BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Teknik Kimia merupakan salah satu bidang teknologi yang mempunyai

peranan yang sangat besar, terutama berkaitan dengan rekayasa dan operasional

suatu Industri. Tenaga ahli di bidang ini sangat dibutuhkan dalam mendukung

pembangunan di bidang industri di Indonesia. Sebagai sarjana teknik kimia kita

bertugas untuk merancang pabrik. Perancangan pabrik yang dimaksud disini

adalah merancang proses-proses yang terjadi dalam pabrik, seperti perancangan

reaksi dalam reaktor untuk menghasilkan produk yang diharapkan.

Reaktor merupakan salah satu bagian yang penting pada industri kimia.

Pada suatu reaktor akan terjadi proses reaksi kimia antara dua unsur atau lebih

dan akan menghasilkan bahan hasil reaksi sesuai dengan keperluan industri.

Perancanagn reaktor ini memerlukan pemrograman untuk menyelesaikanya. Hal

ini karena untuk melakukan pendekatan teoritis. Pada perhitungan-perhitungan

yang terkait dengan penggunaan reaktor alir kimia dalam industri, umumnya

didekati dengan keadaan ideal. Namun sesungguhnya, yang terjadi dalam reaktor

belum tentu ideal. Ketidakidealan ini dapat mengakibatkan kesalahan hasil

perhitungan, yang bisa berdampak buruk. Oleh karena itu, perlu dilakukan

evaluasi unjuk kerja terhadap reaktor (Kundari, 2009).

 Dalam merancang reaktor ini terdapat banyak metode untuk

menyelesaikan berbagai kasus yang berhubungan dengan reaksi dan reaktor.

Metode numerik merupakan salah satu metode untuk menyelesaikan

permasalahan model matematis dari berbagai bidang, baik dalam bidang teknis

maupun sains. Penyelesaian model matematis dengan dengan metode numerik ini

tidak lepas dari aplikasi pemprograman komputer. Dalam tugas besar ini

digunakan software Scilab untuk menyelesaikan pemodelan tersebut. Dalam hal

ini akan dibuat suatu perancangan reaktor CSTR adiabatis untuk menentukan

volume reaktor dan profil suhu terhadap konversi yang dihasilkan.

1.2 Rumusan Masalah

Berdasarkan penjelasan pada latar belakang, maka dapat dirumuskan

perancangan mix reaktor pembentukan 1,3 butadiena. Proses pembentukan 1,3

butadiena ada beberapa cara, salah satunya adalah dengan metode dehidrogenasi

oksidatif dengan bantuan katalis campuran Al2O3 dan Cr2O3 yang berbentuk

serbuk. Reaksi pembentukan 1,3 butadiena berlangsung pada suhu 500-600oC dan

tekanan 1 atm (Wulandhanie, 2007). Dengan kondisi tersebut ingin dirancang

sebuah mix reaktor yang sesuai dengan memanfaatkan program Scilab. Dan pada

perancangan reaktor ini dapat menentukan volume reaktor atau profil suhu

terhadap konversi yang dihasilkan.

1.3 Tujuan

1. Dapat merancang program komputasi untuk menghitung volume reaktor pada

reaktor CSTR adiabatis.

2. Mampu mensimulasikan reaktor berdasarkan program komputasi yang telah

disusun.

1.4 Manfaat

1. Mahasiswa mampu merancang program komputasi untuk menghitung volume

reaktor pada reaktor CSTR adiabtis.

2. Mahasiswa dapat memperoleh ilmu tentang mensimulasikan perhitungan

perancangan reaktor yang bisa mempermudah dalam proses perhitungan.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Landasan Teori

2.1.1. Jenis-Jenis Reaktor

A. Berdasarkan bentuknya

1. Reaktor tangki

Dikatakan 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.

2. Reaktor pipa

Biasanya 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.

B. Berdasarkan prosesnya

1. Reaktor Batch

Biasanya untuk reaksi fase cair

Digunakan pada kapasitas produksi yang kecil

Keuntungan reactor batch:

- Lebih murah dibanding reactor alir

- Lebih mudah pengoperasiannya

- Lebih mudah dikontrol

Kerugian reactor 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

reactor, waktu reaksi)

2. Reaktor Alir (Continous Flow)

Ada 2 jenis:

a. RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk)

Keuntungan:

Suhu dan komposisi campuran dalam rerraktor sama

Volume reactor besar, maka waktu tinggal juga besar, berarti

zat pereaksi lebih lama bereaksi di reactor.

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.

b. 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 sama

Kerugian:

Harga alat dan biaya instalasi tinggi.

Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state.

Untuk reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi “Hot Spot”

(bagian yang suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan .

Dapat menyebabkan kerusakan pada dinding reaktor.

