BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

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.

Pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk 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.

Pemodelan matematik diperlukan untuk mempermudah analisa permasalahan

yang timbul dalam pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk. Model matematika

yang diusulkan diuji keakuratannya dengan membandingkan dengan 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.

I.2 Tujuan Percobaan

1. Menghitung harga konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH.

2. Mengetahui pengaruh variabel terhadap konstanta reaksi penyabunan etil asetat

(k) dengan NaOH.

3. Mengetahui hubungan orde reaksi dengan harga konstanta reaksi penyabunan (k)

etil asetat dengan NaOH.

4. Membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model matematis reaksi

penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu.

I.3 Manfaat Percobaan

1. Mahasiswa dapat menghitung harga konstanta reaksi penyabunan (k) etil asetat

dengan NaOH.

2. Mahasiswa mampu mengetahui pengaruh variabel terhadap konstanta reaksi

penyabunan etil asetat (k) dengan NaOH.

3. Mahasiswa mampu mengetahui hubungan orde reaksi dengan harga konstanta

reaksi penyabunan (k) etil asetat dengan NaOH.

4. Mahasiswa mampu membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model

matematis reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1. REAKTOR BATCH

Neraca bahan pada reaktor secara simultan

output

input reaktan bereaksi

akumulasi

GambarII. 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 𝑑𝑋𝐴

𝑑𝑡 …(3)

dt = 𝑁𝐴𝑜

Vi (−rA) 𝑑𝑋𝐴 …(4)

t = NAo 𝑑𝑋𝐴

Vi (−rA)

𝑋𝐴

0 …(5)

Pada volume konstan

CA = CAo (1-XA)

dCA = -CAo.dXA …(6)

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

t = CAo 𝑑𝑁𝐴

−𝑟𝐴

𝑋𝐴

0 = -

𝑑𝐶𝐴

−𝑟𝐴

𝐶𝐴

𝐶𝐴𝑜 …(7)

II.2. 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 hukum kekekalan massa

Reaktor

Akumulasi = input-output

ρ 𝑑𝑣

𝑑𝑡 = 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

𝑑

𝑑𝑡 (𝑉. 𝐶) = Fo. Co – 0 – V (-rA) …(10)

Dalam hal ini :

V = volume bahan dalam reaktor (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 C

2 …(11)

Pers. (11) → pers.(10)

𝑑

𝑑𝑡(𝑉. 𝐶) = Fo. Co – V.k.C

2

V 𝑑𝐶

𝑑𝑡 + C

𝑑𝑉

𝑑𝑡 = Fo. Co – V.k.C

2 …(12)

Pers. (9) → pers. (12)

Fo.t.𝑑𝐶

𝑑𝑡 + C.Fo = Fo.Co – F.t.k.C

2 …(13)

𝑑𝐶

𝑑𝑡 =

𝐶𝑜

𝑡 -

𝐶

𝑡 - k.C

2 …(14)

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

[k 𝐶 𝑑𝑡 ] maka pers.14 menjadi :

t2 𝑑2𝑈

𝑑𝑡2 + t

𝑑𝑈

𝑑𝑡 - k.U. Co. t = 0 …(15)

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

, menjadi :

z2. 𝑑

2𝑉

𝑑𝑡2 + z

𝑑𝑉

𝑑𝑡 - 4.k.Co.z

2.u = 0 …(16)

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

sebagai berikut:

x2. 𝑑2𝑦

𝑑𝑡2 + x (a + 2bxr) 𝑑𝑦

𝑑𝑥 + [c + dx

2s – b(1-a-r) x.r + b

2.x

2.r].y = 0 ...(17)

Dari pers.(5) didapatkan :

a = 1

r = 0

p = 1

𝑠

(1−𝑎)2

2− 𝑐 = 0

b = 0 s = 0 p = 0

c = 0 d = -4.k.Co 𝑑

𝑠 = imajiner

Sehingga penyelesaian 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)

𝑑𝑈

𝑑𝑡 =

𝑑

𝑑𝑧 C1. I0 ( 4. 𝑘. 𝐶𝑜. 𝑧) …(19)

