BAB IPENGERTIAN DASAR

1.1. TERMODINAMIKA DAN KINETIKA REAKSI

Teknik Kimia adalah ilmu yang mempelajari cara-cara mengubah secara

ekonomis suatu bahan, melalui proses kimia ataupun fisika menjadi bahan lain yang

bermanfaat, memiliki sifat dan komposisi yang berbeda dari bahan semula dan

mempunyai nilai ekonomis yang lebih tinggi. Secara garis besar, industri kimia

sebagai sebuah sistem dapat dapat dilihat pada gambar 1.1.

PROSES INDUSTRI KIMIA

PROSESKIMIA

PROSESFISIKA

PROSESFISIKA

BAHANBAKU PRODUK

RECYCLE

Gambar 1.1: Prinsip dasar Proses Industri Kimia

Mula-mula bahan baku mengalami pengolahan secara fisik yang tujuannya

agar supaya bahan baku memenuhi persyaratan untuk pengolahan kimia antara lain

dari kemurnian bahan, ukuran bahan, tranportasi bahan, kondisi operasi (tekanan dan

suhu). Kemudian bahan mengalami pengolahan secara kimia didalam reaktor.

Setelah proses kimia, bahan mengalami proses fisik lebih lanjut sampai didapat

produk akhir atau produk tengah (intermediate product) sesuai dengan kualitas

standard tertentu.Perancangan alat-alat untuk pengolahan secara fisik diperlajari

didalam bidang satuan operasi (Unit Operation), sedangkan untuk pengolahan secara

kimia dipelajari didalam Kinetika dan Reaktor Kimia. Pengolahan secara kimia

merupakan inti dari proses, karena pengolahan ini sangat menentukan ekonomis atau

tidaknya suatu proses.

TRK 1 I-1

Dalam kinetika kimia akan mempelajari lebih jauh tentang kecepatan reaksi

kimia, antara lain akan dideskripsikan secara kuantitatif waktu yang diperlukan untuk

suatu reaksi kimia, faktor-faktor yang mempengaruhi reaksi kimia tersebut. Pada

bidang saintifik murni, kinetika kimia akan lebih banyak mempelajari tentang

mekanisme reaksi kimia. Selanjutnya bidang kimia aplikasi akan mengembangkan

lebih jauh produk yang diinginkan dari suatu reaksi kimia dari suatu bahan baku

tertentu. Kemudian dalam bidang teknik kimia, pengembangan tersebut diaplikasikan

untuk memproduksi dalam jumlah besar dengan berbagai pertimbangan antara lain

pertimbangan ekonomi, keselamatan kerja, lingkungan serta etika enjinering.

Berdasarkan hal tersebut, mata kuliah teknik reaksi kimia lebih ditekankan kearah

perancangan reaktor secara umum. Secara garis besar, hal-hal yang mendapat

perhatian dalam mempelajari teknik reaksi kimia sebagaimana yang ditunjukkan pada

gambar 1.2.

Gambar 1.2: Teknik Reaksi Kimia (Ranade, 2002)

Dalam perancangan reaktor diperlukan informasi, pengetahuan maupun

pengalaman dari berbagai bidang antara lain termodinamika, kinetika kimia,

mekanika fluida, perpindahan panas, perpindahan massa serta ekonomi. Akan tetapi

sebagai pertimbangan baik secara umum maupun khusus lebih ditekankan pada

bidang termodinamika serta kinetika dari reaksi kimia. Dua hal yang diperlukan

tentang teknik reaksi kimia dalam tinjauan termodinamika, pertama panas reaksi dan

kedua arah reaksi. Dalam tinjauan tentang panas reaksi kimia, maka ada dua

TRK 1 I-2

kemungkinan yang terjadi yaitu menghasilkan panas atau kebalikannya memerlukan

(menyerapkan) panas. Sebagai indikator bahwa reaksi kimia menghasilkan atau

menyerap panas dari entalpi reaksi (Hrx), apabila entalpi reaksi nilainya negatif,

maka reaksi akan menghasilkan panas atau disebut dengan eksotermis, kebalikannya

apabila entalpi reaksi mempunyai nilai positif, maka reaksi akan menyerap

(memerlukan) panas.

Misalkan untuk reaksi:

a A + b B q Q Hrx = negatif eksotermis

Hrx = positif endotermis

dimana: Hrx = Hf-Produk - Hf- Reaktan = Hf-Q (Hf A HfB)

Hal kedua yang perlu mendapat perhatian dalam tinjauan termodinamika yaitu

arah dari reaksi artinya arah reaksinya bolak-balik (reversible) atau searah

(irreversible).

