μ : Viskositas kinematik (cSt) μd : Viskositas dinamik (Pa.s)
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Karakteristik Teknik Reaktor 4.1 Karakteristik Teknik Reaktor
2) Pengaruh sirkulasi aliran
4.2.4 Energi Aktivasi (Ea) dan Frekuensi Tumbukan (A)
Menurut persamaan Arhenius (Atkins, 1986), hubungan antara konstanta laju, energi aktivasi, dan frekuensi tumbukan dapat dinyatakan dalam persamaan [29]:
di mana Ea adalah energi aktivasi (kJ/mol), R adalah konstanta gas (0.00813 kJ mol-1 K-1) dan A adalah frekuensi tumbukan (menit-1). Data pada Tabel 11 digunakan untuk menentukan Ea dan A dengan melakukan plot antara ln k dengan kebalikan suhu absolute (1/T) seperti tersaji dalam Gambar 37, 38 untuk
static-mixer dan Gambar 39 untuk blade agitator. Energi aktivasi (Ea) dan frekuensi
tumbukan (A) yang dihitung berdasarkan persamaan [29] baik tahap awal dan akhir reaksi dalam static-mixer serta E dan A hasil reaksi dalam blade agitator disajikan dalam Tabel 10. Tabel tersebut juga menunjukkan hasil dari percobaan yang dilakukan oleh penelitian lain.
Gambar 37. Plot Arhenius antara konstanta laju reaksi (ln k1) tahap awal dengan kebalikan suhu mutlak menggunakan static-mixer
ln k = ln A – Ea/RT ……….……[29] y = ‐0.161x + 1.869 R² = 0.827 1.36 1.37 1.38 1.39 1.4 1.41 2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 ln k (m in ‐1) 1/T (x 10‐3°K)
69
Gambar 38. Plot Arhenius antara konstanta laju reaksi (ln k2) tahap akhir dengan kebalikan suhu mutlak menggunakan static-mixer
Gambar 39. Plot Arhenius antara konstanta laju reaksi (ln k) dengan kebalikan
suhu mutlak menggunakan blade agitator
y = ‐2.013x + 2.185 R² = 0.807 ‐4.2 ‐4.1 ‐4 ‐3.9 ‐3.8 ‐3.7 ‐3.6 2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 ln k (m in ‐1) 1/T (x 10‐3°K) y = ‐1.265x + 0.830 R² = 0.983 ‐3.2 ‐3.1 ‐3 ‐2.9 ‐2.8 2.9 2.95 3 3.05 3.1 3.15 ln k (min ‐1) 1/T (x 10‐3°K)
70
Table 10. Perbandingan Energi aktivasi (Ea) dan frekuensi tumbukan (A) Hasil Percobaan
Ea (J/mol) A (menit-1) Tahap percobaan Waktu ( menit) 1,33 6,48 Tahap awal static-mixer 0 - 1 16,71 8,89 Tahap akhir static-mixer 1 - 90 10,49 2,29 blade agitator 0 - 90
Hasil Penelitian lain
Ea (J/mol) A (menit-1) Metode Referensi
0,026 - batch reaktor (katalitik) Darnoko dan Cheryan (2000a) 69,0 x 103 6936 superkritik MeOH (non-katalitik) Kusdiana dan Saka
(2001) 31,0 x 103 4,2 reaktor kolom gelembung
(superheated/non-katalitik)
Joelianingsih et al. (2008)
Energi aktivasi (Ea) adalah energi minimum yang diperlukan untuk melangsungkan terjadinya suatu reaksi. Dalam reaksi transesterifikasi Ea adalah energi minimum untuk menghasilkan FAME dan gliserol dari reaktan TG dan MeOH. Jika partikel-partikel bertumbukan dengan energi yang lebih rendah dari energi aktivasi (Ea) maka fluida yang diproses masih dalam bentuk reaktan (TG dan MeOH) dan tidak akan terjadi reaksi transesterifikasi. Dalam percobaan
static-mixer, nilai Ea dan A pada tahap awal lebih kecil dari Ea dan A tahap akhir
yaitu 1,33 J/mol, 16,71 J/mol, 6,48 , menit-1 dan 8,89 menit-1. Hal ini menunjukkan energi minimum yang digunakan untuk memecah beberapa ikatan-ikatan TG, DG, dan MG menjadi ME dan GL realatif kecil. Kondisi ini dikarenakan jumlah TG dan produk intermediate (DG dan MG) masih berada dalam jumlah yang cukup banyak. Akan tetapi ketika jumlah reaktan tersebut berada dalam jumlah yang sedikit pada tahap akhir reaksi di mana sebagian sudah terkonversi menjadi produk (ME dan GL) energi untuk memecahnya akan semakin besar (meningkat 15,38 J/mol).
