi sebagian etilen terbakar

sempurna dan dihasilkan produk yang tidak diinginkan adalah uap air dan

karbon dioksida

b. Reaksi Seri

Reaksi seri atau reaksi konsekutif yaitu dari reaktan terbentuk produk antara

yang aktif kemudian lebih lanjut berubah menjadi produk lain yang

stabil(Levenspiel, 1999)


Batch

Reaksi seri yang terkenal pada skala industri adalah reaksi antara etilen-

oksid dan ammonia berurutan terbentuk mono-etanol-amin, kemudian reaksi

berlanjut terbentuk di-etanol-amin dan produk akhir adalah tri-etanol-amin

2.1.6. Arah Reaksi

Dalam reaksi kimia, terdapat dua jenis reaksi yaitu reaksi bolak-balik

(reversible) dan reaksi searah (irreversible).Reaksi reversible adalah suatu reaksi

yang yangberlangsung dalam dua arah.Zat hasil reaksi dapat bereaksi kembali

membentuk zat pereaksi.Sedangkan reaksiirreversible adalah suatu reaksi yang

berlangsung dalam satu arah.Zat hasil reaksi tidakdapat bereaksi membentuk

pereaksi. Penentuan apakah reaksi berjalan reversible atau irreversible dapat

ditentukan dengan cara menghitung harga tetapan kesetimbangan (K). Nilai K

ditentukan dengan cara (Kristianingrum,2010) :

1. Perhitungan konsentrasi pada kondisi setimbang.

2. Perhitungan dari data termodinamika G dan K.

Hubungan G dan K dituliskan sebagai berikut :

∆G = -RT ln K.

Apabila nilai K relatif kecil, maka reaksi berjalan reversible, namun

apabila nilai K terlalu besar, maka reaksi berjalan irreversible.

2.2. Studi Kasus

2.2.1 Tinjauan Termodinamika

Untuk menentukan sifat reaksi berjalan eksotermis atau endotermis tentunya perlu

dibuat sebuah tinjauan yang menyatakan hal tersebut. Disinilah tinjauan thermodinamika


Batch

diperlukan untuk menentukan sifat dari reaksi yang nantinya juga akan mempengaruhi

desain reaktor seperti contoh jika reaksinya eksotermis berarti membutuhkan cooling jaket

atau jika pada endotermis itu berarti membutuhkan heater. Pada reaksi dehidrasi n-butanol

yang bereaksi sesuai (Gunawan, Dewi, & Geronica, 2004):

Reaksi utama = C4H9OH C4H8 + H2O

Reaksi Samping = 2C4H9OH C4H9-O-C4H9 + H2O

Maka tinjaun termodinamikanya adalah sebagai berikut

ΔHf.298 C4H9OH = -67,81 kcal/mol (Green & Perry, 2007)

ΔHf.298 C4H8 = -2,405 kcal/mol (Green & Perry, 2007)

ΔHf.298 H2O = -68,3174 kcal/mol (Green & Perry, 2007)

ΔHf.298 C4H9-O-C4H9 = -79,8279 (Green & Perry, 2007)

ΔHreaksi utama = ΔHfproduk - ΔHfreaktan

= (-2,405-68,3174)-(-67,81)

= -2,9124 kcal/mol

ΔHreaksi samping = ΔHfproduk - ΔHfreaktan

= (-79,8279-68,3174)-(-2x67,81)

= -12,5224 kcal/mol

∆G298 C4H9OH = -38,88 kcal/mol (Green & Perry, 2007)

∆G298 C4H8 = 14,574 kcal/mol (Green & Perry, 2007)

∆G298 H2O = -56,6899 kcal/mol (Green & Perry, 2007)

ΔGreaksi utama = ΔGproduk - ΔGreaktan

= (14,574+(-56,6899))-(-38,88)

= -3,2359 kcal/mol

Dari persamaan van Hoff :

ΔG298 = -RT ln K


Batch

K = −∆ G

RT

K = −(−12522

Jmol

)

8,314J

mol K(298 K)

K = 5,054

Dari hasil perhitungan diatas diketahui bahwa kedua reaksi berlangsung secara

eksotermis yang bertarti kedua reaksi tersebut mengeluarkan panas pada reaksinya. Serta

didapatkan nilai K>1 maka dapat disimpulkan bahwa reaksi merupakan reaksi irreversible.

