N
A
= Perpindahan massa A waktu.luas C
As
= Konsentrasi jenuh A dilarutan C
A
= Konsentrasi A dilarutan k
c
= tetapan perpindahan massa Perpindahan fasa antar dua lapisan, misalnya terjadi pada batas fasa cair-gas, atau
cair-cair. Asumsi: tidak ada akumulasi A pada lapisan, dengan mengikuti hukum Henry : i
C H
C
A i
A 2
1
= Keterangan :
C
A1
i = konsentrasi pada lapisan film H = tetapan Henry
Tetapan perpindahan massa A dari fasa 1 ke fasa 2 dapat didekati dengan :
2 2
2 1
1 1
i A
A i
A A
A
C C
kc C
C kc
N −
= −
=
2.2 kinetika kimia. Bentuk persamaan laju reaksi yang paling sederhana adalah reaksi
homogen sederhana : A + bB
Hasil adalah rA = k. C
A m
. C
B n
Pembentukan Model Eksperimental. Pembentukan model eksperimental merupakan
suatu metoda penyelesaian lain untuk mendapatkan model matematis. Metoda penyelesaian ini didasarkan pada interpretasi data eksperimen yang diturunkan dari obyek
yang ada. Prosedur pembentukan model eksperimental tergantung pada cara mendapatkan data, signifikansi dinamika obyek, dan jenis fungsi model. Fungsi model
dapat berupa hubungan linear atau nonlinear dari parameter-parameter model. Sifat dan kriteria optimasi rancangan percobaan harus dipertimbangan, hal ini
dilakukan untuk menunjukkan bahwa pemilihan rancangan percobaan yang sesuai sangat berpengaruh pada hasil perhitungan model percobaan. Beberapa jenis rancangan
percobaan : rancangan faktor lengkap, rancangan faktor parsial, dan rancangan percobaan komposit
Pada tahapan ini akan dilakukan analisis dan pemodelan untuk laju reaksi untuk reaksi epoksidasi, hidroksilasi dan asetilasi, serta pemodelan reaktor pengadukan ideal.
Pemodelan yang akan dilakukan pada penelitian ini adalah : 1 model makroskopis pengadukan ideal dengan mengabaikan neraca energi Hartmann
Kaplick 1990. Neraca Massa A dalam reaktor curah :
Gambar 25 Sistem reaktor curah. asi
lajuakumul lajureaksi
an lajukeluar
n lajumasuka
= −
−
dt C
dV r
V
A A
. .
= −
−
1
A A
A
x C
C −
=
∫
= =
A A
r dC
i waktureaks
t Reaksi yang terjadi , misal :
aA + bB ⇒ lC -r
A
= dari data perubahan konsentrasi = k
1
C
A a
C
B b
atau aA + bB
⇔ lC -r
A
= dari data perubahan konsentrasi = k
1
C
A a
C
B b
– k
2
C
C l
input
Output
Nilai k dan orde reaksi dicari dari data-data proses di laboratorium, yaitu data perubahan konsentrasi fungsi waktu pada beberapa suhu.
2 model persamaan laju reaksi, misal :
b B
a A
A A
C C
k dt
dC r
1
= −
= −
atau
1 2
1 C
b B
a A
A A
C k
C C
k dt
dC r
− =
− =
−
1
A A
A
X C
C −
=
b B
a A
A A
A
C C
k dt
dx C
dt X
C d
1
1 =
= −
− atau
1 2
1
1
c b
B a
A A
A A
C k
C C
k dt
dx C
dt X
C d
− =
= −
−
Disamping mengetahui model persamaan laju reaksi, dilakukan juga analisis perpindahan massa antara pereaksi dan katalis padat untuk reaksi hidroksilasi dan
esterifikasi. Perpindahan massa antar fasa satu film yaitu antara padatan dengan cairan
A As
c A
C C
k N
− =
jika luas permukaan sulit dievaluasi
A As
c A
C C
a k
m waktuxvolu
massa N
− =
i C
H C
A i
A 2
1
= Keterangan :
C
A1
i = konsentrasi pada lapisan film H = tetapan Henry
Tetapan perpindahan massa A dari fasa 1 ke fasa 2 dapat didekati dengan :
2 2
2 1
1 1
i A
A i
A A
A
C C
kc C
C kc
N −
= −
=
Optimasi Proses Konsep Dasar
Optimasi adalah penggunaan suatu metoda untuk mendapatkan penyelesaian dengan biaya yang efektif dan efisien pada suatu permasalahan atau perancangan proses.
Teknik ini merupakan perangkat kuantitatif dalam pembuatan suatu keputusan. Berbagai permasalahan dalam desain, konstruksi, operasi dan analisa pabrik dapat diselesaikan
dengan optimasi. Optimasi meliputi optimasi sain, teknik, dan bisnis. Permasalahan teknik direpresentasikan dengan menggunakan beberapa persamaan atau dengan data
eksperimen saja. Tujuan dari optimasi adalah untuk mendapatkan nilai peubah proses yang menghasilkan nilai terbaik dari kriteria kinerja yang ada. Optimasi dapat diterapkan
pada berbagai proses dan pabrik kimia, misalnya: penentuan lahan terbaik untuk lokasi pabrik, jalur tangki untuk distribusi produk mentah dan dimurnikan, ukuran dan tata letak
pipa, perancangan alat dan keseluruhan pabrik, penjadwalan, pemeliharaan dan penggantian alat, pengoperasian alat reaktor, pipa, kolom, dan absorber.
Tujuan melakukan optimasi adalah: jumlah produksi meningkat, biaya operasional rendah, biaya optimal dan energi minimum. Tahapan untuk menyelesaikan
permasalahan optimasi adalah: 1 analisis proses dengan peubah proses dan karakteristik spesifik, 2 menentukan kriteria optimasi dan menentukan tujuan menggunakan peubah
di atas sehingga menghasilkan model kinerja model ekonomis, 3 menggunakan persamaan matematis, mengembangkan model proses atau alat yang sesuai berhubungan
dengan peubah input-output proses dan koefisien terkait. Menggunakan batasan kesamaan dan ketidaksamaan dengan prinsip-prinsip neraca massa dan neraca energi,
hubungan empiris, konsep implisit dan batasan luar. Melakukan identifikasi peubah bebas dan tak bebas, 4 jika formulasi masalah terlalu besar, pecahkan menjadi beberapa
bagian dan sederhanakan tujuan dan model, 5 menggunakan teknik optimasi yang tepat untuk menyelesaikan model matematis masalah tersebut, 6 cek jawaban dan tentukan
sensitivitas hasil terhadap perubahan koefisien dan asumsi yang digunakan.
Berbagai Teknik Optimasi
Penyelesaian umum problem optimasi pada model matematis menyangkut penyelesaian secara analitis atau grafis, baik yang digunakan untuk optimasi model satu
peubah atau lebih dari satu peubah. Pada model satu peubah, penentuan kondisi optimum secara grafis didapatkan
dari titik maksimum atau minimum kurva. Kemiringan kurva menunjukkan nilai nol pada titik optimum. Nilai optimum dapat juga ditentukan secara analitis dengan menurunkan
persamaan respon C
T
terhadap peubah x sehingga nilai turunan pertama sama dengan nol, selanjutnya tentukan nilai x.