Fekuensi tumbukan (A) dapat diartikan sebagai persentase tumbukan antara bahan yang bereaksi, semakin besar A semakin besar kecepatan reaksi. Dalam percobaan static-mixer, nilai A pada tahap akhir terlihat semakin besar dan meningkat dari 6,48 menit-1 menjadi 8,89 menit-1, hal ini menunjukkan bahwa tumbukkan yang terjadi antar molekul zat pereaksi semakin banyak. Pada tahap
71 akhir ini jumlah TG, MG, dan DG semakin minimal sehingga untuk melangsungkan laju reaksi diperlukan A semakin besar. Intensitas tumbukan yang tinggi juga sangat diperlukan dikarenakan reakssi transesterifikasi ini juga termasuk reaksi balik (reversible) yang memungkinkan reaksi mengarah ke kiri.
Untuk membandingkan kedua hasil tersebut dengan hasil yang ditemukan dari hasil penelitian lain tidak mudah dikarenakan terdapat adopsi dua tahap laju reaksi dalam penelitian ini. Konstanta laju reaksi untuk non katalis untuk transesterifikais minyak rapseed dalam kondisi superkritik yang dilakukan Kusdiana and Saka (2001) adalah 0,041 menit-1 pada suhu 543o K dan tekanan 2 MPa, sedangkan Ea and A adalah 69 kJ/kmol and 6936 menit-1. Nilai Ea dan A tersebut lebih tinggi dibandingkan nilai hasil percobaan dengan hasil percobaan
static-mixer. Perbedaan hasil percobaan tersebut disebabkan oleh adanya
perbedaan kondisi reaksi yang dicoba. Pada percobaan Kusdiana dan Saka dilakukan reaksi pada tekanan 40 MPa di mana polaritas MeOH akan menurun. Sebagai akibatnya TG yang bersifat non-polar dapat disolfasi dengan MeOH superkritik untuk mengubah fase tunggal dari minyak nabati/MeOH. Pada Tabel 10 disajikan nilai Ea dan A hasil penelitian static-mixer yang dilakukan dan dari hasil peneliti lain.
Penelitian Ea dan A juga dilakukan oleh Joelianingsih et al. (2008) untuk transesterifikasi minyak sawit dalam reaktor kolom gelembung sistem batch secara non-katalis. Di dalam hasil penelitiannya, reaksi transesterifikasi dilangsungkan dalam tekanan atmosfir, MeOH superheated, dan tanpa pengadukan (stirring). Nilai EA dan A yang rendah dihasilkan masing-masing 31 kJ/mol and 4,2 menit-1. Percobaan tersebut dilakukan dengan gelembung MeOH yang disebar ke dalam fase minyak serta sistem terdiri dari dua fase. Laju reaksi dibawah kendali/pengaruh pindah masa antara fase gas dan liquid. Mekanisme pengadukan seperti ini tentunya akan mempengaruhi besar nilai k, Ea, A, dan waktu reaksi.
72
4.3 Analisis Energi
4.3.1 Analisis Kehilangan Panas
Pada saat proses produksi berlangsung, dilakukan pengukuran suhu pada reaktor. Pengukuran suhu dilakukan terhadap 13 titik pengukuran, yakni suhu pada : 1) uap MeOH keluar, 2) tutup atas 3) kran sampel atas 4) kran sampel tengah, 5) heater, 6) tutup bawah, 7). kran sampel bawah, 8) dinding luar, 9)
glasswool, 10) dinding static-mixer, 11) dinding dalam, 12) pipa, 13)
lingkungan, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 40. Hasil sebaran suhu pengukuran suhu pada setiap bagian reaktor disajikan dalam Gambar 41, 42, dan 43. Pada lampiran 17 dan 18 disajikan data hasil pengukuran sebaran suhu reaktor static-mixer.