Reaksi searah (irreversible): BA k 1 [1.1]

Reaksi bolak-balik (reverible): [1.2]

Sebagai indikator bahwa reaksi tersebut bolak-balik atau searah adalah konstanta

kesetimbangan kimia (K). Kosntanta tersebut merupakan perbandingan antara

konstanta kecepatan reaksi kekanan (k1) dengan konstanta kecepatan reaksi kekiri (k2).

Apabila nilai K kosntanta kesetimbangan tersebut besar, menandakan reaksi tersebut

bersifat searah (irreversible), hal ini berarti nilai k1 >>> k2, sehingga reaksinya searah.

Nilai konstanta kesetimbangan K, dapat dihitung berdasarkan persamaan berikut:

KRTG ln= [1.3]

Dengan mengetahui nilai K pada kondisi operasi tertentu, maka dapat diperkirakan

seberapa besar hasil dari reaksi tersebut.

Tinjauan selanjutnya adalah kinetika reaksi. Dalam tinjauan termodinamika

tidak dibahas hal yang berhubungan dengan waktu. Termodinamika membahas

konsep kesetimbangan dan panas, sedangkan konsep waktu dibahas dalam tinjuan

TRK 1 I-3

kinetika reaksi. Kinetika kimia mempelajari kecepatan reaksi secara kuantitatif dan

faktor-faktor yang mempengaruhi (suhu, tekanan, komposisi). Kinetika kimia juga

mempelajari tentang mekanisme reaksi. Didalam bidang Teknik Kimia, kinetika dari

suatu reaksi sangat diperlukan untuk merancang peralatan yang digunakan untuk

melangsungkan reaksi tersebut didalam skala teknik. Untuk reaksi yang berjalan

cukup cepat (selalu dalam kesetimbangan), perhitungan perancangan menjadi lebih

sederhana. Didalam hal ini tidak diperlukan data-data kinetika dan hanya dibutuhkan

data-data thermodinamika.

1.2. KLASIFIKASI SISTEM REAKSI

Pengelompokan (klasifikasi) reaksi kimia dibedakan dalam berbagai macam

cara. Berikut dasar dari pengelompokan reaksi kimia.

1.2.1. Jumlah fase

Berdasarkan jumlah fase terjadinya reaksi kimia dapat dibedakan menjadi dua

bagian, yaitu

Homogen

Reaksi hanya berlangsung pada satu fasa saja

Heterogen

Reaksi berlangsung pada fasa lebih dari satu fasa.

1.2.2. Penggunaan Katalis

Peran katalis antara lain mempercepat reaksi kimia dan juga mengarahkan

reaksi, berdasarkan penggunaan dari katalis dapat dibedakan menjadi dua

bagian:

Katalitik artinya proses reaksi kimia menggunakan katalis

Non katalitik artinya tidak menggunakan katalis

1.2.3. Jumlah molekul yang bereaksi

Proses terjadinya suatu reaksi kimia berdasarkan pada reaktan atau molekul

yang bereaksi yang disebut dengan molekularitas khususnya untuk reaksi

elementer. Berdasarkan pada jumlah molekul yang bereaksi dapat dibedakan

menjadi:

Unimolekuler: hanya satu molekul reaktan: A produk

TRK 1 I-4

Bimolekuler: dua molekul reaktan: A + B produk

Trimolekuler: tiga molekul reaktan: A + B + C produk

1.2.4. Tipe / jenis reaksi

Berdasarkan tipe (mekanisme) reaksi, maka reaksi dapat dibedakan menjadi

reaksi tunggal dan reaksi ganda, selanjutnya diklasifikasikan sebagai:

Reaksi tidak dapat balik / searah / irreversible merupakan reaksi tunggal

Reaksi dapat balik (reversible): A R

Reaksi paralel /samping: dibedakan menjadi dua:

kompetitif

dan

side by side

Reaksi seri / berurutan

A R S

Reaksi rantai (chain reaction)

Pada reaksi rantai mula-mula akan terbentuk produk antara (intermediate)

yang disebut dengan tahap inisiasi, selanjutnya produk antara tersebut akan

bereaksi dengan reaktan secara berantai yang disebut dengan tahap

propagasi, setelah produk sampai pada karakteristik tertentu maka

dilakukan penghentian reaksi yang disebut dengan tahap terminasi.