Misalnya :
2
= −
= x
c a
dx dC
T
C
T
= peubah respon
2 1
a c
x =
x,y = peubah independen
Jika turunan kedua persamaan respon dievaluasi, maka titik minimum didapatkan jika turunan kedua bernilai lebih besar dari nol, titik maksimum jika turunan kedua bernilai
lebih kecil dari nol. Pada model dua peubah, misalnya C
T
= f x,y dimana persamaan untuk C
T
adalah C
T
= ax + b xy + cy + d, maka penyelesaian optimasi dapat dilakukan dengan cara : 1 grafis, yaitu hubungan antara C
T
,x, dan y ditunjukkan sebagai kurva tiga dimensi dengan nilai minimummaksimum C
T
terjadi pada nilai optimum x dan y. Faktor yang akan dioptimasi diplot terhadap salah satu peubah bebas dan peubah lain y
dipertahankan pada nilai yang tetap. 2 analitis, yaitu metode dimana
nilai optimum x didapatkan pada titik dimana ∂C
T
∂x
y=y
memberikan nilai nol, begitu juga sebaliknya nilai optimum y didapatkan jika
∂C
T
∂y
x=x
memberikan nilai nol.
y x
b a
dx C
T 2
− =
⎟ ⎠
⎞ ⎜
⎝ ⎛
∂ ∂
2
xy b
c dx
C
T
− =
⎟ ⎠
⎞ ⎜
⎝ ⎛
∂ ∂
Pada kondisi optimum kedua turunan parsial ini bernilai nol, maka :
3 1
2
a cb
x =
dan
3 1
2
c ab
y =
Beberapa metoda optimasi : Linier least square, Non linier least square dengan penyelesaian numeris menggunakan metode Newton, Quasi Newton, Secant, Golden
Section , Hooke-Jeeves atau Simplex. Teknik matematik yang lain adalah dengan cara
Lagrange, Steepest Ascent atau Descent, Response Surface. Peters Timmerhaus 1981;
Edgar Himmelblau 2001. Penyelesaian optimasi dapat dilakukan dengan paket program atau program yang dibuat sendiri menggunakan berbagai bahasa program
misalnya Turbo basic, Visual basic, Delphi dan sebagainya Tahapan optimasi pada penelitian ini dilakukan terhadap sistem proses, yaitu
untuk mendapatkan kapasitas optimum pada total biaya yang minimum Metoda optimasi yang digunakan adalah penyelesaian analitis atau numeris tergantung kompleksitas
persamaan yang dihasilkan. Pada penelitian pendahuluan, untuk menentukan peubah yang berpengaruh pada reaksi dan menentukan kisaran kondisi operasi terbaik dilakukan
dengan menggunakan RSM Response Surface Method.
Reaksi Katalitik Konsep Dasar Reaksi Katalitik
Katalisator adalah suatu substansi yang dapat meningkatkan kecepatan, sehingga reaksi kimia dapat mencapai kesetimbangan, tanpa terlibat di dalam reaksi secara
permanen. Karakteristik katalis: 1 berinteraksi dengan reaktan tetapi tidak berubah pada
akhir reaksi, 2 mempercepat kinetika reaksi dengan memberikan jalur molekul yang lebih rumit Richardson 1989.
Gambar 26 Jalur reaksi katalitis Satterfield 1991.
Kemampuan katalis untuk meningkatkan kecepatan reaksi terjadi dalam beberapa langkah, sehingga mengakibatkan penurunan energi aktivasi. Reaksi katalitis meliputi:
1 adsorbsi, 2 pembentukan dan pemutusan kompleks teraktivasi, 3 desorbsi.
Pengelompokkan Katalis
Pembagian katalis secara industri dan teori: 1 homogen, 2 heterogen, dan 3 enzim.
Katalis Homogen. Katalis yang mempunyai fase yang sama dengan reaktan dan
dengan produk. Contoh reaksi dengan katalis homogen adalah hidrolisis ester dengan asam cair-cair. Reaksi sangat spesifik dengan jumlah produk yang diinginkan tinggi.
Kelemahan menggunakan katalis cair adalah hanya mudah untuk skala laboratorium, sulit
dikomersialkan, operasi fase cair dibatasi kondisi suhu dan tekanan, sehingga membutuhkan peralatan yang kompleks dan diperlukan pemisahan antara produk dan
katalis. Industri dengan katalis homogen terbatas antara lain pada industri bahan kimia,
obat-obatan dan makanan, kecuali untuk produksi asam asetat, alkilasi olefin, dan
hidroformilasi.
Katalis Heterogen.
Reaktan dan katalis mempunyai fase yang berbeda,
umumnya katalis padat digunakan dengan reaktan gas dan cair atau keduanya. Mekanisme reaksi lebih kompleks yaitu : adsorpsi, reaksi permukaan, dan desorpsi.
Keuntungan katalis heterogen adalah umum digunakan secara komersial, katalis padat mudah dipreparasi, konstruksi alat sederhana, kontrol bagus dan produk berkualitas
tinggi. Katalis bisa dipisahkan dari produk dan bisa digunakan kembali.
Katalis Enzim.
Enzim adalah molekul protein ukuran koloidal, merupakan katalis diantara homogen dan hetergen. Enzim merupakan pendorong untuk reaksi
biokimia, karakterisasinya adalah efisiensi dan selektivitas. Sesuai digunakan untuk
keperluan industri Richardson 1989.
Pemilihan Katalis
Untuk suatu reaksi dapat dipakai lebih dari satu macam katalisator. Beberapa pertimbangan dalam pemilihan katalis: 1 umur panjang, sehingga dapat menghemat
dana pembelian katalis baru, 2 harga katalisator murah, sehingga menghemat investasi 3 mudah atau tidaknya diregenerasi sehingga menghemat pembelian katalis baru, 4
tahan terhadap racun, sehingga umur akan panjang.
Pemilihan katalis atau pengembangan katalis perlu pertimbangan untuk mendapatkan efektivitas dalam pemakaian. Jenis-jenis katalis heterogen adalah logam,
oksida logam, dan asam Richardson 1989. Poliol dapat dibuat dengan membuka cincin epoksi minyak menggunakan katalis
asam, seperti asam–asam mineral: asam sulfat, asam fosfat, asam hidroklorida, asam organik, seperti asam sulfonat. Dalam pengembangannya katalis cair dapat digantikan
dengan katalis asam padat seperti lempung, keuntungannya dapat diambil kembali, didaur ulang dan digunakan kembali, dan sisa alkohol dapat dipisahkan untuk digunakan
kembali http:www.wipo.intcgi
. Reaksi asetilasi terhadap poliol dengan menggunakan asam asetat anhidrat dapat
dilakukan dengan menggunakan katalis resin kation
Lathi dan Mattiasson 2006
. Berbagai jenis bahan katalis dapat dilihat pada Tabel 8 di bawah ini.
Tabel 8 Jenis-jenis bahan katalis Jenis Kondisi
Contoh Logam Terdispersi
Rendah: PtAl
2
O
3
, RuSiO2 ; Tinggi: NiAl
2
O
3
Berpori Raney : Ni, Co, Fe-Al
2
O
3
-K
2
O Bulk
Pt, Ag Campuran Logam
Terdispersi Pt-Re, Ni-Cu, Pt-AuAl
2
O
3
Oksida Tunggal Al
2
O
3
, Cr
2
O
3
, V
2
O
5
Ganda SiO
2
-Al
2
O
3
, TiO
2
-Al
2
O
3
Komplek CuCr
2
O
4
, Bi
2
MoO
6
Sulfida Terdispersi MoS
2
Al
2
O
3
,WS
2
Al
2
O
2
Asam Ganda SiO
2
-Al
2
O
3
Kristal Zeolit
Tanah liat alam
Montmorillonite Asam
Promotor SbF
5
, HF Basa Terdispersi
CaO, MgO,
K
2
O, Na
2
O Sumber : Richardson 1989
Logam, Metal
: Konduktor, katalis untuk reaksi hidrogenasi, karena logam mengadsorpsi hidrogen dengan disosiasi dan ikatan yang tidak terlalu kuat. Termasuk di
dalamnya group VIII Fe,Co,Ni dan metal kelompok Platina, Cu. Pada reaksi terjadi : disosiasi hidrogen, hidrogen diatomik, dan adsorbsi kimia hidrogen
Oksida, Sulfida : Semikonduktor, katalis untuk reaksi oksidasi, dengan menyerap
oksigen, logam diubah menjadi oksida, termasuk di dalamnya kelompok : Ru, Rh, Pd, Ir, Pt. Oksigen lebih mudah diserap oleh logam daripada oleh hidrogen, ikatan lebih kuat.
Pada katalis dehidrogenasi, oksigen diikat kuat dan oksida direduksi menjadi logam dan hidrogen pada suhu reaksi. Oksida yang sesuai untuk reaksi oksidasi parsial tidak sesuai
untuk dehidrogenasi.
