REAKTOR
MAKALAH
PERALATAN INDUSTRI PROSES II
OLEH :
KELOMPOK : VII ( 3 KC )
RIZA APRIANA (NIM 061430401235)
SAMAPTA PRABOWISNU (NIM 061430401236)
TETA HOIRIAH (NIM 061430401242)
Dosen Pengampuh MEILIANTI, S.T.,M.T. JURUSAN TEKNIK KIMIA POLITEKNIK NEGERI SRIWIJAYA
Kata Pengantar
Puji dan syukur kami panjatkan atas kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat limpahan Rahmat dan karunia-Nya kami dapat menyusun makalah.dalam makalah ini kami membahas mengenai Reaktor Kimia. Makalah ini disusun dengan bantuan beberapa pihak untuk mengerjakan makalah ini. Untuk itu, kami ingin mengucapkan terima kasih kepada guru pembimbing kami, teman dan rekan-rekan seperjuangan yang telah memberi bantuan kepada kami untuk menyelesaikan makalah ini.
Saya ucapkan terima kasih kepada:
1. Ibu Meilianti, S. T., M. T selaku dosen pembimbing 2. Kepada : - Riza Apriana
- Samapta Probowisnu - Teta Hoiriah
Sebagai rekan kerja dalam pembuatan makalah ini. Terimakasih atas kerjasamanya. Kami menyadari bahwa masih banyak kekurangan yang mendasar pada makalah ini. Oleh karena itu, kami berharap kepada pembaca untuk memberikan kritik dan saran yang membangun sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini.
Semoga makalah ini memberi manfaat yaitu beruoa pemahaman terhadap isi makalah ini.
DAFTAR ISI Kata Pengantar ... 1 Daftar Isi... 2 BAB 1 Pendahuluan... 3 Latar belakang... 3 BAB 2 Pembahasan... 4 BAB 3
Pertanyaan dan Jawaban... 26 Daftar Pustaka... 28
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang
Reaktor adalah suatu alat proses tempat dimana terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia atau reaksi nuklir dan bukan secara fisika. Reaktor kimia adalah segala tempat terjadinya reaksi kimia, baik dalam ukuran kecil seperti tabung reaksi sampai ukuran yang besar seperti reaktor skala industry. Reaktor CSTR beroperasi pada kondisi steady state dan mudah dalam control temperatur, tetapi waktu tinggal reaktan dalam reaktor ditentukan oleh laju alir dari umpan yang masuk atau keluar, maka waktu tinggal sangat terbatas sehingga sulit mencapai konversi reaktan pervolume reaktor yang tinggi karena dibutuhkan reaktor dengan volume yang sangat besar (Smith, 1981).
Reaktor adalah jantung dari proses kimia. Reaktor adalah suatu tempat proses dimana bahan-bahan diubah menjadi produk, dan perancangan reaktor untuk industri kimia harus mengikuti keperluan:
1. Faktor kimia : reaksi kimia. 2. Faktor transfer panas. 3. Faktor transfer massa.
4. Faktor keselamatan (Coulson, 1983).
Continuous Stirred Tank Reactor adalah reaktor yang dirancang untuk mempelajari
proses-proses penting dalam ilmu kimia. Reaktor jenis ini merupakan salah satu dari 3 tipe reaktor yang bisa bersifat interchangeable pada unit service reaktor. Reaksi dimonitor oleh
probe konduktivitas dari larutan yang berubah dengan konversi dari reaktan menjadi produk.
Artinya ini merupakan proses titrasi yang tidak akurat dan tidak efisien dimana ini digunakan untuk memonitor perkembangan reaksi yang tidak begitu penting. Reaksi yang terjadi adalah reaksi safonifikasi etil asetat dengan menggunakan NaOH yang dilakukan pada kondisi tekanan dan temperatur yang aman (Tim Dosen Teknik Kimia, 2009).
Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) bisa berbentuk dalam tanki satu atau lebih dari satu dalam bentuk seri. Reaktor ini digunakan untuk reaksi fase cair dan biasanya digunakan untuk reaksi kimia organik. Keuntungan dari reaktor ini adalah kualitas produk yang bagus, control yang otomatis dan tidak membutuhkan banyak tenaga operator. Karakteristik dari reaktor ini adalah beroperasi pada kondisi steady state dengan aliran reaktan dan produk secara kontinyu (Tim Dosen Teknik Kimia, 2009).
Keberhasilan operasi suatu proses pengolahan sering kali bergantung pada efektifnya pengadukan dan pencampuran zat cair dalam proses itu. Istilah pengadukan dan pencampuran sebenarnya tidak sinonim satu sama lain. Pengadukan (agitation) menunjukkan gerakan yang tereduksi menurut cara tertentu pada suatu bahan di dalam bejana, dimana gerakan itu biasanya mempunyai semacam pola sirkulasi. Pencampuran (mixing) ialah peristiwa menyebarnya bahan-bahan secara acak, dimana bahan yang satu menyebar ke dalam bahan yang lain dan sebaliknya, sedang bahan-bahan itu sebelumnya terpisah dalam dua fase atau lebih. Istilah pencampuran digunakan untuk berbagai ragam operasi, dimana derajat homogenitas bahan yang bercampur itu sangat berbedas-beda. Tujuan dari pengadukan antara lain adalah untuk membuat suspense partikel zat padat, untuk meramu zat cair yang mampu
cair (miscible), untuk menyebar (dispersi) gas di dalam zat cair dalam bentuk gelembung-gelembung kecil. Untuk menyebarkan zat cair yang tidak dapat bercampur dengan zat cair yang lain, sehingga membentuk emulsi atau suspense butiran-butiran halus, dan untuk mempercepat perpindahan kalor antara zat cair dengan kumparan atau mantel kalor. Kadang-kadang pengaduk (agitator) digunakan untuk beberapa tujuan sekaligus, misalnya dalam hidrogenasi, gas hidrogen didispersikan melalui zat cair dimana terdapat partikel-partikel katalis padat dalam keadaan suspense, sementara kalor reaksi diangkat keluar melalui kumparan atau mantel.
