LAPORAN TUGAS BESAR MATA KULIAH MODEL DA

Reaktor Plug Flow Adiabatis

LAPORAN TUGAS BESAR
MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

Perancangan dan Simulasi Reaktor Plug Flow Adiabatis Untuk Reaksi Oksidasi H 2S
Menggunakan Program Scilab 5.1.1

Oleh :
1.
2.

Kartika Cintya Sulistyani
Fadillah Fathir Mahmud Fofana

NIM : 21030114120029
NIM : 21030114140173

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG

2016

Model dan Komputasi Proses

0

Reaktor Plug Flow Adiabatis
BAB I
PENDAHULUAN
1.1

Latar Belakang
Teknik Kimia adalah suatu cabang ilmu teknik/rekayasa yang mempelajari
pemrosesan barang mentah menjadi barang yang berguna secara ekonomis, dengan
langkah-langkah yang melibatkan peristiwa kimia, biologis dan /atau fisis sehingga
mengalami perubahan tingkat wujud, kandungan energi, atau komposisi. Pada dasarnya
ilmu Teknik Kimia merupakan aplikasi dari ilmu kimia dengan menggabungkan
kaidah-kaidah engineering serta memasukkan faktor-faktor ekonomi dan sosial dalam
aplikasi industrinya (HMTK AKPRIND, 2013). Dalam dunia pendidikan tinggi, Teknik
Kimia mempelajari teknik perancangan pabrik (Janiarto, 2014). Saat ini kebutuhan

dunia akan Industri terus meningkat sehingga peran sarjana Teknik Kimia dalam
perancangan pabrik sangat dibutuhkan untuk pembangunan berkelanjutan (sustainable
development). Pabrik yang dirancang dapat berupa pabrik kimia, bioproses, makanan,
dan masih banyak lainnya namun lebih fokus ke arah proses, baik meningkatkan
kapasitas produksi maupun memperbaiki proses yang ada (FTI ITB, 2015). Sebelum
lebih jauh merancang sebuah pabrik, perlu perancangan reaktor yaitu tempat
berlangsungnya reaksi kimia.
Reaksi kimia adalah suatu proses yang menghasilkan konversi bahan kimia
(Pharm, 2008). Bahan atau zat awalnya terlibat dalam reaksi kimia yang disebut
reaktan. reaktan ini ditandai dengan perubahan kimia dan mereka menghasilkan satu
atau lebih produk. Produk-produk ini umumnya berbeda dari reaktan asli. reaksi kimia
mungkin alam yang berbeda tergantung pada jenis reaktan, jenis produk yang
diinginkan, kondisi dan waktu reaksi, misalnya, sintesis, dekomposisi, perpindahan,
percipitation, isomerisasi, asam-basa, redoks atau reaksi organik. Hal-hal yang perlu
diperhatikan terhadap reaksi reaksi kimia yaitu utilitas, keuntungan, dan keterbatasan.
Dengan memperhatikan banyak hal untuk mendapatkan produk dari reaksi kimia yang
sesuai, tempat berlangungnya reaksi kimia yang biasa disebut reaktor, perlu dirancang
agar efisien.
Reaktor merupakan tempat terjadinya konversi bahan baku menjadi produk dan
juga disebut jantung dari sebuah proses kimia (Pharm, 2008). Desain reaktor kimia di

mana reaktan akan dikonversi pada skala komersial tergantung pada beberapa aspek

Model dan Komputasi Proses

1

Reaktor Plug Flow Adiabatis
teknik kimia. Karena itu adalah langkah yang sangat penting dalam desain keseluruhan
proses, desainer memastikan bahwa reaksi berlangsung dengan efisiensi tertinggi
terhadap output yang diinginkan, memproduksi hasil tertinggi dari produk dengan cara
yang paling efektif. Hal-hal yang perlu diperhatikan dalam perancangan reaktor adalah
ukuran reaktor, tipe reaktor dan metode operasi paling tepat untuk menghasilkan
kinerja reaktor terbaik. Temperatur dan komposisi fluida yang bereaksi pada
reaktor perubahannya sangat bervariasi dari titik ke titik, tergantung pada sifat
reaksi yaitu endotermis atau eksotermis, ada tidaknya penambahan atau
penghilangan panas pada sistem, dan pola aliran fluida dalam bejana. Dibutuhkan
juga bentuk matematis yang dapat mendiskripsikan reaksi yang terjadi didalam
reaktor. Salah satunya adalah persamaan laju reaksi, dari integral persamaan
tersebut dapat diketahui waktu tinggal didalam reaktor. Namun, hal ini tidak dapat
memprediksi secara keseluruhan kinerja reaktor. Perlakuan paling tepat pada

