• Tidak ada hasil yang ditemukan

LAPORAN TUGAS BESAR MATA KULIAH MODEL DA (2)

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2018

Membagikan "LAPORAN TUGAS BESAR MATA KULIAH MODEL DA (2)"

Copied!
12
0
0

Teks penuh

(1)

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. Kartika Cintya Sulistyani NIM : 21030114120029 2. Fadillah Fathir Mahmud Fofana NIM : 21030114140173

DEPARTEMEN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO

(2)

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Teknik kimia ( chemical engineering) merupakan salah satu cabang dari ilmu teknik atau rekayasa yang mempelajari pemrosesan bahan mentahmenjadi barang yang lebih berguna, 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.

(3)

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

(4)

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,

(5)

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)

(6)

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.

(7)

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 O-Xylene 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.

∆Go = ∆Go produk - ∆Go reaktan

= 29,925 kcal/mol – 29,177 kcal/mol

= -225 kcal/mol

∆Go = -RT ln K

ln K1 = -∆Go / RT

= -225 kcal/kmol / (1,987 kcal/kmol K x 298 K)

= - 0,37998 K1 = 0,6838

(8)

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)

(9)

melalui reaksi parallel atau reaksi seri. Reaksi parallel adalah reaksi di mana reaktan akan bergerak ke 2 arah reaksi yang berbeda seperti

A  B A  C

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

A  B  C

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 = (∆Hof

298 p-xylene) – (∆Hof298 o-xylene)

(10)

Dengan demikian reaksi yang berlangsung adalah reaksi eksotermis yang menghasilkan panas.

∆Go = ∆Go produk - ∆Go reaktan

= 29,925 kcal/mol – 29,177 kcal/mol

= -225 kcal/mol

∆Go = -RT ln K

ln K1 = -∆Go / 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 ortho-xylene 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

(11)

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.

(12)

Properties m- Xylene o- Xylene p- Xylene

Gf(298)(Kjoule/mol) : 118,87 122,09 121,13

Gambar

Gambar 2.1 Tiga jenis reaktor ideal: (a) reaktor BR, (b) reaktor PFR, (c) reaktor CSTR
Gambar 2.2 skema reaksi Isomerisasi O- Xylene menjadi P- Xyelene

Referensi

Dokumen terkait

Berdasarkan hasil validasi terhadap modul maka dapat disimpulkan bahwa modul pembelajaran simulasi virtual PhET pada materi listrik dinamis sudah valid dan layak

Metode penelitian kuantitatif dapat diartikan sebagai metode penelitian yang berlandaskan pada filsafat positivisme, digunakan untuk meneliti pada populasi atau

Grafik Pengaruh Lama Perendaman dan Konsentrasi Asap Cair terhadap nilai Aktivitas Air (A w ) pada Ikan Tongkol. (Euthynnus affinis) hari ke

Berdasarkan hasil penelitian dan pembahasan, peneliti menyimpulkan sebagai berikut : (1) perencanaan praktik kerja industri merupakan tahap yang sangat penting

Sistem analisis sentimen pada ulasan produk online menggunakan metode Naive Bayes ini dapat menggunakan metode lain untuk memperoleh hasil prediksi yang lebih baik. Sistem

Pegadaian (Persero) terjadi karena nasabah tidak melakukan pembayaran pinjaman atau penebusan barang jaminan pada tanggal jatuh tempo yang sudah ditentukan.. Pegadaian (Persero)

Untuk menghasilkan leopard gecko dengan harga yang lebih tinggi di pasaran dapat dilakukan dengan menyilangkan leopard gecko dengan fenotip yang berbeda untuk mendapatkan

Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui: 1) pengaruh toleransi risiko terhadap minat berwirausaha orang muda katholik gereja Santa Maria Assumpta Klaten, 2)