BAB I PENDAHULUAN

1.1 Analisis Kondisi EksistingAsam fosfat merupakan bahan baku yang digunakan untuk proses pembuatan pupuk fosfat. Kebutuhan pupuk fosfat yang semakin meningkat setiap tahunnya mengakibatkan kebutuhan asam fosfat semakin bertambah. Asam fosfat yang digunakan sebagai bahan baku pupuk fosfat biasanya memiliki konsentrasi 75%. Reaktor merupakan salah satu alat yang sangat mempengaruhi konsentrasi asam fosfat yang dihasilkan. Reaktor yang digunakan adalah tangki berpengaduk (CSTR). Di dalam reaktor akan terjadi proses asidulasi antara batuan fosfat dengan asam sulfat. Reaksi yang terjadi adalah sebagai berikut :

Ca10(PO4)6F2 + 10 H2SO4 + 20 H2O2 HF + 6H3PO4 + 10 CaSO4.2H2OdanCa10(PO4)5(CO3)(OH)3 + 10 H2SO4 + 17 H2O 5 H3PO4 + 10 CaSO4.2H2O + CO2 + H2O

Dari reaksi tersebut dapat dilihat bahwa di dalam reaktor terjadi dua reaksi. Hal ini disebabkan karena batuan fosfat yang digunakan diperoleh dari dua sumber, yaitu dalam negeri dan luar negeri. Batuan fosfat yang berasal dari luar negeri memiliki kandungan flour, sehingga akan menghasilkan gas flour, sedangkan batuan fosfat yang berasal dari dalam negeri merupakan batuan fosfat guano yang menghasilkan gas CO2. Sifat reaksi yang terjadi adalah reaksi eksoterm sehingga reaksi dijaga pada temperatur 80oC dengan tekanan reaksi pada 1 atm dan konversi reaksi 98%. Berdasarkan kondisi operasi tersebut, diharapkan asam fosfat yang keluar dari reaktor memiliki konsentrasi 40%. Untuk memperoleh asam fosfat dengan konsentrasi 40%, maka diperlukan waktu tinggal optimum di dalam reaktor.

1.2 Perumusan MasalahBerapakah waktu optimum yang dibutuhkan untuk menghasilkan konsentrasi asam fosfat sebesar 40% ?

1.3 Manfaat Penyelesaian Masalah di Bidang Teknik Kimia/ProsesDengan meningkatnya konsentrasi asam fosfat di dalam slurry keluaran reactor sebesar 40%, maka kandungan P2O5 di dalam asam fosfat semakin meningkat dan hal ini akan meningkatkan kualitas asam fosfat yang dihasilkan. Kandungan P2O5 yang tinggi di dalam asam fosfat akan menghasilkan kualitas pupuk yang baik.

BAB II METODE PENYELESAIAN MASALAH

II. METODE PENYELESAIAN MASALAH2.1 Sasaran yang DicapaiSasaran yang ingin dicapai yaitu konsentrasi asam fosfat di dalam slurry keluaran reaktor adalah 40% dengan memperkirakan waktu tinggal bahan baku di dalam reaktor.

2.2 Metode yang Digunakan dalam Penyelesaian Masalah2.2.1 Kecepatan Reaksi Kecepatan reaksi merupakan kecepatan dari dekomposisi per unit volume (Perry, 1999). Berikut ini merupakan rumus penentuan kecepatan reaksi :(2-1)(2-2)(Perry, 1999)Ketika volume konstan, maka rumus kecepatan reaksi seperti berikut :(2-3)(Perry, 1999)

Konsentrasi ZatKecepatan reaksi ini mempengaruhi konsentrasi dari suatu zat sehingga rumus 2-4 memperlihatkan pengaruh dari konsentrasi terhadap kecepatan reaksi.(2-4)(Perry, 1999)

Pada rumus di atas, kf tidak bergantung terhadap konsentrasi, tetapi bergantung terhadap temperatur, katalis, dan faktor lainnya (Perry, 1999). vaA + vbB + vcC + vrR + vsS + (2-5)Untuk reaksi pada volume konstan seperti pada 2-5 maka rumus kecepatan reaksinya adalah sebagai berikut :(2-6)(Perry, 1999)

