Cstr Tubes 10 Selasa Pagi Full 69213e

LAPORAN TUGAS BESAR MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

PERMODELAN DAN SIMULASI REAKTOR MIXED FLOW ADIABATIS PADA PROSES ESTERIFIKASI ASAM ASETAT DENGAN SCILAB 5.1.1

Disusun oleh: Erdita Aprilia Yuga Pamujo

21030113120018

Randy Kurniawan

21030113130185

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG

2015

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

HALAMAN PENGESAHAN Judul

: Permodelandan Simulasi Reaktor Mixed Flow Adiabatis pada Proses Esterifikasi Asam Asetat dengan Scilab 5.1.1

Kelompok

: 10 / Selasa Pagi

Anggota

: Erdita Aprilia Yuga Pamujo Randy Kurniawan

21030113120018 21030113130185

Semarang, 15 Desember 2015 Asisten Pengampu,

Pulung Sambadha NIM: 21030112120023

2

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

PRAKATA Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Maha Esa yang senantiasa memberikan rahmat dan bimbingan-Nya, sehingga makalah berjudul “Permodelandan Simulasi Reaktor Mixed Flow Adiabatis pada Proses Esterifikasi Asam Asetat dengan Scilab 5.1.1” dapat diselesaikan dengan baik dan lancar. Terimakasih juga dipanjatkan kepada pihak-pihak lain yang sudah memberikan bantuan, yaitu: 1. Bapak Dr. Ir. Setia Budi Sasongko, DEA selaku dosen pengampu Laboratorium Komputasi Proses Teknik Kimia Universitas Diponegoro. 2. Bapak Luqman Buchori, M.T. selaku dosen pengampu Laboratorium Komputasi Proses Teknik Kimia Universitas Diponegoro. 3. Pulung Sambadha, selaku asisten pembimbing Laboratorium Komputasi Proses Teknik Kimia Universitas Diponegoro. Laporan ini masih butuh penyempurnaan dan riset lebih lanjut. Oleh karena itu, kritik dan saran dari para pembaca akan sangat membantu. Semoga isi dari laporan ini dapat memberikan bantuan untuk para pembaca dalam mengaplikasikan perhitungan numerik dengan Scilab 5.1.1 untuk perancangan.

Penulis

DAFTAR ISI 3

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

HALAMAN JUDUL.................................................................................................................i HALAMAN PENGESAHAN..................................................................................................ii PRAKATA...............................................................................................................................iii DAFTAR ISI............................................................................................................................iv DAFTAR GAMBAR................................................................................................................v INTISARI................................................................................................................................vi BAB I PENDAHULUAN.........................................................................................................1 1.1. Latar Belakang............................................................................................................1 1.2. Perumusan Masalah....................................................................................................2 1.3. Tujuan.........................................................................................................................2 1.4. Manfaat.......................................................................................................................3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA...............................................................................................4 2.1. Dasar Teori..................................................................................................................4 2.2. Studi Khasus.............................................................................................................11 BAB III ALGORITMA PENYELESAIAN............................................................................14 3.1. Permodelan...............................................................................................................14 3.2. Algoritma Penyelesaian............................................................................................14 3.3. Logika Pemrograman...............................................................................................19 3.4. Bahasa Pemrograman...............................................................................................20 BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISIS......................................................................23 4.1. Hasil Simulasi...........................................................................................................23 4.2. Analisis Data.............................................................................................................24 BAB V PENUTUP.................................................................................................................28 5.1. Kesimpulan...............................................................................................................28 5.2. Saran.........................................................................................................................28 DAFTAR PUSTAKA..............................................................................................................29 LAMPIRAN LEMBAR ASISTENSI

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Grafik operasi adiabatik........................................................................................9 Gambar 3.1. Permodelan CSTR reaksi esterifikasi asam asetat dengan etanol......................14 Gambar 3.2. Diagram logika pemrograman...........................................................................19 Gambar 4.1. Tampilan console hasil Scilab 5.1.1...................................................................23 Gambar 4.2. Grafik hubungan suhu dengan konstanta kecepatan reaksi dan konversi..........23 Gambar 4.3. Grafik hubungan konversi dengan volume reaktor dan konstanta kesetimbangan...................................................................................24 4

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

INTISARI Sebagai seorang sarjana teknik kimia, tuntutan yang harus dipenuhi yaitu kemampuan untuk scale-up. Salah satu kemampuan yang harus dimiliki seorang sarjana teknik kimia yaitu mendesain reaktor.Reaktor tangki berpengaduk atau biasa dikenal dengan CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) merupakan salah satu reaktor yang paling sering diaplikasikan dalam industri-industri.Salah satu aplikasi reaktor CSTR ini pada reaksi pembentukan senyawa ester.Dalam mendesain reaktor CSTR ini sangat rumit karena melibatkan perhitungan matematis yang kompleks.Oleh karena itu digunakanlah software Scilab 5.1.1 untuk membantu simulasi dalam perancangan reaktor CSTR ini. Berdasarkan prosesnya, reaktor dibagi menjadi 2, yaitu reaktor batch dan reaktor alir (continuous). Reaktor continuous terdiri dari reaktor alir tanki berpengaduk (mixed flow reactor / reaktor CSTR) dan reaktor alir pipa (plug flow reactor). Pada kasus ini reaktan 5

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR dicampur sebelum masuk reaktor CSTR, sehingga flowrate masuk reaktor sebesar 200 L/min.Di dalam campuran terdapat asam asetat, etanol, dan etil benzene. Konsentrasi asam asetat 5 mol/L,etanol 10 mol/L,dan etil benzene 1mol/L. Reaksi berjalan pada tekanan 2 atm dengan suhu masuk reaktor 90oC. Sesuai dengan tinjauan termodinamika, reaksi esterifikasi ini merupakan reaksi eksotermis reversible dan produk yang dihasilkan, yaitu etil asetat, dapat bereaksi dengan etil benzene membentuk etil benzoalasetat. Algoritma penyelesaian dimulai dengan membuat permodelan sederhana untuk meninjau neraca massa dan neraca energi untuk perhitungan lebih lanjut. Penentuan suhu operasi sesuai aplikasi umum reaksi esterifikasi pada suhu 90-100oC. Dari suhu tersebut kemudian mencari nilai konstanta kecepatan reaksi pada suhu tersebut dengan rumus Arrhenius. Selanjutnya masuk dalam perhitungan konversi pada tiap-tiap suhu yang kemudian dilanjutkan mencari volume reaktor untuk konversi tersebut. Nilai konversi selanjutnya digunakan juga untuk menentukan nilai konstanta kesetimbangan. Untuk perhitungan dengan rumus serta bahasa pemrograman akan dibahas lebih lanjut dalam laporan. Hasil perhitungan disajikan dengan Scilab 5.1.1 dan ditampilkan data-data hasil perhitungan, serta grafik-grafik. Dari simulasi yang dilakukan ternyata nilai konstanta kecepatan reaksi akan naik seiring naiknya suhu. Nilai konversi juga akan naik seiring naiknya suhu dan optimum pada kondisi 95oC. Konversi yang diberikan kurang lebih 95% dan memperoleh volume reaktor kurang lebih 2.400 liter. Hasil simulasi juga menunjukkan bahwa nilai konstanta kesetimbangan naik seiring naiknya konversi dan suhu. Saran untuk melakukan simulasi dengan Scilab 5.1.1 ini sebaiknya harus teliti dalam menurunkan persamaan karena beberapa jenis reaktor dan reaksi memiliki perhitungan yang cukup berbeda. Selain itu, dalam melakukan simulasi juga harus memahami kondisi operasi dan reaksi yang terjadi. Penguasaan software Scilab yang baik dan benar akan sangat membantu dalam simulasi perancangan.

