LAPORAN TUGAS BESAR MATA KULIAH MODEL DA (2)
LAPORAN TUGAS BESAR
MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES
Perancangan dan Simulasi Reaktor Plug Flow Adiabatis Untuk Reaksi Oksidasi H2S
Menggunakan Program Scilab 5.5.2
Oleh :
1.
2.
Kartika Cintya Sulistyani
Fadillah Fathir Mahmud Fofana
NIM : 21030114120029
NIM : 21030114140173
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2016
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Teknik kimia ( chemical engineering) merupakan salah satu cabang dari
ilmu
teknik
mentahmenjadi
atau rekayasa yang
barang
yang
lebih
mempelajari
berguna,
pemrosesan bahan
dapat
berupa barang
jadi ataupun barang setengah jadi. Ilmu teknik kimia diaplikasikan terutama
dalam perancangan dan pemeliharaan proses-proses kimia, baik dalam skala
kecil maupun dalam skala besar seperti pabrik (Sari, 2003). Sarjana teknik
kimia diharapkan memiliki kualitas dalam konsepsi dan perancangan proses
kimia untuk tujuan produksi, transformasi dan penanganan material, memiliki
wawasan ilmu yang luas sehingga mampu mengembangkan sumberdaya alam
baik fosil (minyak bumi, gas bumi, batubara) maupun non-fosil, menjadi
komoditi yang bernilai tambah tinggi (Sudira. et.all, 2011).
Pada awalnya, sarjana Teknik Kimia memulai pekerjaan dengan
perancangan neraca massa yang terjadi dalam proses suatu pabrik. Pada tahap
ini, dapat dicari kapasitas produksi, berapa bahan baku yang dibutuhkan,
hingga akhirnya berapa jumlah produksi barang yang dihasilkan. Dalam
perancangan proses industri, sudah tentu harus diperhatikan faktor-faktor
lainnya, seperti keandalan proses produksi, apakah terlalu mahal atau sudah
cukup murah, juga faktor keamanan pabrik, agar tidak terjadi kecelakaan
dalam pabrik, seperti ledakan dan sebagainya. Pada tahap selanjutnya,
dilakukan perancangan reaktor, perancangan sistem perpipaan, penentuan
sistem penggunaan sumber daya dan pengendalian proses. Jika proses
produksi menghasilkan limbah, seorang sarjana Teknik Kimia harus
merancang sistem pengolahan limbah agar tidak merugikan lingkungan.
Selain itu, seorang sarjana Teknik Kimia kuga dapat ditugaskan untuk
melakukan peningkatan kapasitas produksi pabrik, misalnya dari 500
ton/tahun menjadi 1000 ton/tahun (Andhi, et.all, 2007). Salalah satu
perancangan yang dilakukan ialah perancangan reactor, dimana reaktor
merupakan pusat sirkulasi dari jalanya suatu produksi di industry kimia.
Reaktor merupakan hal yang sangat erat katianya dengan Teknik
kimia, reaktor kimia adalah suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi
kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat
dipelajari di teknik kimia. Perancangan suatu reaktor kimia harus
mengutamakan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil produk
dibandingkan masukan (input) yang besar dengan biaya yang minimum, baik
itu biaya modal maupun operasi (Anggieta, 2014).. Perubahan energi dalam
suatu
reaktor
kimia
bisa
karena
adanya
suatu pemanasan
atau pendinginan, penambahan atau pengurangan tekanan dan gaya gesekan.
Dalam perancangan reaktor harus menentukan ukuran reaktor, tipe
reaktor dan metode operasi paling tepat untuk menghasilkan kinerja
reaktor terbaik. Selain itu juga dibutuhkan 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. Temperatur dan komposisi fluida yang
bereaksi perubahannya sangat bervariasi dari titik ke titik dalam reaktor,
tergantung pada sifat reaksi yaitu endotermis atau eksotermis, ada
tidaknya penambahan atau penghilangan panas pada sistem, dan pola
aliran fluida dalam bejana. Beberapa uraian diatas, menunjukan bahwa
banyak faktor yang mempengaruhi 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
Dalam menyelsesaikan berbagai persoalan matematis, terkadang
dihadapkan pada suatu kondisi dimana kita membutuhkan suatu alat bantu
khusus
untuk
dapat
menyelesaikan
persamaan
matematis
tersebut.
Perkembangan teknologi yang semakin pesat memunculkan banyak software
yang dapat digunakan untuk membantu menyelesaikan permasalahan
matematis yang berkaitan dengan teknik kimia, seperti Matlab. Sayangnya
Matlab merupakan software berbayar yang hanya dapat digunakan pada OS
windows dan baru pada tahun 2014 dapat digunakan di Macinthos. Alternatif
lain software sebagai pengganti Matlab adalah Scilab, dimana scilab
merupakan produk freeware yang dapat digunakan tidak hanya pada (OS)
Windows, tetapi juga pada Linux dan Macintosh. Program Scilab yang
digunakan adalah Scilab fersi 5.5.2 dimana pada versi ini memiliki
keunggulan yaitu, perbaikan beberapa bug dan juga penambahan serta
penyederhanaan beberapa fiture seperti pencarian file pada tingkat folder yang
tidak dapat dilakukan pada versi sebelumnya.