Agitator (pengaduk) biasanya juga digunakan untuk beberapa tujuan sekaligus, misalnya dalam hidrogenasi katalitik pada zat cair. Dalam bejana hidrogenasi, gas hidrogen didispersikan melalui zat cair dimana terdapat pertikel-partikel katalis padat dalam keadaan suspensi, sementara kalor reaksi diangkut keluar melalui kumparan atau mantel (McCabe, 2003).
Ada dua jenis reaktor kimia: 1. Reaktor tangki atau bejana 2. Reaktor pipa
kedua reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun partaian/batch. Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan ajeg namun terkadang bisa juga beroperasi secara transien. Biasanya keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali dioperasikan (mis: setelah perbaikan atau pembalian baru) dimana komponen produk masih berubah terhadap waktu. Biasanya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas, namun terkadang ada juga padatan yang diikutkan dalam reaksi (mis: katalisator, reagen, inert).
BAB II PEMBAHASAN A. PENGERTIAN REAKTOR
Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung. Dengan terjadinya reaksi inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya, perubahannya ada yang terjadi secara spontan alias terjadi dengan sendirinya atau bisa juga butuh bantuan energi seperti panas(contoh energi yang paling umum). Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia, jadi terjadi perubahan bahan bukan fase misalnya dari air menjadi uap yang merupakan reaksi fisika.
Dalam teknik kimia, Reaktor adalah suatu jantung dari suatu proses kimia. Reaktor kimia merupakan suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia, yaitu :
● Waktu tinggal ● Volume (V) ● Temperatur (T) ● Tekanan (P)
● Konsentrasi senyawa (C1, C2, C3, ...,Cn) ● Koefisien perpindahan panas (h, U)
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. Tentu saja faktor keselamatan pun tidak boleh dikesampingkan. Biaya operasi biasanya termasuk besarnya energi yang akan diberikan atau diambil, harga bahan baku, upah operator, dll.
Tujuan pemilihan reaktor adalah : 1. Mendapat keuntungan yang besar 2. Biaya produksi rendah
3. Modal kecil/volume reaktor minimum 4. Operasinya sederhana dan murah 5. Keselamatan kerja terjamin
6. Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil-kecilnya Pemilihan jenis reaktor dipengaruhi oleh :
1. Fase zat pereaksi dan hasil reaksi
3. Kapasitas produksi
4. Harga alat (reactor) dan biaya instalasinya
5. Kemampuan reactor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas
B. JENIS-JENIS REAKTOR
BERDASARKAN BENTUK REAKTOR
1. REAKTOR TANGKI
Dikatakan reaktor tangki ideal jika pengadukannya sempurna,sehingga komposisi dan suhu di dalamreaktor setiap saat uniform. Dapat di pakai untuk proses batch, semi batch dan proses alir
2. REAKTOR PIPA
Biasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut reaktor alir pipa. Dikatakan ideal jika zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir di dalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa.
BERDASARKAN PROSES KERJA REAKTOR
1. SISTEM BATCH
Batch Reactor adalah tempat terjadinya suatu reaksi kimia tunggal, yaitu reaksi yang
berlangsung dengan hanya satu persamaan laju reaksi yang berpasangan dengan persamaan kesetimbangan dan stoikiometri.
Reaktor jenis ini biasanya sangat cocok digunakan untuk produksi berkapasitas kecil misalnya dalam proses pelarutan padatan, pencampuran produk, reaksi kimia, Batch distillation, kristalisasi, ekstraksi cair-cair, polimerisasi, farmasi dan fermentasi.
Beberapa ketetapan menggunakan reactor tipe Batch : Selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan
temperature
Pengadukan dilakukan dengan sempurna, konsentrasi di semua titik dalam reaktor adalah sama atau homogen pada waktu yang sama
Gambar 1. Batch Reactor Gambar 2. Batch Reactor with Coflux Jacket Konstruksi Batch reactor bisa tersusun oleh sebuah tangki dengan pengaduk serta sistem pendingin atau pemanas yang menyatu dengan reaktor. Tangki ini memiliki ukuran yang bervariasi mulai dari < 1 L sampai > 15.000 L tergantung kebutuhan.
Batch reactor biasanya terbuat dari baja, stainless steel atau baja berlapis kaca.Padatan dan cairan yang akan masuk reaktor biasanya melalui sambungan yang terdapat pada tutup atas reaktor. Untuk uap dan gas yang keluar reaktor biasanya juga melalui bagian atas, sedangkan untuk cairan keluar melalui bagian bawah.