6

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang Ilmu teknik kimia sangat erat kaitannya dengan pemrosesan bahan mentah menjadi barang jadi yang memiliki nilai guna yang tinggi. Sebagai seorang sarjana teknik kimia, tuntutan yang harus dipenuhi yaitu kemampuan untuk scale-up dan produksi masal untuk menghasilkan keuntungan bagi industri-industri yang ada. Dasar-dasar perpindahan massa dan energi, teknik reaksi kimia, desain alat proses, sampai desain suatu pabrik adalah idealisme seorang sarjana teknik kimia. Salah satu kemampuan yang harus dimiliki seorang sarjana teknik kimia yaitu mendesain reaktor tempat terjadinya proses fisika dan kimia untuk mengubah bahan mentah menjadi produk jadi. Beberapa masalah yang sering dihadapi dalam perancangan reaktor yaitu sifat fisik dan kimia bahan baku, target produksi, munculnya by product, kondisi operasi reaktor, dan efisiensi kerja reaktor. Semua hal tersebut perlu diperhatikan agar tidak terjadi gangguan-gangguan selama proses berlangsung. Jenis-jenis reaktor yang dirancang pun ada beberapa macam dan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Salah satu reaktor yang paling sering digunakan yaitu reaktor tangki berpengaduk. Reaktor tangki berpengaduk atau biasa dikenal dengan CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor) merupakan salah satu reaktor yang paling sering diaplikasikan dalam industriindustri. Penggunaan reaktor ini dikenal luas karena sangat fleksibel digunakan dalam macam-macam reaksi, terutama reaksi yang melibatkan fase cair atau fase gas. Adanya impeller memungkinkan terjadinya pengadukan dan perataan distribusi molekul di dalam reaktor. Selain itu by products reaksi dapat dihilangkan selama reaksi (Nanda et al., 2008). Salah satu aplikasi reaktor CSTR ini pada reaksi pembentukan senyawa ester. Ester adalah senyawa yang sangat penting dan bermanfaat dalam banyak industri sebagai pelarut, plasticizer, farmasi, dan senyawa intermediate (Zeki et al., 2010; Patil et al., 2014). Senyawa ester memiloki bobot molekul yang kecil dengan sifat mengeluarkan bau yang khas, sehingga ester ini juga bisa digunakan dalam industri parfum (Patil et al., 2014). Metode yang digunakan untuk membuat senyawa ester yaitu dengan esterifikasi. Reaksi esterifikasi, salah satunya pada pembuatan etil asetat dari asam asetat, secara umum digambarkan pada gambar berikut ini (Kirbaslar et al., 2000). katalis

CH3COOH + C2H5OH

CH3COOC2H5 + H2O

Gambar 1.1. Reaksi esterifikasi asam asetat dengan etanol. 1

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR Penggunaan reaktor CSTR untuk reaksi esterifikasi ini telah memalui banyak studi untuk memperoleh kondisi optimum yang dapat memberikan konversi yang baik (Leevijit et al., 2006; Ogbu et al., 2013). Namun, perlu diketahui bahwa mendesain reaktor CSTR ini sangat rumit karena melibatkan perhitungan matematis yang kompleks. Perhitungan yang dilakukan harus mengasumsikan bahwa pengadukan sempurna dan laju alir produk masuk reaktor harus stabil. Oleh karena itu digunakanlah software Scilab 5.1.1 untuk membantu simulasi dalam perancangan reaktor CSTR ini. 1.2. Perumusan Masalah Perhitungan reaktor CSTR ini sangat rumit dengan rumus yang kompleks. Banyak pengaruh atau faktor yang dapat mempengaruhi kinerja reaktor dan proses reaksi di dalamnya. Salah satu faktor penting yaitu suhu. Pada reaksi kimia kenaikan suhu akan meningkatkan konversi dan konstanta kecepatan reaksi. Namun yang perlu diingat bahwa reaksi esterifikasi bersifat eksotermis yang berarti semakin tinggi suhu, kesetimbangan reaksi akan bergeser ke arah reaktan. Pada kondisi yang demikian perlu sekali tinjauan mengenai suhu optimum operasi untuk mengetahui sifat termodinamika dan kinetika reaksi yang terjadi pada berbagai suhu tersebut. Selain itu perlu dilihat mengenai konversi yang terjadi selama reaksi. Untuk meninjau hal-hal tersebut, penggunaan Scilab 5.1.1 digunakan untuk simulasi reaksi esterifikasi dalam reaktor CSTR. 1.3. Tujuan Simulasi ini bertujuan untuk: 1. Mengetahui kebutuhan volume reaktor CSTR dalam produksi etil asetat. 2. Mengetahui pengaruh suhu terhadap konversi reaksi esterifikasi dalam reaktor CSTR. 3. Mengetahui pengaruh suhu terhadap konstanta kecepatan reaksi esterifikasi dalam reaktor CSTR. 4. Mengetahui pengaruh suhu terhadap konstanta kesetimbangan reaksi esterifikasi dalam reaktor CSTR. 1.4. Manfaat Manfaat yang diperoleh yaitu: 1. Mahasiswa dapat mengetahui kebutuhan volume reaktor CSTR dalam produksi etil asetat. 2. Mahasiswa dapatmengetahui pengaruh suhu terhadap konversi reaksi esterifikasi dalam reaktor CSTR. 3. Mahasisawa dapat mengetahui pengaruh suhu terhadap konstanta kecepatan reaksi esterifikasi dalam reaktor CSTR.

2

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR 4. Mahasiswa dapat mengetahui pengaruh suhu terhadap konstanta kesetimbangan reaksi esterifikasi dalam reaktor CSTR.

BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Dasar Teori 2.1.1. Reaktor Kimia Reaktor adalah suatu alat tempat terjadinya reaksi kimia untuk mengubah suatu bahan baku menjadi produk yang memiliki nilai ekonomis yang lebih tinggi. Berdasarkan prosesnya, reaktor dibagi menjadi 2, yaitu reaktor batch dan reaktor alir (continuous). Reaktor continuous terdiri dari 2 jenis diantaranya reaktor alir tanki berpengaduk (mixed flow reactor / reaktor CSTR) dan reaktor alir pipa (plug flow reactor). Reaktor batch adalah reaktor yang selama proses reaksinya tidak ada pemasukan pereaktan dan pengeluaran zat hasil. Selain itu, pada reaktor batch komposisi dalam reaktor seragam dan berubah terhadap waktu. Reaktor alir pipa (RAP / plug flow reactor) adalah reaktor yang biasanya dipakai untuk proses aliran kontinyu tanpa pengadukan.Di dalam RAP, fluida mengalir dengan pola seperti plug flow (aliran sumbat). Fluida mengalir di dalam pipa dengan arah yang sejajar dengan sumbupipa, 3

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR dengan kecepatan yang sama di seluruh penampang pipa. Biasanya diasumsikan tidak ada difusi arah aksial maupun pencampuran balik (backmixing)(Fogler, 1999). Reaktor CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor / Mixed Flow reactor / Reaktor alir Tangki Berpengaduk) merupakan salah satu reaktor kimia, tempat terjadinya pembentukan suatu komponen (beberapa komponen) hasil dari reaksi antara komponenkomponen lain. Reaktor CSTR berupa suatu wadah yang umumnya berbentuk silinder dengan diameter tertentu, dimana sekeliling reaktor bisa dibiarkan terbuka (terjadi konveksi bebas antar reaktor dengan udara sekelilingnya) dengan cairan (air) pendingin / pemanas untuk menyerap panas yang timbul. Sebagai salah satu reaktor kimia, di dalam CSTR terjadi reaksi kimia pembentukan atau penguraian, dimana aliran masa masuk / keluar berlangsung secara terus menerus (kontinyu). Reaksi yang terjadi dalam CSTR bisa berupa reaksi satu arah, reaksi bolak-balik, atau reaksi berantai (Rosadi, 2000). Reaktor CSTR beroperasi pada kondisi steady state dan mudah dalam control temperatur, tetapi waktu tinggal reaktan dalam reaktor ditentukan oleh laju alir dari umpan yang masuk atau keluar, maka waktu tinggal sangat terbatas sehingga sulit mencapai konversi reaktan pervolume reaktor yang tinggi karena dibutuhkan reaktor dengan volume yang sangat besar (Smith, 1970). Variabel-variabel yang perlu diperhatikan dalam perancangan reaktor dianatanya: 1. Fase zat pereksi dan zat hasil reaksi 2. Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping 3. Kapasitas produksi 4. Harga alat (reactor) dan biaya instalasinya 5. Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas Pada perancangan reaktor CSTR, waktu bertambah denganbertambahnya volume reaktor, sehingga konversi merupakan fungsi volume reaktor. Jika kecepatan umpan masuk sistem pada kondisi “steady state” : FAO = mol/sat. Waktu, maka jumlah A yang bereaksi(Levenspiel, 1972): Mol A mula2 [FAO ][ X A ]  Waktu

