PENGARUH PENGADUKAN TERHADAP KONSTANTA REAKSI PENYABUNAN ETIL ASETAT DENGAN NaOH PADA REAKTOR

IDEAL ALIRAN KONTINYU

Ekky Febri Ariani, Bagus Wahyu Murtianto, Yusuf Ebta FirmansaJurusan Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Diponegoro Semarang

Jl. Prof Soedharto – 50239 Semarang, Telp./Fax. 024-7460058

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 8 cm, konsentrasi NaOH dan etil asetat 0,1 N, dan suhu 25oC 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

Abstract

Continuous stirer tank is a reactor that usually use in chemical industry. Because of the control capacity in process is easy. Purposes of continuous stirrer tank experiment are to count the value of saponification reaction constants (k) between ethyl acetate and NaOH, to know the effect of stiring in saponification reaction constants (k) between ethyl acetate and NaOH, to know the relation of reaction order with saponification reaction constants (k) between ethyl acetate and NaOH, compare experiment result with mathematics model from reaction ethyl acetate and NaOH in continuous stirer tank. In this experiment the dependent variabel is fluid height 8 cm, NaOH and ethyl acetate 0.1 N, and 25oC of temperature. The independent variabel is low stirrer, medium stirrer and high stirrer. From the experiment result, rest of NaOH (Ca) decreasing in higher stirrer, this effect of increasing reaction orde and (k) between etil asetat and NaOH. Ca models smaller than Ca experiment because the calculation Ca model that using Runge kutta method with high accuration, and Ca experiment got from experiment.

Keywords: stirred tank reactor, stirring, saponification reaction constants

PENDAHULUAN

Reaktor tangki berpengaduk

merupakan reaktor yang paling sering

dijumpai dalam industri kimia.Pada industri

berskala besar, reaktor alir tangki

berpengaduk lebih sering diaplikasikan

karena kemampuan operasinya yang dapat

diatur kapasitasnya.Unjuk kerja reaktor alir

berpengaduk perlu dipelajari untuk

mengetahui karakteristik aliran fluida, reaksi

yang terjadi secara optimasi pengoperasian

reaktor.Untuk itu, dilakukan percobaan

reaktor alir kontinyu dengan tujuan 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 reaktor tangki berpengaduk

dipelajari 2 macam reaktor, yaitu reaktor

batch dan kontinyu (CSTR). Reaktor batch

merupakan reaktor yang tidak ada input dan

output selama reaksi. Sehingga didapat

neraca massa reaktor batch adalah

t = Nao ∫0

XAdXA

Vi(−r A)

Reaktor kontinyu (CSTR) merupakan

reaktor yang pengoperasiannya meliputi tiga

tahap yaitu pengisian reaktor tinggi

overflow, kondisi kontinyu dan kontinyu

steady state. Evaluasi variabel-variabel

operasi sangat mudah dilakukan pada

kondisi steady state (Hill, 1977).

Pemodelan matematik diperlukan

untuk mempermudah analisa permasalahan

yang timbul dalam pengoperasian reaktor

alir tangki berpengaduk (Charles,

1987).Model matematika yang diusulkan

diuji keakuratannya dengan membandingkan

data-data percobaan. Model matematika

yang diusulkan diselesaikan dengan cara

analisis jika persamaan itu mudah

diselesaikan. Namun untuk reaksi yang

kompleks akan diperoleh model matematika

yang kompleks juga. Penyelesaian numerik

sangat dianjurkan untuk memperoleh nilai k,

tetapan transfer massa, dan orde reaksi yang

merupakan adjustable parameter.

Reaksi yang terjadi pada reaktor

adalah:

CH3COOC2H5 + NaOH → CH3COONa +

C2H5OH

Jika ditinjau secara thermodinamika, dengan

harga ∆H 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

Didapat ∆H bernilai negatif, maka reaksi

tersebut bersifat eksotermis yaitu

menghasilkan panas.