Asam
: Macam-macam katalis asam adalah 1 Oksida tunggal: Al
2
O
3
dan SiO
2
2 Lempung alam, 3 Campuran Oksida , SiO
2
-Al
2
O
3
, dan 4 Zeolit. Banyak digunakan pada perengkahan, perengkahan hidro, isomerisasi, reforming katalitik, polimerisasi,
hidrasi.
Tabel 9 Keasaman katalis heterogen
Katalis pKa
SiO
-
Al
2
O
3
- 8.2 Lempung Montmorillonit
-5.6 sampai -8.2 Lempung Kaolinite
-5.6 sampai -8.2 γ- Al
2
O
3
+3.3 sampai -5.6 SiO-MgO
+3.5 sampai -2.5 SiO2 -2.0
TiO2 +6.8 sampai +1.5
MgAl2O4 7.0 CaO 7.0
MgO 7.0 Sumber : Richardson 1989
Macam-macam katalis asam padat
Alumina Al
2
O
3
.
Originalitas dari bagian asam digambarkan dengan γ-Al
2
O
3
, yang sering digunakan sebagai penyokong. Alumina dipreparasi sebagai oksida hidrous
dan diaktifkan dengan kalsinasi pada suhu 300
° C, peristiwa yang terjadi adalah:
Dehidrasi oksida hidrous memberikan permukaan yang mengandung Lewis site berlaku sebagai aseptor elektron, H
2
O yang cukup akan menciptakan Bronsted site berlaku sebagai donor proton.
Lempung Clay Alam.
Lempung Clay alam seperti montmorillonit merupakan
senyawa kompleks dari tetrahedra SiO
4
dan AlO
4
. Tanah liat alam juga mengandung sejumlah kecil MgO dan Fe
2
O
3
, yang diasamkan dengan asam sulfat, dapat juga dilakukan dengan menambahkan proton untuk meningkatkan nilai pKa dari -3.0 menjadi
-8.2. Tanah liat ini merupakan katalis untuk perengkahan pertama yang digunakan dalam
tumpukan katalis diam fixed dan bergerak moving bed Richardson 1989.
Pada invensi pembuatan oleokimia poliol sebagai pelumas dasar, direaksikan oleokimia epoksi minyak dengan alkohol menggunakan katalis asam lempung alam.
Lempung yang digunakan dapat disaring untuk diambil kembali, didaur ulang dan
digunakan kembali. Tanah liat yang biasa digunakan dalam proses adalah tanah liat yang sudah diaktifasi dengan asam. Tanah liat yang banyak digunakan adalah sub-bentonit
atau bentonit aktifasi, yang sebagian besar terdiri dari montmorillonit http:www.wipo.intcgi
Silika-Alumina. Oksida tunggal seperti Al
2
O
3
dan SiO
2
lebih sedikit keasamaannya dibandingkan dengan kombinasi antara keduanya. Banyak material
dengan keasaman tinggi, merupakan aluminosilikat, seperti terlihat pada struktur berikut
ini :
H H H+ H+
O O O O O
Al
3+
Si
4+
Gambar 27 Struktur Silika-Alumina.
Si
4+
menggantikan tetrahedral Al
3+
dengan pusat lebih elektropositif sehingga melemahkan ikatan O-H dan meningkatkan keasaman. Ion silikon dan aluminium
dicampur. Katalis silika alumina sesuai untuk perengkahan katalitik terfluidisasi.
Zeolit.
Zeolit seperti tanah liat dan katalis sintetis SiO-Al
2
O
3
merupakan aluminosilikat, mempunyai tiga properti yang membuatnya menjadi unik. Pertama,
merupakan kristal dengan struktur yang baik. Bidang kerja aluminasilikat mendekati pori-pori dimana akses untuk ke pori-pori terdapat dalam berbagai ukuran, melalui
jaringan terbuka yang berkisar antara 0.3 sampai 1.0 nm dalam diameter. Ukuran dan bentuk pori menentukan molekul mana yang masuk ke pori. Zeolit mempunyai
kemampuan selektivitas ukuran dan bentuk. Kedua, ion yang masuk pori-pori secara mudah ditukar dengan sejumlah besar ion lain. Ion ini menghasilkan elektrostatik yang
besar atau gaya polar sepanjang dimensi pori yang kecil. Pertukaran distribusi elektron dalam group hidroksil bisa menghasilkan keasaman 10
4
kali lebih besar daripada SiO
2
- Al
2
O
3
. Ketiga, ion yang masuk ke pori-pori melalui pertukaran ion telah memisahkan
aktivitas miliknya sehingga peluang katalis untuk berfungsi ganda, keasaman dan
aktivitas lainnya bisa diwujudkan.
Mekanisme Reaksi Katalitis Heterogen
Proses perpindahan mempengaruhi laju perpindahan massa dan panas total diantara fluida dan padatan atau bagian dalam pori padatan. Mekanisme gerakan molekul
ke dalam katalis, bereaksi dan menghasilkan produk, bergerak kembali ke aliran fluida: 1 perpindahan reaktan dari aliran utama ke permukaan katalis padat, 2 perpindahan
reaktan dalam pori katalis, 3 adsorpsi reaktan pada komponen aktif katalis, 4 reaksi kimia permukaan diantara atom atau molekul yang teradsorpsi, 5 desorpsi produk, 6
perpindahan produk dalam pori katalis kembali ke permukaan partikel, 7 perpindahan produk dari permukaan partikel kembali ke aliran fluida utama.
Gambar 28 Langkah–langkah pada reaksi katalis padat Froment 1990.
Kinetika Reaksi
Kinetika kimia adalah: ilmu yang mempelajari laju reaksi kimia secara kuantitatif serta faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi kimia tersebut. Pada kinetika kimia
selain mempelajari laju reaksi juga mempelajari: 1 mekanisme reaksi, yaitu perubahan struktur atom dalam molekul zat peraksi selama reaksi berlangsung untuk membentuk zat
hasil reaksi produk reaksi, 2 menentukan tetapan laju reaksi, 3 pengaruh peubah- peubah pada laju reaksi.
Dalam kaitannya dengan perancangan proses, kinetika reaksi mempunyai beberapa fungsi utama, yaitu: 1 menentukanmembuktikan mekanisme reaksi kimia, 2
mengumpulkan data percobaan untuk laju reaksi, 3 mengkorelasikan data percobaan secara matematis atau membuat suatu persamaan matematik untuk mewakili data
percobaan, 4 merancang reaktor yang sesuai, 5 menetapkan kondisi operasi, cara pengontrolan dan alat-alat bantunya.
Laju reaksi
Laju reaksi didefinisikan sebagai perubahan pereaksi ataupun produk dalam satu satuan reaksi. Selain itu laju reaksi didefinisikan juga sebagai laju berkurangnya
konsentrasi suatu pereaksi atau laju bertambahnya suatu produk. Untuk suatu sistem reaksi seperti :
a A + b B + ... → p P + q Q
Data yang diperlukan pada perhitungan desain suatu reaktor adalah laju berlangsungnya reaksi r
i
. Persamaan laju reaksi untuk komponen A adalah : ,
komposisi T
f waktu
a volumfluid
tuk molAterben
Vdt dN
r
A A
= =
= −
-r
A
adalah persamaan laju reaksi yang menyatakan hubungan antara r
A
dan C, pada umumnya diperoleh berdasarkan hasil analisis data percobaan dan mekanisme reaksi.
Model matematika persamaan laju reaksi yang diperoleh berdasarkan mekanisme reaksinya mendekati kebenaran, hal ini dilakukan untuk mengatasi kesulitan menurunkan
model-model matematik sederhana yang didasarkan atas data-data percobaan pada suatu kondisi operasi tertentu. Model persamaan kinetika sederhana yang sering dipakai dan
menyatakan hubungan antara laju reaksi dan besaran-besaran fisik T suhu dan C konsentrasi adalah :
b B
a A
A
C C
T k
r =
− k
= tetapan laju reaksi fungsi dari suhu C
A
, C
B
= konsentrasi A dan B di dalam larutan a
= orde reaksi terhadap A b
= orde reaksi terhadap B
Tetapan Arheinus Tetapan laju reaksi dinyatakan dengan Hukum Arrheinus Levenspiel 1972 :
RT E
e k
k
−
=
k = faktor frekuensi tumbukan
R = tetapan gas ideal T = suhu
E = energi aktivasi reaksi Berdasarkan perhitungan desain reaktor yang sering digunakan maka persamaan
laju reaksi dibedakan atas 2 tipe yaitu: 1 reaksi sederhana single reaction, 2 reaksi kompleks multiple reaction.