Mol A yang Bereaksi Mol A Mula2 (2.1)

[FAO ][ X A ] 

Mol A yang Bereaksi waktu (2.2)

Untuk

menentukan

volume

reaktor

yang

dibutuhkan

dapat

digunakan

persamaan(Levenspiel, 1972): 4

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR V

FAO X A  rA (2.3)

2.1.2. Sifat Reaksi Reaksi eksotermis adalah suatu reaksi yang melepaskan kalor. Contoh reaksi eksotermis adalah reaksi esterifikasi antara asam asetat dengan etanol yang berlangsung dalam fase cair. Reaksinya adalah sebagai berikut: C2H5OH + CH3COOH ↔ CH3COOC2H5 + H2O Reaksi di atas adalah reaksi eksotermis yang berarti sejumlah kalor yang berasal dari sistem lepas ke lingkungan. Kandungan kalor sistem menjadi berkurang (Rufiati, 2011). Pada suatu reaksi yang tergolong eksotermis, terdapat sejumlah kalor yang berpindah dari sistem ke lingkungan. Hal ini menunjukkan bahwa H p lebih kecil dari Hr. Oleh karena itu, harga delta H bertanda negatif (-) (Rufiati, 2011). Reaksi endoterm adalah reaksi yang disertai dengan perpindahan kalor dari lingkungan ke sistem, atau secara singkat dapa dikatakan bahwa reaksi endoterm merupakan reaksi yang sistemnya menyerap kalor. Salah satu ciri khas reaksi endoterm adalah selama reaksi berlangsung terjadi penurunan suhu sehingga untuk kembali dalam keadaan suhu awal, sistem harus menyerap kalor. Oleh karena itu, harga delta H bertanda positif (+) (Rufiati, 2011). Contoh penentuan reaksi eksotermis dan endotermis secara termodinamika: Pada reaktor alkilasi, terjadi reaksi antara etilen dengan benzene menghasilkan etil benzene. Untuk mengetahui reaksi tersebut ekotermis atau endotermis dapat diketahui dari perhitungan ΔH298. Reaksi Alkilasi : C2H4(g) + C6H6(g)→ C6H5C2H5(g) Pada 298⁰C, ΔHf C2H4(g) = 52,283 kJ/gmol ΔHf C6H6(g) = 82,927 kJ/gmol ΔHf C6H5C2H5(g) = 29,790 kJ/gmol ΔH298 = ΔHfC6H5C2H5 – (ΔHfC6H6 + ΔHfC2H4) = 29,790 – (82,927 + 52,283) = - 105,42 kJ/gmol Karena ΔH yang dihasilkan negatif, maka reaksi diatas merupakan reaksi eksotermis. 2.1.3. Reaksi Reversible dan Reaksi Irreversible Reaksi reversible adalah suatu reaksi yang berlangsung dalam dua arah. Zat hasil reaksi dapat bereaksi kembali membentuk zat pereaksi. Misalnya, reaksi pembentukan 5

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR etil asetat dari asam asetat dan etanol. Suatu reaksi reversible yang memiliki kecepatan pembentukan zat-zat hasil reaksi sama dengan kecepatan pembentukan kembali zat-zat pereaksi dinamakan reaksi kesetimbangan. Secara umum, reaksi kesetimbangan dapat dituliskan sebagai berikut aA + bB ↔

cC + dD. Suatu sistem kesetimbangan

mempunyai ciri-ciri sebagai berikut(Kristianingrum, 2009): a. Merupakan suatu sistem tertutup dan pada suhu konstan. b. Mempunyai sifat makroskopis yang konstan. c. Bersifat dinamis. d. Semua zat pereaksi dan hasil reaksi mempunyai konsentrasi konstan. Reaksi irreversible adalah suatu reaksi yang berlangsung dalam satu arah. Zat hasil reaksi tidak dapat bereaksi membentuk pereaksi. Contoh reaksi irreversible adalah pembentukan garam natrium klorida dari asam klorida dan natrium hidroksida (Kristianingrum, 2009). Pada tahun 1866 dua orang ahli matematikan dan ahli kimia dari Norwegia, Guldberg dan Waagemengemukakan hukum kesetimbangan kimia atau dinamakan pula hukum aksi massa sebagai berikut(Kristianingrum, 2009): “Pada suhu dan tekanan tertentu perbandingan hasil kali konsentrasi zat-zat di sebelah kanan anak panah persamaan reaksi (zat hasil reaksi) dengan konsentrasi zat-zat sebelah kiri (pereaksi), yang masing-masing dipangkatkan dengan koefisien reaksinya adalah tetap”. Misal reaksi aA + bB → cC + dD K = tetap =

[ C]c .[ D]d a b [ A ] .[B]

(2.4) Harga tetapan K merupakan ukuran sampai seberapa jauh suatu reaksi dapat berlangsung. Harga K besar menunjukkan bahwa zat hasil reaksi banyak terbentuk dan sebaliknya. Tetapan kesetimbangan (K) dapat berbentuk Kc, Kp, atau Kx. Kc digunakan untuk menyatakan tetapan untuk reaksi kesetimbangan molar (larutan dan gas). Kp digunakan untuk menyatakan tetapan kesetimbangan tekanan parsial (gas). Kx menyatakan tetapan kesetimbangan dalam fraksi mol (larutan dan gas) (Kristianingrum, 2009). a. Konsentrasi molar Kc =

[C]c .[ D]d a b [ A ] .[B] (2.5) 6

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR b. Tekanan parsial c

d

PC . P D a b P A . PB

Kp =

(2.6) c. Fraksi mol X C c . X Dd X A a . X Bb

Kx =

(2.7) Hubungan antara Kp dan Kc dapat ditentukan sebagai berikut(Kristianingrum, 2009): pV = nRT c d [ C ] ( RT )c [ D ] ( RT ) d a b a b p= [ A ] ( RT ) [ B ] ( RT ) c

d

[C ] . [ D ] ( RT )( c+d )−(a+ b) a b Kp = [ A ] . [ B] Kp =

Kc

∆n

(2.8) ∆ n adalah (jumlah mol gas hasil reaksi)-(jumlah mol gas reaktan) bila n=0→ Kp = Kc n>0 → Kp > Kc n<¿ 0 → Kp < Kc Secara analog hubungan Kp dan Kc dinyatakan dalam rumus(Kristianingrum, 2009): ∆n Kp = Kx P (2.9) P = tekanan total Contoh Soal: Untuk reaksi : CO(g) + H2O(g) ↔ CO2(g) + H2(g) harga-harga entropi standar So dan kalor pembentukan standar Hfo pada 25oC diberikan sebagai berikut: So (kal/det.mol) Hfo(kkal/mol) CO 47,3 -26,4 H2O 45,0 -57,8 CO2 51,1 -94,0 H2 31,2 0 Hitung tetapan keseimbangan Kp untuk reaksi tersebut pada suhu 25oC. Diketahui nilai konstanta gas ideal R = 2kal/det.mol!