Reaktor batch di desain untuk beroperasi dalam proses unsteady – state, banyak reaktor batch menunjukkan perilaku nonlinier yang dimiliki oleh pasangan reaksi kinetika dan temperatur reaktor, dimana lebar jarak temperatur berlebih, dengan kata lain reaksi berjalan eksotermis memproduksi panas berlebih sehingga harus dihilangkan dengan sistem pendinginan. Sirkulasi pompa untuk pendingan bertujuan meminimalkan waktu tinggal agar tetap konstan.
Misalkan : A + B P
Neraca massa untuk komponen A adalah :
• Amasuk = Akeluar + Aterakumulasi + Ayang bereaksi • FAi = FAC + (dNA/dt) + (-rA)(V)
• FAi = FAC = 0, karena tidak ada reaktan yang masuk atau keluar
Pada batch reaktor volume tetap
Mole A setelah reaksi berlangsung selama waktu t sebanding dengan konsentrasi A yang tersisa dalam larutan di kali dengan volume.
−rA=−1
V dNA
NA (mole) = CA . V (mole/volume) x (volume) Bentuk differensialnya :
Karena volume tetap maka perubahan volume dV=0
Sehingga :
Kelebihan dan Kelemahan Batch Reactor Kelebihan
1. Ongkos atau harga instrumentasi rendah.
2. Penggunaannya fleksibel, artinya dapat dihentikan secara mudah dan cepat kapan saja diinginkan.
3. Penggunaan yang multifungsi.
4. Reaktor ini dapat digunakan untuk reaksi yang menggunakan campuran kuat dan beracun.
5. Mudah dibersihkan.
6. Dapat menangani reaksi dalam fase gas, cair dan cair-padat. 7. Selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan temperatur
8. Pengadukan dilakukan dengan sempurna, konsentrasi di semua titik dalam reaktor adalah sama atau homogen pada waktu yang sama
9. Reaktor ideal
10. Lebih mudah pengoperasiannya 11. Lebih mudah dikontrol
dNA dt = d
(
CAV)
dt dNA dt = V . dCA dt + CA. dV dt dNA dt = (V )dCA dt −rA=−1 V dNA dt = −dCA dt• Kelemahan
1. Biaya buruh dan handling tinggi.
2. Kadang-kadang waktu shut downnya besar, yaitu waktu untuk mengosongkan, membersihkan dan mengisi kembali.
3. Pengendalian kualitas dari produk jelek atau susah. 4. Skala produksi yang kecil.
5. Tidak begitu baik untuk reaksi fase gas (mudah terjadi kebocoran pada lubang pengaduk) Waktu yang dibutuhkan lama, tidak produktif (untuk pengisian, pemanasan zat pereaksi, pendinginan zat hasil, pembersihan reactor, waktu reaksi)
2. SISTEM SEMI BATCH
Biasanya berbentuk tangki berpengaduk
Cara operasinya dengan jalan memasukkan sebagian zat pereaksi ke dalam reaktor, sedangkan zat pereaksi yang lain atau sisanya dimasukkan secara kontinu ke dalam reaktor.
Ada material masuk selama operasi tanpa dipindahkan
Reactant (massa) yang masuk bisa dihentikan dan product bisa dipindahkan selama operasi waktu tertentu.
Tidak beroperasi secara steady state 3. SISTEM REAKTOR KONTINYU
Reaktor kontinyu mempunyai aliran masukan dan keluaran (inlet/outlet) yang terdiri dari campuran homogen/heterogen . Reaksi kontinue di operasikan pada kondisi steady. Dimana arus aliran masuk sama dengan arus aliran keluar .
Reaktor kontinyu dibagi menjadi dua jenis utama, yaitu :
1. Reaktor AlirTangki Berpengaduk (RATB) atau Continous Stirred Tank Reaktor (CSTR)
2. Reaktor Alir Pipa (RAP) atu Plug Flow Reaktor (PFR).
REAKTOR BERDASAR JUMLAH FASE YANG TERLIBAT
1. REAKTOR HOMOGEN
Reactor homogeny adalah reactant, product dan/atau katalis berada pada phase yang sama (single phase)
2. REAKTOR HETEROGEN
Reaktor heterogen adalah reactant, product dan/atau katalis beradapada phase yang berbeda
RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk)
Reaktor ini termasuk sistem reaktor kontinyu untuk reaksi–reaksi sederhana. Berbeda dengan sistem operasi batch di mana selama reaksi berlangsung tidak ada aliran yang masuk atau meningggalkan sistem secara berkesinambungan, maka di dalam reaktor alir (kontinyu), baik umpam maupun produk akan mengalir secara terus menerus. Sistem seperti ini memungkinkan kita untuk bekerja pada suatu keadaan dimana operasi berjalan secara keseluruhan daripadab sistem berada dalam kondisi stasioner. Ini berarti bahwa baik aliran yang masuk , aliran keluar maupun kondisi operasi reaksi di dalam reaktor tidak lagi berubah oleh waktu. Pengertian waktu reaksi tidak lagi sama dengan lamanya operasi berlangsung, tetapi akivalen dengan lamanya reaktan berada di dalam reaktor. Penyataan terakhir ini biasa disebut waktu tinggal campuran di dalam reaktor, yang besarnya ditentukan oleh laju alir campuran yang lewat serta volume reaktor di mana reaksi berlangsung.