Laju reaksi tidak dapat diukur secara langsung, tetapi melalui pengukuran jumlah salah satu komponen reaksi pada setiap saat dengan cara sebagai berikut: 1 mengukur
konsentrasi, 2 mengukur sifat - sifat fisis daya hantar listrik, indeks bias dan viskositas, 3 mengukur perubahan teknik pada sistem yang mempunyai volume tetap,
4 mengukur perubahan volume pada sistem yang mempunyai tekanan tetap. Pada umumnya untuk percobaan digunakan reaktor curah dengan kondisi operasi volume dan
suhu tetap, hal ini memudahkan untuk diinterpretasikan. Persamaan laju reaksi bisa diperoleh dengan menggunakan 3 metode analisis data percobaan yaitu: 1 metode
integral, 2 metode diferensial, dan 3 metode isolasi.
Penentuan Orde Reaksi
Tujuan analisis data kinetik adalah: untuk mendapatkan nilai orde reaksi dan tetapan laju reaksi Levenspiel 1977. Berdasarkan perhitungan desain reaktor, maka
persamaan laju reaksi dibedakan atas 2 tipe yaitu: 1 reaksi sederhana single reaction: searah irreversibel dan bolak-balik reversibel, 2 reaksi kompleks multiple
reaction . Pada reaksi searah irreversibel, persamaan kecepatan reaksi tergantung pada
orde reaksi .
1 reaksi orde 0 A
→ produk. Persamaan laju reaksi :
k dt
dC r
A A
= −
= −
Persamaan diintegralkan dengan batas antara C
A0
mula-mula dengan c
A
waktu t
dt k
dC
CA CA
t A
∫ ∫
− =
−
, sehingga didapat hasil integrasi adalah c
A
= c
A0
– k
o
2 reaksi orde 1, yaitu reaksi yang lajunya berbanding lurus terhadap konsentrasi reaktan A
→ produk. Persamaan laju reaksi :
A A
C k
dt dC
.
1
= −
, jika diintegralkan didapat :
A A
C C
t k
1
ln 1
=
3 reaksi orde 2, reaksi orde 2 ada 2 tipe : i reaktan awal sama ii reaktan awal berbeda
i 2 A → produk
2 2
.
A A
C k
dt dC
= −
ii A + B → produk
B A
A
C C
k dt
dC .
.
2
= −
Tetapan Kesetimbangan
Kondisi kesetimbangan terjadi jika laju reaksi mendekati nol dan dinyatakan dengan hukum aksi massa :
A + B C + D
B A
D C
C C
C C
k k
K =
=
2 2
D C
B A
c
C C
k C
C k
dt dC
2 1
− =
Entalpi Reaksi ΔH dan Entropi Reaksi ΔS
Entalpi reaksi pada kondisi standar dapat menunjukkan bahwa reaksi berlangsung eksotermis atau endotermis. Hal ini dapat dihitung dengan menggunakan:
1 entalpi pembentukan atau menggunakan konstanta kesetimbangan: R
S RT
H K
ln °
Δ +
° Δ
− =
2 persamaan teori keadaan transisi Levenspiel 1972
R S
RT H
h T
k RT
E A
B
Δ +
Δ −
= −
ln ln
RT n
E H
1 Δ
− =
Δ RT
H E
h T
k A
R S
B
ln Δ
− −
= Δ
Keterangan : k
B
: tetapan Boltzmann, 1.3 x 10
-16
ergK h : tetapan Planck, 6.63 x 10
-27
erg.det ΔH, ΔS, Δn : entalpi, entropi, molekularitas
Analisis Kelayakan Finansial
Pada umumnya aspek yang paling diperhitungkan dalam menentukan kelayakan produksi adalah aspek finansial. Analisis finansial dapat digunakan untuk memperkirakan
keuntungan dari produksi yang direncanakan. Berdasarkan hal tersebut maka pada penelitian ini akan dilakukan analisis kelayakan finansial skala ekonomis.
Kajian analisis finansial industri poliol terasetilasi berbahan dasar minyak jarak pagar meliputi NPV Net Present Value, IRR Internal Rate of Return, Net BC Net
Benefit Cost , PBP Payback Period dan melakukan analisis sensitifitas Gray 1986.
METODOLOGI PENELITIAN
Kerangka Pemikiran
Saat ini kebutuhan akan minyak bumi meningkat, sedangkan persediaannya makin menipis. Salah satu produk yang menggunakan bahan baku minyak bumi adalah
pelumas. Keadaan ini memacu produksi pelumas dasar dari minyak nabati sebagai bahan dasar alternatif dalam pembuatan pelumas. Meskipun harga pelumas dasar ini lebih
mahal daripada minyak mineral, namun pelumas dasar ini mempunyai sifat unggul dalam sifat friksi atau sifat pelumasannya, rendahnya volatilitas pelumas, tingginya indek
viskositas, tingginya kelarutan untuk bahan aditif dan kemudahannya untuk saling larut dengan fluida lain
.
Banyak minyak nabati yang digunakan di dalam aplikasi pelumas, misalnya sebagai aditif pelumas sintetis, minyak mesin transmisi, pelumas motor 2 tak, pelumas
hidraulik, dan gemuk. Konsumsi minyak nabati Amerika Serikat untuk pelumas adalah sebesar 8 juta kilogram per tahun. Konsumsi ini merupakan 9 dari total penggunaan
minyak nabati untuk industri Johnson 1990. Pasar ini mengkonsumsi 9.66 milyar liter minyak mineral yang telah dimurnikan per tahun untuk kebutuhan pelumas. Kira-kira 3.9
milyar liter digunakan untuk pelumas motor 4 tak Johnson 1990. Total kebutuhan pelumas di Jerman kira-kira 1 juta ton per tahun 1998, segmen pasar terbesar adalah
pelumas mesin dan pelumas roda gigi otomotif yaitu sebesar 450 000 ton per tahun, dan selanjutnya kebutuhan yang lain adalah untuk mesin hidraulik dan mesin industri
Willing 2001. Penggunaan minyak nabati sebagai pelumas dasar mempunyai kelemahan karena
adanya ikatan rangkap C=C, sehingga mengakibatkan rendahnya stabilitas termal dan oksidasi.
Bahan baku minyak nabati yang akan digunakan sebagai pelumas dasar dipilih dari beberapa alternatif minyak nabati
. Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan
proses, yang merupakan proses kreatif dan berdisiplin untuk pemecahan masalah mencakup pendefinisian masalah dan penyelesaiannya. Prinsip dan metodologi ilmiah
dan seni, informasi teknis dan imaginasi, yang digunakan untuk menentukan suatu struktur, mesin, proses, atau sistem baru yang memenuhi fungsi yang diinginkan dengan
nilai ekonomis dan efisiensi tinggi Perancangan proses yang dihasilkan adalah
perancangan proses modifikasi secara kimiawi terhadap minyak jarak pagar Jatropha curcas. L
untuk meningkatkan stabilitasnya, yaitu dengan melakukan reaksi esterifikasi terhadap poliol alkohol polihidrat minyak jarak pagar dengan katalis padat bentonit.
Pemilihan tanaman jarak pagar sebagai sumber bahan baku pada penelitian ini adalah untuk meningkatkan nilai tambah biji jarak pagar, tingginya kandungan minyak
pada biji dan merupakan non-drying oil atau semi-drying oil, sehingga sifat pelumasannya baik. Disamping itu minyak jarak pagar bukan komoditi pangan karena
mengandung racun, sedangkan beberapa jenis minyak yang lain bersaing penggunaannya untuk keperluan pangan. Salah satu pemanfaatan minyak biji jarak pagar adalah sebagai
bahan baku pembuatan biodisel. Selain memacu pemanfaatan minyak biji jarak pagar sebagai pengganti Bahan Bakar Minyak BBM, minyak ini juga dimanfaatkan untuk
menjadi pelumas dasar yang diharapkan dapat memberikan alternatif produk yang mempunyai nilai tambah tinggi.