Berdasarkan uraian diatas, akan dilakukan perancangan dan simulasi
reaktor Mixed Batch pada kondisi non adiabatis untuk reaksi Isomerisasi
Paraxylene Menjadi Orthoxylene reaksinya bersifat eksotermis dan reversible.
Perancangan dan simulasi disebut dilakukan menggunakan program Scilab
5.5.2.
1.3 Tujuan
1. Dapat mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi
terhadap volume reaktor,
2. Dapat mensimulasikan dan menentukan profil hubungan suhu reaksi
terhadap konversi,
3. Dapat mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi
terhadap volume reaktor.
1.4 Manfaat
1. Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi
terhadap volume reaktor,
2. Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan suhu reaksi
terhadap konversi,
3. Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi
terhadap volume reaktor.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Jenis Reaktor
Dalam mereaksikan rebagai zat kimia dalam sebuah reactor, perlu beberapa
pertimbangan untuk dapat mencapai konversi optimal suatu reaksi dalam reactor
kimia, salahsatunya adalah memilih jenis dari reactor yang akan digunakan, hal yang
paling mendasar dalam penggolongan reactor adalah kondisi operasi dari reaksi
yang diinginkan untuk dioperasikan. Reaktor yang sering digunakan bias dibagi
menjadi 3 jenis reactor utama di antaranya Batch Reaktor (BR), Plug Flow Reaktor
(PFR), dan Continuous Stirred Tank Reaktor (CSTR).
Batch Reactor (BR)
Dalam BR, bahan baku atau reaktan dimasukkan semua pada awal
proses dalam container, kemudian dicampur dengan merata, dan dibiarkan
bereaksi pada jangka waktu tertentu. Setelah reaksi selesai, produk
dikeluarkan. Proses yang terjadi merupakan proses unsteady state atau tidak
tetap di mana komposisi berubah bergantung waktu, akan tetapi komposisi
saat berada dalam reactor tetap konstan [ CITATION Lev99 \l 1033 ].
Plug Flow Reactor (PFR)
Salah satu contoh jenis reactor alir steady ideal biasanya sering disebut
plug flow, slug flow, piston flow, ideal tubular, dan unmixed flow reaktor.
Secara umum, jenis reactor ini disebut PFR. Reaktor jenis ini ditandai
dengan adanya aliran fluida di dalam reactor tanpa adanya pencampuran
dengan pengadukan atau difusi dari satu senyawa dengan senyawa lain.
Kondisi yang perlu diperhatikan dalam PFR adalah waktu tinggal senyawa di
dalamnya[ CITATION Lev99 \l 1033 ].
Continous Stirred Tank Reactor (CSTR)
Mixed reaktor, batch mixed reactor atau CSTR sesuai dengan namanya,
dalam reactor ini terdapat pengadukan yang mencampur dan membuat
campurannya homogen. Oleh karena itu produk yang keluar dari reactor ini
memiliki komposisi yang sama dengan fluida yang berada dalam reaktor.
Gambar 2.1 Tiga jenis reaktor ideal: (a) reaktor BR, (b) reaktor PFR, (c) reaktor CSTR
Selain pembagian diatas, reactor juga di klasifikasikan berdasarkan kondisi
operasinya yaitu :
1. Reactor Isothermal
Reactor dikatakan isothermal apabila umpan yang masuk, campuran dalam
reactor, aliran yang keluar dari reactor selalu seragam dan juga memiliki suhu
yang sama.
2. Reakrot Adiabatic
Reactor dikatakan adiabatic ketika terjadi perpindahan panas antara reactor dan
lingkungan sekelilingnya, oleh karena itu apabila reactor digunakan untuk reaksi
eksotermis, maka panas yang timbul akan digunakan untuk menaikan cuhu pada
campuran di reactor, kenaikan suhu ini menyebabkan naiknya nilai konstanta
kecepatan reaksi berakibat naiknya pula kecepatan reaksi tersebut sehingga
reaksi berjalan lebih cepat. Akan tetapi untuk reaksi endotermis diperlukan
pemanas dari luar sebagai suplai panas untuk reaksi dapat berlangsung dengan
cepat.
3. Reactor Non-Adiabatis Non-Isothermal
Reactor ini merupakan reactor dimana reaksi tang terjadi didalamnya tidak
memenuhi kondisi isothermal maupun adiabatic seperti penjelasan diatas.
Ada juga pembagian reactor berdasarkan proses yang dikerjakan yaitu :
1. Reactor system batch untuk reactor dengan proses sekali input dan sekali
output yang banyak digunakan untuk pabrik pabrik fermentasi seperti pabrik
asam sitrat, dan beberapa pabrik ethanol.
2. Reactor sistem kontinyu yang sebagian besar industry kimia menggunakanya
karena untuk memenuhi kebutuhan pasar dalam kuantitas ynag besar dengan
proses berjalan secara terus menerus bahan baku masuk dan produk
dihasilkan secara kontinyu.