73
Gambar 41. Sebaran suhu pada tutup atas, uap keluar, heater,dan kran atas
Gambar 42. Sebaran suhu pada pipa sirkulasi, dinding luar, static-mixer,
dan kran bawah
0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 Su hu ( C ) Waktu (menit)
Tutup atas Uap keluar Heater Kran atas
0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 Su hu ( C ) Waktu (menit)
74 Sebaran suhu hasil pengukuran di dalam tangki untuk kondisi proses pada suhu 70 °C dapat dilihat pada Gambar 41. Suhu heater yang dimaksud adalah suhu campuran di sekitar heater. Sebagai daerah yang lebih dekat dengan sumber panas, pada saat awal pompa dihidupkan dan campuran reaktan disirkulasikan melewati static-mixer terlihat bahwa suhu heater memang lebih tinggi dibandingkan dengan suhu di titik pengukuran lainnya.
Berdasarkan grafik pada Gambar 41, 42 dan 43 pada menit ke-0 suhu
heater tercatat sebesar 67 °C, sedangkan suhu kran bawah adalah 66 °C, kran
tengah 67 °C, dan kran atas yang jauh lebih dari sumber panas bersuhu 66 °C. Pada saat proses sirkulasi berlangsung, campuran pada bagian dasar tangki yang bersuhu lebih tinggi mengalir melewati pipa dan static-mixer dan kembali lagi ke tangki utama melewati pipa penyebaran. Setelah keluar dari pipa penyebaran, campuran akan menyentuh kran bagian atas terlebih dahulu, kemudian baru turun perlahan-lahan ke bagian dasar tangki. Akibatnya walaupun pada saat awal suhu
Gambar 43. Sebaran suhu pada tutup bawah, dinding dalam, glas wool, dan kran
tengah 0 10 20 30 40 50 60 70 0 20 40 60 80 100 Su hu ( C ) Waktu (menit)
75 di sekitar heater lebih tinggi, setelah beberapa menit proses berlangsung, suhu pada kran sampel atas lebih tinggi dibandingkan dengan suhu pada bagian lain.
Perpindahan panas yang diamati pada reaktor berhubungan dengan perpindahan panas secara konduksi dan konveksi. Pindah panas konduksi terjadi pada dinding tangki bagian atas dan bawah, dan pada pipa-pipa saluran serta dinding static-mixer. Sedangkan pindah panas secara konveksi yang diamati adalah pindah panas dari dinding bagian luar tangki ke udara luar (lingkungan). Pindah panas secara konduksi pada plat datar dapat dihitung dengan persamaan Fourier (Bacon, 1990)
Pada reaktor static-mixer, kehilangan panas merupakan gabungan kehilangan
panas secara konduksi dan koveksi. Kehilangan panas yang diamati terjadi pada dinding tangki, tutup atas, tutup bawah, pipa, dan dinding static-mixer. Dengan mengetahui suhu pada daerah-daerah tersebut dan sifat-sifat udara di sekitarnya, kehilangan panas gabungan dapat dihitung. Kehilangan panas yang terjadi sebanding dengan perbedan suhu yang terjadi dan luasan daerah yang mengalami proses perpindahan panas. Sebaran suhu pada pipa, dinding tangki tutup atas, tutup bawah, dan dinding static-mixer ditampilkan pada Gambar 44.
Kehilangan panas yang terjadi dapat dihitung dengan menghitung pindah panas pada dinding tangki utama (q1), kehilangan panas dari dinding luar ke udara sekitar (q2), kehilangan panas dari pipa ke udara luar (q3), kehilangan panas melalui dinding static-mixer (q4), kehilangan panas memalui tutup atas (q5), dan kehilangan panas melalui tutup bawah (q6). Persamaan pindah panas tersebut didasarkan pada pindah panas secara konveksi, dengan bentuk umum :
qn = h Ad (td – tu) ...[30] h = NNu k /Dd ...[31] NGr Npr = NNu ...[32] NNu = 0,53 (NGr Npr)0,25 ...[33] NGr = (Dd)3 (gßρ2/µ)∆T ...[34]
76 Keterangan :
qn = kehilangan panas (kJ), n =1, 2, 3, ...., h = koefisien pindah panas konveksi (W/m2
°K), Ad = luas / penampang (m2), td = temperatur dinding luar (°K), tu = suhu udara luar (°K), Dd = diameter (m), NNu = bilangan Nusselt (tidak berdimensi), Npr = bilangan Prandtl (tidak berdimensi), NGr = bilangan Grashoff (tidak berdimensi), g = percepatan gravitasi m/dt2, ρ = kerapatan udara (kg/m3), µ = viskositas (poise), ß = koefisien muai volume (1/K) Cara perhitungannya disajikan pada Lampiran 19 sampai dengan 24.