7

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR Jawaban: So= ΔSoH2 + ΔSo CO2 – ΔSoCO + ΔSoH2O = (31,2 + 51,1) – (47,3 + 45,0) = 10,0 kal/det.mol Hfo = ΔHfoH2 + ΔHfoCO2 – ΔHfoCO + ΔHfoH2O = (0 -94,0) – (-26,4 – 57,8) = -9,8 kkal = -9800 kal Go= ΔHo – T.ΔSo = -9800 – (298)(-10,0) = -6820 kal Go = -RT ln Kp ln Kp = (-6820)/(-2)(298) = 11,4 Kp = e11,4 = 8,9 x 104 2.1.4. Kondisi Operasi Reaktor Proses adiabatik adalah sistem yang tidak melakukan pertukaran panas dengan lingkungannya. Hal ini berarti ketika sistem melakukan usaha baik berupa gerakan ataupun kerja mekanik, idealnya tidak menjadikan lingkungan sekitarnya hangat atau dingin.Untuk sistem yang melibatkan gas, proses adiabatik biasanya membutuhkan perubahan tekanan untuk menggeser suhu tanpa mempengaruhi lingkungan sekitarnya. Dalam atmosfer bumi, massa udara akan menjalani ekspansi adiabatik dan mendingin, atau akan mengalami kompresi adiabatik, dan memanas(Surawan, 2011).

Gambar 2.1 Grafik operasi adiabatik. Gambar 2.1 menunjukkan hubungan antara tekanan dengan volume pada proses adiabatik. Dari gambar tersebut, dapat diperoleh besarnya usaha yang dinyatakan dengan luas daerah di bawah kurva(Surawan, 2011). Sebuah proses adiabatik adalah proses termodinamika dimana sistem tidak mendapatkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Sebuah proses termodinamika dapat dipahami sebagai pengukuran perubahan energi dalam sebuah sistem, yang diambil dari keadaan awal ke keadaan akhir(Surawan, 2011). 8

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR Proses non adiabatik merupakan proses termodinamika dimana sistem tertutup dapat berinteraksi dengan lingkungan melalui kerja dan interaksi thermal (kalor) sehingga perubahan energi sistem yang terjadi pada dua keadaan tidak saja sama dengan kerja yang dihasilkan atau diberikan pada sistem tetapi juga memperhitungan besarnya kalor yang masuk atau keluar sistem(Paloboran, 2009). 2.1.5. Molekularitas Reaksi Reaksi bimolekular adalah satu reaksi dimana dua molekul pereaksi yang sama atau tidak bergabung menghasilkan satu atau sejumlah molekul produk. Mereka adalah reaksi-reaksi asosiasi (kebalikan reaksi dekomposisi)(Willi, 2008a). A + B → AB 2A → A2 Atau reaksi pertukaran A + B → C + D 2A → C + D Beberapa contoh reaksi-reaksi bimolekular CH3 + C2H5 → C3H8 CH3 + CH3 → C2H6 C2H4 + HI →

C2H5I

H + H2 → H2 + H O3 + NO → O2 + NO2 Sulivan menunjukkan bahwa seringkali diberikan reaksi bimolekular klasik 2HI → H2 + I2 adalah reaksi rantai pada temperatur tinggi (800 K) dengan penentuan laju tahap termolekular. Reaksi unimolekular (monomolekular) merupakan reaksi yang meliputi satu molekul pereaksi dan salah satunya isomerisasi. Didalam reaksi unimolekuler, molekul reaktan tunggal terisomerisasi atau terdekomposisi untuk menghasilkan satu atau lebih produk. Dalam teori laju reaksi, keadaan transisi atau komplek teraktivasi memiliki 9

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR konfigurasi serupa terhadap reaktan sehingga prosesnya dapat direpresentasikan dengan(Willi, 2008b): A + A+ → produk Beberapa contoh reaksi-reaksi unimolekular: CH3NC → CH3CN C2H6 → 2 CH3 C2H5 → C2H4 + H 2.1.1.6. Reaksi Seri dan Reaksi Paralel Reaksi seri atau reaksi konsekutif yaitu reaksi dari reaktan membentuk produk antara yang aktif kemudian lebih lanjut dapat berubah menjadi produk lain yang stabil(Harsanti, 2012). Contoh : A

k1 →

R

k2 →

S

Reaksi seri yang terkenal pada skala industri adalah reaksi antara etilen-oksid dan ammonia berurutan terbentuk mono-etanol-amin, kemudian reaksi berlanjut terbentuk di-etanol-amin dan produk akhir adalah tri-etanol-amin(Harsanti, 2012). Reaksi seri yang terjadi adalah sebagai berikut: k1 EO EO C2H4O + NH3 → HOCH2CH2NH2 → (HOCH2CH2NH2)2NH → (HOCH2CH2)3N Reaksi paralel atau reaksi samping (competitive reaction) yaitu dari reaktan yang sama dihasilkan produk yang berbeda melalui jalur reaksi yang berbeda pula(Harsanti, 2012). Contoh: A A

k1 →

k2 →

R S

Contoh reaksi paralel yang cukup terkenal pada skala industri adalah reaksi oksidasi terhadap etilen akan dihasilkan produk yang diinginkan adalah etilen oksid sementara selama terjadi reaksi oksidasi sebagian etilen terbakar sempurna

dan

dihasilkan produk yang tidak diinginkan adalah uap air dan karbon dioksida(Harsanti, 2012). Reaksi paralel yang terjadi adalah sebagai berikut: C2H4 + ½ O2 → C2H4O

10

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR C2H4 +3 O2 → 2CO2 + 2H2O 2.1. Studi Kasus Reaksi esterifikasi yang paling sederhana yaitu reaksi antara asam asetat dengan etanol. Reaksi ini berlangsung secara reversible dan eksotermis. Reaksi akan dijalankan dalam reaktor CSTR pada pada fase cair-cair. Produk etil asetat yang muncul bisa bereaksi lebih lanjut dengan etil benzoat membentuk etil benzoalasetat dan etanol. Dalam menjalankan reaksi ini perlu penanganan tertentu karena reaksi esterifikasi berjalan lambat pada suhu ruangan. Selain itu reaksi seri ini dapat menurunkan produk yang diinginkan yaitu etil asetat karena membentuk produk samping bila direaksikan dengan etil benzene. Kondisi reaksi yang terjadi dalam reaktor secaara adiabatis. Pada kasus ini reaktan dicampur sebelum masuk reaktor, sehingga flowrate masuk reaktor sebesar 200 L/min.Di dalam campuran terdapat asam asetat, etanol, dan etil benzene. Konsentrasi asam asetat sebesar 5 mol/L,konsentrasi etanol sebesar 10 mol/L,dan konsentrasi etil benzene sebesar 1mol/L. Reaksi berjalan pada tekanan 2 atmdengan suhu masuk reaktor 90oC. Reaksi yang terjadi pada kasus ini ditunjukkan sebagai berikut (X = 50-90%): katalis CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O Reaksi samping yang terjadi (X = 30%): C6H6COOC2H5 + CH3COOC2H5 C6H6CO-CH2COOC2H5 + C2H5OH Reaksi dilakukan pada suhu 90 – 100oC dengan katalis padat berupa resin Amberlyst 35 wet. mean pada suhu 90-110oC = -86,05 J/mol.K. Diketahui: as. asetat etanol et. asetat

= 124,40 J/mol.K = 400,17 J/mol.K = 169,90 J/mol.K

air = 77,54 J/mol.K et. benzene = 185,60 J/mol.K et. ben-asetat = 212,52 J/mol.K

2.2.1. Tinjauan Termodinamika Tinjauan secara termodinamika ditujukan untuk mengetahui sifat reaksi (endotermis / eksotermis). Penentuan panas reaksi berjalan secara eksotermis atau endotermis dapat dihitung dengan perhitungan panas pembentukan standart ΔHfo pada:P = 1 atm dan t = 298oK Reaksi yang terjadi: katalis

CH3COOH + C2H5OH

CH3COOC2H5 + H2O

(A) (B) Senyawa V ΔH298 (J/mol) ΔG298 (J/mol)

(C) A -1 -484.400 -390.200

B -1 -277.600 -174.800

C +1 -479.300 -332.700

(D) D +1 -285.830 -237.129 11

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR ΔHreaksi = ΔHproduk - ΔHreaktan ∆ H f =( 484.400+277.600−479.300−285.830 ) 298

∆ H f =−3.130 298

joule mol

(2.10)

joule mol

(2.12)

Nilai entalpi reaksi negatif, sehingga reaksi esterifikasi asam asetat dengan etanol merupakan reaksi eksotermis. 2.2.2.

