reaktor-ideal-aliran-kontinyu.pdf
DESCRIPTION
Reaktor Ideal Aliran KontinyuTRANSCRIPT
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. Menentukan harga orde reaksi penyabunan etil asetat dengan NaOH.
2. Menghitung harga konstanta reaksi (k) penyabunan etil asetat dengan NaOH.
3. Mengetahui pengaruh variabel terhadap konstanta reaksi (k) penyabunan 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 menentukan harga orde reaksi penyabunan etil asetat dengan
NaOH.
2. Mahasiswa dapat menghitung harga konstanta reaksi (k) penyabunan etil asetat
dengan NaOH.
3. Mahasiswa mampu mengetahui pengaruh variabel terhadap konstanta reaksi (k)
penyabunan 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
Gambar II. 1 Bagan Neraca Massa Suatu Sistem
input = 0
output = 0
Reaktan yang bereaksi = (-rA)
Input = output + reaktan yang bereaksi + akumulasi
0 = 0 + v (-rA) +
…(1)
0 = Vi (-rA) +
…(2)
0 = Vi (-rA) –
…(3)
dt =
…(4)
t = NAo ∫
…(5)
Pada volume konstan
CA = CAo (1-XA)
dCA = -CAo.dXA …(6)
Pers. (6) masuk ke pers. (5) diperoleh
t = CAo ∫
= -∫
…(7)
Reaktor
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
Akumulasi = input-output
ρ
= ρ Fo – 0 …(8)
dV = Fo.dt , pada t = 0 → V = 0
karena densiti 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
= 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)
= Fo. Co – V.k.C
2
V
+ C
= Fo. Co – V.k.C
2 …(12)
Pers. (9) → pers. (12)
Fo.t.
+ C.Fo = Fo.Co – F.t.k.C
2 …(13)
=
-
- k.C
2 …(14)
Dengan menggunakan boundary condition pada t=0 , C = Co dan substitusi U =
exp [k∫ maka pers.14 menjadi :
t2
+ t
- k.U. Co. t = 0 …(15)
Pers. (15) diubah menjadi fungsi Bessel dengan substitusi z = t0,5
, menjadi :
z2.
+ z
- 4.k.Co.z
2.u = 0 …(16)
Pers. (16) merupakan modifikasi pers.Bessel yang mempunyai bentuk umum
sebagai berikut:
x2.
+ x (a + 2bx
r)
+ [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 =
√
= 0
b = 0 s = 0 p = 0
c = 0 d = -4.k.Co √
= imajiner
Sehingga penyelesaian pers. (16) adalah :
U = C1. zp. (√ ) + Cz. zp.( √ ) …(18)
Pada t = 0, z = 0 → zp = ~
Sehingga Cz = 0
U = C1. Zp (√ )
Karena p = 0 dan √ ⁄ = imaginer
Maka = U = C1. I0 (√ )
=
C1. I0 (√ ) …(19)
Dari Sherwood halaman 178 pers. (5.83) didapatkan
= C1. (√ ) I0 (√ ) …(20)
Dari substitusi semula, diperoleh :
= 2.k. Cz. C1. I0 (√ ) …(21)
Maka pers. (14) dan (15) diperoleh :
C1. (√ ) I0 (√ ) =k. C. C1. I0 (√ )
C = √ √
√
C = √
√ …(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.C
2 …(23)
V
- C
= F.Co – F.C - k.V.C
2 …(24)
Apabila T = t – Ť waktu, menit
Ť =
konstanta waktu
Pers. (24) menjadi
=
Ť -
Ť 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 negatif maka reaksi yang berlangsung adalah reaksi
eksotermis yang menghasilkan panas.
II. 4. 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,
∆G reaksi = ∆G produk - ∆G reaktan
= [∆G CH3COONa + ∆G C2H5OH] – [∆G CH3COOC2H5 + ∆G NaOH]
= [-631 200 - 168 490] J/mol – [-328 000 -379 494] J/mol
= -92196 J/mol
∆G = RT ln K
K pada standar 298° K =
Dari data di atas diperoleh nilai konstanta keseimbangan pada temperature 298 K
adalah 4,179 x 1067. Karena harga konstanta keseimbangan besar, maka reaksi
berlangsung searah (irreversible).
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
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 .
II.7. MENENTUKAN ORDE REAKSI
Trial orde reaksi pada reaktor batch
1. Diberikan data waktu (t) dan Ca, Cao adalah Ca pada t=0
2. Membuat data -ln(Ca/Cao) dan 1/Ca
3. Pertama menebak “orde reaksi pertama” dengan membuat grafik -ln(Ca/Cao) vs t,
hasil grafik harus lurus
4. A. Jika hasil grafik tidak lurus, maka menebak “orde reaksi kedua” dari grafik
antara 1/Ca vs t, hasil grafik harus lurus. (Apabila Cao = Cbo)
B. Jika hasil grafik tidak lurus, maka menebak “orde reaksi kedua” dari grafik
antara ln Cb/Ca vs t, hasil grafik harus lurus. (Apabila Cao = Cbo)
5. Membentuk persamaan y = a + bx , a = intercept dan b = slope dari grafik log t vs ln
Cao
Gambar II.1. Grafik Trial Reaksi Orde 1 Gambar II.2 Grafik Trial Reaksi Orde 2
(Ca = Cb )
Gambar II.3 Grafik Trial Orde 2 (Ca = Cb) Gambar II.4 Grafik Trial Orde n
(Levenspiel. O., 1999. Chemical Reaction Engineering 3rd, hal 41-63)
II.8. MENGHITUNG HARGA KONSTANTA KECEPATAN 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., 1999, 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., 1999, Chemical Reaction Engineering 3rd
ed, Mc. Graw Hill Book
Kogakusha Ltd, Tokyo.