Jika ditinjau secara kinetika, dengan harga

∆G sebagai berikut:

∆G CH3COOC2H5 = -328 000 J/mol

∆G NaOH = -379 494 J/mol

∆G CH3COONa = -631 200 J/mol

∆G C2H5OH = -168 490 J/mol

Dan dengan menggunakan rumus mencari K

standar (pada T=25oC) yaitu:

∆G = RT ln K

Kemudian menggunakan rumus mencari

harga K saat suhu operasi yaitu:

ln(Kk '

) = - ∆ H °

R( 1

T− 1

T 1

)

Maka didapat harga K > 1 artinya reaksi

berlangsung searah (irreversible).

Sifat fisis dan kimia reagen (NaOH

dan etil asetat adalah sebagai berikut:

1) NaOH

- Kelarutan dalam 100 bagian air dingin 10

°C = 42

- Kelarutan dalam 100 bagian air panas

100°C = 32

- Dengan Pb(NO3)2 membentuk endapan

Pb(OH)2 yang larut dalam reagen excess,

merupakan basa kuat, mudah larut dalam air.

2) Etil Asetat

Titik didih = 85 °C

Berat molekul = 88 gr/mol

Titik lebur = -111 °C

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.

Faktor yang mempengaruhi harga k

(konstanta kecepatan reaksi) adalah:

Persamaan Arhenius

1. Frekuensi tumbukan

Pengadukan akan memperbesar tumbukan

partikel sehingga akan menurunkan energi

aktivasi,jika energi aktivasi turun, 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 (Levenspiel, 1970).

Untuk mengetahui harga k

(konstanta reaksi penyabunan) dari reaksi

NaOH +CH3COOC2H5 CH3COONa +

C2H5OH, dapat dihitung dengan cara:

−dCadt

=k . Ca2

−dCa

Ca2=k . dt

∫Cao

Ca−dCa

Ca2 =∫0

t

k . dt

[ 1Ca ]

Cao

Ca

=k .t

1Ca

− 1Cao

=k . t

1Ca

=k .t + 1Cao

Harga k didapat dari least square. Dimana

harga k merupakan nilai dari m.

Sedangkan untuk mengetahui orde

reaksi antara NaOH dan etil asetat dapat

dihitung menggunakan cara berikut ini:

−dCadt

=k Caa CbbCa=Cb

−dCadt

=k Can n=a+b

ln−dCa

dt=ln k+ ln Can

ln−dCa

dt=n . ln Ca+ ln k

y = mx + c m = n = orde reaksi

Orde reaksi didapat dari least square.

Dimana orde reaksi merupakan nilai dari m.

METODE DAN PROSEDUR

1. Percobaan Batch

Gambar 1. Alat Utama Proses Batch

1. Reaktor Batch

2. Stirer

3. Statif

Untuk percobaan batch, percobaan

dilakukan dengan menyiapkan reagen etil

asetat 0,1 N, HCl 0,05 N, dan NaOH 0,1 N.

Kemudian memasukkan etil asetat dan

NaOH ke dalam reaktor batch sampai

ketinggian 8 cm. Sampel diambil pada t ke-0

sebanyak 5 ml, kemudian ditambahkan

indikator MO 3 tetes dan dititrasi dengan

HCl sampai warna merah orange. Setelah

itu, dilakukan pengadukan lambat, sedang,

dan cepat, dan pengambilan sampel tiap 3

menit kemudian dititrasi, begitu terus

menerus sampai volume titran 3 kali

konstan.

2. Percobaan Kontinyu

Gambar 2. Alat Utama Proses Kontinyu

Keterangan :

1. Reaktor Kontinyu

2. Stirrer

3. Statif

4. Tangki Reaktor

Untuk percobaan kontinyu,

percobaan dilakukan dengan menyiapkan

reagen etil asetat 0,1 N, HCl 0,05 N, dan

NaOH 0,1 N. Kemudian memasukkan etil

asetat dan NaOH ke dalam tangki umpan

masing-masing. Masing-masing reaktan

dalam tangki umpan dipompa ke dalam

CSTR yang kosong dan menjaga konstan

laju alirnya serta mereaksikannya. Sampel

diambil pada t ke-0 sebanyak 5 ml,

kemudian ditambahkan indikator MO 3 tetes

dan dititrasi dengan HCl sampai warna

merah orange. Setelah itu, dilakukan

pengadukan lambat, sedang, dan cepat, dan

pengambilan sampel tiap 3 menit kemudian

dititrasi, begitu terus menerus sampai

volume titran 3 kali konstan.

