LAPORAN TUGAS BESAR

MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

PEMODELAN CSTR REACTOR ADIABATIS UNTUK REAKSI PEMBENTUKAN

MALEIC MENGGUNAKAN PROGRAM SCILAB 5.1.1

Oleh:

NAUFAL RILANDA NIM : 21030113120004

MARIA VALENTINA NIM : 21030113120012

JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS DIPONEGORO

SEMARANG

2015

BAB I

PENDAHULUAN

I.1. LATAR BELAKANG

Teknik Kimia (Chemical Engineering) berurusan dengan upaya-upaya penerapan ilmu – ilmu matematika, fisika, kimia, serta biologi untuk merancang dan mengoperasikan proses untuk mengubah/mengkonversi bahan baku menjadi produk bernilai tambah pada skala komersial (Samadhi, 2014). Teknik kimia berhubungan erat dengan perancangan reaktor yang salah satu didalamnya terdapat perhitungan neraca massa dan neraca panas, kinetika reaksi, pemilihan reaktor Banyak metode yang dapat digunakan untuk menyelesaikan kasus yang berhubungan dengan reaksi dan reactor. Metode numerik merupakan salah satu metode untuk menyelesaikan permasalahan model matematis dari berbagai bidang.

Tugas dari saintis maupun ahi teknik adalah mempresentasikan bagian dari fenomena alam dalam suatu bentuk model yang sederhana dan memprediksi dengan model tersebut sehingga hasilnya dapat digunakan untuk mengendalikan sistem baik dalam skala model maupun yang lebih besar. Model dapat berbentuk fisik dan non fisik, seperti model matematis. Model matematis disusun berdasarkan dua pendekatan. Pendekatan pertama disusun berdasarkan sekumpulan teori yang masih relevan dan pendekatan kedua berdasarkan data yang didapat dari lapangan (Sasongko,2010).

Penyelesaian model matematis dengan metode numerik ini tidak lepas dari aplikasi pemograman komputer. Scilab merupakan perangkat lunak yang bebas biaya (free of charge) yang dapat di download dari http://:www.scilab.org (Sasongko,2010). Perangkat lunak ini hampir mirip dengan perangkat lunak Matlab yaitu penyelesaian sistem persamaan berbasis matrik. Hanya saja perangkat lunak ini masih relatif baru dibandingkan dengan program pendahulunya (Sasongko,2008).

I.2. Rumusan Masalah

Model matematis dapat menggambarkan kinerja dari suatu proses. Namun, model matematis tidak akan mempunyai arti jika proses penyelesaiannya sulit. Penyelesaian model atau persamaan matematis dapat dikategorikan menjadi dua, yaitu penyelesaian secara analitis yang menghasilkan hasil eksak dan penyelesaian secara pendekatan atau yang dikenal dengan penyelesaian secara numeris.Sedangkan selisih antara hasil eksak dan hasil pendekatan merupakan tingkat kesalahan (error). Untuk memperoleh hasil yang lebih akurat dan memerlukan waktu yang relatif cepat maka digunakan pemrogaman computer sebagai alat bantu (Sasongko,2010). Pada tugas ini akan digunakan program Scilab 5.1.1 untuk merancang Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) memproduksi maleic anhydride dengan proses oksidasi dengan oksigen berlebih.

I.3. Tujuan 1. Membuat program komputasi untuk merancang Continuous Stirred Tank

Reactor(CSTR) dalam produksi maleic anhydride dengan proses oksidasi benzena

dengan oksigen berlebih menggunakan scilab 5.1.1.

2. Mensimulasikan program komputasi untuk merancang Continous Stirer Tank

Reaktor dalam produksi maleic anhydride dengan proses oksidasi benzena dengan

oksigen berlebih menggunakan scilab 5.1.1.

3. Mencari nilai k pada perancangan reaktor CSTR produksi maleic anhydride

menggunakan scilab 5.1.1

4. Menentukan V optimal pada perancangan reaktor CSTR produksi maleic

anhydride menggunakan scilab 5.1.1

I.4. Manfaat

1. Mahasiswa mampu membuat program komputasi untuk merancang Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR) memproduksi maleic anhydride dengan proses oksidasi dengan oksigen berlebih dengan scilab 5.1.1

2. Mahasiswa mampu untuk merancang Continous Stirer Tank Reaktor pada proses oksidasi dengan oksigen berlebij dengan scilab 5.1.1

3. Mampu mampu mencari nilai k pada perancangan reaktor CSTR adiabatis produksi maleic anhydride menggunakan scilab 5.1.1

4. Mampu menentukan V optimal pada perancangan reaktor CSTR adiabatic produksi maleic anhydride menggunakan scilab 5.1.1

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

II.1. Dasar Teori

2.1.1 Reaktor Kimia

Reaktor merupakan alat utama pada industri yang digunakan untuk proses kimia

yaitu untuk mengubah bahan baku menjadi produk. Ada beberapa jenis reaktor yang

digunakan dalam industri kimia, antara lain: Reaktor Alir Tangki berpengaduk (RATB),

Reaktor Alir Pipa (RAP), Fluidized Bed Reactor ( Westerterp, Swaij and Beenackers;

1994).