3. Reactor sistem semi batch yang merupakan kombinsai dari system kontinyu
dan batch.
2.1.2 Reaksi berdasarkan Arah Reaksinya (Reversibel - Irreversibel)
Konstanta keseimbangan merupakan indicator dari arah suatu reaksi. Ada 2
jenis arah reaksi yaitu irreversible dan reversible. Reaksi irreversible adalah reaksi
yang cenderung bergerak ke 1 arah dimana reaksi bergerak dari reaktan ke arah
produk sedangkan reaksi reversible adalah reaksi 2 arah di mana kecepatan reaksi
pembentukan produk hamper sama dengan kecepatan penguraian produk menjadi
reaktan. Dalam reaksi reversible biasanya dipengaruhi oleh suhu, tekanan, dan
komposisi dari senyawa yang terlibat dalam reaksi[ CITATION Smi01 \l 1033 ].
Dalam simulasi ini digunakan reaksi reversible yaitu reaksi Isomerisasi OXylene menjadi P- Xyelene dengan reaksi sebagai berikut :
Gambar 2.2 skema reaksi Isomerisasi O- Xylene menjadi P- Xyelene
Reaksi tersebut dikatakan reversible karena memiliki harga konstanta keseimbangan
yang mendekati nilai 1 yaitu 0,6838.
∆G
o
o
o
= ∆G produk - ∆G reaktan
= 29,925 kcal/mol – 29,177 kcal/mol
= -225 kcal/mol
∆G
o
ln K1
= -RT ln K
o
= -∆G / RT
= -225 kcal/kmol / (1,987 kcal/kmol K x 298 K)
= - 0,37998
K1 = 0,6838
2.1.3 Reaksi berdasarkan Panas eaksinya (Eksotermis - Endotermis)
Dalam aksi kimia reaksi dapat berjalan secara endotermis ataupun secara
eksotermis. Hal tersebut ditinjau dari entalpi atau panas yang dihasilkan atau diserap
dalam sebuah reaksi. Reaksi endotermis adalah reaksi yang menyerap panas dari
lingkungan ke dalam reaksi, sedangkan reaksi eksotermis adalah reaksi yang
melepas panas dari reaksi ke lingkungan. Reaksi endotermis dan eksotermis dapat
dilihat dari nilai ΔH-nya atau entalpinya. Jika positif maka reaksi endotermis, jika
negative maka reaksi eksotermis. Dalam reaksi yang disimulasikan merupakan
reaksi eksotermis di mana proses reaksi nghasilkan panas atau ngeluarkan panas dari
system ke lingkungan dengan nilai ΔH = -250 kcal/mol.
2.1.4 Reaksi Berdasarkan Ada dan Tidaknya Kalor yang Melewati System (Adiabatis –
Non Adiabatis)
Panas dapat dihasilkan atau diserap ke dalam sebuah reaksi. Panas tersebut
dilihat dari ΔQ atau kalor yang berpindah dalam sebuah reaksi. Dalam perancangan
reactor ada reaksi yang adiabatic dan non adiabatic. Adiabatic adalah reaksi di mana
terdapat perpindahan panas dari reaksi ke lingkungan sekitar, sedangkan non
adiabatic adalah reaksi di mana tidak ada perpindahan panas dari reaksi ke
lingkungan[ CITATION Smi01 \l 1033 ]. Dalam simulasi kali ini dimaksudkan untuk
merancang reaktor yang non adiabatic.
2.1.5 Reaksi berdasarkan banyaknya zat yang bereaks (Monomolekuler – Bimolekuler –
Multimolekuler)
Berdasarkan jumlah reaktannya, reaksi dibagi menjadi reaksi monomolekuler,
reaksi bimolekuler dan reaksi multimolekuler. Reaksi monomolekuler adalah reaksi
dengan 1 jenis reaktan saja sedangkan reaksi bimolekuler adalah reaksi dengan
jumlah jenis reaktan 2 sesuai dengan namanya, sedangkan pada kondisi real dalam
industry kimia sangat jarang didapati hanya ada mono- atau bi-molekuler, terdapat
banyak reaksi yang terlibat sebagai reaktan, reaksi dengan melibatkan banyak reaktan
disebut reaksi multi molekuler. Dalam simulasi kali ini digunakan reaksi
monomolecular yaitu Ortho-Xylene (C8H10) sebagai reaktan.
2.1.6 Reaksi berdasarkan Mekanisme reaksinya (Seri – Parallel)
Dalam sebuah reaksi hamper tidak mungkin ditemukan bahwa reaksi akan
bergerak ke arah 1 macam produk saja namun akan terdapat reaksi samping atau
produk samping dari sebuah reaksi. Produk samping yang terbentuk dapat terjadi
melalui reaksi parallel atau reaksi seri. Reaksi parallel adalah reaksi di mana reaktan
akan bergerak ke 2 arah reaksi yang berbeda seperti
AB
AC
Reaksi seri adalah reaksi dimana produk yang dihasilkan akan mengalami reaksi
lebih lanjut dan berubah menjadi produk lain [ CITATION Fog04 \l 1033 ]. Reaksi
seri digambarkan sebagai berikut
ABC
Dalam simulasi kali ini digunakan jenis reaksi seri di mana reaktan ortho-xylene
secara berkelanjutan menghasilkan meta-xylene kemudian para-xylene.