Pengaruh TemperaturRumus Arrhenius digunakan untuk menentukan kecepatan reaksi pada temperatur tetap.(2-7)(2-8)(2-9)Keterangan :E = energi aktivasik0 = faktor eksponensial

2.2.2 Orde reaksi Orde reaksi yaitu semua eksponen dari konsentrasi dalam persamaan laju reaksi. Orde reaksi yang dikenal yaitu :0. Reaksi orde nol

(2-10)Keterangan K = konstanta laju reaksi orde nolPersamaan ini dinyatakan karena orde nol tidak tergantung pada konsentrasi reaktan. ( Keenan, 1990 )0. Reaksi orde satu Reaksi orde satu merupakan reaksi dengan orde berbanding langsung dengan konsentrasi reaktan.

C](2-11)( Petrucci, 1987 )Plot log [ C ] terhadap t merupakan suatu garis lurus dengan K dapat dihitung dari kemiringan garis tersebut. Grafiknya sebagai berikut :

Konsentrasi zat

Waktu

Gambar 2.1 Grafik Pengaruh Konsentrasi Zat Terhadap Waktu Orde Satu (Sumber : Petrucci, 1987)

0. Orde duaLaju reaksi berbanding lurus dengan kuadrat konsentrasi dari suatu reaktan atau dengan hasil kali konsentrasi yang meningkat sampai penguat satu atau dua dari reaktan tersebut :

(2-11)( Petrucci, 1987 )

Grafik untuk laju reaksi berorde dua adalah sebagai berikut :

konsentrasi

waktuGambar 2.2 Grafik Pengaruh Konsentrasi Zat Terhadap Waktu Orde Dua (Sumber : Petrucci, 1987)

0. Orde tigaPada reaksi orde tiga laju reaksi berbanding lurus dengan pangkat tiga konsentrasi dari suatu reaktan yang ditunjukkan pada persamaan berikut ini :

(2-12)Atau sebanding dengan kuadrat konsentrasi dari reaktan dan pangkat satu dari konsentrasi reaktan kedua yaitu :

(2-13) (Petrucci, 1987)

2.2.3 Reaktor BatchReaktor batch merupakan tangki yang biasanya dilengkapi dengan agitasi dan perpindahan panas untuk mengatur temperatur sampai pada rentang yang diinginkan. Reaktor ini digunakan untuk reaksi lambat hingga beberapa jam dan memerlukan waktu beberapa jam untuk mengisi dan mengosongkan reaktor ini (Perry, 1999). Gambar 2.1 menunjukkan profil waktu pada reaktor batch.

Gambar 2.3 Profil Waktu pada Reaktor Batch (Sumber : Perry, 1999)

Salah satu jenis dari reaktor batch adalah stirred tank (CSTR). Pada stirred tank, pengaduk digunakan untuk mencampur bahan baku, untuk memperbaiki homogenitas pada saat reaksi, dan untuk meningkatkan perpindahan panas pada dinding jaket atau permukaan internal (Walas, 1990 ). Stirred tank ini dapat digunakan untuk mereaksikan bahan baku berfasa cair dan padat.

2.3 Realisasi Penyelesaian MasalahUntuk menyelesaikan masalah tersebut, maka dilakukan perhitungan dengan menggunakan rumus laju reaksi orde dua. Dari perhitungan tersebut, diperoleh grafik antara waktu reaksi dan konsentrasi sehingga dapat diketahui waktu tinggal optimumnya.