3. Reaktor semi batch

Biasanya berbentuk tangki berpengaduk

C. Jenis reaktor berdasarkan keadaan operasinya

1. 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.

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-Adiabatis

D. Reaktor Gas Cair dengan Katalis Padat

1. Packed/Fixed bed reaktor (PBR).

Terdiri dari satu pipa/lebih berisi tumpukan katalis stasioner dan

dioperasikan vertikal. Biasanya dioperasikan secara adiabatis.

2. 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

E. Fluid-fluid reaktor

Biasa digunakan untuk reaksi gas-cair dan cair-cair.

1. Bubble Tank.

2. Agitate Tank

3. Spray Tower

Pertimbangan dalam pemilihan fluid-fluid reaktor.

1. Untuk gas yang sukar larut (Kl <) sehingga transfer massa kecil maka

Kl harus diperbesar .Jenis spray tower tidak sesuai karena kg besar

pada Spray Tower

2. Jika lapisan cairan yang dominan, berarti tahanan dilapisan cairan

kecil maka Kl harus diperbesar

» jenis spray tower tidak sesuai.

3. Jika lapisan gas yang mengendalikan (maka Kg <)

» jenis bubble tank dihindari.

4. Untuk gas yang mudah larut dalam air

» jenis bubble tank dihindari.

2.1.2.Reaksi Endotermis dan Reaksi Eksotermis

A. Reaksi Eksoterm

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 dengan:

ΔH = energi untuk memutus ikatan = energi untuk membuat produk

reaksi

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

dikarenakan energi yang dilepaskan lebih besar daripada energi yang

digunakan untuk reaksi.

Contoh reaksi eksoterm salah satunya adalah reaksi pembentukan air

dari hidrogen dan oksigen sebagai berikut:

2H2 (g) + O2 (g) → 2H2O (g) ΔH = −483,6 kJ/mol

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

B. Reaksi endoterm

Reaksi endoterm adalah reaksi yang menyebabkan adanya transfer kalor

dari lingkungan ke sistem. Reaksi endoterm ditandai dengan adanya

penurunan suhu sistem. Dengan demikian kalor dipindahkan dari

lingkungan ke dalam sistem reaksi. Reaksi endoterm mempunyai entalpi

bernilai positif (ΔH > 0). Energi yang dilepaskan lebih kecil daripada

energi yang digunakan saat reaksi.

Salah satu contoh reaksi endoterm adalah reaksi pembentukan nitrogen

oksida dari gas nitrogen dan oksigen sebagai berikut:

N2 (g) + O2 (g) → 2NO (g) ΔH = +180,5 kJ/mol

Contoh reaksi endoterm yang lain adalah:

Fotosintesis

Cracking alkana

Reaksi dekomposisi termal

Es batu meleleh

2.1.3.Reaksi Reversible dan Reaksi Irreversible

Reaksi reversible adalah reaksi yang berlansung dua arah yaitu reaksi maju

dan reaksi balik. Sedangkan reaksi irreversible adalah reaksi yang

berlansung satu arah. Pada sistem kesetimbangan reaksi bersifat reversible.

contoh reaksi irreversible

CaCO3(s)   +   2HCl (aq)        →       CaCl2(aq)    +     CO2(g)  +  H2O  (l)

Reaksi reversible

CUSO4.5H2O(s)                  ↔       CuSO4 (s)     +   5H2O (l)

2.1.4.Molekularitas

1. Reaksi Unimolekular

Reaksi unimolekular meliputi satu molekul pereaksi dan salah satunya

isomerisasi

A B

Atau dekomposisi

A B + C

Beberapa contoh reaksi-reaksi Unimolekular

CH3NC CH3CN

C2H6 2 CH3

C2H5 C2H4 + H

2. Reaksi Bimolekular

Reaksi 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)

A + B AB

2A A2

Atau reaksi pertukaran

A + B C + D

2A C + D

Beberapa contoh reaksi-reaksi bimolekular

CH3 + C2H5 C3H8

CH3 + CH3 C2H6

H + H2 H2 + H

O3 + NO O2 + NO2

3. Reaksi Termolekular

Reaksi ermolekular relatif jarang terjadi mereka termasuk tumbukan

pada tiga molekul secara serentak menghasilkan satu atau lebih produk

A + B + C produk

Beberapa contoh reaksi-reaksi termolekular

NO + O2 2NO2

NO + Cl2 2NOCl

2I + H2 2HI

H + H + Ar H2 + Ar

2.2 Studi Kasus

Reaksi pembentukan 1,3 butadiena di lakukan dengan menggunakan

metode dehidrogenasi oksidatif. Yaitu dengan mereaksikan gas n-butana pada

reaktor dengan kondisi operasi 500-600oC dan pada tekanan 1 atm. Pada reaksi

pembentukan 1,3 butadiena terdapat reaksi samping yang berjenis reaksi pararel.