Pada perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar, dilakukan seluruh tahapan yang harus dilalui, antara lain pemilihan jalur proses dan
peralatan untuk menetapkan jalur proses yang efisien. Tahapan sintesis proses berdasarkan jalur yang dipilih dilakukan untuk mendapatkan kondisi proses terbaik. Uji
kinerja pelumas dasar dan formulasinya dilakukan untuk mengetahui karakteristik produk. Analisis kinetika dan pemodelan dilakukan untuk memberikan hasil rancangan
berupa data-data proses produksi pelumas dasar dan dapat digunakan untuk pemilihan alat pada skala komersial dan simulasi. Optimasi sistem produksi pelumas dasar untuk
mendapatkan kapasitas optimum sehingga diperoleh biaya produksi minimum. Perancangan proses ini dilakukan sampai dengan pembuatan diagram blok proses dan
diintegrasikan dalam bentuk Process Engineering Flow Diagram PEFD dengan menggunakan jalur proses yang dinyatakan layak secara teknis maupun finansial.
Manfaat perancangan proses yang dihasilkan diharapkan dapat digunakan oleh pihak-pihak yang terkait, seperti investor, peneliti, industri kecil terkait, petani,
pemerintah, dan pihak-pihak lain dalam pendirian industri pelumas dasar dari minyak jarak pagar.
Kerangka pikir perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar sebagai pelumas dasar disajikan pada Gambar 29.
Gambar 29 Kerangka Pemikiran perancangan proses modifikasi minyak jarak pagar menjadi pelumas dasar.
Kegiatan
1. Pemilihan jalur proses dan alat pemroses 2. Proses Epoksidasi,Hidroksilasi, Asetilasi
3. Optimasi proses 4. Karakterisasi produk dan uji kinerja
5. Pemodelan kinetika reaksi 6. Pembuatan blok diagram, penyusunan
NM dan NE, penentuan alat
7. Optimasi kapasitas produksi 8. Pembuatan PEFD.
9. Penentuan kelayakan proses secara teknis dan finansial
Luaran
1. Produk 2. Jalur Proses Blok Diagram
3. Kondisi Proses dan Operasi terbaik 4. Karakteristik, Identifikasi produk
5. Hasil Uji Kinerja 6. Parameter Kinetika dan
Termodinamika 7. Alat dan komposisi tiap aliran
8. Kapasitas Produksi Optimum 9. Kelayakan proses secara teknis dan
Tujuan
Mendapatkan rancangan proses produksi pelumas dasar berbahan baku minyak
jarak pagar
PEFD
Tempat dan Waktu Penelitian
Penelitian dilaksanakan di Laboratorium Kimia dan Energi, Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan, Bogor dan di Laboratorium Kimia Universitas Jayabaya,
Jakarta. Beberapa pengujian dilakukan di Balai Besar Industri Agro-Bogor, LAPAN- Jakarta, dan Pro-Lab Jakarta. Waktu penelitian dilaksanakan pada bulan Maret 2006
sampai dengan September 2007.
Bahan dan Alat
Bahan baku yang digunakan dalam penelitian awal adalah biji Jarak Pagar Jatropha curcas.L asal Kebumen, Nusa Tenggara Barat dan Lampung, diperoleh dari
Pusat Penelitian dan Pengembangan Hasil Hutan Bogor. Sedangkan untuk keperluan pemrosesan digunakan biji Jarak Pagar Jatropha curcas.L asal Nusa Tenggara Barat.
Bahan kimia yang dipergunakan terdiri dari asam asetat glasial 99, hidrogen peroksida 50, natrium hidrogen karbonat, natrium sulfat, asam sulfat encer 1, larutan hidrogen
bromida 47, kristal violet, butanol, metanol, parafin, piridin, asam asetat anhidrat,
katalis bentonit dan aquades.
Alat-alat yang digunakan untuk memperoleh minyak jarak pagar terdiri dari oven dan kempa hidrolik. Pada proses epoksidasi diperlukan alat labu leher tiga, dilengkapi
dengan pengaduk, termometer, pengaduk dengan pemanasan, batang magnet, gelas ukur, pipet volumetrik, erlenmeyer, dan gelas piala. Pada proses hidroksilasi dan esterifikasi
dibutuhkan labu dengan pendingin balik. Alat uji stabilitas terhadap oksidasi.
Metode Penelitian
Penelitian ini meliputi beberapa tahapan kegiatan dapat dilihat pada Gambar 30
Gambar 30 Tahapan penelitian.
Penelitian perancangan proses ini mengikuti teori teori Seider et al 1999 dan tahap analisis pemodelan mengikuti teori Hartmann et al 1990.
TAHAP I : Pemilihan bahan baku dan jalur proses
Pada tahap awal penelitian perancangan proses ini dilakukan pemilihan beberapa alternatif jalur proses dan alat pemroses. Bahan baku dan produk ditetapkan berdasarkan
beberapa pertimbangan. Pemilihan proses dan alat proses meliputi: pemilihan jalur reaksi atau proses; kebutuhan bahan atau pereaksi; pertimbangan teknik pemisahan atau proses
hilir. Metoda pemilihan yang digunakan berdasarkan aturan heuristik kaidah umum terhadap jalur proses dan teknik pemisahan. Pemilihan jalur proses atau proses ini adalah
dengan jalan membandingkan beberapa proses bahan baku, hasil samping, kondisi operasi, katalitis-non katalitis, jika reaksi katalitis menggunakan katalis homogen atau
heterogen. Secara garis besar tahapan penelitian perancangan proses seperti pada Gambar 31
berikut ini.
SINTESIS Pemilihan
satuan operasi dan alat
OPTIMASI KAPASITAS PRODUKSI
SASARAN
Analisis Kelayakan
finansial pada kapasitas
optimum
Pemilihan Bahan baku
Jalur reaksi
ANALISIS PEMODELAN KINETIKA - TERMODINAMIKA
Analisis Kelayakan teknis
Gambar 31 Tahapan penelitian perancangan proses.
Secara rinci tahapan penelitian perancangan proses selanjutnya meliputi: perlakuan pendahuluan terhadap biji jarak pagar, proses pengambilan minyak jarak,
proses epoksidasi minyak jarak, proses hidroksilasi, proses asetilasi, karakterisasi atau uji sifat fisikokimia minyak jarak pagar dan hasil modifikasinya, uji stabilitas oksidasi, uji
kinerja formulasi pelumas pada motor 2 tak. Tahap berikutnya adalah pemodelan dan optimasi kapasitas produksi. Diagram alir penelitian dapat dilihat pada Gambar 32.
TAHAP 2 : Proses Epoksidasi, Hidroksilasi, dan Asetilasi
Pada proses pembuatan produk dengan menggunakan bahan baku dan jalur proses yang telah dipilih, akan diperoleh kondisi operasi terbaik. Peubah proses yang digunakan
adalah suhu, nisbah mol pereaksi, dan konsentrasi katalis .
Pengambilan minyak jarak pagar. Minyak jarak pagar diekstrak dari bijinya
dengan cara terbaik yaitu untuk memperoleh kualitas minyak jarak yang jernih, kadar kotoran yang rendah, bilangan asam yang rendah dan kadar air yang rendah. Biji jarak
II.
Analisis Pemodelan : Kinetika reaksi, laju reaksi, total biaya
III . Optimasi kapasitas produksi
Akhir Perancangan Proses
I
. Sintesis Proses
yang masih ada tempurungnya terlebih dahulu dioven selama 1 jam, kemudian dikupas untuk memisahkan tempurung dari bijinya, daging bijinya digiling sampai halus dan
secepatnya dipres dingin menggunakan alat pres hidrolik manual 20 ton. Analisis yang dilakukan terhadap minyak jarak pagar yaitu :
1 komposisi asam lemak dengan menggunakan Gas-Chromatography GC dan menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa menggunakan Fourier
Transfer Infra Red FTIR, dan penentuan struktur menggunakan NuclearMagnetic
Resonance NMR. Ikatan kimia dalam suatu senyawa akan mengabsorb energi infra
merah pada frekuensi tertentu panjang gelombang tertentu dan menentukan struktur molekul organik.