Dari Sherwood halaman 178 pers. (5.83) didapatkan

𝑑𝑈

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

Dari substitusi semula, diperoleh :

𝑑𝑈

𝑑𝑡 = 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) I0 ( 4.𝑘 .𝐶𝑜 .𝑧)

𝑘 .𝐶2 .𝐶.𝐼0 ( 4.𝑘 .𝐶𝑜 .𝑧)

C = 𝐶0. 𝑇1(2 𝑘 .𝐶𝑜 .𝑇)

k.t.T0(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 = 0

Dari neraca massa komponen diperoleh :

= F.Co – F.C – k.V.C2 …(23)

V - C = F.Co – F.C - k.V.C2 …(24)

Apabila T = t – Ť waktu, menit

Ť = konstanta waktu

Pers. (24) menjadi

= - 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 +

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

dengan metode factor integrasi

C – Co = …(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 + k. Cs 2 …(29)

k. Ť. Cs 2 + Cs – Co = 0 …(30)

Apabila k diketahui maka Cs dapat diprediksikan. Sebaliknya apabila Cs diukur

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

diselesaikan dengan mudah.

II. 3. 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)

= -91600 J/mol

Karena ∆H bernilai negative maka reaksi yang berlangsung adalah reaksi eksotermis

yang menghasilkan panas.

Selain dapat mengetahui bahwa reaksi tersebut eksotermis, berdasarkan

tinjauan thermodinamika juga dapat diketahui apakah reaksi tersebut 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,

∆G reaksi = ∆G produk - ∆G reaktan

= [∆G CH3COONa + ∆G C2H5OH] – [∆G CH3COOC2H5 +

∆G NaOH]

= [-631 200 - 168 490] J/mol – [-328 000 -379 494]

= -92196 J/mol

𝑑

𝑑𝑇 (∆G/RT) =

∆𝐻

𝑅𝑇2

∆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(𝐾

𝑘′) = -

∆𝐻°

𝑅 (

1

𝑇−

1

𝑇1)

ln(4,19 .10−67

𝑘′) = -

91091

1,987 (

1

298−

1

343)

= 20, 1827

k’ = 7, 715 . 1058

Karena harga konstanta keseimbangan besar, maka reaksi berlangsung searah

(irreversible).

II. 4. TINJAUAN KINETIKA

Ditinjau dari kinetika reaksi, kecepatan reaksi saponifikasi etil asetat dengan

NaOH akan makin besar dengan kenaikan suhu, adanya pengadukan dan perbedaan

konsentrasi. Hal ini dapat dijelaskan oleh persamaan Arrhenius yaitu

𝑘 = 𝐴𝑒−𝐸𝐴𝑅𝑇

Dengan :

k = kontanta laju reaksi

A = faktor frekuensi tumbukan

T = suhu

EA = Energi Aktivasi

R = konstanta gas ideal

= 1.98 cal/gm-mol.oK

= 1.98 Btu/lb-mol.oR

= 82.06 cm3.atm/gm-mol.oK

Berdasarkan persamaaan Arrenius dapat dilihat bahwa konstanta laju reaksi

dipengaruhi oleh nilai faktor frekuensi tumbukan, suhu, dan energi aktivasi.

II. 5. SIFAT FISIS DAN 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.

II.6. FAKTOR-FAKTOR YANG MEMPENGARUHI HARGA k

Persamaan Arhenius

𝑘 = 𝐴𝑒−𝐸𝐴𝑅𝑇

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. Konsentrasi pereaksi

Perbedaan konsentrasi reaktan akan mempengaruhi kecepatan reaksi. Semakin

besar konsentrasi maka semakin banyak partikel yang bertumbukan sehingga

harga konstanta laju reaksi semakin besar pula.

5. 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. O., 1970, Chemical Reaction Engineering)

II.7. MENGHITUNG HARGA KONSTANTA REAKSI PENYABUNAN (k) ETIL

ASETAT DENGAN NaOH

Reaksi : NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH

A + B C + D

Persamaan kecepatan reaksi:

dimana Ca=Cb

y = mx + c

Harga k didapat dari least square. Dimana harga k merupakan nilai dari m.