2.2. Studi Kasus Pembuatan Para-Xylene dari Isomerisasi Ortho-Xylene
2.2.1. Reaksi Pembuatan Para-Xylene dengan Ortho-Xylene
Reaksi monomolekuler merupakan reaksi berlangsung dengan molekul
reaktan yang sama. Sebagai contoh adalah reaksi polimerisasi kondensasi,
dekomposisi, dan dehidrogenasi (cracking). Reaksi seri adalah reaksi dimana
produk yang dihasilkan akan mengalami reaksi lebih lanjut dan berubah menjadi
produk lain.
Salah satu pembuatan para-xylene dengan isomerisasi ortho-xylene:
(Yulfiyan, 2011)
2.2.2. Tinjauan Termodinamika
Tinjauan secara termodinamika ditujukan untuk mengetahui sifat reaksi
(endotermis/eksotermis) dan arah reaksi (reversible / irreversible).
∆H reaksi
= ∆H produk- ∆H reaktan
= (∆Hof298 p-xylene) – (∆Hof298 o-xylene)
= 4290 kcal/mol – 4540kcal/mol
= −250 kcal/mol
Dengan demikian reaksi yang berlangsung adalah reaksi eksotermis yang
menghasilkan panas.
∆G
o
o
o
= ∆G produk - ∆G reaktan
= 29,925 kcal/mol – 29,177 kcal/mol
= -225 kcal/mol
∆G
o
ln K1
= -RT ln K
o
= -∆G / RT
= -225 kcal/kmol / (1,987 kcal/kmol K x 298 K)
= - 0,37998
K1
= 0,6838
Karena harga kosntanta kesetimbangan mendekati nilai 1, maka reaksi
berlangsung secara 2 arah (reversible).
2.2.3. Tinjauan Kinetika
Tinjauan secara kinetika dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh
perubahan suhu terhadap kecepatan reaksi. Secara kinetika, reaksi somerasi orthoxylene memiliki reaksi dengan persamaan kecepatan reaksi sebagai berikut :
Laju reaksi:
-ro = k1.Co – k2.Cm
-rm = k2.Cm + k3.Cm – k1.Co – k4.Cp
-rp = k4.Cp – k3.Cm
dimana :
Co = konsentrasi orto-xylene
Cp = konsentrasi para-xylene
Cm = konsentrasi meta-xylene
k1 = konstanta kecepatan reaksi penguraian ortho-xylene
k2 = konstanta kecepatan reaksi pembentukan ortho-xylene
k3 = konstanta kecepatan reaksi pembentukan para-xylene
k4 = konstanta kecepatan reaksi penguraian para-xylene
Menurut persamaan Arhenius :
k = A e-E/RT
Dalam hubungan ini :
k
= konstanta kecepatan reaksi
A
= factor frekuensi tumbukan
E/R
= faktor energy aktivasi/tetapan gas ideal
T
= temperature mutlak
Data nilai Ea untuk reaksi ini adalah :
(Emmde. et,all. 1994)
Dari persamaan Arhenius, diketahui bahwa dengan bertambahnya suhu
reaksi maka akan memperbesar harga konstanta kecepata reaksi (k), yang berarti
mempercepat kecepatan reaksinya.
2.2.3. Kondisi Operasi
Reaksi pembentukan aseton dengan proses isomerisasi Ortho-xylene dengan
kondisi operasi:
Suhu operasi: 200 – 400oC atau 473 – 673 K (Yulfiyan, 2011).
Reaksinya monomolekuler, seri, bersifat eksotermis dan reversible.
Reaktor beroperasi dengan kondisi nonadiabatis dan isotermal (adanya
perpindahan kalor).
Permasalahan : menghitung volume reaktor dan konversi pada suhu operasi,
kemudian membuat profil hibungan antara suhu, konversi dan volum reactor.
2.2.4 Data sifat sifat senyawa :
Properties
mXylene
o- Xylene
pXylene
BM
Tf (K)
Tb (K)
Tc (K)
Pc (bar)
Vc (gr/cm3)
Cp (289) (joule/mol K)
Cp
=A+BT+CT2+DT3
A
B
C
D
:
:
:
:
:
:
:
106,167
225,30
412,27
617,05
35,41
375,8
182,66
106,167
247,89
417,58
630,37
37,34
369,2
189,25
106,167
266,51
411,51
616,26
35,11
379,1
197,75
:
:
:
:
70,916
8,045E-01
-2,188E-03
2,506E-06
56,460
9,492E-01
-2,490E03
2,683E-06
Hformation
(298)
(Kcal/mol)
Hfusion @TF
(Kjoule/Kg)
(Kjoule/mol)
Gf(298) (Kjoule/mol)
:
4290
4332
-11,305
1,515E01
-3, 903E03
3,919E06
4540
:
:
108,97
11,56
128,08
13,60
161,19
17,11
:
118,87
122,09
121,13
MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES
Perancangan dan Simulasi Reaktor Plug Flow Adiabatis Untuk Reaksi Oksidasi H2S
Menggunakan Program Scilab 5.5.2
Oleh :
1.
