BAB II DESKRIPSI PROSES
2.1 Spesifikasi Bahan Baku dan Produk
2.1.1 Spesifikasi Produk
2.1.1.2 Sodium Thiosulfat Pentahydrat
Rumus Molekul = Na
2
S
2
O
3
.5H
2
O Kenampakan
= kristal Berat molekul
= 248,19 kgkmol Kemurnian
= 99 berat
2.1.2 Spesifikasi Bahan Baku 2.1.2.1 Belerang Sulfur S
Kenampakan = Berwarna kuning dan berbentuk powder
Komposisi : Kemurnian = 99.42 berat
Air = 0.1 berat
Ash = 0.48 berat
Berat molekul = 32,064 kgkmol
2.1.2.2 Soda ash Na
2
CO
3
Kenampakan = Berwarna putih, berbentuk powder dan
tidak berbau. Berat molekul
= 106,0 grgmol Kemurnian
= 99 berat
2.2 Konsep Proses
2.2.1 Dasar Reaksi
Pembentukan sodium thiosulfat pentahydrat terjadi dari 2 reaksi yaitu sebagai berikut :
1. Reaksi yang terjadi di absorber: 99
Na
2
CO
3
+ H
2
O + 2SO
2
2 NaHSO
3
+ CO
2
2. Reaksi yang terjadi di Reaktor : 2NaHSO
3
+ Na
2
CO
3
+ 2S 2 Na
2
S
2
O
3
+ CO
2
+ H
2
O
2.2.2 Mekanisme Reaksi
Model reaksi yang dipilih adalah shrinking core model:
Gambar 2.1 Shrinking Core Model
Reaksi : 2NaHSO
3
+ Na
2
CO
3
+ 2S 2 Na
2
S
2
O
3
+ CO
2
+ H
2
O 2A
l
+ B
s
+ 2C
s
2 D
l
+ E
g
+ F
l
……………………….1
Langkah – langkah yang terjadi : 1. Difusi reaktan dari badan utama cairan liquid melalui lapisan film ke
permukaan padatan Persamaan kecepatan tranfer massa =
4 2
2 As
AL m
s A
C C
k r
dt dN
- =
-
p …………………………………………...2
2. Reaksi pada permukaan padatan antara reaktan A dan padatan B Persamaan kecepatan reaksi kimia :
As s
C k
r dt
dNA
2
4 2
p
= -
………………………………………………………3 3. Difusi zat hasil dari permukaan padatan melalui lapisan film ke fase liquid.
Namun dalam hal ini tidak terbentuk abu, sehingga tidak ikut memberikan tahanan.
Untuk kondisi pseudo state, maka kedua persamaan di atas akan sama, sehingga :
4
2 As
AL m
s
C C
k r
dt dNA
- =
-
p =
As s
C k
r
2
4 p
C
AL
- C
As
=
m A
k dt
dN -
C
As
= C
AL
– [
m A
k dt
dN -
] =
k dt
dN
A
-
C
AL
= 1
1 k
k dt
dN
m A
+ -
1 1
1 k
k dt
dN
m A
+ =
- C
AL
…………………………………….…….………..4
Dianggap reaksi kimia yang terjadi berlangsung cepat sekali, sehingga nilai k menjadi besar sekali, maka persamaan 4 akan menjadi
dt dN
A
-
= k
m
C
AL
………………………….…………………….……………5 Persamaan reaksi B mol per unit waktu per luas partikel per partikel dapat
ditulis sebagai berikut ini :
k C
M r
dt dN
dt dN
As B
B A
2
4 2
p
= -
= -
dt dN
x M
dt dr
A B
B
r =
……………….…………………….……………………...6 Persamaan 6 merupakan persamaan yang memberikan hubungan r
s
sebagai fungsi C
AL
dan t, jika langkah yang menentukan adalah difusi A melalui lapisan film.
Agar persamaan 6 dapat diintegralkan perlu diketahui hubungan C
Al
terhadap t. Keadaan yang paling mudah agar persamaan 6 dapat diintegralkan adalah apabila C
AL
konstan. Nilai C
AL
konstan apabila fluida diaduk dengan sempurna atau apabila reaktan A dalam jumlah yang
berlebihan.