2 analisis minyak jarak pagar tanpa aditif terdiri dari analisis sifat kimia bilangan iod, bilangan penyabunan, kadar air, bilangan asam, analisis sifat fisik titik nyala, titik
tuang, densitas, viskositas pada 40 ° C dan 100° C, indeks viskositas dan indeks bias
3 analisis ketahanan terhadap oksidasi dari minyak jarak pagar pada waktu oksidasi tertentu.
Gambar 32 Diagram alir kegiatan penelitian perancangan proses.
Pengambilan Minyak Jarak Dengan perlakuan awal dioven dan pengepresan hidraulik pada suhu ruang
Penentuan kondisi proses epoksidasi minyak jarak pagar meggunakan katalis H
2
SO
4
. Variasi peubah : suhu º C, nisbah pereaksi, konsentrasi katalis . Analisis sifat fisiko kimia, GC, dan FTIR Minyak Jarak
TAHAP
Proses
Karakterisasi : bilangan oksiran. Analisa sifat fisiko kimia, GC, dan FTIR
TAHAP
Pemodelan
Penentuan kondisi proses hidroksilasi pembentukan poliol katalis Bentonit. Variasi peubah: Suhu ºC; nisbah mol pereaksi; konsentrasi
katalis .
TAHAP
Optimasi
Uji stabilitas oksidasi minyak jarak, epoksi , poliol, asetilasi poliol Uji kinerja formula pelumas pada mesin otomotif sifat fisikokimia, analisis logam
Analisis finansial produksi pelumas dasar NPV, IRR, Net BC, dan PBP skala optimum Optimasi kapasitas produksi untuk mendapatkan biaya minimum
Pembuatan model laju reaksi dan kinetika reaksi proses epoksidasi, hidroksilasi, asetilasi
TAHAP Uji Kinerja
Proses asetilasi poliol dengan katalis bentonit Biji Jarak Pagar
Karakterisasi Produk
Penentuan kelayakan jalur proses modifikasi minyak jarak pagar secara teknis dan finansial
Karakterisasi : bilangan hidroksil. Analisa sifat fisiko kimia, dan FTIR Karakterisasi : bilangan hidroksil, oksiran. Analisa sifat fisiko
kimia, GC dan FTIR
Proses epoksidasi minyak jarak.
Proses epoksidasi minyak jarak pagar terdiri dari:
1 penelitian pendahuluan epoksidasi. Mula-mula minyak jarak pagar, asam asetat 99
dimasukkan ke dalam labu leher tiga. Hidrogen peroksida H
2
O
2
50 dan katalis H
2
SO
4
encer 1 dimasukkan secara bertetes-tetes ke dalam labu leher tiga. Campuran dipanaskan selama 2 jam sambil diaduk dengan menggunakan pengaduk
magnetik. Pengadukan dilakukan agar minyak terdispersi secara sempurna. Produk epoksidasi selanjutnya dinetralisasi untuk menghilangkan sisa asam dan didinginkan
dengan menggunakan larutan jenuh natrium hidrogen karbonat NaHCO
3
. Beberapa mililiter ml air suling ditambahkan untuk mencuci sisa asam. Campuran
dimasukkan ke dalam labu pemisah dan dikocok, untuk memisahkan sisa air. Lapisan air yang berada di bagian bawah corong pisah dikeluarkan. Pada penelitian ini
dilakukan uji pengaruh suhu reaksi, rasio nisbah pereaksi, dan konsentrasi katalis vv. Pada pembuatan epoksi minyak jarak pagar, suhu reaksi yang akan
digunakan 53 ° C-87° C, nisbah mol pereaksi hidrogen peroksida : asam asetat =
1:5.4 – 1: 6.2, dan konsentrasi katalis 0.5-1.84 vv. Analisis terhadap produk yang dihasilkan menggunakan bilangan oksiran. Tahapan kegiatan selanjutnya
bertujuan menguji keandalan model hubungan antara respon dan peubah-peubah proses serta untuk mengoptimasi respon pada proses produksi epoksi dari minyak
jarak pagar skala laboratorium. Hasil yang diharapkan adalah mendapatkan suhu, konsentrasi katalis dan nisbah mol pereaksi terbaik. Disain eksperimen dan
optimasi peubah proses yang berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Response Surface Method
RSM Montgomery 1998. Rancangan percobaan produksi epoksi dari minyak jarak pagar dapat dilihat pada Tabel 10 di bawah ini
Tabel 10 Rancangan percobaan proses produksi epoksi dari minyak jarak pagar
Run X
1
Suhu X
2
Konsentrasi katalis X
3
Nisbah Pereaksi Respon Bilangan
Oksiran 1 -1
-1 -1
2 -1 -1
+1 3 -1
+1 -1
4 -1 +1
+1 5 +1
-1 -1
6 +1 -1
+1 7 +1
+1 -1
8 +1 +1
+1 9 0
10 0 11 0
12 0 13 -1.682
14 +1.682 15 0
-1.682 16 0
+1.682 17 0
-1.682 18 0
+1.682
Analisis yang dilakukan terhadap epoksi minyak jarak pagar yaitu: 1
komposisi asam lemak dengan menggunakan Gas-Chromatography GC dan menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa menggunakan Fourier
Transfer Infra Red FTIR, dan penentuan struktur menggunakan Nuclear Magnetic
Resonance NMR. Ikatan kimia dalam suatu senyawa akan mengabsorb energi
infra merah pada frekuensi tertentu panjang gelombang tertentu dan menentukan struktur molekul organik.
2 analisis epoksi minyak jarak pagar tanpa aditif, terdiri dari analisis sifat kimia
bilangan iod, bilangan penyabunan, kadar air, bilangan asam dan analisa sifat fisik titik nyala, titik tuang, densitas, viskositas pada 40
° C dan 100° C, indeks viskositas dan indeks bias
3 analisis ketahanan terhadap oksidasi dari epoksi minyak jarak pagar
2 perpindahan massa katalis H
2
SO
4
dalam H
2
O
2.
Pada tahapan ini dilakukan analisis pengaruh waktu pencampuran terhadap perpindahan massa katalis dan pereaksi,
yang ditunjukkan dengan kurva pengaruh waktu terhadap perpindahan massa katalis. Hasil pengolahan data pada tahap ini dapat digunakan untuk keperluan perancangan
reaktor. Pada suatu reaksi katalitis, sebelum reaksi kimia terlebih dahulu terjadi perpindahan massa katalis ke dalam pereaksi. Perpindahan massa katalis cair H
2
SO
4
A dalam pereaksi H
2
O
2
B. Tetapan perpindahan massa heterogen k
l
pereaksi H
2
O
2
dalam katalis H
2
SO
4
. Zat A berpindah dari fasa I ke fasa II dengan laju :
a a
X A
x x
a K
ran volumcampu
waktu gmol
N −
=
Data yang dibutuhkan adalah perubahan konsentrasi tiap satuan waktu. Persamaan matematis yang digunakan adalah :
s O
H O
H G
O H
C C
k dt
dN
2 2
2 2
2 2
− =
Keterangan: N
H2O2
= perpindahan massa H
2
O
2
satuan waktu. luas kc
= tetapan perpindahan massa C
H2O2
= konsentrasi A dilarutan C
H2O2S
= konsentrasi jenuh A di larutan
Pembuatan Poliol.