2.
Kartika Cintya Sulistyani
Fadillah Fathir Mahmud Fofana
NIM : 21030114120029
NIM : 21030114140173
DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2016
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Teknik kimia ( chemical engineering) merupakan salah satu cabang dari
ilmu
teknik
mentahmenjadi
atau rekayasa yang
barang
yang
lebih
mempelajari
berguna,
pemrosesan bahan
dapat
berupa barang
jadi ataupun barang setengah jadi. Ilmu teknik kimia diaplikasikan terutama
dalam perancangan dan pemeliharaan proses-proses kimia, baik dalam skala
kecil maupun dalam skala besar seperti pabrik (Sari, 2003). Sarjana teknik
kimia diharapkan memiliki kualitas dalam konsepsi dan perancangan proses
kimia untuk tujuan produksi, transformasi dan penanganan material, memiliki
wawasan ilmu yang luas sehingga mampu mengembangkan sumberdaya alam
baik fosil (minyak bumi, gas bumi, batubara) maupun non-fosil, menjadi
komoditi yang bernilai tambah tinggi (Sudira. et.all, 2011).
Pada awalnya, sarjana Teknik Kimia memulai pekerjaan dengan
perancangan neraca massa yang terjadi dalam proses suatu pabrik. Pada tahap
ini, dapat dicari kapasitas produksi, berapa bahan baku yang dibutuhkan,
hingga akhirnya berapa jumlah produksi barang yang dihasilkan. Dalam
perancangan proses industri, sudah tentu harus diperhatikan faktor-faktor
lainnya, seperti keandalan proses produksi, apakah terlalu mahal atau sudah
cukup murah, juga faktor keamanan pabrik, agar tidak terjadi kecelakaan
dalam pabrik, seperti ledakan dan sebagainya. Pada tahap selanjutnya,
dilakukan perancangan reaktor, perancangan sistem perpipaan, penentuan
sistem penggunaan sumber daya dan pengendalian proses. Jika proses
produksi menghasilkan limbah, seorang sarjana Teknik Kimia harus
merancang sistem pengolahan limbah agar tidak merugikan lingkungan.
Selain itu, seorang sarjana Teknik Kimia kuga dapat ditugaskan untuk
melakukan peningkatan kapasitas produksi pabrik, misalnya dari 500
ton/tahun menjadi 1000 ton/tahun (Andhi, et.all, 2007). Salalah satu
perancangan yang dilakukan ialah perancangan reactor, dimana reaktor
merupakan pusat sirkulasi dari jalanya suatu produksi di industry kimia.
Reaktor merupakan hal yang sangat erat katianya dengan Teknik
kimia, reaktor kimia adalah suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi
kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat
dipelajari di teknik kimia. Perancangan suatu reaktor kimia harus
mengutamakan efisiensi kinerja reaktor, sehingga didapatkan hasil produk
dibandingkan masukan (input) yang besar dengan biaya yang minimum, baik
itu biaya modal maupun operasi (Anggieta, 2014).. Perubahan energi dalam
suatu
reaktor
kimia
bisa
karena
adanya
suatu pemanasan
atau pendinginan, penambahan atau pengurangan tekanan dan gaya gesekan.
Dalam perancangan reaktor harus menentukan ukuran reaktor, tipe
reaktor dan metode operasi paling tepat untuk menghasilkan kinerja
reaktor terbaik. Selain itu juga dibutuhkan 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. Temperatur dan komposisi fluida yang
bereaksi perubahannya sangat bervariasi dari titik ke titik dalam reaktor,
tergantung pada sifat reaksi yaitu endotermis atau eksotermis, ada
tidaknya penambahan atau penghilangan panas pada sistem, dan pola
aliran fluida dalam bejana. Beberapa uraian diatas, menunjukan bahwa
banyak faktor yang mempengaruhi 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
Dalam menyelsesaikan berbagai persoalan matematis, terkadang
dihadapkan pada suatu kondisi dimana kita membutuhkan suatu alat bantu
khusus
untuk
dapat
menyelesaikan
persamaan
matematis
tersebut.
Perkembangan teknologi yang semakin pesat memunculkan banyak software
yang dapat digunakan untuk membantu menyelesaikan permasalahan
matematis yang berkaitan dengan teknik kimia, seperti Matlab. Sayangnya
Matlab merupakan software berbayar yang hanya dapat digunakan pada OS
windows dan baru pada tahun 2014 dapat digunakan di Macinthos. Alternatif
lain software sebagai pengganti Matlab adalah Scilab, dimana scilab
merupakan produk freeware yang dapat digunakan tidak hanya pada (OS)
Windows, tetapi juga pada Linux dan Macintosh. Program Scilab yang
digunakan adalah Scilab fersi 5.5.2 dimana pada versi ini memiliki
keunggulan yaitu, perbaikan beberapa bug dan juga penambahan serta
penyederhanaan beberapa fiture seperti pencarian file pada tingkat folder yang
tidak dapat dilakukan pada versi sebelumnya.