faktor-faktor tersebut merupakan masalah utama dalam perancangan reaktor
(Levenspiel, 1999).
Pada beberapa perancangan reaktor yang telah ada, perhitungan berbagai
macam data dilakukan dengan metode numerik secara manual. Perhitungan tersebut
merupakan masalah numerik yang kompleks. Sebagai perbaikan metode yang telah
ada,

akan

dilakukan

perancangan

dan

simulasi

reaktor

secara

numerik

menggunakan perangkat lunak yang disebut Scilab. Perangkat lunak ini hampir
menyerupai Matlab, sebagai sebuah program interaktif untuk komputasi numerik
dan visualisasi data (Sasongko, 2010).
1.2

Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian diatas, akan dilakukan perancangan dan simulasi reaktor Plug
Flow pada kondisi adiabatis untuk reaksi oksidasi H2S reaksinya bersifat eksotermis
dan reversible. Perancangan dan simulasi tersebut dilakukan menggunakan program

1.3

1.4

Scilab 5.1.1.
Tujuan
1. Mengoperasikan software Scilab 5.1.1 dengan benar

2. Mensimulasikan dan merancang ukuran reaktor Plug Flow
3. Mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi terhadap volume
4. Mensimulasikan dan menentukan profil hubungan suhu terhadap konversi
Manfaat
1. Mampu mengoperasikan software Scilab 5.1.1 dengan benar
2. Mampu mensimulasikan dan merancang ukuran reaktor Plug Flow

Model dan Komputasi Proses

2

Reaktor Plug Flow Adiabatis
3.

Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi terhadap

4.
5.

volume

Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan suhu terhadap konversi
Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi terhadap
volum

Model dan Komputasi Proses

3

Reaktor Plug Flow Adiabatis
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Jenis-Jenis Reaktor
Jenis-jenis reaktor menurut Levenspiel (1999) adalah:
a. Berdasarkan bentuk
1. Reaktor Tangki
Reaktor tangki dikatakan ideal apabila terjadi pengadukan sempurna,
sehingga komposisi dan suhu didalam reaktor setiap saat selalu uniform.
Reaktor tangki dapat dipakai untuk proses batch, semi batch, dan proses
alir.

2. Reaktor Pipa
Reaktor Alir Pipa merupakan reaktor tanpa menggunakan pengaduk.
Reaktor dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan,
mengalir didalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa.
b. Berdasarkan proses
1. Reaktor Batch
Reaktor batch biasanya digunakan untuk reaksi fase cair dan pada
kapasitas produksi yang kecil.
Neraca massa reaktor batch:
input = output + disappearance + accumulation
dimana nilai input dan output adalah nol, sehingga secara matematis dapat
dinyatakan kecepatan berkurangnya zat A sesuai reaksi yang terjadi = kecepatan akumulasi A di dalam reaktor.

Gambar 2.1 Reaktor Batch
Keuntungan

reaktor

batch:



Lebih murah dibanding reaktor alir karena ongkos dan biaya





instrumentasi rendah
Kebutuhan ruangan yang relatif kecil
Pengoperasian lebih mudah
Lebih mudah dikontrol dan penggunaannya fleksibel, artinya dapat



dihentikan secara mudah dan cepat pada waktu yang diinginkan
Reaktor ini dapat digunakan untuk reaksi yang menggunakan

campuran bahan kuat dan beracun
Kerugian reaktor batch:

 Tidak begitu baik untuk reaksi fase gas (mudah terjadi kebocoran pada


lubang pengaduk)
Skala produksi kecil

Model dan Komputasi Proses

4

Reaktor Plug Flow Adiabatis



Pengendalian kualitas produk yang susah
Waktu yang dibutuhkan lama, serta tidak produktif (untuk pengisian,
pemanasan zat pereaksi, pendinginan zat hasil, pembersihan reaktor,

waktu reaksi)
2. Reaktor Alir (Continuous Flow)