Nilai k
m
dapat dievaluasi dari persamaan :
53 ,
3 1
Re 552
, 2
Sc D
d k
p m
+ =
=
53 ,
3 1
552 ,
2 m
r r
m U
d D
p
+ ……..……………..………….………...7
Untuk partikel-partikel padatan yang berukuran kecil dp dan U yang kecil maka persamaan 7 menjadi :
2 =
D d
k
p m
k
m
=
s p
r D
d D =
2 ………………………..…………………………….……….8
Dari persamaan 6 dan 8 diperoleh :
Al s
B B
C x
r D
x M
dt dr
r =
……………….………..…………………….…………9
dt D
C M
dr r
AL B
B
r =
- …………………………………….....................….10
Persamaan 10 diintegralkan menjadi : dt
D C
M dr
r
t AL
B B
r r
c s
ò =
ò -
r
t D
C M
r r
AL B
B
= -
2
2 2
r
t =
2 2
1 2
r r
r D
C M
AL B
B
- r
jika 1-
r ro
=1-1-XB
13
, km =
s p
r D
d D =
2 dan maka diperoleh
dimana; t
: waktu yang dibutuhkan oleh padatan untuk menyusut sampai dengan jari-jari core r
c
, detik ρ
B
: berat jenis B, gcm
3
M
B
: berat molekul B, ggmol r
o
: jari-jari padatan B pada waktu t, cm km
: Koefisien transfer massa, cm detik C
AL
: konsentrasi A, gmol cm
3
2.2.3 Kondisi Operasi
Reaksi pembentukan Sodium thiosulfat pentahydrat berlangsung pada fase padat-cair dengan kondisi operasi reaktor pada suhu 60
˚C dan tekanan 1 atm. Reaksi ini dapat ditinjau dari aspek termodinamika dan aspek kinetika.
2.2.3.1. Tinjauan Termodinamika
Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan secara eksoermis atau endotermis, maka pada pembuktian dengan menggunakan panas pembentukan
standar DH
o
f pada tekanan 1 atm dan suhu 298
o
K dari reaktan dan produk.
Reaksi di Absorber :
Na
2
CO
3
+ H
2
O + 2SO
2
2 NaHSO
3
+ CO
2
1 1
2
3 2
2 B
AL B
B
X txrs
x C
x xM
r km
- -
=
r
DH
o
f reaksi = DH
o
f produk - DH
o
f reaktan……………………………………....1 dimana : DH
o
f NaHSO
3
= -206.6 kkalmol DH
o
f CO
2
= -94.025 kkalmol DH
o
f Na
2
CO
3
= -270.3 kkalmol DH
o
f H
2
O = -68.3174 kkalmol
DH
o
f SO
2
= -70.96 kkalmol DH
o
f reaksi = 2-206.6 - 94.025 - -270.3 - 68.3174 + 2-70.96 = -26.6876 kkalmol
Reaksi di Reaktor :
2NaHSO
3
+ Na
2
CO
3
+ 2S 2 Na
2
S
2
O
3
+ CO
2
+ H
2
O
DH
o
f reaksi = DH
o
f produk - DH
o
f reaktan…………………………..…………..2 dimana : DH
o
f NaHSO
3
= -206.6 kkalmol DH
o
f S = 0 kkalmol
DH
o
f Na
2
CO
3
= -270.3 kkalmol DH
o
f CO
2
= -94.025 kkalmol DH
o
f H
2
O = -68.3174 kkalmol
DH
o
f Na
2
S
2
O
3
= -621.9 kkalmol
DH
o
f reaksi = 2-621.9 - 94.025 – 68.3174 - 2-206.6 – 270.3 + 0 = -722.6424 kkalmol
Dari perhitungan DH
o
f reaksi diatas, maka dapat disimpulkan bahwa reaksi pembentukan Sodium thiosulfat pentahydrat bersifat eksotermis.