Berdasarkan uraian diatas, akan dilakukan perancangan dan simulasi
reaktor Mixed Batch pada kondisi non adiabatis untuk reaksi Isomerisasi
Paraxylene Menjadi Orthoxylene reaksinya bersifat eksotermis dan reversible.
Perancangan dan simulasi disebut dilakukan menggunakan program Scilab
5.5.2.
1.3 Tujuan
1. Dapat mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi
terhadap volume reaktor,
2. Dapat mensimulasikan dan menentukan profil hubungan suhu reaksi
terhadap konversi,
3. Dapat mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi
terhadap volume reaktor.
1.4 Manfaat
1. Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi
terhadap volume reaktor,
2. Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan suhu reaksi
terhadap konversi,
3. Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi
terhadap volume reaktor.
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Dasar Teori
2.1.1 Jenis Reaktor
Dalam mereaksikan rebagai zat kimia dalam sebuah reactor, perlu beberapa
pertimbangan untuk dapat mencapai konversi optimal suatu reaksi dalam reactor
kimia, salahsatunya adalah memilih jenis dari reactor yang akan digunakan, hal yang
paling mendasar dalam penggolongan reactor adalah kondisi operasi dari reaksi
yang diinginkan untuk dioperasikan. Reaktor yang sering digunakan bias dibagi
menjadi 3 jenis reactor utama di antaranya Batch Reaktor (BR), Plug Flow Reaktor
(PFR), dan Continuous Stirred Tank Reaktor (CSTR).
Batch Reactor (BR)
Dalam BR, bahan baku atau reaktan dimasukkan semua pada awal
proses dalam container, kemudian dicampur dengan merata, dan dibiarkan
bereaksi pada jangka waktu tertentu. Setelah reaksi selesai, produk
dikeluarkan. Proses yang terjadi merupakan proses unsteady state atau tidak
tetap di mana komposisi berubah bergantung waktu, akan tetapi komposisi
saat berada dalam reactor tetap konstan [ CITATION Lev99 \l 1033 ].
Plug Flow Reactor (PFR)
Salah satu contoh jenis reactor alir steady ideal biasanya sering disebut
plug flow, slug flow, piston flow, ideal tubular, dan unmixed flow reaktor.
Secara umum, jenis reactor ini disebut PFR. Reaktor jenis ini ditandai
dengan adanya aliran fluida di dalam reactor tanpa adanya pencampuran
dengan pengadukan atau difusi dari satu senyawa dengan senyawa lain.
Kondisi yang perlu diperhatikan dalam PFR adalah waktu tinggal senyawa di
dalamnya[ CITATION Lev99 \l 1033 ].
Continous Stirred Tank Reactor (CSTR)
Mixed reaktor, batch mixed reactor atau CSTR sesuai dengan namanya,
dalam reactor ini terdapat pengadukan yang mencampur dan membuat
campurannya homogen. Oleh karena itu produk yang keluar dari reactor ini
memiliki komposisi yang sama dengan fluida yang berada dalam reaktor.
Gambar 2.1 Tiga jenis reaktor ideal: (a) reaktor BR, (b) reaktor PFR, (c) reaktor CSTR
Selain pembagian diatas, reactor juga di klasifikasikan berdasarkan kondisi
operasinya yaitu :
1. Reactor Isothermal
Reactor dikatakan isothermal apabila umpan yang masuk, campuran dalam
reactor, aliran yang keluar dari reactor selalu seragam dan juga memiliki suhu
yang sama.
2. Reakrot Adiabatic
Reactor dikatakan adiabatic ketika terjadi perpindahan panas antara reactor dan
lingkungan sekelilingnya, oleh karena itu apabila reactor digunakan untuk reaksi
eksotermis, maka panas yang timbul akan digunakan untuk menaikan cuhu pada
campuran di reactor, kenaikan suhu ini menyebabkan naiknya nilai konstanta
kecepatan reaksi berakibat naiknya pula kecepatan reaksi tersebut sehingga
reaksi berjalan lebih cepat. Akan tetapi untuk reaksi endotermis diperlukan
pemanas dari luar sebagai suplai panas untuk reaksi dapat berlangsung dengan
cepat.
3. Reactor Non-Adiabatis Non-Isothermal
Reactor ini merupakan reactor dimana reaksi tang terjadi didalamnya tidak
memenuhi kondisi isothermal maupun adiabatic seperti penjelasan diatas.
Ada juga pembagian reactor berdasarkan proses yang dikerjakan yaitu :
1. Reactor system batch untuk reactor dengan proses sekali input dan sekali
output yang banyak digunakan untuk pabrik pabrik fermentasi seperti pabrik
asam sitrat, dan beberapa pabrik ethanol.
2. Reactor sistem kontinyu yang sebagian besar industry kimia menggunakanya
karena untuk memenuhi kebutuhan pasar dalam kuantitas ynag besar dengan
proses berjalan secara terus menerus bahan baku masuk dan produk
dihasilkan secara kontinyu.