Kerja reaktor alir berlangsung secara kontinyu, artinya terdapat pemasukan
zat pereaksi dan pengeluaran zat hasil secara terus-menerus.
Terdapat 2 jenis reaktor alir, yaitu:
a. Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB/CSTR/Mixed Reactor)
Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) adalah reaktor yang bekerja
dengan cara mengaduk za-zat reaktan secara kontinyu selama proses
berlangsung untuk menghasilkan produk yang diinginkan dan
menghasilkan panas pada proses kimianya (Sylvia dkk., 2014).
Neraca massa reaktor alir tangki berpengaduk:
Laju reaktan masuk reaktor = laju reaktan keluar reaktor + laju reaktan
yang bereaksi + laju reaktan yang terakumulasi.

Gambar 2.2 Reaktor Alir Tangki Berpengaduk
Keuntungan RATB:



Suhu dan komposisi campuran dalam reaktor sama
Volume reaktor besar, maka waktu tinggal juga besar, sehingga zat
pereaksi lebih lama bereaksi dalam reaktor

Kerugian RATB:



Tidak efisien untuk reaksi fase gas dan reaksi bertekanan tinggi
Kecepatan perpindahan panas lebih rendah dibanding reaktor alir



pipa
Untuk menghasilkan konversi yang sama, volume yang dibutuhkan
reaktor alir tangki berpengaduk lebih besar dari volume reaktor alir

pipa
b. Reaktor Alir Pipa (RAP/PFR/Tubular Flow Reactor)
Reaktor alir pipa (Plug Flow Reactor, PFR) digunakan untuk
mereaksikan suatu reaktan dalam hal ini fluida dan mengubahnya
menjadi produk dengan cara mengalirkan fluida tersebut dalam pipa
secara berkelanjutan (continuous) (Levenspiel, 1999).

Model dan Komputasi Proses

5

Reaktor Plug Flow Adiabatis
Neraca massa reaktor alir pipa:
Laju reaktan masuk reaktor = laju reaktan yang bereaksi + laju reaktan
keluar reaktor

Gambar 2.3 Reaktor Alir Pipa
Reaktor alir pipa dikatakan ideal jika zat pereaksi dan hasil reaksi
mengalir dengan kecepatan yang sama di seluruh penampang pipa.
Keuntungan RAP:


Memberikan volume yang lebih kecil daripada reaktor alir tangki
berpengaduk, untuk konversi yang sama

Kerugian RAP:




Harga alat dan biaya instalasi mahal
Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state
Untuk reaksi eksotermis kadang terjadi ‘Hot Spot’ (bagian yang
suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan sehingga dapat

menyebabkan kerusakan pada dinding reactor
Beberapa aspek penting pada reaktor PFR adalah :
1. Di dalam PFR, fluida mengalir dengan perlakuan yang sama
sehingga waktu tinggal (τ) sama untuk semua elemen fluida.
Fluida sejenis yang mengalir melalui reaktor ideal disebut
plug. Saat plug mengalir sepanjang PFR, fluida bercampur
sempurna dalam arah radial bukan dalam arah axial (dari arah
depan atau belakang). Setiap plug dengan volume berbeda
dinyatakan sebagai kesatuan yang terpisah-pisah (hampir
seperti batch reaktor) saat mengalir turun melalui pipa PFR.
2. Pereaksi dapat dimasukkan dalam PFR melalui lokasi yang
berbeda dari infeed. Dengan cara ini efisiensi tinggi dapat
diperoleh atau ukuran dan biaya PFR dapat dikurangi.
3. Sebuah PFR mempunyai efisiensi lebih tinggi dari pada RATB
pada volume yang sama. Pada space time yang sama, suatu
reaksi akan menghasilkan konversi PFR yang lebih tinggi dari
pada RATB (Dewajani, 2011).
3. Reaktor Semi Batch
Reaktor semi batch umumnya berbentuk tangki berpengaduk dan alirannya
hanya masuk saja atau keluar saja.
Model dan Komputasi Proses