Pembuatan Poliol dari epoksi minyak jarak pagar terdiri dari beberapa tahapan, yaitu :
1 pemilihan jenis dan jumlah katalis padat. Pemilihan jenis dan konsentrasi katalis yang
harus ditambahkan dalam proses dilakukan dengan melakukan pencobaan untuk mendapatkan pengaruh katalis jenis dan jumlah pada penurunan bilangan oksiran
reaksi hidroksilasi epoksi jarak pagar dengan metanol. Analisis terhadap data yang diperoleh adalah analisis keragaman, yaitu untuk mengetahui pengaruh jenis dan
jumlah katalis yang ditambahkan terhadap penurunan bilangan oksiran pada pembukaan cincin oksiran
2 penelitian pendahuluan hidroksilasi. Penelitian pendahuluan dilakukan untuk mengetahui pengaruh suhu dan rasio pereaksi terhadap reaksi pembukaan cincin
oksiran poliol dan perkiraan kisaran kondisi operasi terbaik. Pada pembuatan poliol minyak jarak pagar, suhu reaksi yang akan digunakan 43
° C - 77° C, rasio mol pereaksi hidrogen peroksida : asam asetat = 1:7.3 – 1:14.8, dan konsentrasi katalis
bentonit 0.66 - 2.33 vv. Poliol disintesis di dalam labu leher tiga 500 ml yang dilengkapi dengan pendingin balik. Mula-mula 30 ml epoksi minyak jarak pagar
dicampur dengan metanol pada berbagai variasi perbandingan terhadap epoksi. Campuran dipanaskan pada beberapa variasi suhu. Campuran diendapkan untuk
memisahkan katalis dengan campuran poliol dan metanol. Metanol dipisahkan dengan penguapan. Analisis yang dilakukan terhadap produk poliol adalah bilangan
hidroksil dan analisis yang dilakukan terhadap sisa epoksi adalah bilangan oksiran. Tahapan kegiatan ini bertujuan menguji keandalan model hubungan antara respon dan
peubah-peubah proses dan untuk mengoptimasi respon bilangan oksiran danatau bilangan hidroksil pada proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar pada
skala laboratorium, sehingga didapatkan suhu, konsentrasi katalis dan nisbah pereaksi terbaik. Disain eksperimen dan analisis hasil optimasi peubah proses yang
berpengaruh dilakukan dengan menggunakan Response Surface Method RSM Montgomery 1998.
Optimasi proses
Optimasi proses untuk mendapatlan kondisi operasi terbaik dilakukan dengan
Response Surface Method RSM. Metoda optimasi dengan menggunakan rancangan
percobaan faktorial membuat data menjadi dalam bentuk ortogonal dan akan mencegah permasalahan dalam memperkirakan koefisien model Metoda ini menggunakan peubah
yang relatif penting dan berpengaruh pada proses, sehingga didapatkan model yang efisien. Metoda optimasi ini menggunakan perencanaan yang sistematis, peubah berubah
secara simultan pada satu waktu sehingga dapat mengurangi jumlah percobaan. Sifat ortogonal dari rancangan faktorial mengakibatkan pengujian statistik menjadi lebih
efektif dan dapat memberikan perkiraan sum of square tiap-tiap peubah sebaik kombinasi peubah. Perkiraan koefisien model persamaan mempunyai variasi yang lebih rendah
dibandingkan dengan perancangan percobaan nonortogonal. Montgomery et al, 1998. RSM dalah suatu kumpulan dari teknik statistika dan matematika yang berguna untuk
menganalisis permasalahan tentang beberapa peubah bebas yang mempengaruhi peubah tak bebas atau respon, serta bertujuan mengoptimumkan respon itu. Metodologi
permukaan respon dapat dipergunakan peneliti untuk: 1 mencari fungsi pendekatan yang cocok untuk meramalkan respon yang akan datang, 2 menentukan nilai–nilai dari
peubah bebas yang mengoptimumkan respon. Pada dasarnya analisis permukaan respon adalah serupa dengan analisis regresi yaitu menggunakan prosedur pendugaan parameter
fungsi respon berdasarkan metoda kuadrat terkecil least square method dan diperluas dengan menerapkan teknik matematik untuk menentukan titik–titik optimum agar dapat
ditemukan respon yang optimum maksimum atau minimum. Biasanya bentuk hubungan antara respon dan peubah bebas tidak diketahui. Maka langkah pertama dari metodologi
permukaan respon adalah mencari suatu pendekatan yang cocok untuk menggambarkan hubungan fungsional yang tepat di antara respon Y dan sekumpulan peubah bebas yang
dispesifikasikan. Pada tahap awal dirumuskan model regresi polinomial dengan ordo yang rendah satu, merupakan regresi linier :
ε β
β β
β +
+ +
+ +
=
b b
X X
X Y
.......
2 2
1 1
Jika terdapat lengkungan dalam kurva, maka dapat dirumuskan model polinomial dengan derajat yang lebih tinggi, misalnya seperti model polinomial ordo kedua. Pada
dasarnya Steepest Ascent Method metoda dakian tercuram merupakan suatu prosedur untuk mencari daerah respon maksimum. Prosedur untuk mencari respon minimum
disebut dengan Steepest Descent Method metoda turunan tercuram, keduanya merupakan prosedur efisien untuk mencari titik-titik optimum maksimum atau
minimum. Langkah-langkah prosedural metoda dakian tercuram adalah sebagai berikut: 1 menetapkan fungsi respon ordo pertama dalam suatu daerah yang dibatasi oleh
peubah-peubah bebas x
1
, x
2
......, x
k
. Pada tahap awal ini digunakan rancangan faktorial sederhana berukuran 2
k
untuk menduga koefisien–koefisien persamaan dengan menggunakan metoda kuadrat terkecil, 2 menetapkan lintasan dakian tercuram. Jika
terdapat dua peubah bebas x
1
,x
2
, k=2, maka respon dari kontur-kontur Y merupakan
sederet garis-garis paralel, 3 percobaan dilanjutkan sepanjang lintasan dakian tercuram itu, sampai tidak diperoleh lagi peningkatan respon yang diamati.
Untuk menentukan kondisi yang dapat memaksimumkan hasil, digunakan dua peubah yang akan mempengaruhi hasil. Kondisi optimum sudah diketahui pada
penelitian sebelumnya, maka akan dicari daerah operasi optimum dengan menggunakan metoda dakian tercuram. Selanjutnya ditetapkan daerah percobaan awal pada taraf kedua
faktor. Untuk mengumpulkan data digunakan percobaan faktorial 2x2 atau 2
2
yang diperluas dengan 5 titik pusat, dimana titik pusat adalah titik optimum yang sudah
diketahui pada penelitian sebelumnya apabila dinyatakan dalam peubah kode menjadi X
1
=0 , X
2
=0. Pengulangan pengamatan pada titik pusat dimaksudkan untuk menduga galat
percobaan serta memeriksa ketepatan model ordo pertama. Untuk memudahkan proses
komputasi guna menduga parameter model polinomial ordo pertama, maka dapat mengubah peubah asli W dan T ke dalam peubah kode X
1
dan X
2
yang saling ortogonal, bentuk perubahannya adalah :
w opt
D W
W X
1
− =
T opt
D T
T X
2
− =
W
opt
= W kondisi optimum ; D
W
= interval taraf W T
opt
= T kondisi optimum ; D
T
= interval taraf T Maka peubah asli W dan T dapat diubah ke dalam bentuk peubah kode X
1
dan X
2
. Model ordo pertama yang dirumuskan adalah :
ε β
β β
+ +
+ =
2 2
1 1
X X
Y Y = respon ; X
1
= kode peubah W ; X
2
= kode peubah T Peubah X
1
dan X
2
bersifat ortogonal, dimana X
1
= 0 , X
2
= 0 maka proses pendugaan parameter model menjadi lebih mudah :
n Y
Y b
∑
= =
∑ ∑
=
2 1
1 1
X Y
X b
∑ ∑
=
2 2
2 2
X Y
X b
Selanjutnya perlu memeriksa keandalan model ordo pertama berdasarkan data percobaan, model ini cukup diandalkan bagi penetapan lintasan dakian tercuram. Untuk
mengetahui kondisi optimum digunakan Analisis Ragam dengan paket program statistik. Tahapan selanjutnya dapat disusun fungsi respon ordo kedua dengan
menggunakan Rancangan Komposit Pusat RKP = Central Composite Design untuk mengumpulkan data percobaan. Pada dasarnya RKP adalah rancangan faktorial 2k atau
faktorial sebagian, dimana terdapat dua taraf dari setiap peubah yang diberi kode -1 dan +1 , serta diperluas dengan suatu matriks menggunakan nilai
α. α = 2
k4
; untuk ulangan penuh α = 2
k-14
; untuk setengah ulangan Sehingga RKP dipergunakan untuk menduga model ordo kedua yang dirumuskan sebagai
berikut: ε
β β
β β
β β
+ +
+ +
+ +
=
2 1
12 2
2 22
2 1
11 2
2 1
1
X X
X X
X X
Y Pengujian koefisien regresi dilakukan dengan Analisis Varian, ketepatan model
ditentukan berdasarkan uji simpangan model, sedangkan kriteria lainnya seperti besaran R
2
yang tinggi, uji persamaan regresi yang bersifat nyata, serta kriteria lainnya hanyalah bersifat mendukung. Suatu model dikatakan tepat dan cocok dengan suatu permasalahan
apabila uji simpangan bersifat tidak nyata secara statistik, serta suatu model dikatakan tidak tepat untuk menerangkan suatu fenomena sistem apabila uji simpangan bersifat
nyata secara statistik. Apabila model ini merupakan model yang tepat untuk menerangkan kasus percobaan ini, maka dapat ditentukan titik-titik yang dapat memaksimumkan fungsi
respon dengan menerapkan konsep optimasi kalkulus, dengan syarat perlu: ∂ Y ∂ X
1
= 0 dan ∂ Y ∂ X
2
= 0. Penyelesaian persamaan ini, akan memberikan titik stasioner X
1
dan X
2
. Pada proses hidroksilasi, optimasi bertujuan untuk menentukan suhu, rasio
alkohol dan epoksi dan konsentrasi katalis yang sesuai, sehingga menghasilkan respon bilangan oksiran terendah atau bilangan hidroksil tertinggi. Langkah-langkah yang
dilakukan adalah sebagai berikut: 1
menentukan taraf –taraf faktor percobaan seperti terlihat pada Tabel 11 2
melakukan pengumpulan data percobaan berdasarkan matrik pengamatan 3
melakukan pengujian ordo satu, jika hasil pengujian menunjukkan berbeda nyata secara statistik maka dilanjutkan pembuatan model permukaan respon ordo dua
4 melakukan analisis regresi dan komputasi. Menentukan pendugaan hasil berdasarkan
data yang dimiliki dan perhitungan nilai R
2
5 melakukan pengujian ketepatan model.