3. Reactor sistem semi batch yang merupakan kombinsai dari system kontinyu
dan batch.
2.1.2 Reaksi berdasarkan Arah Reaksinya (Reversibel - Irreversibel)
Konstanta keseimbangan merupakan indicator dari arah suatu reaksi. Ada 2
jenis arah reaksi yaitu irreversible dan reversible. Reaksi irreversible adalah reaksi
yang cenderung bergerak ke 1 arah dimana reaksi bergerak dari reaktan ke arah
produk sedangkan reaksi reversible adalah reaksi 2 arah di mana kecepatan reaksi
pembentukan produk hamper sama dengan kecepatan penguraian produk menjadi
reaktan. Dalam reaksi reversible biasanya dipengaruhi oleh suhu, tekanan, dan
komposisi dari senyawa yang terlibat dalam reaksi[ CITATION Smi01 \l 1033 ].
Dalam simulasi ini digunakan reaksi reversible yaitu reaksi Isomerisasi OXylene menjadi P- Xyelene dengan reaksi sebagai berikut :
Gambar 2.2 skema reaksi Isomerisasi O- Xylene menjadi P- Xyelene
Reaksi tersebut dikatakan reversible karena memiliki harga konstanta keseimbangan
yang mendekati nilai 1 yaitu 0,6838.
∆G
o
o
o
= ∆G produk - ∆G reaktan
= 29,925 kcal/mol – 29,177 kcal/mol
= -225 kcal/mol
∆G
o
ln K1
= -RT ln K
o
= -∆G / RT
= -225 kcal/kmol / (1,987 kcal/kmol K x 298 K)
= - 0,37998
K1 = 0,6838
2.1.3 Reaksi berdasarkan Panas eaksinya (Eksotermis - Endotermis)
Dalam aksi kimia reaksi dapat berjalan secara endotermis ataupun secara
eksotermis. Hal tersebut ditinjau dari entalpi atau panas yang dihasilkan atau diserap
dalam sebuah reaksi. Reaksi endotermis adalah reaksi yang menyerap panas dari
lingkungan ke dalam reaksi, sedangkan reaksi eksotermis adalah reaksi yang
melepas panas dari reaksi ke lingkungan. Reaksi endotermis dan eksotermis dapat
dilihat dari nilai ΔH-nya atau entalpinya. Jika positif maka reaksi endotermis, jika
negative maka reaksi eksotermis. Dalam reaksi yang disimulasikan merupakan
reaksi eksotermis di mana proses reaksi nghasilkan panas atau ngeluarkan panas dari
system ke lingkungan dengan nilai ΔH = -250 kcal/mol.
2.1.4 Reaksi Berdasarkan Ada dan Tidaknya Kalor yang Melewati System (Adiabatis –
Non Adiabatis)
Panas dapat dihasilkan atau diserap ke dalam sebuah reaksi. Panas tersebut
dilihat dari ΔQ atau kalor yang berpindah dalam sebuah reaksi. Dalam perancangan
reactor ada reaksi yang adiabatic dan non adiabatic. Adiabatic adalah reaksi di mana
terdapat perpindahan panas dari reaksi ke lingkungan sekitar, sedangkan non
adiabatic adalah reaksi di mana tidak ada perpindahan panas dari reaksi ke
lingkungan[ CITATION Smi01 \l 1033 ]. Dalam simulasi kali ini dimaksudkan untuk
merancang reaktor yang non adiabatic.
2.1.5 Reaksi berdasarkan banyaknya zat yang bereaks (Monomolekuler – Bimolekuler –
Multimolekuler)
Berdasarkan jumlah reaktannya, reaksi dibagi menjadi reaksi monomolekuler,
reaksi bimolekuler dan reaksi multimolekuler. Reaksi monomolekuler adalah reaksi
dengan 1 jenis reaktan saja sedangkan reaksi bimolekuler adalah reaksi dengan
jumlah jenis reaktan 2 sesuai dengan namanya, sedangkan pada kondisi real dalam
industry kimia sangat jarang didapati hanya ada mono- atau bi-molekuler, terdapat
banyak reaksi yang terlibat sebagai reaktan, reaksi dengan melibatkan banyak reaktan
disebut reaksi multi molekuler. Dalam simulasi kali ini digunakan reaksi
monomolecular yaitu Ortho-Xylene (C8H10) sebagai reaktan.
2.1.6 Reaksi berdasarkan Mekanisme reaksinya (Seri – Parallel)
Dalam sebuah reaksi hamper tidak mungkin ditemukan bahwa reaksi akan
bergerak ke arah 1 macam produk saja namun akan terdapat reaksi samping atau
produk samping dari sebuah reaksi. Produk samping yang terbentuk dapat terjadi
melalui reaksi parallel atau reaksi seri. Reaksi parallel adalah reaksi di mana reaktan
akan bergerak ke 2 arah reaksi yang berbeda seperti
AB
AC
Reaksi seri adalah reaksi dimana produk yang dihasilkan akan mengalami reaksi
lebih lanjut dan berubah menjadi produk lain [ CITATION Fog04 \l 1033 ]. Reaksi
seri digambarkan sebagai berikut
ABC
Dalam simulasi kali ini digunakan jenis reaksi seri di mana reaktan ortho-xylene
secara berkelanjutan menghasilkan meta-xylene kemudian para-xylene.