6

Reaktor Plug Flow Adiabatis

Gambar 2.4 Reaktor Semi Batch
2.1.2

Kondisi Operasi Reaktor
Jenis-jenis reaktor berdasarkan kondisi operasinya (Levenspiel, 1999):
a. Reaktor Adiabatis
Reaktor dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor
dengan sekelilingnya. Ditinjau dari segi operasionalnya, reaktor adiabatis
merupakan reaktor yang paling sederhana, cukup dengan menyekat reaktor
sehingga tidak ada panas yang keluar ke sekeliling maupun masuk dari
sekeliling. Jika reaksi berjalan eksotermis, maka panas yang terjadi karena
reaksi dapat dipakai untuk menaikkan suhu campuran di reaktor (K naik dan –
rA besar sehingga waktu reaksi menjadi lebih pendek).
Neraca panas reaksi adiabatis:

b. Reaktor Non-Adiabatis
Non-adiabatis merupakan kondisi reaksi dimana terdapat perpindahan kalor
dari sistem ke lingkungan atau dari lingkungan ke sistem. Sehingga untuk
reaktor diperlukan aksesoris perpindahan panas seperti jaket atau coil. Jika
reaksi bersifat eksotermis maka diperlukan pendingin, sedangkan bila reaksi
bersifat endotermis maka perlu adanya pemanasan (Smith et al., 2001).
c. Reaksi Isothermal
Reaksi dikatakan isothermal jika suhu umpan yang masuk, suhu campuran
dalam reaktor, dan suhu aliran yang keluar dari reaktor selalu seragam dan
sama.
2.1.3

Panas Reaksi
Berdasarkan aliran perpindahan kalor, jenis reaksi dibagi menjadi:
1. Reaksi Eksotermis
Reaksi eksotermis adalah reaksi dimana terjadinya perpindahan kalor dari
sistem ke lingkungan. Reaksi eksotermis selalu ditandai dengan adanya

Model dan Komputasi Proses

7

Reaktor Plug Flow Adiabatis
kenaikan suhu sistem saat reaksi berlangsung. Perubahan entalpi dihitung
dengan ∆H= energi untuk memutus ikatan-energi untuk membuat produk
reaksi. Dengan demikian, perubahan entalpi bertanda negatif (∆H0).
Hal ini dikarenakan energi yang dilepaskan lebih kecil daripada energi yang
digunakan saat reaksi.
2.1.4

Jenis Reaksi
Mekanisme suatu reaksi rumit dapat tersusun dari dua atau lebih reaksi sederhana.
Terdapat dua cara puenggabungan dua reaksi sederhana, yaitu : 1) reaksi
sederhana disusun secara paralel (sejajar); 2) reaksi sederhana disusun secara seri
(berurutan); 3) Reaksi Independen (Prianto,2008).
1. Reaksi Paralel
Reaksi paralel atau reaksi samping (competitive reaction) yaitu dari reaktan
yang sama dihasilkan produk yang berbeda melalui jalur reaksi yang berbeda
pula.
Contoh:
A
k1
A

k2

R

R
atau

S

A

k1

S

k2

Contoh reaksi paralel pada skala industri adalah reaksi oksidasi terhadap etilen
yang akan menghasilkan produk etilen oksida. Selama reaksi oksidasi
berlangsung, sebagian etilen terbakar sempurna dan menghasilkan produk
samping yang tidak diinginkan, yaitu uap air dan karbon dioksida.
C2H4
+
½ O2
C2H4O
C2H4
+
3 O2
2CO2 +
2 H2O
2. Reaksi Seri
Reaksi seri atau reaksi konsekutif yaitu dari reaktan terbentuk produk antara
yang aktif kemudian lebih lanjut berubah menjadi produk lain yang stabil.
Contoh :
A
R
S
k
k
1

Model dan Komputasi Proses

2

8

Reaktor Plug Flow Adiabatis
Contoh reaksi seri pada skala industri adalah reaksi antara etilen oksida dan
amonia yang membentuk mono-etanol-amin, kemudian reaksi berlanjut
membentuk di-etanol-amin dan produk akhir adalah tri-etanol-amin.
C2H4O +

NH3

HOCH2CH2NH2

k1

(HOCH2CH2NH)2NH

EO

(HOCH2CH2)3N

EO

3. Reaksi Independen
Reaksi independen terjadi karena di dalam umpan terkandung berbagai macam
reaktan. Contoh dari reaksi independen adalah proses pengolahan minyak
bumi menjadi gasolin (bensin).
Contoh :
A → 2B dan B → C
2.1.5