BAB IIIHASIL DAN PEMBAHASAN

Pada proses pembuatan asam fosfat, reaktor yang digunakan adalah reaktor tangki berpengaduk (CSTR). Pada rekator tersebut terjadi proses asidulasi, yaitu proses reaksi antara batuan fosfat dengan asam sulfat. Proses tersebut terjadi pada temperatur 80oC pada tekanan 1 atm. Di dalam reaktor terjadi duah buah reaksi yaitu reaksi untuk batuan fosfat dalam negeri dan batuan fosfat luar negeri.Reaksi yang terjadi bersifat eksotermis sehingga reaktor dilengkapi dengan pendingin berupa cooling air. Reaksi di dalam reaktor diasumsikan terjadi pada orde dua dengan laju reaksi untuk batuan fosfat dalam negeri dan luar negeri masing-masing sebesar 0,27 dan 0,44. Dengan laju reaksi tersebut diharapkan konsentrasi asam fosfat yang keluar dari reaktor adalah 40%.Waktu tinggal reaktan di dalam reaktor sangat mempengaruhi konversi reaksi. Semakin lama waktu tinggal reaktan di dalam reaktor, maka konsentrasi produk akan meningkat sampai dengan nilai konstannya. Sebaliknya, semakin lama waktu tinggal reaktan di dalam reaktor, maka konsentrasi reaktan akan semakin menurun sampai dengan nilai konstannya. Ketika reaktan atau produk mencapai nilai konstannya, pada titik tersebut menunjukkan bahwa konversi reaksi maksimal. Untuk menghasilkan konversi sebesar 98%, maka dibutuhkan waktu tinggal reaktan di dalam reaktor selama 6 jam. Reaksi yang terjadi berjalan lambat dikarenakan tidak adanya penambahan katalis yang berfungsi untuk mempercepat proses reaksi. Oleh karena itu, proses pembuatan asam fosfat ini dilakukan secara batch dengan mempertimbangkan waktu tinggal. Waktu tinggal yang lama akan mengakibatkan volume reaktor yang dibutuhkan semakin besar agar dapat menghasilkan produk semaksimal mungkin.

BAB IVKESIMPULAN DAN SARAN

4.1 KesimpulanBerdasarkan perhitungan reaksi yang terjadi pada orde dua dengan kondisi operasi berupa temperatur 80oC, tekanan 1 atm, dan konversi reaksi 98%, maka dapat disimpulkan :1. Laju reaksi untuk batuan fosfat dalam negeri dan luar negeri masing-masing sebesar 0,27 dan 0,44.2. Untuk mencapai konversi 98% dan menghasilkan konsentrasi H3PO4 40%, maka dibutuhkan waktu tinggal reaktan di dalam reaktor selama 6 jam.

4.2 SaranTemperatur operasi merupakan salah satu hal yang perlu diperhatikan agar reaksi berlagsung secara optimal. Oleh karena itu, untuk mencapai konversi reaksi yang optimal dan konsentrasi produk yang sesuai dengan spesifikasi, maka temperatur operasi perlu dijaga pada temperatur 80oC. Caranya adalah dengan mengatur laju alir dari cooling air yang berfungsi sebagai pendingin.

DAFTAR PUSTAKA

Keenan, Kleinfelter, and Wood. 1990. Kimia Universitas. Jakarta : ErlanggaPetrucci, R. 1987. General Chemistry. Jakarta : ErlanggaPerry, Robert H. 1999. Perrys Chemical Engineers Handbook. United State of America : McGraw-Hill CompaniesWalas, Stanley M. 1990. Chemical Process Equipment Selection and Design. United State of America : Butterworth-Heinemann

LAMPIRAN

-rA = k. CA. CB

Integrasi :CA = CA0 (1-xA)CB = CB0 CA0. xACA0 = k. CA0 (1-xA). (CB0 CA0.xA) = k. CA02 (1-xA) (CB0 xA)M =

Perhitungan :Batuan Luar Negeri Ca10(PO4)6F2 + 10 H2SO4 2 HF + 6H3PO4 + 10 CaSO4

Reaksi diasumsikan orde 2 dengan konsentrasi awal berbedaCA0 = 35,4 kmol/jamCB0 = 364,94 kmol/jamk = 0,0019xA= 0,98

Batuan Dalam NegeriCa10(PO4)5(CO3)(OH)3 + 10 H2SO4 + 17 H2O 5 H3PO4 + 10 CaSO4 + CO2 + H2O

Reaksi diasumsikan orde 2 dengan konsentrasi awal berbedaCA0 = 21,26 kmol/jamCB0 = 437,93 kmol/jamk = 0,00154xA= 0,98

PEMECAHAN MASALAH TEKNIK KIMIAMenentukan Waktu Tinggal Optimal untuk Mencapai Konsentrasi H3PO4 40%

Disusun Oleh :Voninurti SeptianiNIM 1114240284A - TKPB

PROGRAM STUDI D IV TEKNIK KIMIA PRODUKSI BERSIHJURUSAN TEKNIK KIMIAPOLITEKNIK NEGERI BANDUNG2015