Reaktor tipe ini bisa terdiri dari satu tangki atau lebih. Biasanya tangki–tangki ini dipasang vertikal dengan pengadukan sempurna. Pengadukan pada masing-masing tangki dilakukan secara kontinu sehingga diperoleh suatu keadaan di mana komposisi campuran di dalam reaktor benar-benar seragam. Reaktor tangki ini biasanya digunakan untuk reaksi-reaksi dalam fase cair, untuk reaksi heterogen cair – padat atau reaksi homogen cair- cair dan sebagainya.
RAP ( Reaktor Alir Pipa )
Biasanya penggunaan model seperti ini digunakan untuk reaktan berfase gas, dan perlu kawan-kawan ketahui, reaksi kimia tersebut terjadi sepanjang pipa, jadi semakin panjang pipa maka konversinya juga semakin tinggi. Hmm tapi tidak segampang itu mengasumsikannya kawan. dalam suatu reaksi terdapat titik optimum, artinya kita perlu mengetahui tentunya dengan menganilisis, di mana titik optimum itu berada, sehingga tidak membuang2 energi, karena pada treaktor jenis ini, konversinya terjadi secara gradien) di mana pada saat awal kecepatan reaksinya cepat namun seiring panjang pipa (melewati titik optimum) jumlah reaktan tersebut akan berkurang dan kecepatan reaksinya pun akan semakin lambat.
Dikatakan ideal jika zat pereaksi dan hasil reaksi mengalir dengan kecepatan yang sama diseluruh penampang pipa.
Keuntungan :
Memberikan volume yang lebih kecil daripada RATB, untuk konversi yang sama Kerugian:
1. Harga alat dan biaya instalasi tinggi.
2. Memerlukan waktu untuk mencapai kondisi steady state.
3. Untuk reaksi eksotermis kadang-kadang terjadi “Hot Spot” (bagian yang suhunya sangat tinggi) pada tempat pemasukan . Dapat menyebabkan kerusakan pada dinding reaktor.
Reaktor Gas Cair dengan Katalis Padat
- Packed/Fixed bed reaktor (PBR).
Terdiri dari satu pipa/lebih berisi tumpukan katalis stasioner dan dioperasikan vertikal. Biasanya dioperasikan secara adiabatis.
- Fluidized bed reaktor (FBR)
Reaktor dimana katalisnya terangkat oleh aliran gas reaktan. Operasinya: isotermal.
Perbedaan dengan Fixed bed: pada Fluidized bed jumlah katalis lebih sedikit dan katalis bergerak sesuai kecepatan aliran gas yang masuk serta FBR memberikan luas permukaan yang lebih besar dari PBR
- Reaktor slurry
Reaktor ini berisi partikel padat. Untuk fase gas tidak dapat terus-menerus masuk kedalam reactor.. Suatu model umum untuk reaktor gas-cair-padat akan mempunyai reaksi homogeny. Terjadi didalam bermacam-macam reaksi dan menjadi 3 satuan reaksi heterogen seperti: gas-cair, gas-padat, dan cair-padat. Jenis katalis yang biasa digunakan dalam reaktor slurry adalah katalis berbasis kobalt (Co) dan besi (Fe). Suhu dan tekanan tergantung pada jenis reaktan pada pembuatan batu bara, gas bumi. Slurry reaktor sama seperti fluidized bed reaktor dimana gas melewati reaktor yang mengandung partikel katalisator padat yang berada dalam cairan gas
Digunakan :
Reaktor slurry biasa digunakan untuk mereaksikan liquid atau larutan yang mengandung reaktan dengan katalis padatan.
- TRICKLE BED REACTOR
bawah dan mengalami interaksi pada katalis padatan.
• Trickle bed reactor biasanya digunakan dalam industri perminyakan, pencairan batu bara dan pengolahan limbah.
Mekanisme reaktor :
Trickle bed reactor melibatkan proses hydrotreating, misalnya: hydrodesulfurisasi dan hydrocracking.
Pada unit hydrodesulfurisasi, umpan dimasukan ke dalam menara destilasi dalam fase uap. Kemudian digunakan Hidrogen berlebihan untuk mempertahankan fase uap dan mencegah terbentuknya deposit cake
• Lalu gas dengan kecepatan rendah dimasukan sehingga umpan dapat tersebar merata dengan hidrogen.
• Sebagai katalis biasanya digunakan katalis padatan berbentuk mikroporous yang disusun pada posisi tetap.
• Aliran cairan dalam sebuah regime trickling akan membasahi permukaan luar katalis namun menyisakan ruang kosong yang akan diisi oleh aliran gas.
- • Keuntungan : proses dapat dijalankan dengan umpan bertitik didih tinggi.
• Kerugian : operasi dengan fase uap akan memungkinkan reaksi samping yang tidak dikehendaki, contohnya pada proses hidrodesulfurisasi, dimana akan terjadi akumulasi produk samping yang bersifat korosif (contoh: Mercaptan, siklosulphide, thionic).
Fluid-fluid reaktor
Biasa digunakan untuk reaksi gas-cair dan cair-cair.
- Bubble Tank.
3. Spray Tower
Pertimbangan dalam pemilihan fluid-fluid reaktor.