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hubungan waktu vs konsentrasi tiap

variabel

a. Batch

Dari grafik di atas, dapat dilihat bahwa

konsentrasi NaOH sisa cenderung fluktuatif

atau naik turun. Pada variabel pengadukan

lambat dan cepat konsentrasi NaOH sisa

mengalami kenaikan pada t=3 dan t=6 dan

selanjutnya mengalami penurunan. Hal ini

terjadi karena reaksi yang terjadi pada

reaktor batch belum tercapai kondisi steady

atau tunak. Kondisi steady yaitu kondisi

dimana tidak ada perubahan baik energi

0

0.005

0.01

0.015

0.02

Gambar IV.1 Grafik Hubungan t vs Ca pada Reaktor Batch

pengadukan lambat

pengadukan sedang

pengadukan cepat

t (menit)

Ca

maupun massa dalam sistem. Namun pada

variabel pengadukan sedang mengalami

penurunan konsentrasi NaOH sisa seiring

dengan bertambahnya waktu.hal ini sesuai

dengan rumus:

1Ca

=k .t + 1Cao

dimana

Ca: konsentrasi NaOH sisa

k : konstanta kecepatan reaksi

t : waktu

Dari persamaan di atas diketahui bahwa t

≈1

Ca yang berarti bahwa semakin lama

waktu reaksi maka Ca akan semakin kecil

karena akan bereaksi dengan etil asetat dan

mencapai kesetimbangan saat Ca konstan

(Prasetyo, 2000). Reaksi yang terjadi:

NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa +

C2H5OH

b. Kontinyu

Dari grafik di atas, dapat dilihat

bahwa pada pengadukan lambat terjadi

kenaikan Ca ( konsentrasi NaOH sisa ) pada

t = 6 menit. Hal ini dikarenakan sistem

belum mencapai kondisi steady state

sedangkan pada pengadukan sedang dan

cepat mengalami penurunan Ca seiring

dengan bertambahnya waktu. Hal ini

dikarenakan semakin lama waktu reaksi

maka semakin banyak NaOH yang bereaksi

dengan etil asetat yang menyebabkan

jumlahnya berkurang, reaksi yang terjadi:

NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa +

C2H5OH

NaOH bereaksi dengan etil asetat dan

menghasilkan produk berupa etanol dan

natrium asetat. Semakin lama waktu, jumlah

produk akan bertambah dan jumlah reaktan

berkurang sampai terjadi keseimbangan

dimana konsentrasi NaOH sisa tetap (Y.

Yuyun, 2010).

Hubungan pengadukan dengan konstanta

laju reaksi (k)

Dari grafik di atas, dapat dilihat

bahwa semakin cepat pengadukan, nilai

konstanta laju reaksi (k) semakin besar. Hal

0 2 4 6 8 10 12 140

0.0050.01

0.0150.02

0.025

Gambar IV.2 Grafik Hubungan t vs Ca pada Reaktor CSTR

Pengadukan lambat

pengadukan sedang

Pengadukan cepat

t (menit)

Ca

lambat sedang cepat0

1

2

3

4

Gambar IV.3 Grafik Hubungan Pengadukan dengan Konstanta Laju Reaksi

pengadukan

kons

tant

a la

ju re

aksi

(k)

ini dikarenakan semakin cepat pengadukan

akan memperbesar frekuensi tumbukan

antara molekul zat pereaksi dengan zat yang

bereaksi sehingga mempercepat reaksi.

Sesuai dengan persamaan Archenius :

k=A×e(−Ea

RT)

Semakin besar tumbukan maka semakin

besar pula harga konstanta lajureaksi (k)

(Arief, 2008).