Tinjauan Kinetika

Untuk menentukan apakah suatu reaksi tergolong reversible atau irreversible dilakukan peninjauan terhadap tetapan konstanta kesetimbangan (K) pada 298 K. Reaksiyang terjadi: katalis

CH3COOH + C2H5OH

CH3COOC2H5 + H2O

Pada suhu kamar diperoleh data-data ΔG masing-masing komponen: 332.700 joule/mol (298 K)

ΔGCH3COOH =

237.129 joule/mol (298 K)

ΔG C2H5OH =

ΔG CH3COOC2H5=

390.200 joule/mol (298 K)

174.800 joule/mol (298 K)

ΔG H2O = Sehingga :

ΔGreaksi = ΔGproduk - ΔGreaktan ∆ Gf =(390.200+174.800−332.700−237.129) 298

∆ Gf =−4.829 298

[

K 298 =exp ⁡

K 298 =exp

[

joule mol

−∆ Gf RT0

298

(2.11)

(2.12)

]

−(−4.829) 8.314

joule mol

joule mol

joule x 298 K mol . K

] 12

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR K 298 =7,0223 Nilai konstanta kesetimbangan reaksi pada 298 K sangat kecil, sehingga reaksi esterifikasi asam asetat dengan etanol merupakan reaksi bolak-balik (reversible). Nilai K pada range suhu operasi umum esterifikasi (90-100oC) dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut. ln

∆ Hf K = K 298 R

298

[

1 1 − T0 T

[

∆ Hf K=K 298 x exp R

298

(

]

(2.13)

1 1 − 298 T

(2.14)

)]

BAB III ALGORITMA PENYELESAIAN 3.1. Permodelan Reaksi yang terjadi dalam CSTRdalam fase cair yaitu: k1 CH3COOH + C2H5OH CH3COOC2H5 + H2O (A) (B) k2 (C) (D) Reaksi samping: C6H6COOC2H5 + CH3COOC2H5 C6H6CO-CH2COOC2H5 + C2H5OH (E) (C) k3 (F) (B) FI = FI0 FI0 = 200 L/min

CA = ?

CD = ?

CA0 = 5 mol/L

CB = ?

CE = ?

CB0 = 10 mol/L

CC = ?

CF = ?

CE0 = 1 mol/L

Tout = ?

Tin = 90oC Pout = 2 atm Vreaktor Gambar 3.1. Permodelan CSTR reaksi esterifikasi asam asetat dengan etanol. Pin = 2 atm 3.2. Algoritma Penyelesaian Neraca massa: 13

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR dN A dt

FA0 + rA.V – FA = (3.1)

dN A dt

Pada saat steady state:

=0

Sehingga: FA0 + rA.V – FA = 0 rA.V = FA – FA0 dimanaFA = FA0(1 – XA) FA 0 X A dan diperoleh: V = −r A

(3.2) (3.3)

:

d FA =r A dV

(3.4)

Etanol

:

d FB =r B 1+ r B 2 dV

(3.5)

Etil Asetat

:

d FC =r C 1+ r C 2 dV

(3.6)

Air

:

d FD =r D dV

(3.7)

Etil Benzene

:

d FE =r E dV

(3.8)

d FF =r F dV

(3.9)

Asam asetat

Etil Benzoalasetat : Neraca energi: T

q

´ W´ s−F AO ∫ ∑ θi C pi dT +V ∑ r ij ∆ H Rxij ( T ) =0 Q− T0

i=1

Dimana: ´ = UA (T – T) Q a

(3.10) (3.11)

Ta1 = Ta2 = Ta W´ s = 0 Asumsi kapasitas panas konstan. Sehingga diperoleh persamaan: q

UA (Ta – T) -

F AO ∑ C pi θi (T −T 0)+V ∑ r ij ∆ H Rxij (T )=0 i=1

(3.12)

Karena reaksi berlangsung pada kondisi adiabatis, maka: ´ = UA (T – T) = 0 Q a Sehingga persamaan menjadi:

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

(3.13)

14

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR q

−F AO ∑ C pi θi (T −T 0 )+V ∑ r ij ∆ H Rxij ( T )=0 i=1

Apabila persamaan diatas dijabarkan maka akan menjadi: m

−F AO ∑ C pi θi ( T −T 0 ) +Vr 1 ∆ H Rx 1 ( T )+Vr 2 ∆ H Rx 2 ( T )=0 i=1

Laju reaksi: r A =−k 1 C A C B +k 2 CC C D r B 1 =−k 1 C A C B +k 2 CC C D

(3.14)

(3.15) (3.16)

r B 2 =k 3 CC C E (3.17) r C 1=k 1 C A C B−k 2 C C C D

(3.18)

r C 2=−k 3 CC C E

(3.19)

r D=k 1 C A C B−k 2 C C C D

(3.20)

r E=−k 3 CC C E

(3.21)

r F =k 3 C C C E (3.22) Stoikiometri: C A =C A 0 ( 1−X A )

(

C A0 X CB0 A

(3.23)

)

(3.24)

(3.26) CC 2=C A 0 X A −C E 0 X E

(3.27)

C B 1=C B 0 1− C B 2=C E 0 X E (3.25) CC 1=C A 0 X A

C D =C A 0 X A (3.28) C E=C E 0 ( 1−X E )

(3.29)

C F =C E 0 X E (3.30) Data konstanta kecepatan reaksi: 15

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR Diketahui nilai konstanta kecepatan reaksi esterifikasi (k 1) ideal sebesar 0,0832 L/mol.min dan (k1) non-ideal = 0,0430 L/mol.min. pada suhu 50 oC dan perbandingan molar etanol/asam asetat = 10 (Zeki et al., 2010). Dari data tersebut bisa diketahui nilai konstanta kecepatan reaksi untuk perbandingan molar etanol/asam asetat bernilai 2 sebesar: 2 L k 1= x 0,0832=0,01664 10 mol . min k 2=

2 L x ( 0,0832−0,0430 )=0,00804 10 mol . min

k 3 =0,01750

L (asumsi ; dengan Ea=50.859 J /mol) mol . min

Kemudian dengan perhitungan matematis, diperoleh harga Ea ideal = 20.823 J/mol dan Ea non-ideal = 16.988 J/mol. Untuk mengetahui nilai k pada suhu lain dapat menerapkan persamaan Arrhenius. Ea k =A .exp RT

[ ]

k ( T )=k 0 exp

[ ( )] Ea 1 1 − R T0 T

(3.31) (3.32)

Variabel operasi: FI0 = 200 L/min x 16 mol/L = 3.200 mol/min T = 90; 92,5; 95; 97,5; 100, 102,5; 105; 107,5; 110 XE = 0,3 FA0 = 200 L/min x 5 mol/L = 1.000 mol/min FB0 = 200 L/min x 10 mol/L = 2.000 mol/min FE0 = 200 L/min x 1 mol/L = 200 mol/min FI = FI0 (1-XA) = 3200 (1-0,9) = 320 mol/min R = 8,314 J/mol.K Data kapasitas kalor: T

dT T R ^ = T −T 0 R∫

(3.33)

0

asam asetat etanol etil asetat air etil benzene etil benzoalasetat

= 124,40 J/mol.K =400,17J/mol.K = 169,90 J/mol.K =77,54 J/mol.K = 185,60 J/mol.K = 212,52 J/mol.K

Data panas reaksi: ΔHoRx1

= -3.130 J/mol 16

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR ΔHoRx2 TR Ta T0 3.2.1.