Jenis Proses
1. Reaksi Monomolekuler
Reaksi monomolekuler merupakan reaksi yang melibatkan satu jenis molekul
reaktan. Contoh: reaksi dehidrogenisasi, dekomposisi, cracking, polimerisasi
kondensasi.
Skema reaksi : A
B
2. Reaksi Bimolekuler
Reaksi bimolekuler merupakan reaksi yang melibatkan dua jenis molekul
reaktan yang berbeda.
Skema reaksi : A + B
C
3. Reaksi Trimolekuler atau Termolekuler
Reaksi trimolekuler merupakan reaksi yang melibatkan tiga jenis molekul
reaktan yang berbeda.
Skema reaksi : A + B + C

2.1.6

D

Arah Reaksi
1. Reaksi Reversible
Reaksi reversible merupakan reaksi yang berlangsung dua arah. Dalam hal ini
akan terjadinya kesetimbangan. Dimana zat hasil reaksi akan dapat bereaksi
kembali membentuk zat pereaksi. Misalnya reaksi pembentukan amonia dari
gas hidrogen dan gas nitrogen.
2. Reaksi Irreversible
Reaksi irreversible merupakan reaksi satu arah dan tidak ada keadaan
setimbang, meskipun sesungguhnya tidak ada reaksi kimia yang betul-betul
tidak dapat balik. Dimana zat hasil reaksi tidak dapat bereaksi membentuk
pereaksi. Banyak kasus kesetimbangan berada sangat jauh di kanan
sedemikian sehingga dianggap irreversible. Misal reaksi pembentukan garam

Model dan Komputasi Proses

9

Reaktor Plug Flow Adiabatis
natrium klorida dari asam klorida dan natrium hidroksida (Kristianingrum,
2010).
2.1.7

Konversi
Konversi fraksional atau fraksi dari reaktan misal A, dikonversi menjadi produk.
Konversi dari A (XA). Misalkan NA0 adalah jumlah awal A di reaktor pada waktu
t = 0, dan NA adalah produk yang terkonversi pada waktu t. Konversi A pada
volume konstan sebagai berikut:
XA=

=1−

=1-

Dan
Dxa = −

(Levenspiel.O,1999)

2.2 Studi Kasus
2.2.1 Deskripsi Proses
Berdasarkan tugas besar mata kuliah Model dan Komputasi Proses tahun 2016,
studi kasus yang diberikan adalah perancangan dan simulasi reaktor plug flow
adiabatis dengan reaksi bimolekuler, seri dan bersifat eksotermis serta reversible.
Reaksi yang digunakan adalah reaksi oksidasi H2S.
Reaksi oksidasi H2S merupakan reaksi reversible fasa gas-gas katalitik. Proses ini
terjadi dalam sebuah reactor plug flow pada suhu 250⁰C dan tekanan 21,75 atm.
Reaksi oksidasi H2S merupakan reaksi eksotermis rendah, sehingga untuk
mempertahankan suhu di dalam reactor perlu dilengkapi dengan jaket pendingin
yang berfungi sebagai tempat aliran air pendingin.

Reaksi utama
H2S + O2


SO2 + H2O

Reaksi samping
SO2 +

O2

SO3

Reaksi ini merupakan reaksi yang reversible. Reaksi oksidasi berjalan pada suhu
250⁰C dan konversi yang dicapai sebesar 96-97% pada akhir reaksi (Abedini,
2010).

Model dan Komputasi Proses

10

Reaktor Plug Flow Adiabatis
2.2.2

Kondisi Operasi
Kondisi operasi dalam reaksi oksidasi H2S adalah reaksi terjadi dalam sebuah
reaktor plug flow pada suhu 250⁰C dan tekanan 21,75 atm. Reaksi oksidasi H2S
merupakan reaksi eksotermis rendah, sehingga untuk mempertahankan suhu di
dalam reactor perlu dilengkapi dengan jaket pendingin yang berfungi sebagai
tempat aliran air pendingin.