1. Untuk gas yang sukar larut (Kl <) sehingga transfer massa kecil maka Kl harus diperbesar .Jenis spray tower tidak sesuai karena kg besar pada Spray Tower
2. Jika lapisan cairan yang dominan, berarti tahanan dilapisan cairan kecil maka Kl harus diperbesar
» jenis spray tower tidak sesuai.
3. Jika lapisan gas yang mengendalikan (maka Kg <) » jenis bubble tank dihindari.
4. Untuk gas yang mudah larut dalam air » jenis bubble tank dihindari.
1. REAKTOR ISOTERMAL
Dikatakan isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalam reaktor, aliran yang keluar dari reaktor selalu seragam dan bersuhu sama.
2. REAKTOR ADIABATIS
Dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya.Jika reaksinya 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).
3. REAKTOR NON-ADIABATIS
Reaktor kimia adalah jenis reaktor yang umum sekali digunakan dalam industri. Hal ini dikarenakan, dalam sintesis bahan kita selalu memerlukan jenis reaktor ini.
1. 6.6.1 Reaktor Air Tangki Berpengaduk dalam Susunan Seri
Salah satu kerugian dari penggunaan reaktor tangki (CSTR) adalah bahwa reaksi berlangsung pada konsentrasi yang realtif rendah , yaitu sama dengan konsentrasi di dalam campuran yang meninggalkan reaktor. Akibatnya untuk reaksi-reaksi berorde positif volume reaktor yang diperlukan menjadi besar, Salah satu cara untuk menghindari kerugian ini adalah dengan mempergunakan beberapa reaktor tangki yang dipasang seri , sehingga konsentrasi reaktan tidak turun secara drastis tetapi bertahap dari satu tangki ke tangki yang berikutnya (Gambar 6.3) Dengan cara ini maka kecepatan reaksi di masing-masing tangki akan turun menurun secara bertahap pula, sehingga volume total seluruh reaktor untuk mendapatkan besarnya konversi tertentu akan lebih kecildibandingkan dengan sistim reaktor tunggal.
FA0
υo
1 2 N FAN FAi,
CAi FAi , CAi υo -rA XA1 -rA
XA2 -rA XAN V1 V2 VN
Gambar 6.3. N-Reaktor tangki yang dipasang seri
Neraca Panas pada Reactor
a. Panas Reaksi
Panas reaksi (Notasi ∆H) merupakan ukuran tentang banyaknya panas yang diserap atau dikeluarkan pada saat suatu reaksi berlangsung. Misalnya untuk reaksi berikut ini :
a A + b B r R + s S ∆Hr kkal/mol Panas reaksi (∆Hr) didefinisikan sebagai panas yang dibutuhkan/dihasilkan bil a mol zat A bereaksi dengan b mol zat B membentuk r mol zat R dan s mol zat S. Besarnya panas reaksi ini selain, selain tergantung pada temperatur dan tekanan operasinya, juga tergantung pada keadaan sistim itu sendiri, yaitu apakah sistim tempat reaksi berlangsung merupakan sistim terbuka atau tertutup.
1. Sistim terbuka
Secara termodinamika bisa dibuktikan bahwa panas reaksi untuk sistim terbuka adalah sama dengan perbedaan entalpi produk total dengan entalpi reaktan total, atau :
∆Hr = ∑ ni hi ... (1) di mana : hi adalah entalpi molar komponen i
Kalau entalpi produk total lebih besar dari pada entalpi reaktan total, maka ∆Hr akan berharga positif. Ini berarti bahwa sejumlah panas harus ditambahkan agar reaksi dapat berlangsung. Reaksi yang semacam ini disebut reaksi endotermik. Untuk keadaan sebaliknya, yaitu ∆Hr < 0 , berarti bahwa sejumlah panas akan dibebaskan pada saat reaksi berlangsung dan reaksi ini disebut reaksi eksotermik. Harga panas reaksi pada suhu standar untuk reaksi-reaksi tertentu biasanya telah tersedia di dalam tabel-tabel termodinamika. Bila seandainya untuk reaksi-reaksi tertentu data panas reaksinya tidak bisa diperoleh secara langsung, maka bisa saja ditempuh cara lain, yaitu dengan menghitungnya berdasarkan :
1. Data entalpi pembentukan standar (∆Hfo) atau 2. Data entalpi pembakaran (∆Hco).
2. Sistim Tertutup
Sistim tertutup dapat dibagi dalam 2 (dua) katagori, yaitu : - Sistim tertutup pada tekanan konstan
Untuk sistim seperti ini, panas reaksi dihitung tepat sama dengan apa yang telah diturunkan untuk sistim terbuka, yaitu panas reaksi adalah sama dengan perbedaan entalpi produk dan reaktan.
Menurut hukum termodinamika panas reaksi untuk sistim tertutup pada volume konstan, adalah sama dengan perbedaan energi dalam (internal energi)antara produk dan reaktan, atau dituliskan :
∆Ur = ∑ ni Ui ...(2) di mana : Ui adalah energi dalam molar senyawa i.
b. Estimasi Efek Panas
Penentuan panas reaksi biasanya dilakukan di dalam suatu alat yang disebut “Bomb calometri”. Alat ini berupa suatu sistim reaktor tertutup dengan volume konstan, sehingga panas reaksi yang kita dapatkan adalah sama dengan perubahan enrgi dalamnya.