=214.000 J/mol = 298 K == 363 K

Menentukan Konstanta Kecepatan Reaksi pada Berbagai Suhu E 1 1 k 1 ( T ) =0,01664 exp ⁡ − R 323 T

[( [( [(

3.2.2.

)]

(3.34)

k 2 ( T ) =0,00804 exp ⁡

E 1 1 − R 323 T

)]

(3.35)

k 3 ( T ) =0,00550 exp ⁡

E 1 1 − R 323 T

)]

(3.36)

Menentukan Konversi Berdasarkan Suhu Operasi m

−F AO ∑ C pi θi ( T −T 0 ) +Vr 1 ∆ H Rx1 ( T )+Vr 2 ∆ H Rx 2 ( T )=0 i=1

(3.37) m

Vr 1 A ∆ H Rx 1 ( T ) +Vr 2 ∆ H Rx2 ( T ) + F A 0 T 0 ∑ C pi θi i=1

T=

(3.38)

m

F A 0 ∑ C pi θi i=1

Di mana: V=

FA 0 X A F A0 X A = −r A k 1 C A C B 1−k 2 C C 1 C D

r 1=−k 1 C A C B 1 +k 2 C C 1 C D

[

{ (

¿−k 1 C A 0 ( 1−X A ) . C B 0 1−

CA 0 X CB0 A

)}]

+ k2 [ C A 0 X A]

2

r 2=−k 3 C C2 C E ¿−k 3 [ { C A 0 X A−C E 0 X E } C E 0 ( 1−X E ) ] ∆ C p 1=169,90+77,54−400,17−124,4=−277,13

J mol . K

∆ C p 2=212,52+400,17−185,60−169,90=257,19

J mol . K

∆ H Rx1 (T )= [−3.130+ (−277,13 ) (T −298 ) ] ∆ H Rx2 (T )= [ 214.000+ 257,19 ( T −298 ) ]

J mol

J mol

17

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

θA=

F A 0 1.000 = =1 F A 0 1.000

θB =

F B 0 2.000 = =2 F A 0 1.000

θC =

F E 0 200 = =0,2 F A 0 1.000

n

∑ θi i=[ 169,9+2. ( 400,17 )+ 0,2. ( 185,6 ) ] molJ . K 1

¿ 1.007,36

3.2.3.

J mol . K

Menentukan Volume Reaktor untuk Berbagai Konversi F X F AO . X A V= A0 A= −r A k 1 C A C B −k 2 CC C D MULAI

Dengan diketahui FAO = 1000 mol/min maka persamaan menjadi: 1000. X A V= 2 k 1 (C A 0 ( 1− X A ) )(C B 0−C A 0 X A )+k 2 (C A 0 X A ) Nilai T

3.2.4.

(3.39)

(3.40)

Menentukan Harga Konstanta Kesetimbangan Reaksi C [ ¿ ¿ C 1C Penentuan D] nilai k1 dan k2 pada berbagai suhu Nilai k1 dan k2, grafik T vs k (3.41) [C A CB 1] K =¿ (3.42) 2 ([ C A 0 X A ) ] K= Nilai T, k1, k2 C C A 0 ( 1−X A ) .C B 0 1− A 0 X C B0 A

[

(

)]

Penentuan konversi pada berbagai suhu Nilai operasi XA, grafik suhu vs XA

3.3. Logika Pemrograman Nilai XA, T, k1, dan k2

Penentuan volume reaktor berdasarkan konversi k optimum Grafik dan konversi vs volume reaktor

Nilai XA Penentuan nilai K pada berbagai konversiGrafik asam konversi asetat vs harga K

18

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES SELESAI

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

Gambar 3.2. Diagram logika pemrograman. 3.4. Bahasa Pemrograman clear clc k1o=0.01664; k2o=0.00804; k3o=0.01750; T=[90:5:110]+273; Treff=50+273; k1T=k1o*exp((20832/8.314)*((Treff^(-1))-T^(-1))); k2T=k2o*exp((20832/8.314)*((Treff^(-1))-T^(-1))); k3T=k3o*exp((50859/8.314)*((Treff^(-1))-T^(-1))); T=T'; k1T=k1T'; k2T=k2T'; k3T=k3T'; disp(' T(K) k1(L/mol.min) k2(L/mol.min) k3(L/mol.min)') disp([T k1T k2T k3T]) function y=konversi(XA) FA0=1000 CA0=5 CB0=10 CE0=1 XE=0.3 T=[90 95 100 105 110]+273 T0=90+273 k1=[0.0391196 0.0429660 0.0470721 0.0514462 0.0560965] k2=[0.0189015 0.0207600 0.0227440 0.0248574 0.0271043] k3=[0.1410528 0.1773458 0.2216125 0.2753008 0.3400640] sigma=1007.36 dHR1=-3130-277.13*(T-T0) dHR2=214.000+257.19*(T-T0) r1=(-k1.*(CA0-CA0*XA).*(CB0-CA0*XA))+(k2.*(CA0*XA).*(CA0*XA)) r2=-k3.*(CA0*XA-CE0*XE).*(CE0-CE0*XE) V=(FA0*XA).*(-(r1))^(-1) y=T-((V.*r1.*dHR1+V.*r2.*dHR2+FA0*T0*sigma)/(FA0*sigma)) 19

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR endfunction T=[90:5:110]+273; XA=fsolve([0.5 0.5 0.5 0.5 0.5],konversi); T=T'; XA=XA'; XA=[0.0001139 0.9437536 1.5461731 1.8743318 2.0862286]; k1=[0.0391196 0.0429660 0.0470721 0.0514462 0.0560965]; k2=[0.0189015 0.0207600 0.0227440 0.0248574 0.0271043]; CA0=5; CB0=10; CE0=1; XE=0.3; FA0=1000; r1=(-k1.*(CA0-CA0*XA).*(CB0-CA0*XA))+(k2.*(CA0*XA).*(CA0*XA)); V=(FA0*XA).*(r1)^(-1); XA=XA'; V=V'; XA=[0.0001139 0.9437536 1.5461731 1.8743318 2.0862286]; CA0=5; CB0=10; CE0=1; XE=0.3; K=(CA0*XA).*(CA0*XA).*((CA0-CA0*XA)^(-1)).*((CB0-CA0*XA)^(-1)); XA=XA'; K=K'; disp(' T(K) XA V(Liter) K1') disp([T XA V K]) clf subplot(2,4,1) plot2d(T,[k1T k2T k3T],[2 3 4]) xtitle('Grafik Hubungan Konstanta Kecepatan Reaksi pada Berbagai Suhu','Suhu (K)','k (L/mol.min)') subplot(2,4,2) plot2d(T,XA,2) xtitle('Grafik Hubungan Konversi terhadap Suhu Operasi','T (K)','XA') subplot(2,4,3) plot2d(XA,V,5) xtitle('Grafik Hubungan Konversi dengan Volume Reaktor','XA','V (Liter)') subplot(2,4,4) plot2d(XA,K,6) xtitle('Grafik Nilai K pada Berbagai Konversi','XA','K')

20

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISIS 4.1. Hasil Simulasi 4.1.1. Tampilan Console

Gambar 4.1. Tampilan console hasil Scilab 5.1.1.

21

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

Gambar 4.2. Grafik hubungan suhu dengan konstanta kecepatan reaksi dan konversi.