(Levenspiel. O., 1970, Chemical Reaction Engineering)

II.8. MENGHITUNG ORDE REAKSI

Untuk menghitung orde reaksi menggunakan persamaan:

y = mx + c m = n = orde reaksi

Orde reaksi didapat dari least square. Dimana orde reaksi merupakan nilai dari m.

(Levenspiel. O., 1970, Chemical Reaction Engineering)

BAB III

METODOLOGI PERCOBAAN

III.1. BAHAN DAN ALAT YANG DIGUNAKAN

III.1.1 Bahan Yang Digunakan

1. NaOH

2. Etil asetat

3. HCl

4. Indikator MO

5. Aquadest

III.1.2 Alat Yang Dipakai

1. Pipet

2. Thermometer

3. Magnetic stirer

4. Reaktor Batch

5. Gelas Ukur

6. Buret

7. Statif dan Klem

8. Erlenmeyer

9. Rangkaian alat reaktor aliran kontinyu

III.2. GAMBAR RANGKAIAN ALAT PERCOBAAN

a. Proses Batch

Gambar III.1 Gambar Alat Utama Proses Batch

Keterangan :

1. Reaktor Batch

2. Stirer

3. Statif

b. Proses kontinyu

Gambar III.2. Gambar Alat Utama Proses Kontinyu

Keterangan :

1. Reaktor Kontinyu

2. Stirrer

3. Statif

4. Tangki umpan NaOH

5. Tangki umpan etil asetat

6. Pompa

III.3. VARIABEL PERCOBAAN

Variabel Berubah

Variabel Tetap

III.4. RESPON UJI HASIL

Konsentrasi NaOH sisa yang dapat diamati dengan konsentrasi titran HCl sampai

TAT.

III.5. PROSEDUR PERCOBAAN

Percobaan Batch

1. Siapkan reagen yang dibutuhkan: etil asetat .. N, HCl ... N, dan NaOH .. N.

2. Masukkan etil asetat .. N dan NaOH .. N sampai ketinggian .. cm ke dalam

reaktor batch.

3. Ambil sampel 5 ml tiap .. menit, kemudian tambahkan indikator MO 3 tetes ke

dalam sampel dan titrasi dengan HCl sampai warna merah orange. Titrasi

dihentikan sampai volume titran yang digunakan 3 kali konstan.

4. Dengan perhitungan dapat diperoleh nilai Ca (konsentrasi NaOH sisa).

5. Lakukan langkah 1 sampai 4 dengan variable yang berbeda.

Percobaan Kontinyu

1. Siapkan reagen yang dibutuhkan: etil asetat .. N, HCl ... N, dan NaOH ... N.

2. Masukkan etil asetat dan NaOH ke dalam tangki umpan masing-masing.

3. Pompa masing-masing reaktan ke dalam CSTR yang kosong dan menjaga

konstan laju alirnya serta mereaksikannya.

4. Ambil sampel 5 ml tiap .. menit, kemudian tambahkan indikator MO 3 tetes ke

dalam sampel dan titrasi dengan HCl sampai warna merah orange. Titrasi

dihentikan sampai volume titran yang digunakan 3 kali konstan.

5. Dengan perhitungan dapat diperoleh nilai Ca (konsentrasi NaOH sisa).

6. Lakukan langkah 1 sampai 5 dengan variabel yang berbeda.

DAFTAR PUSTAKA

Abu Khalaf, A.M., 1994, Chemical Engineering Education. Mc. Graw Hill Book Ltd., New

York.

Charles, E. R, Harold, SM and Thomas K.S., 1987, Applied Mathematics in Chemical

Engineering 2nd

ed., Mc. Graw Hill Book Ltd., New York.

Hill, G.C., 1977, An Introduction to Chemical Engineering Kinetika and Reactor Design 1st

ed, John Willey, New York, N.Y.

Levenspiel. O., 1970, Chemical Reaction Engineering 2nd

ed, Mc. Graw Hill Book

Kogakusha Ltd, Tokyo.