2.2. Studi Kasus Pembuatan Para-Xylene dari Isomerisasi Ortho-Xylene
2.2.1. Reaksi Pembuatan Para-Xylene dengan Ortho-Xylene
Reaksi monomolekuler merupakan reaksi berlangsung dengan molekul
reaktan yang sama. Sebagai contoh adalah reaksi polimerisasi kondensasi,
dekomposisi, dan dehidrogenasi (cracking). Reaksi seri adalah reaksi dimana
produk yang dihasilkan akan mengalami reaksi lebih lanjut dan berubah menjadi
produk lain.
Salah satu pembuatan para-xylene dengan isomerisasi ortho-xylene:
(Yulfiyan, 2011)
2.2.2. Tinjauan Termodinamika
Tinjauan secara termodinamika ditujukan untuk mengetahui sifat reaksi
(endotermis/eksotermis) dan arah reaksi (reversible / irreversible).
∆H reaksi
= ∆H produk- ∆H reaktan
= (∆Hof298 p-xylene) – (∆Hof298 o-xylene)
= 4290 kcal/mol – 4540kcal/mol
= −250 kcal/mol
Dengan demikian reaksi yang berlangsung adalah reaksi eksotermis yang
menghasilkan panas.
∆G
o
o
o
= ∆G produk - ∆G reaktan
= 29,925 kcal/mol – 29,177 kcal/mol
= -225 kcal/mol
∆G
o
ln K1
= -RT ln K
o
= -∆G / RT
= -225 kcal/kmol / (1,987 kcal/kmol K x 298 K)
= - 0,37998
K1
= 0,6838
Karena harga kosntanta kesetimbangan mendekati nilai 1, maka reaksi
berlangsung secara 2 arah (reversible).
2.2.3. Tinjauan Kinetika
Tinjauan secara kinetika dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh
perubahan suhu terhadap kecepatan reaksi. Secara kinetika, reaksi somerasi orthoxylene memiliki reaksi dengan persamaan kecepatan reaksi sebagai berikut :
Laju reaksi:
-ro = k1.Co – k2.Cm
-rm = k2.Cm + k3.Cm – k1.Co – k4.Cp
-rp = k4.Cp – k3.Cm
dimana :
Co = konsentrasi orto-xylene
Cp = konsentrasi para-xylene
Cm = konsentrasi meta-xylene
k1 = konstanta kecepatan reaksi penguraian ortho-xylene
k2 = konstanta kecepatan reaksi pembentukan ortho-xylene
k3 = konstanta kecepatan reaksi pembentukan para-xylene
k4 = konstanta kecepatan reaksi penguraian para-xylene
Menurut persamaan Arhenius :
k = A e-E/RT
Dalam hubungan ini :
k
= konstanta kecepatan reaksi
A
= factor frekuensi tumbukan
E/R
= faktor energy aktivasi/tetapan gas ideal
T
= temperature mutlak
Data nilai Ea untuk reaksi ini adalah :
(Emmde. et,all. 1994)
Dari persamaan Arhenius, diketahui bahwa dengan bertambahnya suhu
reaksi maka akan memperbesar harga konstanta kecepata reaksi (k), yang berarti
mempercepat kecepatan reaksinya.
2.2.3. Kondisi Operasi
Reaksi pembentukan aseton dengan proses isomerisasi Ortho-xylene dengan
kondisi operasi:
Suhu operasi: 200 – 400oC atau 473 – 673 K (Yulfiyan, 2011).
Reaksinya monomolekuler, seri, bersifat eksotermis dan reversible.
Reaktor beroperasi dengan kondisi nonadiabatis dan isotermal (adanya
perpindahan kalor).
Permasalahan : menghitung volume reaktor dan konversi pada suhu operasi,
kemudian membuat profil hibungan antara suhu, konversi dan volum reactor.
2.2.4 Data sifat sifat senyawa :
Properties
mXylene
o- Xylene
pXylene
BM
Tf (K)
Tb (K)
Tc (K)
Pc (bar)
Vc (gr/cm3)
Cp (289) (joule/mol K)
Cp
=A+BT+CT2+DT3
A
B
C
D
:
:
:
:
:
:
:
106,167
225,30
412,27
617,05
35,41
375,8
182,66
106,167
247,89
417,58
630,37
37,34
369,2
189,25
106,167
266,51
411,51
616,26
35,11
379,1
197,75
:
:
:
:
70,916
8,045E-01
-2,188E-03
2,506E-06
56,460
9,492E-01
-2,490E03
2,683E-06
Hformation
(298)
(Kcal/mol)
Hfusion @TF
(Kjoule/Kg)
(Kjoule/mol)
Gf(298) (Kjoule/mol)
:
4290
4332
-11,305
1,515E01
-3, 903E03
3,919E06
4540
:
:
108,97
11,56
128,08
13,60
161,19
17,11
:
118,87
122,09
121,13