Gambar 4.3. Grafik hubungan konversi dengan volume reaktor dan konstanta kesetimbangan. 4.2. Analisis Data 4.2.1. Menentukan Konstanta Kecepatan Reaksi pada Berbagai Suhu Pada gambar 4.1 dapat dilihat hasil console yang diperoleh untuk menentukan konstanta kecepatan reaksi pada berbagai suhu. Dapat dilihat pada gambar 4.1 dari variasi suhu diperoleh nilai konstanta kecepatan reaksi 1 dan konstanta kecepatan reaksi 2. Variasi suhu yang digunakan diantaranya suhu 363, 368, 373, 378, dan 383. Dan hasil konstanta kecepatan reaksi 1 (k1), konstanta kecepatan reaksi 2 (k2) dan konstanta kecepatan reaksi 3(k3) yang diperoleh menunjukkan bahwa setiap terjadi kenaikan suhu, maka akan diperoleh nilai konstanta kecepatan reaksi 1 (k 1), konstanta kecepatan reaksi 2 (k2)dan konstanta kecepatan reaksi 3(k3) yang semakin meningkat. Hal ini dapat

22

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR dibuktikan dengan melihat gambar 4.2 grafik hubungan konstanta kecepatan reaksi pada berbagai suhu. Pada grafik, dapat dilihat bahwa nilai konstanta kecepatan reaksi 1 (k 1), konstanta kecepatan reaksi 2 (k2)dan konstanta kecepatan reaksi 3 (k 3) mengalami peningkatan seiring dengan peningkatan suhu yang terjadi. Dapat dilihat juga bahwa nilai konstanta kecepatan reaksi 2(k2) dan konstanta kecepatan reaksi 3 (k3) yang diperoleh lebih rendah jika dibandingkan dengan nilai konstanta laju reaksi 1 (k1). Hal ini terjadi karena semakin besar suhu maka akan semakin banyak molekul yang bertumbukan satu sama lain, sehingga kecepatan reaksi juga semakin besar dan mengakibatkan nilai k yang diperoleh juga akan semakin besar. Fenomena ini terjadi sesuai dengan persamaan Arrheniussebagai berkut: Ea 1 1 k ( T )=k 0 exp − R T0 T

[ ( )]

(4.1)

Selain dipengaruhi oleh suhu, peningkatan nilai konstanta kecepatan reaksi juga dipengaruhi oleh nilai konstanta kecepatan reaksi mula-mula (k0). Semakin besar nilai konstanta kecepatan reaksi mula-mula maka semakin besar pula nilai konstanta kecepatan reaksi fungsi suhu yang diperoleh (Zeki et al., 2010). 4.2.2. Menentukan Konversi Berdasarkan Suhu Operasi Dari gambar 4.1 menunjukkan hasil tampilan console nilai X A pada berbagai suhu operasi. Dari gambar dapat diketahui bahwa semakin meningkat suhu operasi, maka semakin besar konversi yang diperoleh. Hal ini dapat dibuktikan pada gambar 4.2 grafik hubungan konversi pada berbagai suhu. Fenomena ini terjadi karena semakin banyak molekul reaktan yg saling bertunbukan satu sama lain seiring dengan peningkatan suhu operasi, sehingga meningkatkan konstanta kecepatan reaksi yang terjadi. Akibatnya, konversi yang diperoleh juga akan semakin besar(Fogler, 1999). Akan tetapi, pada suhu operasi 373 K, 378 K, dan 383 K konversi yang diperoleh memiliki nilai yang melebihi nilai konversi pada teori. Berdasarkan teori yang ada, konversi memiliki nilai minimum 0 dan nilai maksimum 1. Akan tetapi berdasarkan hasil yang telah diperoleh, nilai konversi pada suhu operasi 373 K, 378 K dan 383 K masing-masing adalah 1,546; 1,874; dan 2,086. Hal ini terjadi karenadalamsimulasi menggunakan Scilab 5.1.1 menggunakan metode akar-akar persamaan yang bertujuan untuk mencari nilai pendekatan, sehingga hasil yang diperoleh disesuaikan dengan nilai terdekat untuk memenuhi nilai persamaan yang dihitung (Sasongko, 2010). Dalam hal ini, akar-akar yang dicari yaitu konversi asam asetat (XA) sesuai persamaan(Fogler, 1999):

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

(4.2)

23

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR m

Vr 1 A ∆ H Rx 1 ( T ) +Vr 2 ∆ H Rx 2 ( T ) + F A 0 T 0 ∑ C pi θi i=1

T=

m

F A 0 ∑ C pi θi i=1

Di mana: V=

FA 0 X A F A0 X A = −r A k 1 .C A 0 ( 1− X A ) . ( C B 0−C A 0 X A ) −k 2 . ( C A 0 X A )2

[

{ (

r 1=−k 1 C A 0 ( 1−X A ) . C B 0 1−

C A0 X CB0 A

)}]

+ k2 [ C A 0 X A]

2

(4.3) (4.4) (4.5)

r 2=−k 3 [ { C A 0 X A −C E 0 X E } C E 0 ( 1−X E ) ] Untuk mencari nilai XA yang dapat memenuhi persamaan di atas, Scilab 5.1.1 mencari nilai terdekat yang mendekati nilai idealnya, sehingga ada kemungkinan nilai XAyang diperoleh di luar range 0-1. Pada hasil yang diperoleh, konversi maksimum terdapat pada suhu 368 K dengan konversi yang diperoleh sebesar 0,9437536. 4.2.3. Menentukan Volume Reaktor untuk Berbagai Konversi Pada gambar 4.1 menunjukkan hasil tampilan console dari hubungan pengaruh konversi terhadap volume reaktor. Dapat dilihat pada gambar bahwa semakin besar konversi yang dihasilkan, maka volume reaktor yang diperoleh juga akan semakin besar. Dapat dilihat pada gambar 4.3 grafik hubungan volume reaktor terhadap berbagai konversi. Pada grafik terlihat volume reaktor meningkat seiring dengan peningkatan konversi yang diperoleh. Hal ini terjadi karena dengan peningkatan suhu operasi molekul-molekul reaktan yang bertumbukan satu sama lain akan semakin banyak dan menyebabkan konstanta kecepatan reaksi semakin meningkat. Dengan konstanta kecepatan reaksi yang semakin meningkat tersebut, mengakibatkan semakin banyak produk yang terbentuk dari reaksi yang terjadi antar molekul-molekul reaktan. Sehingga, volume reaktor yang diperoleh juga akan semakin besar. Hal ini sesuai dengan persamaan(Fogler, 1999): F X F A0 X A V= A0 A= −r A k 1 C A C B −k 2 CC C D

(4.6) Akan tetapi, pada grafik dapat dilihat pada saat konversi yang diperoleh sebesar

1,5; 1,8; dan 2, volume reaktor yang diperoleh mengalami penurunan. Hal ini terjadi karena nilai konversi yang diperoleh terlalu besar dapat menyebabkan volume reaktor yang diperoleh mengalami penurunan sesuai dengan persamaan: (4.7) MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

24

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

V=

1000. X A k 1 (C A 0 ( 1− X A ) )(C B 0−C A 0 X A )+k 2 (C A 0 X A )2

Berdasarkan persamaan di atas, selain dipengaruhi oleh konversi, volume reaktor juga di pengaruhi oleh konsentrasi senyawa. Dapat dilihat pada persamaan, volume reaktor berbanding terbalik dengan konsentrasi senyawa. Sehingga, apabila konsentrasi senyawa semakin besar dan nilai konversi yang diperoleh semakin besar melampaui nilai konversi pada teori, maka volume reaktor yang diperoleh akan semakin kecil. Pada hasil yang diperoleh, volume reaktor maksimum yang terdapat pada suhu 368 K dengan volume reaktor sebesar 2368,6046 liter.