2.2.2 Tinjauan Kinetika

Pengaruh temperatur terhadap kinetika reaksi dapat ditentukan dengan persamaan

Arhenius :

k = Ae-Ea/RT (pers 32 hal 21 Levenspiel).

Harga A, E, dan R tetap. Harga k dipengaruhi oleh temperatur reaksi.Jika harga T

besar maka k besar. Adapun persamaan kecepatan reaksi untuk dehidrasi n-butanol adalah:

rA = k1 CA

rA = k2 CA

k = 7,99x10-6 e-21,5/RT (Gunawan & Susanto,2008)

Pengaruh tekanan terhadap kinetika reaksi, pada tekanan rendah, reaksi cenderung

bergeser ke kanan mengingat jumlah mol gas diruas kanan lebih besar dibanding ruas

kiri.Diharapkan terbentuk produk lebih banyak.Sebaliknya pada tekanan besar reaksi

cenderung bergeser ke kiri, akibatnya produk yang terbentuk tidak sebanyak reaksi pada

tekanan rendah.Oleh sebab itu dipilih tekanan operasi rendah.

2.2.3 Permasalahan yang Akan Diselesaikan


Batch

Pembuatan Butene dilakukan dengan reaksi dehidrasi n-butanol menjadi butene dan

air pada suhu 289 0K menggunakan Batch Reactor dengan kondisi adiabatis. Data yang

digunakan untuk perancangan yaitu :

ΔHf.298 C4H9OH = -67,81 kcal/mol

ΔHf.298 C4H8 = -2,405 kcal/mol

ΔHf.298 H2O = -68,3174 kcal/mol

∆G298 C4H9OH = -38,88 kcal/mol

∆G298 C4H8 = 14,574 kcal/mol

∆G298 H2O = -56,6899 kcal/mol

Cp C4H8` = 0,0876 KJ/mol K

Cp C4H9OH = 0,17686 KJ/mol K

Cp H2O = 4,180 KJ/kg K

Fao = 1000 l/s

Volume reaktor = 10000 l

Selektivitas terhadap reaksi samping 20%

a. Hitunglah neraca panas dan massa

b. Bagaimanakah profil konversi butanol terhadap waktu jika reaktor bekerja 1 jam?


Batch

Daftar Pustaka

Davis, M., & Davis, r. (2003). Fundamental Chemical Reaction Engineering. New York: McGraw-Hill Book.

Fogler, S. (2004). Element Of Chemical Reaction Engineering. New Delhi: Prentice-Hall of India.

Green, D., & Perry, R. (2007). Perry's Chemical Engineers Handbook. New York: McGraw-Hill Book.

Gunawan, M. L., & Susanto, H. (2008). Dehidrasi N-Butanol Menjadi Senyawa Butene pada Katalis Molekular Sieve 13 x dalam Kolom Unggun Tetap. Jurnal Teknik Kimia Indonesia, 643-648.

Gunawan, M. L., Dewi, A. S., & Geronica, F. (2004). Uji Katalis Zeolit-Y Komersial Hasil Regenerasi Terhadap Reaksi Dehidrasi N-Butanol.

Levenspiel, O. (1999). Chemical Reaction Engineering. New York: John Wiley and Sons.

Nanda, B. (2014, November 26). Termokimia. Retrieved from Ilmu Kimia: http://www.ilmukimia.org/2014/08/reaksi-eksoterm-dan-endoterm.html


NOTEBOOK, 27/11/15,

Format pustaka sesuai format Harvard

bab i ardhi-ria p2

Documents