CH3COOC2H5 + NaOH CH3COONa +

C2H5OH

Jika reaksi di atas adalah reaksi elementer,

maka orde reaksinya adalah 2. Orde reaksi

dicari dari persamaan:

-ra= k[CH3COOC2H5][NaOH]

-ra= k[Ca][Cb] dimana [Ca]=[Cb]

-ra = k[Ca]2

Pada reaksi elementer, orde reaksi dicari

dengan melihat pangkat konsentrasi reaktan

sedangkan untuk reaksi non elementer, orde

reaksi dicari melalui perhitungan data hasil

percobaan. Dari perhitungan, orde reaksi

pada pengadukan lambat, sedang, cepat

berturut-turut adalah 19,37101; 1,324785;

1,300154. Sesuai persamaan:

−dCadt

=k Caa CbbCa=Cb

−dCadt

=k Can n=a+b

Dari persamaan di atas, diketahui bahwa

semakin besar nilai Ca dan k maka orde

reaksi akan semakin kecil. Hal ini sesuai

dengan hasil percobaan, yaitu semakin besar

nilai k, orde reaksi semakin kecil

(Levenspiel, 1970).

Perbandingan Ca model dengan Ca

percobaan

0 2 4 6 8 10 12 140

0.0050.01

0.0150.02

0.025

Gambar IV.4 Grafik Perbandingan Ca Model dengan Ca Percobaan pada

Pengadukan Lambat

Ca Percobaan

Ca Model

t (menit)

Ca

0 2 4 6 8 10 12 140

0.0050.01

0.0150.02

0.025

Gambar IV.5 Grafik Perbandingan Ca Model dengan Ca Percobaan pada

Pengadukan Sedang

Ca Percobaan

Ca Model

t (menit)

Ca

0 2 4 6 8 10 12 140

0.0050.01

0.0150.02

0.025

Gambar IV.6 Grafik Perbandingan Ca Model dengan Ca Percobaan pada

Pengadukan Cepat

Ca Percobaan

Ca Model

t (menit)

Ca

Berdasarkan grafik, dapat dilihat

bahwa pada variabel pengadukan lambat,

sedang, dan cepat Ca percobaan lebih besar

dari Ca model.Hal ini dikarenakan Ca model

yang diperoleh dari perhitungan matematis

menggunakan metode Runge Kutta.Dipilih

metode ini karena Runge Kutta dianggap

metode yang memberikan keakuratan

tinggi.Perhitungan model matematis ini

tidak dipengaruhi oleh variabel-variabel

percobaan yaitu pengadukan.Sehingga

diperoleh Ca model yang merupakan Ca

ideal.Sedangkan Ca percobaan diperoleh

dari percobaan dengan variabel pengadukan

sehingga keakuratannya lebih rendah dari

Ca model.Ca model diperoleh dari data hasil

percobaan yang kemudian diaplikasikan ke

dalam perhitungan teoritis metode Runge

Kutta. Karena hasil perhitungan k1,k2,k3,k4

adalah negatif, maka nilai Ca bertanda

negatif, sehingga Ca model lebih kecil

daripada Ca percobaan (Supriyanto, 2006).

KESIMPULAN

Pada percobaan ini dapat disimpulkan

bahwa konsentrasi reaktan semakin berkurang

seiring dengan bertambahnya waktu, semakin

cepat pengadukan, nilai konstanta laju reaksi (k)

semakin besar, semakin besar nilai k, orde reaksi

semakin kecil, Ca percobaan lebih besar dari Ca

model.

DAFTAR PUSTAKA

Charles, E. R, Harold, SM and Thomas K.S.,

“Applied Mathematics in Chemical

Engineering” 2nd end.,Mc. Graw

Hill Book Ltd. 1987, New York

Hakim, Arief Rahman dan Sutra

Irawan.Kajian Awal Sintesis

Biodiesel Dari Minyak Dedak Padi

Proses Esterifikasi.Semarang

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

Supriyanto. 2006. Runge-Kutta Orde Empat.

Universitas Indonesia Jakarta

Y. Yuyun, Sumarno, Mahfud. 2010.

Pemanfaatan Gliserol sebagai

Hasil Samping Biodiesel Menjadi

Produk Kimia Lain dalam Media

Air Subkritis hingga Superkritis.

Institut Teknologi Sepuluh

Nopember Surabaya

Prasetyo. 2000. Perpindahan Panas.

Universitas Bina Nusantara Jakarta