Untuk merubah panas reaksi pada volume konstan menjadi panas reaksi pada tekanan konstan seperti dinyatakan dalam banyak literatur, dipakai korelasi sebagai berikut :
H = U + pV ...(3) Perubahan entalpi pada temperatur dan tekanan konstan adalah :
∆HP,T = ∆UP,T + p(∆V)T ...(4) di mana :
∆UP,T adalah perubahan energi dalam pada temperatur dan tekanan konstan Untuk gas-gas yang mendekati hukum gas ideal dan perubahan tekanan di dalam alat bomb calorimeter tidak terlalu besar, nilai ∆UP,T kira-kira sama dengan perubahan energi dalam pada temperatur dan volume konstan, atau dituliskan :
∆UP,T = ∆UV,T ...(5) Sehingga persamaan (4) menjadi :
∆HP,T = ∆UV,T + p(∆V)T ...(6)
Apabila selama reaksi jumlah mol total adalah tetap (atau kalau di dalam sistim terjadi proses pengembunan, sehingga jumlah mol di dalam fasa adalah tetap), maka :
∆HP,T = ∆UV,T ...(7)
Apabila campuran reaksi di dalam reaktor dianggap mengikuti hukum gas ideal, maka : p(∆V)T = ∆n RT ... (8)
Sehingga persamaan (8.6), dapat dituliskan menjadi :
∆HP,T = ∆UV,T + ∆n RT ...(9)
Pada perhitungan-perhitungan praktis harga p(∆V)T ini biasanya relatif kecil dibandingkan dengan ∆UV,T , sehingga kalau diambil saja : ∆HP,T = ∆UV,T , kesalahan yang dibuat bisa diabaikan.
c. Pengaruh Temperatur Terhadap Panas Reaksi
Panas reaksi pada temperatur T2 (keadaan akhir) dapat ditentukan berdasarkan data panas reaksi pada temperatur T1 (keadaan awal) yang diketahui menurut korelasi.
di mana :
= Σ ni Cpi
Cpi = panas jenis komponen i
= panas reaksi molar pada temperatur T1 dan T2
Karena panas jenis Cp dari masing-masing komponen biasanya dinyatakan dalam bentuk fungsi temperatur yaitu :
Cp = α + β T + γ T2 di mana :
∆α = Σ ni α ∆β = Σ ni β ∆γ = Σ ni γ
d. Neraca Energi untuk Reaktor Batch
Hal yang pertama diperhatikan untuk menurunkan persamaan neraca energi di dalam reaktor batch adalah diketahui dahulu apakah sistim operasi pada volume konstan atau pada tekanan konstan. Untuk keadaan yang pertama (volume konstan) setiap perubahan energi yang dialami sistim adalah ekivalen dengan perubahan energi dalamnya. Sedangkan untuk sistim yang kedua (tekanan tetap) setiap perubahan energi yang dialami sistim adalah ekivalen dengan perubahan entalpi.
Dengan demikian neraca energi untuk reaksi :
a A + b B r R + s S dapat dituliskan sebagai berikut :
Panas yang + Panas yang dihasilkan = Panas yang ... (13) masuk reaksi terakumulasi
Kedua prinsip diatas harus betul-betuk dipahami, walaupun di dalam perhitungan-perhitungan praktis seringkali hanya dipakai model persamaan (15), baik untuk sistim dengan volume tetap maupun sistim dengan tekanan tetap (konstan). Kesalahan yang terjadi relatif kecil sekali dan dapat diabaikan).
Reaktor Batch dengan Operasi Adiabatik
Dalam operasi adiabatik tidak ada sama sekali panas yang masuk maupun yang keluar dari sistim, atau :
Q = 0
Reaktor Batch dengan Operasi Isotermal
Temperatur adalah konstan selama berlangsung, yang berarti bahwa semua panas yang dihasilkan/diserap adalah sama dengan panas yang dipindahkan melalui dinding media pemindah panas, sehingga tidak ada akumulasi panas di dalam sistim.
Persamaan neraca energi untuk sistim operasi semacam ini adalah : Panas yang dihasilkan = Panas yang
reaksi dipindahkan
= - UA (Tk – T) ...(23)
di mana :
Tk = temperatur medium penukar panas T = temperatur reaksi
U = over all heat tranfer coefficient A = luas bidang penukar panas
Tk - T = perbedaan temperatur antara campuran reaksi dengan media penukar panas
Jika sebagai medium penukar panas dipakai suatu fluida yang mengalir di dalam pipa (heat exchanger), dengan temperatur masuk dan keluar masing-masing adalah Tk1 dan Tk2, maka perbedaan temperatur rata-rata antara medium pemindah panas dan campuran reaksi.