2.2.3

Tinjauan Termodinamika
Tinjauan secara termodinamika dimaksudkan untuk mengetahui sifat reaksi
(endotermis/eksotermis) dan arah reaksi (reversible/irreversible).
Reaksi utama:
H2S + O2

SO2 + H2O

∆H reaksi = ∆H produk - ∆H reaktan
= (∆Hof298 SO2 + ∆Hof298 H2O) – (∆Hof298 H2S + x ∆Hof298 O2)
= (-296840000 J/kmol + (-241814000) J/kmol) – (-20630000J/kmol +
0)
= -518024000 J/kmol
= - 518024 J/mol
= - 123,814 cal/gmol
Dari harga ∆Hof298 sebesar - 518024J/mol maka dapat dikatakan bahwa reaksi
yang terjadi merupakan reaksi eksotermis.
Arah reaksi ditentukan dengan mengetahui harga K (konstanta kesetimbangan
reaksi). Harga K dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:
∆G reaksi = ∆G produk - ∆G reaktan
= (∆Go298 SO2 + 2 x ∆Go298 H2O) – (∆Go298 H2S + x ∆Go298 O2)
= (-300120000 J/kmol + (-228590000) J/kmol) – (-33440000 J/kmol
+ 0)
= - 495270000J/kmol
= - 495270 J/mol
= - 118,375 cal/gmol
Maka:

ln Ko = -∆G/RT

Model dan Komputasi Proses

11

Reaktor Plug Flow Adiabatis
= (-(-118,375 cal/gmol)) / (1,987 cal/gmol.⁰K × 298.15 K)
= - 0,199
Ko

= 0,819

Sehingga harga K pada suhu operasi 250oC (523,15 K) dapat dihitung dengan
persamaan:

K = 0,748
Dapat dilihat bahwa harga K sangat kecil sehingga reaksi berjalan secara
reversible.
2.2.4

Tinjauan Kinetika
Reaksi oksidasi H2S adalah sebagai berikut:
Reaksi utama :
H2S +

O2

k1

SO2 + H2O

k2

A

+

B

k1

C+ D

k2

Reaksi samping :
k3

SO2 +

O2

k4

SO3

k3

C

+

B

k4

Model dan Komputasi Proses

E

12

Reaktor Plug Flow Adiabatis
Persamaan kecepatan reaksinya adalah:
dimana:

-rA
k
CA
CB
CC
CD
CE

= kecepatan reaksi (mol/m3.menit)
= konstanta kecepatan reaksi (menit-1)
= konsentrasi H2S (mol/m3)
= konsentrasi O2 (mol/m3)
= konsentrasi SO2 (mol/m3)
= konsentrasi H2O (mol/m3)
= konsentrasi SO3 (mol/m3)

Reaksi oksidasi H2S pada berbagai suhu diperoleh harga konstanta kecepatan
reaksinya adalah:

Dimana : A1 = 15762 sekon-1
E1 = 49,4 kJ/mol = 11,807 cal/gmol
A2 = 506 sekon-1
E2 = -89,3 kJ/mol = -21,34 cal/gmol
A3 = 13215 sekon-1
E3 = 44,39 kJ/mol = 10,61 cal/gmol
A4 = 303 sekon-1
E4 = 57,86 kJ/mol = 13,83 cal/gmol
R = 1,987 cal/mol⁰K
Sehingga harga k untuk suhu 298,15⁰K dapat dihitung:

Untuk harga k pada suhu operasi 250oC (523,15 ⁰K) dapat dihitung dengan :

Model dan Komputasi Proses

13

Reaktor Plug Flow Adiabatis

Dari harga ΔH yang besarnya negatif, dapat disimpulkan bahwa reaksi yang
terjadi bersifat eksotermis rendah yang artinya ada sedikit pembebasan panas dari
reaksi tersebut. Hal ini mengakibatkan suhu reaktor akan mengalami kenaikan
sedikit demi sedikit sehingga untuk menjaga suhu reaksi, reaktor dilengkapi
dengan jaket pendingin.
2.2.5

Kasus yang akan dirancang
Proses reaksi oksidasi H2S dilakukan pada suhu 250⁰C dan tekanan 21,75
atm. Reaksi oksidasi H2S merupakan reaksi antara H2S dan oksigen. Reaktor
bekerja secara adiabatis. Dari tinjauan termodinamika dan kinetika maka dapat
diperoleh harga K dan k yaitu :


K1 pada suhu 298,15⁰K = 0,819



K1 pada suhu 523,15⁰K = 0,748



k1 pada suhu 298,15⁰K = 15450,97 sekon-1



k1 pada suhu 523,15⁰K = 15583,98 sekon-1

Berdasarkan data dan ketentuan tersebut ingin didapatkan:
1. Simulasi hubungan volume terhadap konversi pada reaksi oksidasi H2S
2. Simulasi hubungan suhu terhadap konversi pada reaksi oksidasi H2S

Model dan Komputasi Proses

14

Reaktor Plug Flow Adiabatis
BAB III
METODE PENYELESAIAN
3.1 Permodelan (Penurunan Rumus)
Simulasi dan perancangan reaktor yang akan dibuat adalah PFR ( plug flow reactor),
adiabatis dari reaksi yang bersifat reversible, eksotermis, bimolekular dan reaksinya seri.