Gambar 44. Sebaran suhu rata-rata pada reaktor
Berdasarkan Gambar 44, disajikan grafik penyebaraan suhu dan terlihat bahwa pipa dan tutup tangki bagian atas memiliki suhu paling tinggi. Keduanya memiliki suhu rata-rata 57,37 °C dan 57,05 °C. Dinding static-mixer juga memiliki suhu yang relatif tinggi. Sedangkan dinding dan tutup bagian bawah tangki (dasar) memiliki suhu rata-rata yang lebih rendah. Pipa, tutup atas, dan dinding static-mixer memiliki suhu yang lebih tinggi pada bagian luarnya karena ketiga daerah tersebut tidak dilapisi oleh bahan isolator, sehingga panas dari bahan langsung berpindah ke dinding yang terbuat dari baja tahan karat, dan diteruskan ke lingkungan luar. Sedangkan pada dinding dan dasar tangki terdapat
57.37 38.47 57.05 54 39.37 0 10 20 30 40 50 60 70 Pipa Dinding tangki
Tutup atas Static-mixer Tutup bawah
Suhu (oC)
77 ruang isolasi yang berisi glasswool. Jumlah energi yang hilang dalam bentuk panas (dalam kJ) pada kelima daerah tersebut dapat dilihat dari grafik pada Gambar 45.
Dari grafik pada Gambar 45 terlihat bahwa kehilangan panas terbesar terjadi pada pipa yang berfungsi sebagai saluran sirkulasi reaktan. Pada pipa, selain suhu yang relatif lebih tinggi luasan permukaan pipa yang berhubungan dengan udara luar juga mempengaruhi besarnya kehilangan panas yang terjadi. Luasan pipa bagian luar dari hasil perhitungan didapatkan sebesar 0,102 m². Sehingga kehilangan panas yang terjadi pada pipa adalah sebesar 116,57 kJ. Walaupun dinding memiliki luasan permukaan yang cukup besar dibandingkan daerah lainnya, namun karena fungsi bahan isolasi yang memberikan keuntungan dengan mencegah perpindahan panas yang terlalu besar ke lingkungan, perpindahan panas pun tidak terlalau besar. Pada lampiran 19 hingga 24 disajikan perhitungan pindah panas pada pipa, dinding tangki, tutup atas-bawah, dan static-mixer.
Gambar 45. Kehilangan panas pada reaktor
Luasan dinding dari hasil perhitungan adalah sebesar 0,53 m², sedangkan kehilangan panasnya adalah sebesar 76,22 kJ. Tutup tangki bagian atas tidak terlalu luas, mengalami kehilangan panas yang cukup besar jika dibandingkan
116.57 76.22 38.13 27.71 8.38 0 20 40 60 80 100 120 140 pipa dinding tangki
Tutup atas Static-mixer Tutup bawah
K ehi la ngan pan as (k J) Komponen reaktor
78 dengan tutup bagian bawah tangki. Dengan luasan yang sama yaitu 0,047m², kehilangan panas penutup tangki bagian atas adalah 38,13 kJ, sedangkan kehilangan panas yang terjadi pada penutup tangki bagian bawah hanya 8,38 kJ.
Besarnya kehilangan panas yang terjadi pada tutup tangki bagian atas disebabkan oleh tidak adanya bahan isolasi yang dapat mencegah perpindahan panas dari dinding penutup tangki ke lingkungan luar. Metanol yang menguap juga menyebabkan suhu pada dinding penutup atas tangki cukup tinggi.
Pemberian bahan isolasi pada dinding penutup bagian bawah memberikan kehilangan panas yang minimal. Dari kelima daerah yang mengalami kehilangan panas, dinding penutup tangki bagian bawah mengalami kehilangan panas paling kecil. Kemudian static-mixer juga mengalami kehilangan panas yang cukup kecil, karena dengan tinggi 30 cm, luasnya hanya 0,03 m², dan kehilangan panas hanya sebesar 27,71 kJ. Bila dihitung dalam persen maka terlihat bahwa kehilangan panas terbesar terjadi pada pipa saluran sebesar 44 persen dari total kehilangan panas pada alat. Dinding menempati urutan ke dua dengan presentase sebesar 28 persen, kemudian tutup atas sebesar 14 persen, dinding static-mixer sebesar 11 persen, dan terakhir tutup bawah sebesar 3 persen. Kehilangan panas ke lingkungan luar tentu saja tidak diinginkan karena akan meningkatkan kebutuhan energi untuk pemanasan bahan. Pemberian bahan isolator pada bagian-bagian yang membuat kehilangan panas menjadi tinggi dapat mengatasi pemborosan energi.