4.2.4. Menentukan Harga Kesetimbangan Reaksi Pada gambar 4.1 menunjukkan hubungan konstanta kesetimbangan reaksi pada berbagai konversi. Dari gambar 4.3 dapat dilihat bahwa semakin besar konversi yang terjadi, maka konstanta kesetimbangan reaksi yang diperoleh juga akan semakin besar.Hal ini terjadi karena konstanta kesetimbangan reaksi berbanding lurus dengan konostanta kecepatan reaksi 1 dan berbanding terbalik dengan konstanta kecepatan reaksi 2. Selain itu, konstanta kesetimbangan reaksi juga berbanding lurus dengan hasil kali konsentrasi produk dan berbanding terbalik dengan hasil kali konsentrasi reaktan. Sehingga, semakin besar nilai k1dan semakin kecil nilai k2 yang diperoleh, maka akan dihasilkan nilai konstanta kesetimbangan reaksi yang semakin besar, begitu juga sebaliknya. Apabila hasil kali konsentrasi reaktan yang diperoleh lebih kecil sedangkan nilai hasil kali konsentrasi produk yang diperoleh lebih besar, maka nilai konstanta kecepatan reaksi yang dihasilkan juga semakin besar, begitu juga sebaliknya. Hal ini sesuai dengan persamaan(Fogler, 1999): C [¿ ¿ C C D ] [C A C B ] k K= 1 =¿ k2

(4.8)

Pada konversi 1,5; 1,8; dan 2 menunjukkan penurunan konstanta kesetimbangan. Hal ini terjadi karena konversi yang diperoleh terlalu besar mengakibatkan penurunan nilai konstanta kesetimbangan sesuai dengan persamaan: (4.9) 25

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR

K=

[(C

[

A0

X A)2]

(

C A 0 ( 1−X A ) .C B 0 1−

CA 0 X CB0 A

)]

Berdasarkan persamaan di atas dapat dilihat bahwa konstanta kesetimbangan dipengaruhi oleh konsentrasi produk dan reaktan. Jadi, apabila konsentrasi produk yang diperoleh lebih kecil dari konsentrasi reaktan maka konstanta kesetimbangan yang diperoleh akan semakin kecil begitu juga sebaliknya. Pada hasil yang diperoleh, konstanta kesetimbangan reaksi maksimum terdapat pada suhu 368 K dengan konstanta kesetimbangan sebesar 14,99192.

26

MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

2. BAB V 3. PENUTUP 4. 5.1. Kesimpulan 1. Semakin besar suhu operasi pada reaksi, maka konstanta kecepatan reaksi akan semakin besar. 2. Semakin besar suhu operasi pada reaksi, maka konversi yang diperoleh juga akan semakin besar. 3. Pada hasil yang diperoleh, volume reaktor maksimum sebesar 2368,6046 liter.Hal ini dikarenakan semakin besar konversi yang diperoleh, maka semakin besar volume reaktor yang diperoleh. 4. Semakin besar konversi yang diperoleh, maka konstanta kesetimbangan yang diperoleh juga akan semakin besar. 5. .2. Saran 1. Teliti dalam menurunkan persamaan. 2. Pahami kondisi operasi dan reaksi yang terjadi. 3. Kuasai software Scilab dengan baik dan benar.

6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.DAFTAR PUSTAKA 19.

20.

Fogler, H. S. (1999). Elements of Chemical Reaction Engineering, 3 rd edition. New

21. 22.

Delhi, India: Prentice-Hall, Inc. Harsanti, M. (2012). Reaksi Ganda. Kirbaslar, S. Ismail, Z. Baris Baykal and Umur Dramr. (2001). Esterifcation of Acetic Acid with Ethanol Catalysed by an Acidic Ion-Exchange Resin. Turk J Engin Environ

23. 24.

Sci 25, 569-577. Kristianingrum, S. (2009). Kesetimbangan kimia.pdf. Yogyakarta. Levenspiel, O. (1972). Chemical reaction engineering. Chemical Engineering Science

25.

(Vol. 19). http://doi.org/10.1016/0009-2509(64)85017-X Leevijit, Theerayut, Worawut Wisutmethangoon, Gumpon Prateepchaikul, Charktir Tonguraiand Michael Allen. (2006). Trans-esterification of Palm Oil in Series of Continuous Stirred Tank Reactors. Asian Journal onEnergy and Environment. 7(03), 336-346.

26.

Ogbu I.M.,V.I.E. Ajiwe. (2013). Biodiesel Production via Esterification of Free Fatty Acids from Cucurbita pepo L. Seed Oil: Kinetic Studies. International Journal of Science and Technology Volume 2 No. 8.

27.

Paloboran, M. (2009). Analisis Kesetimbangan Energidan Eksergipada Ekonomiser

28.

Ketel Uap Pembangkit Listrik Tenaga Uap Tello Makassar. Media Elektrik, 4 Nomor 1. PatilKiran D., Bhaskar D. Kulkarni. (2014). Kinetics Studies on Esterification Reaction of Acetic acid with Iso-amyl Alcohol over Ion Exchange Resin as Catalysts.

29. 30. 31.

International Journal of Engineering Research Volume No.3, Issue No.8, pp : 488-493. Rosadi, H. Y. (2000). Pemodelan Continuous Stirred Tank Reactor_ug.pdf. Bogor: IPB. Rufiati, E. (2011). Reaksi Eksoterm dan Endoterm. Sasongko, Setia Budi. 2010. Metode Numerik dengan Scilab. Yogyakarta: C.V. Andi

32.

Offset. Smith, J. M. (1970). Chemical Engineering Kinetics.pdf (Second). United States of

33. 34. 35. 36.

America. Surawan, T. (2011). Energi dan Hukum Termodinamika. Willi. (2008a). Kinetika dan Thermodinamika. Willi. (2008b). Teori Reaksi Unimolekular. Zeki, N. S. A., Al-Hassani, M. H., & Al-Jendeel, H. A. (2010). Kinetic Study of Esterification Reaction. Al-Khwarizmi Engineering Journal, 6(2), 33–42.

37. 38. DIPERIKSA 41. N 39. KETERANGAN 42. TANGGAL O. 45. 1. 46. 21 November 47. Judul coba diperbaiki lagi. 2015 50. 2.

51. 24

48. Disesuaikan

sedemikian

40. TANDA TANGAN 49. rupa

dengan topik. November 52. Isi latar belakang jangan seperti 54.

2015

praktikum biasa. Laporan ini untuk simulasi perhitungan perancangan, jadi ditinjau dari alasan penggunaan scilab-nya. 53. Perumusan masalahnya dibuat lebih general,

55. 3.

56. 26 2015

yang

sekarang

nanti

dimasukkan ke studi khasus saja. November 57. Untuk reaksi-reaksi jangan crop, 59. ditulis ulang saja. 58. Tipus

ditambah

tinjauan

termodinamika untuk pembuktian eksotermis/ 60. 4.

61. 28 2015

reversible/irreversible. November 62. Coba dilengkapi

65. 4 2015

,

variabel- 63.

variabelnya, flowrate, konsentrasi, suhu

64. 5.

endotermis

masuk,

,

dll.

Yang

dibutuhkan. Desember 66. Rumusnya coba lihat fogler, coba 68. diturunkan dari situ, neraca panas multiple

reaction

beda

dengan

single reaction. 67. Disesuaikan dengan tujuan, kalian tentukan suhunya dulu baru cari 69. 6.

70. 10 2015

yang setelah-setelahnya. Desember 71. ΔH nya jangan pake waktu Tr, pake 74. waktu T reaksinya. Nilai nya itu mean. 72. Pembahasan coba cek lagi.

75. 7.

76. 12 2015

73. Kesimpulan dan saran langsung ya. Desember 77. Cek scipad, itu rumus V nya per (- 79. rA) bukan –(rA+rB). 78. Kallau bisa scipadnya dijadikan satu semua biar langsung dalam satu console.

Grafik-grafiknya

dalam satu layar langsung.

dibuat

80. 8.

81. 13 2015

Desember 82. Cantumin penomoran untuk rumus/ 85. persamaan misal: bab 1 pers. 1 (1.1), dst sampe bab terakhir. 83. Coba yang hubungan suhu dengan konversi cari alasan lain kenapa bisa Xa lebih besar dari 1. 84. Di

kesimpulanna

disesuaikan

dengan tujuan, volume reaktornya berapa, dst. 86.