Reaksi bersifat dapat balik reversible atau searah irreversible dapat ditentukan secara termodinamika yaitu berdasarkan persamaan Van’t Hoff
2
RT H
dT RT
G d
° D
- =
° D
Dengan DG
o
= -RT ln K
298
K
298
= exp
-DG° RT
.......………………………………….…...………….3 Seingga
2
ln RT
H dT
K d
D -
=
………………………………………………..………..4 jika DH
o
merupakan perubahan enthalpy sandart panas reaksi dan dapat diasumsikan konstan terhadap suhu, maka persamaan 4 dapat diintegrasikan
menjadi
÷÷ ø
ö çç
è æ
- °
D -
=
1 298
1 298
1 1
ln T
T R
H K
K ……..………………………..……………5
Reaksi di Absorber :
Na
2
CO
3
+ H
2
O + 2SO
2
2 NaHSO
3
+ CO
2
DG
o
f total = DG
o
f produk - DG
o
f reaktan………………………………………..1 Data-data energi Gibbs Gibbs Heat of Formation
DG
o
f NaHSO
3
= -198.65 kkal mol DG
o
f CO
2
= -94.26 kkalmol DG
o
f Na
2
CO
3
= -251.36 kkalmol DG
o
f H
2
O = -54.64 kkalmol DG
o
f SO
2
= -71.73 kkalmol DG
o
f total = 2-198.65+-94.26 – -251.36+-54.64+2-71.73 = -42.1 kkalmol
dengan, R
= 8.314 Jmol K = 1.987 x 10
-3
kkalmol K K
298
= konstanta kesetimbangan pada 298
o
K 25
o
C K1 = konstanta kesetimbangan di Absorber pada 303
o
K 30
o
C T
= suhu pada 298
o
K 25
o
C T1 = suhu pada 303
o
K 30
o
C Dari persamaan 3 :
K
298
= exp
-DG° RT
K
298
= exp
--42,11.987E-3x298
K
298
= 7.5548 x 10
30
Dari persamaan 4 :
ú û
ù ê
ë é
- °
DH -
= 1
1 1
1 ln
298 298
T T
R K
K
Levenspiel, 1972
úû ù
êë é
- =
-
303 1
298 1
10 987
, 1
6876 ,
26 1
10 5548
, 7
ln
3 30
x K
x
K1 = 3,59 x 10
30
K 1 Harga K1 pada suhu 303
o
C sebesar 3,59 x 10
30
menunjukkan bahwa reaksi pembentukan sodium bisulfite bersifat searah irreversible.
Reaksi di Reaktor :
2NaHSO
3
+ Na
2
CO
3
+ 2S 2 Na
2
S
2
O
3
+ CO
2
+ H
2
DG
o
f total = DG
o
f produk - DG
o
f reaktan………………………………………..1 Data – data energi Gibbs Gibbs Heat of Formation
DG
o
f NaHSO
3
= -198.65 kkalmol DG
o
f S = 0 kkalmol
DG
o
f Na
2
CO
3
= 251.36 kkalmol DG
o
f CO
2
= - 94.26 kkalmol DG
o
f H
2
O = - 54.64 kkalmol
DG
o
f Na
2
S
2
O
3
= -289.63 kkalmol DG
o
f total = 2 -289.63 + -94.26 + -54.64 – 2-198.65 + -251.36 + 0 = -79.5 kkalmol
dengan,
R = 8.314 Jmol K = 1.987 x 10
-3
kkalmol K K
298
= konstanta kesetimbangan pada 298
o
K 25
o
C K2 = konstanta kesetimbangan di Reaktor pada 318
o
K 45
o
C T
= suhu pada 298
o
K 25
o
C T2 = suhu pada 318
o
K 45
o
C Dari persamaan 3 :
K
298
= exp
-DG° RT
K
298
= exp
--79,51.987E-3x298
K
298
= 3,276 x 10
58
Dari persamaan 4 :
ú û
ù ê
ë é
- °
DH -
= 2
1 1
2 ln
298 298
T T
R K
K
Levenspiel, 1972
úû ù
êë é
- =
-
318 1
298 1
10 987
, 1
6424 ,
722 2
10 276
, 3
ln
3 58
x K
x
K1 = 1,516 x 10
25
K 1 Harga K2 sebesar 1,516 x 10
25
menunjukkan bahwa reaksi pembentukan sodium thiosulfat pentahydrat
bersifat searah irreversible.
2.2.3.2. Tinjauan Kinetika
Pembentukan sodium thiosulfat pentahydrat terjadi dari 2 reaksi yaitu sebagai berikut :
1. Reaksi yang terjadi di absorber: 99
Na
2
CO
3
+ H
2
O + 2SO
2
2 NaHSO
3
+ CO
2
2. Reaksi yang terjadi di reaktor : 2NaHSO
3
+ Na
2
CO
3
+ 2S 2 Na
2
S
2
O
3
+ CO
2
+ H
2
O Reaksi berlangsung antara 1-2 jam.
Reaksi yang terjadi pada reaksi ke 2 menggunakan reakror jenis CSTR. Secara kinetika persamaan reaksi 2 diatas dapat dituliskan sebagai berikut :
2A
l
+ B
l
+ 2C
s
2 D
l
+ E
g
+ F
l
-r
A
= kC
A 2
C
B
C
C 2
……………………………………………………..…..1 Karena kelarutan C dalam cairan terbatas dan jumlah padatan cukup banyak
sehingga konsentrasi C dalam larutan dapat dianggap selalu jenuh, sehingga kCc selalu dalam keadaan konstan pada suhu yang tetap.
Dari persamaan 1 dapat ditulis : -rA = kC
A 2
C
B
2.3. Diagram Alir Proses 2.3.1 Diagram Alir proses
Kategori