FAO

FA
T

TO

Te
V

V+∆V

Gambar 3.1 Permodelan reaktor plug flow adiabatis
Reaksi oksidasi H2S :
Reaksi utama :
H2S(g) + O2(g)

SO2(g) + H2O(g)

Reaksi samping :
SO2(g) +

O2(g)

Kondisi Operasi :
1. Temperatur
2. Tekanan
3. Sifat Reaksi
4. Fase
5. Reaktan

SO3(g)
: 250⁰C
: 21,75 atm
: Eksotermis , Reversible
: Gas-gas
: Hidrogen sulfida dan Oksigen yang berlebih

3.2 Algoritma Penyelesaian
Reaksi utama :
H2S + O2

SO2 + H2O

Neraca Massa :

Model dan Komputasi Proses

15

Reaktor Plug Flow Adiabatis

-

+

=

Pada reaktor jenis plug flow, aliran bersifat steady-state selama reaksi berlangsung
sehingga tidak terbentuk akumulasi produk dan reaktan di dalam reaktor. Oleh karena itu,
persamaan menjadi:

Karena pada kondisi steady state, maka

(akumulasi) = 0

Kecepatan Reaksi :

Model dan Komputasi Proses

16

Reaktor Plug Flow Adiabatis
Reaksi oksidasi hidrogen sulfida dengan mereaksikan hidrogen sufida dengan oksigen
dalam fase gas-gas merupakan reaksi bimolekuler reversible. Sehingga persamaan
reaksinya adalah sebagai berikut :
Reaksi utama :

k1

H2S(g) + O2(g)

SO2(g) + H2O(g)

k2

k1

A +

B

C

+

D

k2

Reaksi samping :

k3

SO2(g) + O2(g)

k4

SO3(g)

k3

C

+

B

k4

E

Sehingga persamaan reaksinya sebagai berikut :
Hidrogen sulfida : -rA = k1.CA.CB3/2 – k2.CC.CD
Oksigen : -rB = k1.CA. CB3/2 – k2.CC.CD + k3. CC .CB0.5 - k4.CE
Sulfur dioksida : rC = k1.CA. CB3/2 – k2.CC.CD - k3. CC .CB0.5 + k4.CE
Air : rD = k1.CA. CB3/2 – k2.CC.CD
Sulfur trioksida : rE = k3. CC .CB0.5 – k4.CE
Neraca massa dapat diketahui dari profil laju alir massa dari tiap senyawa yang terlibat
terhadap volume yang dinyatakan dalam persamaan diferensial

. Penyelesaian

persamaan tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan algoritma persamaan
diferensial biasa pada program scilab.
Stoikiometri

Model dan Komputasi Proses

17

Reaktor Plug Flow Adiabatis
Reaksi utama :
k1

H2S(g) + O2(g)

SO2(g) + H2O(g)
k2

A +

B

k1

C

+

D

k2

Reaksi samping :
k3

SO2(g) + O2(g)

SO3(g)
k4

k3

C

+

B

k4

E

Dengan menganggap H2S (A) sebagai pereaktan pembatas, maka stoikiometri reaksi
dapat disusun sebagai berikut:

Asumsi :

Model dan Komputasi Proses

18

Reaktor Plug Flow Adiabatis

Fase gas, dan dianggap pressure drop kecil sehingga persamaan menjadi :

Jika umpan terdiri dari 20 % A dan 80 % B dimasukkan dalam reaktor maka faktor
ekspansi volume ( ) untuk reaksi tersebut sebesar:

Model dan Komputasi Proses

19

Reaktor Plug Flow Adiabatis

Kombinasi
Reaksi Utama :

Neraca Panas
Neraca panas dapat diketahui dari profil temperatur terhadap volume yang dapat
dinyatakan dalam persamaan di bawah ini :