Yaitu gas n-butana dapat bereaksi dengan steam menghasilakan 1,3 butadiena

dan air.

Reaksi utama yang terjadi :

C4H8 → C4H6 + H2

Reaksi samping yang terjadi :

C4H8 + 12

O2 → C4H6 + H2O

Dilihat dari tinjauan thermodinamikanya, reaksi pembentukan 1,3

butadiena dengan bahan baku butena adalah reaksi yang bersifat eksotermis.

𝜟Ho298 = 𝜟Hf

o produk – 𝜟Hf

o reaktan

Diketahui data-data pada suhu kamar : 𝜟Hfo C4H8 = – 540 J/mol 𝜟Hfo C4H6 = 109240 J/mol𝜟Hfo H2 = 0 J/mol𝜟Hfo O2 = 0 J/mol

𝜟Hfo H2O = – 241818 J/mol

Untuk reaksi (1) : C4H8 → C4H6 + H2𝜟Ho298 = 𝜟Hf

o produk – 𝜟Hf

o reaktan

= 109240 – (– 540 + 0 )

= 109780 J/mol

Entalpi reaksi standart (𝜟H298) untuk reaksi tersebut adalh 109780 J/mol.

Untuk reaksi (2) : C4H8 + 0.5 O2 → C4H6 + H2O𝜟Ho298 = 𝜟Hf

o produk – 𝜟Hf

o reaktan

= (109240 + (–241818)) – (–540 + 0)

= (–132578) + 540

= –132038

Entalpi reaksi standart (𝜟H298) untuk reaksi tersebut adalah –132038 J/mol.

Entalpi standart secara keseluruhan reaksi bersifat eksotermis, artinya ada

sejumlah panas yang dilepaskan oleh reaksi pembentukan 1 mol 1,3 butadiena

pada konsisi standar 298K.

Dan untuk menentukan reaksi tersebut bersifat reversible atau

irreversible. Hal tersebut dengan meninjau energi bebas gibbs.𝜟Go298 = 𝜟Gf

o produk – 𝜟Gf

o reaktan

Diketahui data-data pada suhu kamar : 𝜟Gfo C4H8 = 70340 J/mol 𝜟Gfo C4H6 = 149795 J/mol𝜟Gfo H2 = 0 J/mol𝜟Gfo O2 = 0 J/mol𝜟Gfo H2O = – 228572 J/mol

Untuk reaksi (1)𝜟Go298 = 𝜟Gf

o produk – 𝜟Gf

o reaktan

= 149795 – (70340 + 0)

= 79455 J/mol

ln K = – 𝜟G / RT

= –79455 / (8.314 x 298)

ln K= – 32.0697

K = 1.181 . 10-14

Untuk reaksi (2)𝜟Go298 = 𝜟Gf

o produk – 𝜟Gf

o reaktan

= (149795 + ( –228572)) – (70340 + 0)

= –149117 J/mol

ln K = – 𝜟G / RT

= 149117 / (8.314 x 298)

ln K= 60.1867

K = 1.376 . 1026

Karena harga konstanta kesetimbangan sangat besar maka dapat dikatakan reaksi

bersifat irreversible.

Pada tinjauan kinetika reaksi fasa gas dengan katalis padat terjadi

perpindahan reaktan dari fase gas ke antar muka gas padat. Persamaan yang

digunakan pada difusi reaktan adalah :

Difusi reaktan : r = kg a (pg – pi) ……(1)

Dimana, kg = koefisien transfer massa fase gas, mole/h.atm.cm2

a = luas eksternal partikel katalis per unit massa

pg = tekana parsiil fase gas

pi = tekanan parsiil di lapisan antar muka gas – padat

Harga kg dapat dihitung dari persamaan sebagai berikut :

Kg Mm pi (µ/𝝆D)2/3 G-1 = 0.989 (dp G/µ)-0.41 ……(2)

Atau Kg Mm pi (µ/𝝆D)2/3 G-1 = 1.82 (dp G/µ)-0.51 ……(3)

Dimana persamaan (2) berlaku untuk (dp G/µ) lebih besar dari 350 dan

persamaan (3) berlaku untuk bilangan Reynold yang lebih kecil.

Produk yang telah dihasilkan dari permukaan katalis akan menurunkan

energi aktivasi dan melepas situs aktifnya. Kecepatan terjadinya deaktivasi sesuai

dengan konsep Arhenius, k = A e-E/RT.

Pada tahap ini terjadi deaktivasi butene menjadi butene terabsobsi dan

deaktivasi 1,3 butadena menjadi 1,3 butadiena terabsobsi.