D. Neraca Massa pada Reactor
1. Neraca Massa dan Persamaan Karakteristik Reactor Alir Sumbat
Neraca massa pada reaktor alir pipa pada kondisi steady state sebagai berikut : CAo CAf
FAo FA FA+dFA FAf
XAo XA XA+dFA XAf vo dv vf
L
Gambar 7.1 Skema neraca masa di dalam reaktor alir pipa
FA = ( -rA ) dV + ( FA + dFA ) (1) A masuk = A yang hilang A yang keluar
karena reaksi
atau: - dFA = -rA dV (2)
karena - FA = FA0 ( 1 – XA ) maka persamaan (2) bisa ditulis dalam fungsi XA , menjadi
FA0 dXA = -rA dV (3)
atau,
dXA -rA -rA
---- = ---- = --- (4) dV FA0 υo CAo
Karena -rA merupakan fungsi dari XA, maka persamaan (4) biasanya ditulis sebagai berikut : dV dV dXA
---- = --- = --- (5)
FA0 υo CAo -rA
Besarnya konversi pada bagian keluaran (output) reaktor diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan 5 , untuk seluruh volume reaktor V dengan harga batas antara XAo dan XA, V XA dXA ---- = CAo ∫ --- (6) υo XA0 -rA dimana : V volume reaktor --- = --- = τp = space time υo laju alir umpan
Kebalikan dari space time adalah space velocity τs = 1/ τp , yaitu kecepatan alir umpan yang diizinkan per satuan volume reaktor untuk mendapatkan suatu harga konversi tertentu.
Persamaan (6) sekarang dapat dituliskan menjadi, XA dXA
τp = CAo ∫ --- (7) XA0 -rA
Persamaan (7) disebut sebagai persamaan karakteristik reaktor alir pipa ( plug-flow reactor, PFR) kalau dibuatkan plot antara CAo/-rA sebagai fungsi dari XA , maka τp merupakan luas bidang di bawah kurva dengan batas dari XAo sampai dengan XA1.
2. Volume campuran tetap selama reaksi
Kalau volume campuran tidak berubah selama reaksi berlangsung, maka space time (τp) adalah identik dengan waktu tinggal campuran tersebut di dalam reaktor. Untuk keadaan yang seperti ini persamaannya dapat ditulis sebagai berikut:
CA CA
τp = ∫ CAo dXA / -rA = ∫ dCA/ -rA ( 8 ) CAo CAo
Harga τp yang diperoleh adalah ekivalen dengan waktu reaksi t di dalam sistim reaktor batch.
3. Volume campuran berubah selama reaksi
Berubahnya volume campuran karena adanya reaksi kimia akan mengakibatkan berubahnya laju alir campuran di setiap titik sepanjang reaktor. Besarnya perubahan ini akan tergantung pada derajat konversi yang di capai pada titik-titik tersebut. Makin jauh titik yang ditinjau dari titik inputnya, maka makin besar pula derajat konversinya sehingga laju alir volumenya akan makin berbeda dari laju alir volume asalnya.
Hubungan antara laju alir pada suatu konversi ( υ ) terhadap laju alir asal (υo) adalah identik dengan hubungan antara volume campuran ( V ) dengan volume campuran asal ( Vo) untuk reaktor batch yaitu :
υ = υo ( 1 + εA XA ) ( 9 )
VXA =1 – VXA= 0
dimana εA = --- (10)
VXA=0
Adanya perubahan laju alir ini akan secara langsung mempengaruhi banyaknya hasil reaksi yang terjadi. Secara kuantitatif, pengaruh perubahan volume terhadap hasil yang diperoleh da diturunkan berdasarkan persamaan 7.
XA dXA τp = CAo ∫ XA0 -rA
Karena Vp dan υo mempunyai harga – harga yang sudah tertentu , maka space time (τp) akan selalu konstan dan tidak dipengaruhi oleh ada atau tidaknya perubahan volume campuran selam areaksi . Variabel yang dipengaruhi oleh adanya perubahan ini hanyalah – rA yang merupakan fungsi dari CA.
Misalnya untuk reaksi orde n.
-rA = k CAn (11) FA NA dimana CA = --- (12) ( ingat CA ≠ --- ) υ Vreaktor FA0 ( 1- XA) CA = --- (13) νo ( 1+ εAXA)
Korelasi antara space time ( τp ) dengan XA diperoleh dengan memasukkan persamaan 11 dengan 7-13 ke dalam persamaan 7, yaitu :
XA dXA τp = CAo ∫ --- (14 ) 0 n ( 1 – XA )n k CAo ( 1 + εAXA )n Atau, CAo1-n XA ( 1 + εAXA )n τp = --- ∫ --- d XA (15) k 0 ( 1 – XA )n
Harga τp ini sering dipakai di dalam perhitungan perhitungan desain suatu reaktor alir pipa, walaupun secara fisis besaran ini tidak menunjukkan waktu reaksi di dalam reaktor. Waktun reaksi yang dimaksud biasanya dituangkan dalam besaran waktu yang lain yang disebut waktu tinggal rata-rata campuran di dalam reaktor, dengan definisi sebagai berikut:
V
τ rata-rata = ∫ dV / υ = waktu tinggal rata-rata (16) 0
Hubungan τ rata-rata dengan XA diperoleh berdasarkan neraca massa komponen A di dalam reaktor :
d V ( -rA ) = FAo dXA (17) atau,
FAo dXA
dV = --- (18)
( -rA )