Reaktan (p_antara)* Tahap inisiasi

(p_antara)* + reaktan (p_antara)* + produk Tahap propagasi

(p_antara)* produk Tahap terminasi

1.2.5. Tingkat (orde) reaksi

Suatu persamaan reaksi: dDcCbBaA k + + 1

Dimana: a, b, c, d merupakan koefisien reaksi

k1 = konstanta kecepatan reaksi

Untuk menyatakan persamaan kecepatan reaksi adalah: bBaACA CCkrr 1==

Dimana a dan b pada persamaan kecepatan reaksi merupakan tingkat (orde)

reaksi.

TRK 1 I-5

1.2.6. Elementer dan non elementer

Reaksi elementer merupakan reaksi dimana pangkat / orde reaksi sama dengan

koefisien reaksi. Apabila pangkat/orde reaksi tidak sama dengan koefisien

reaksi maka reaksi tersebut disebut dengan reaksi non-elementer.

1.2.7. Kondisi operasi

Kondisi operasi mempunyai peranan yang cukup penting dalam teknik reaksi

kimia. Beberapa istilah dalam menentukan kondisi operasi, antara lain:

Isotermal iso volum: kondisi operasi yang dilakukan pada suhu tetap

(isotermal) dan volume tetap (iso volum)

Isotermal iso barik: kondisi operasi yang dilakukan pada suhu tetap dan

tekanan tetap

Adiabatis: kondisi operasi yang dilakukan tanpa ada transfer panas, dalam

hal ini digunakan isolator panas

Non isotermal non adiabatis (NINA): kondisi operasi dimana suhu tidak

dibuat tetap dan terjadi tranfer panas. Kondisi ini lebih riil dibandingkan

dengan kondisi operasi sebelumnya.

1.2.8. Jenis reaktor

Secara garis besar, reaktor ideal dapat dibagi menjadi tiga bagian besar, yaitu:

a. Reaktor tangki berpengaduk: secara filosofi reaktor ini merupakan reaktor

homogen.

b. Reaktor pipa: reaktor sebagai fungsi ruang

c. Reaktor dengan bahan isian:

o Isian tetap (fixed bed reactor)o Isian terfluidisasi (fluidized bed reactor)

Reaktor tangki berpengaduk Reaktor pipa

Reaktor Isian tetap Reaktor fluidisasi

TRK 1 I-6

Kon

sent

rasi

waktu

Kon

sent

rasi

waktu

C in

Cout

Cin

Cout

CinCout

Reaktorideal

Reaktor BerpengadukIdeal/ homogen

Reaktor non homogenf(waktu)

Kon

sent

rasi

sumbu z

Cin

Cout

Reaktor non homogenf(ruang)

Gambar 1.3: Pembagian reaktor ideal berdasarkan sistem homogen (dengan pengadukan) dan heterogen

1.2.9. Operasi sistem proses

Berdasarkan pada cara beroperasinya, maka sistem proses dapat dibagi

menjadi:

Batch

Kontinyu

Semi batch

Yang membedakan ketiganya berdasarkan aliran masuk dan keluar pada

sistem proses. Apabila pada sistem tersebut, selama proses berlangsung tidak

terdapat aliran masuk (flow in) dan aliran keluar (flow out) maka sistem

disebut dengan sistem batch, sedangkan apabila dalam sistem terdapat aliran

keluar dan masuk secara terus menerus maka disebut dengan sistem kontinyu.

TRK 1 I-7

Apabila pada saat proses masih ada aliran masuk atau aliran keluar maka

disebut dengan semi batch.

Klasifikasi reaksi tersebut tidak terpisah sebagaimana yang disebutkan diatas, akan

tetapi dalam mendiskripsikan suatu proses kimia merupakan gabungan dari klasifikasi

tersebut. Misalkan suatu reaksi bimolekuler, irreversibel, elementer, dan seterusnya.

Semakin lengkap dalam mendiskripsikan sifat dari suatu reaksi maka akan semakin

mudah atau fokus dalam memahami sistem proses.Aliranmasuk

Alirankeluar

Reaktor kontinyuReaktor Batch

Gambar 1.4: Perbedaan reaktor batch dan kontinyu

Tugas:Individu dan berbeda tiap peserta kuliah

1. Tuliskan beberapa contoh reaksi kimia yang menjelaskan karakteristik reaksi,

antara lain seperti:

a. Reaksi ekso/endotermis, fase, homogen/heterogen

b. Kondisi operasi (suhu dan tekanan)

c. Katalis/non katalis, jika menggunakan katalis, sebutkan jenis katalisnya

d. Sumber informasi

2. Berdasarkan informasi diatas, jelaskan jenis reaktor yang akan digunakan dan

jelaskan

TRK 1 I-8