Tabel 11 Rancangan percobaan proses produksi poliol dari epoksi minyak jarak pagar dengan respon bilangan oksiran dan bilangan hidroksil
Run X
1
Suhu X
2
Konsentrasi katalis X
3
Nisbah pereaksi Respon Bilangan Oksiran
Bilangan Hidroksil
1 -1 -1 -1
2 -1 -1 +1
3 -1 +1 -1
4 -1 +1 +1
5 +1 -1 -1
6 +1 -1 +1
7 +1 +1 -1
8 +1 +1 +1
9 0 10 0
11 0 12 0
13 0 14 0
15 -1.682
16
+1.682 0 17 0
-1.682
18 0
+1.682
19 0
0 -1.682
20 0
0 +1.682
Analisis yang dilakukan terhadap poliol minyak jarak pagar yaitu : 1 komposisi asam lemak dengan menggunakan Gas-Chromatography GC dan
menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa menggunakan Fourier Transfer Infra Red
FTIR, dan penentuan struktur menggunakan NuclearMagnetic Resonance
NMR. Ikatan kimia dalam suatu senyawa akan mengabsorb energi infra merah pada frekuensi tertentu panjang gelombang
tertentu dan menentukan struktur molekul organik. 2
analisis poliol minyak jarak pagar tanpa aditif, meliputi sifat kimia bilangan iod, bilangan penyabunan, kadar air, bilangan asam, analisa sifat fisik titik nyala,
titik tuang, densitas, viskositas pada 40 ° C dan 100° C, indeks viskositas dan
indek bias 3
analisis ketahanan terhadap oksidasi dari poliol minyak jarak pagar pada waktu tertentu.
Perpindahan massa alkohol dalam katalis bentonit
Pada tahapan ini dilakukan analisis pengaruh waktu pencampuran terhadap perpindahan massa katalis dan pereaksi, yang ditunjukkan dengan kurva pengaruh waktu
terhadap perpindahan massa. Hasil pengolahan data pada tahap ini digunakan untuk keperluan perancangan reaktor. Pada reaksi katalitis, sebelum terjadi reaki terlebih dahulu
terjadi perpindahan massa katalis ke dalam pereaksi. Perpindahan massa metanol pada permukaan katalis bentonit. Data yang dibutuhkan adalah perubahan konsentrasi tiap
satuan waktu. Persamaan matematis yang digunakan adalah :
alkohols alkohol
G alkohol
C C
k dt
dN −
=
Pembuatan Asetilasi Poliol. Asetilasi
poliol disintesis di dalam labu leher tiga 500 ml pada suhu 90
° C selama 30 menit. Pada tahapan ini akan dicari kinetika reaksi asetilasi. Mula-mula 60 ml poliol minyak jarak pagar, dicampur dengan asam asetat
anhidrat 6 ml dan katalis bentonit 2 berat campuran reaksi. Campuran dipanaskan sampai dengan suhu 90
° C dan sampel diambil untuk dianalisis bilangan hidroksil-nya setiap 5 menit. Campuran sampel dimasukkan ke dalam tabung reaksi untuk memisahkan
endapan katalis dengan campuran asetilasi poliol yang dihasilkan dan sisa asam asetat
anhidrat. Asam tersisa dinetralisasi dengan natrium karbonat. Analisis yang dilakukan terhadap produk poliol terasetilasi adalah bilangan hidroksil dan bilangan asam.
Analisis yang dilakukan terhadap asetilasi poliol minyak jarak pagar yaitu : 1
komposisi asam lemak dengan menggunakan Gas-Chromatography GC dan menentukan gugus fungsi yang terdapat dalam senyawa menggunakan Fourier
Transfer Infra Red FTIR, dan penentuan struktur menggunakan NuclearMagnetic
Resonance NMR. Ikatan kimia dalam suatu senyawa akan mengabsorb energi infra
merah pada frekuensi tertentu panjang gelombang tertentu dan menentukan struktur molekul organik.
2 analisis asetilasi poliol minyak jarak pagar tanpa aditif. Analisis terdiri dari analisis
sifat kimia bilangan iod, bilangan penyabunan, kadar air, bilangan asam dan analisa sifat fisik titik nyala, titik tuang, densitas, viskositas pada 40
°C dan 100°C, indeks viskositas dan indeks bias
3 analisis ketahanan terhadap oksidasi dari asetilasi poliol minyak jarak pagar pada waktu tertentu
. TAHAP 3 : Analisis Pemodelan
1 Analisis atau pemodelan terhadap kinetika reaksi epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi dilakukan untuk mendapatkan parameter kinetika reaksi, konversi, rendemen,
parameter termodinamika. Metoda yang dilakukan adalah dengan mengolah data secara analitis terhadap hasil proses di laboratorium menggunakan persamaan neraca
massa di reaktor. Hasil pengolahan data digunakan untuk perancangan reaktor. 2 Analisis
atau pemodelan
makroskopis reaktor pengadukan ideal. Perhitungan waktu
curah ideal pada proses epoksidasi, hidroksilasi, dan asetilasi.
Pemodelan laju reaksi dan penentuan parameter kinetika reaksi epoksidasi terhadap minyak jarak pagar.
Proses pembuatan epoksi dengan kondisi terbaik dilakukan untuk menentukan laju reaksi –r
a
pada tahapan epoksidasi minyak jarak pagar dengan katalis H
2
SO
4
, penentuan tetapan laju reaksi k dan parameter-parameter kinetika reaksi. Data percobaan yang dibutuhkan adalah perubahan bilangan oksiran sebelum dan
sesudah proses epoksidasi dengan fungsi waktu proses. Contoh diambil setiap 30 menit
selama waktu proses tertentu dengan variasi suhu. Perhitungan laju reaksi dan tetapan laju reaksi dilakukan dengan menggunakan metoda analitis. Dari data percobaan dapat
ditentukan: faktor frekuensi tumbukan A, energi aktivasi Ea, dan konversi x. Data awal yang dibutuhkan adalah pH, bilangan asam, dan bilangan iod.
1 persamaan kinetika epoksidasi. Pada proses epoksidasi, yang mengontrol reaksi selama proses berlangsung adalah pembentukan asam perasetat Rangarajan et al
1995. Mekanisme reaksi epoksidasi minyak terdiri dari beberapa tahapan :