Penyelesaian persamaan tersebut dapat dilakukan dengan menggunakan algoritma
persamaan diferensial biasa pada program scilab. Karena bekerja secara adiabatis maka
Q=0. Sehingga persamaan diatas menjadi :

Harga Cp tiap komponen diperoleh dari literatur dengan persamaan:

Tabel 3.1. Konstanta kapasitas panas dari senyawa-senyawa yang terlibat
Spesies

C1

C2

C3

Hidrogen Sulfida

33288

26086

913,4

Model dan Komputasi Proses

C4
-17979

C5
949,4
20

Reaktor Plug Flow Adiabatis
(A)
Oksigen (B)

2,958E-06

1,522E-03

2,715E-06

680,35

Sulfur Dioksida (C) 33375

215030

772

99900

423,7

Air (D)

33363

87350

1649,2

65560

1169

33408

25864

932,8

10880

393,74

2,910E-06

Sulfur Trioksida
(E)

Untuk menghitung panas reaksi digunakan persamaan :
Dengan :

Dari Tabel 3.1 diperoleh nilai Cp untuk T =523 setiap senyawa yaitu :

Sehingga persamaannya menjadi :







Model dan Komputasi Proses

21

Reaktor Plug Flow Adiabatis




 Menghitung nilai

untuk reaksi utama :

 Menghitung nilai

untuk reaksi samping :

Data yang Dibutuhkan :

Model dan Komputasi Proses

22

Reaktor Plug Flow Adiabatis

3.3 Logika Pemrograman
3.4 Bahasa Pemrograman (Scipad)

Model dan Komputasi Proses

23

Reaktor Plug Flow Adiabatis
DAFTAR PUSTAKA
Abedini, R., Salooki, Koolivand M., and Ghasemian, S., 2010, “Modelling and Simulation of
Condensed Sulfur in Catalytic Beds of Claus Process: Rapid Estimation, Chemical
Engineering Research Bulletin.
Dewajani, Henny. 2011. “Pembuatan Biodiesel dari Minyak Sawit Secara Kontinyu Dalam
Model Reaktor Berisian”. Jurusan Teknik Kimia Politeknik Negeri Malang.
FTI ITB. 2015. "Teknik Kimia ITB". http://www.che.itb.ac.id/ diakses pada 7 November
2016.
HMTK AKPRIND.2013. "Apa itu Teknik Kimia dan Pentingnya Teknik Kimia". http://hmtkakprind.blogspot.co.id/ diakses pada 7 November 2016.
Janiarto.

2014.

"Perkuliahan

dan

Prospek

Kerja

Jurusan

Teknik

Kimia". www.jurusankuliah.info diakses pada 7 November 2016.
Levenspiel, Octave, 1999, “Chemical Reaction Engineering”, 3nd ed., John Willey and Sons
Inc., Singapore.
Nanda, Sanju. 2008. "Reactors and Fundamentals of Reactors Design for Chemical
Reaction". Pharmaceutical Enineering of M. D. University, Rohtak.
Prianto, Bayu. 2008. “Peran Kimia Komputasi Dalam Mempelajari Mekanisme Reaksi
Proses Elektrolisis NaCl Menjadi NaClO4”. Berita Dirgantara Vol. 9 No. 4. Peneliti
Bidang Material Dirgantara, LAPAN.
Kristianingrum, Susila. 2010. “Kesetimbangan Kimia”. Jurusan Pendidikan Kimia FMIPA
UNY.
Sylvia, Amelia, Ir. Katjuk Astrowulan, MS.EE. dan Eka Iskandar, ST., MT., 2014,
“Perancangan dan Simulasi MRAC PID Control untuk Proses Pengendalian
Temperatur pada Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)”, Jurnal Teknik Pomits
Vol. 3, No. 1, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Industri, Institut Teknologi
Sepuluh Nopember (ITS).

Model dan Komputasi Proses

24

Reaktor Plug Flow Adiabatis

NO
1.
2.
3.
4.
5.

TANGGAL
DIPERIKSA
3 November 2016
9 November 2016
11 November 2016
13 November 2016
13 November 2016

Model dan Komputasi Proses

KETERANGAN

TANDA TANGAN
ASISTEN

Asistensi Judul
P0 Bab 1 dan Bab 2
P1 Bab 1 dan Bab 2
P2 Bab 1 dan Bab 2
ACC Bab 1 dan Bab 2

25