Karena υ merupakan fungsi XA menurut persamaan 7-9, maka waktu tinggal rata-rata campuran di dalam reaktor dapat dinyatakan sebagai berikut :
XA FAo dXA τ rata-rata = V/ υ = ∫ --- (19) 0 υo ( 1 + εA XA ) ( -rA ) atau XA dXA τ rata-rata = CAo ∫ --- (20) 0 ( 1 + εA XA ) ( -rA )
Bila volume campuran berubah sesuai dengan konversi reaksi maka untuk :
1) Reaksi orde nol
XA dXA XA dXA
τ rata-rata = CAo ∫ --- = CAo ∫ --- (21) 0 ( -rA ) 0 k
2) Reaksi orde satu irreversibel
A Produk dengan -rA = k CA NA NA0 ( 1 – XA ) ( 1 – XA ) CA = --- = --- = CA0 --- (22) V Vo ( 1 + εA XA) ( 1 + εAXA ) sehingga : XA dXA XA dXA τ rata-rata = CAo ∫ --- = CAo ∫ --- (23) 0 ( -rA ) 0 k CAo ( 1-XA )/ ( 1 + εAXA )
XA ( 1 + εAXA ) dXA = 1/k ∫ --- 0 ( 1-XA )
k τ = - ( 1 + εAXA ) ln ( 1 – XA ) - εAXA (24)
3) Reaksi orde satu reversible
A r R, dengan M = CR0 / CAo
- rA = k1 CA - k2 CR dan XAe = konversi reaksi pada kesetimbangan
XA dXA τ rata-rata = CAo ∫ --- (25) 0 k1 CA - k2 CR XA dXA τ rata-rata = CAo ∫ --- 0 k1 ( CA0 - CA0 XA ) - k2 ( CA0 M + CA0 XA ) M + r XAe XA k 1 τ rata-rata = --- [ - ( 1 + εAXA ) ln ( 1 - --- ) - εAXA ) (7-26) M + r XAe
SESI TANYA JAWAB
1. Aplikasi dalam menggunakan reaktor dalam proses batch, kontinyu, dan semi batch (Aqiila)
Jawab :
a. Proses Batch biasanyasangatcocokdigunakanuntukproduksiberkapasitaskecil seperti dalam bidang farmasi pembuatan obat. Dimana inputnya sudah ditentukan. b. Proses Kontinyu biasanya dioperasikan pada kondisi steady dimana arus aliran
masuk sama dengan arus aliran yang keluar. Aplikasinya dalam industri perminyakan seperti pertamina
c. Semi Batch merupakan gabungan dari batch dan kontinyu biasanya diaplikasikan dalam fermentasi alkohol dimana ragi yang ditambahkan secara batch, sedangkan CO₂ yang dihasilkan secara kontinyu
2. Jelaskan apa itu reaktor pipa dan aplikasinya dalam industri (Siti Rahayu) Jawab :
Reaktor pipa merupakan suatu alat yang digunakan untuk mereaksikan suatu fluida dan mengubahnya menjadi produk dengan cara mengalirkan fluida tersebut dalam pipa secara berkelanjutan. Aplikasinya seperti pada reaktor pipa alir ( Plug Flow Reactor) dalam mereaksi suatu senyawa
3. Apa perbedaan reaktor pipa dengan reaktor pipa alir (Guhartini) Jawab :
Reaktor pipa merupakan pembagian reaktor berdasarkan bentuk. Contoh dari reaktor pipa ini merupakan reaktor pipa alir. Jadi tidak ada perbedaan antara reaktor pipa dan reaktor pipa alir karena reaktor pipa alir merupakan contoh dari reaktor pipa.
4. Apabila distribusi dalam suatu reaktor terlambat apa yang akan terjadi pada reaktor tersebut. ( Hikma Turiya)
Jawab :
Pabrik pasti sudah memiliki antisipasi tersendiri terhadap hal-hal yang tidak menguntungkan pada suatu reaktor. Apabila pendistribusian mengalami kendala dan reaktor tidak dapat menampung lama bahan tersebut maka industri akan mengirimkan bahan dalam suatu feed atau tempat penyimpanan dan apabila tidak ada tempat penyimpanan maka yang akan terjadi reaktor akan mengalami kerusakan sesuai dengan sifat fisik dari bahan kimia tersebut.
5. Sebutkan bahan pembuatan reaktor dan desain bentuk dari reaktor kimia (Julian Irawan )
Jawab :
Bahan pembuat reaktor adalah baja, stainless, dan baja berlapis kaca. Desain bentuk dari reaktor kimia adalah bentuk pipa dan tabung.
6. Jelaskan dan beri contoh reaktor serie dan paralel, dan perbedaannya dengan reaktor lain ( Fikyh Hariansyah )
Jawab :
Reaktor serie dan paralel merupakan reaktor – reaktor yang dioperasikan dengan rangkaian serie atau paralel. Tidak ada perbedaan antara reaktor serie-paralel dengan reaktor yang lain, karena yang digunakan hanya reaktor kimia biasa dan umum digunakan hanya berbeda dalam susunan rangkaian pada saat pengoperasian saja.
Contoh dari reaktor serie dan paralel : - Reaktor aliran plug dalam susunan serie - CSTR susunan serie
- Reaktor aliran plug dalam susunan paralel - CSTR susunan seri.
DAFTAR PUSTAKA - http://dokumen.tips/documents/makalah-reaktor.html - http://dokumen.tips/documents/reaktor-558f323d4c697.html - http://dokumen.tips/documents/reaktor-558dd5ef9d844.html - http://dokumen.tips/documents/reaktor-558b08adecdd4.html - http://dokumen.tips/documents/reaktor-55c9c8d42ab1c.html - http://dokumen.tips/documents/reaktor-558b08adecdd4.html