Pada reaktor alir pipa atau plug flow reactor, campuran reaktan dan produk

mengalir dengan profil kecepatan yang benar-benar rata. Kecepatan alir dan konsentrasi

adalah seragam di seluruh jari-jari pada setiap penempang reaktor dan tidak ada difusi

longitudinal baik dari reaktan maupun produknya. Pada prakteknya, hipotesa aliran

dalam reaktor alir pipa ini biasanya cocok untuk reaktor-reaktor berbentuk tabung

dimana aliran fluidanya betul-betul turbulen atau untuk jenis reaktor fixed bed yang

berisi “packing“. Jika dalam reaktor alir pipa diisi dengan katalis padat disebut reaktor

fixed bed atau fluidized bed (Westerterp, Swaji and Beenackers, 1994).

Reaktor CSTR atau sering disebut dengan reaktor alir tangki berpengaduk ialah

jenis reaktor yang memiliki bagian utama tangki dan pengaduk. Pada umumnya reaktor

ini dilengkapi dengan saluran masuk dan keluar, penghalang, dan pelengkapan lain

sesuai dengan peruntukkannya misalnya tutup, termometer, dan pemanas atau pendingin

(Undari et al., 2009).

Pada perhitungan-perhitungan yang terkait dengan penggunaan reaktor alir

kimia dalam industri, umumnya didekati dengan keadaan ideal. Pada reaktor alir tangki

berpengaduk keadaan ideal berarti waktu tinggal setiap komponen di dalam reaktor itu

adalah sama serta komposisi yang keluar dari reaktor sama dengan komposisi di dalam

reaktor (Undari et al., 2009).

Pengadukan pada masing-masing tangki dilakukan secara kontinu sehingga

diperoleh suatu keadaan dimana 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 (Saaby,

Knudsen, Ladlow, & Ley, 2005).

Konsentrasi di dalam reaktor tangki ideal disetiap titik didalam reaktor adalah

sama, sehingga keceptan reaksi tidak dipengaruhi oleh posisi campuran di dalam

reaktor. Neraca massa di dalam reaktor alir tangki berpengaduk ialah :

Input = output + energi yang hilang karena reaksi + akumulasi.........................(1)

Jika F A0=v0C A0 adalah kecepatan molar umpan dari komponen A dalam reaktor,

maka

Input A, mol/waktu = F A 0=F A 0 (1−X A 0 )...........................................................(2)

Output A, mol/waktu = F A=F A0 (1−X A )...........................................................(3)

Energi yang hilang akibat reaksi, mol/waktu = (−r A ) V .....................................(4)

Dari ketiga persamaan diatas, didapatkan rumus

F A 0 X A=(−r A ).....................................................................................................(5)

(Levenspiel, 1999)

2.1.2. Kondisi Operasi Reaktor Proses adiabatik adalah suatu proses dimana tidak ada perpindahan panas antara

sistem dengan sekelilingnya, dimana dQ=0. Reaksi adiabatis adalah reaksi yang

dijalankan dalam suatu tempat dimana tidak ada panas yang ditambahkan atau

dihilangkan (Ness,2010). Sedangkan reaksi non adiabatis adalah reaksi kimia yang

melepaskan atau menyerap panas dari pemanas atau pendingin. Penentuan reaksi non

adiabatis dapat diketahui dari ada tidaknya penggunaan pemanas atau jaket pendingin

pada reaktor. Reaktor adiabatis dijalankan dalam reaktor tanpa pemanas maupun

pendingin. Jika reaksi bersifat endotermis atau membutuhkan panas maka reaksi akan

menurunkan suhu produk reaktor. Sedangkan untuk reaksi bersifat eksotermis yang

menghasilkan panas maka rekasi akan menaikkan suhu produk reactor.

Neraca Panas reaksi adiabatis :

∆ H R=0...............................................................................................................(6)

∆ H R=Q 1+Q 2+Q3...........................................................................................(7)

(Ness, 2010).

2.1.3. Menentukan Sifat Reaksi Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan eksotermis atau endotermis maka

perlu perhitungan dengan menggunakan panas pembentukan standar (∆H0f) pada 1 atm

dan 298 K dari reaktan dan produk. ∆H0r298= ∆H0

fproduk - ∆H0freaktan. (Smith, et all.,

2001)

Jika ∆H = (-) maka reaksi bersifat eksotermis, sedangkanjika ∆H = (+) maka

reaksi bersifat endotermis.

∆H0f298= ∆H0

fproduk - ∆H0freaktan.

Contoh : 2H2(g) + O2(g) 2H2O(g)

Dari tabel C4 Smith Vannes diketahui :ΔHo

f298H2 = 0ΔHo

f298 O2 = 0ΔHo

f298 H2O = -241818

ΔH = Δ Hproduk – ΔH reaktan = 2(-241818)-0 = - 483636 (Eksotermis )

2.1.4 Reaksi Reversible dan Reaksi Irreversible

A. Reaksi reversible

Reaksi reversible adalah suatu reaksi yang berlangsung dalam dua arah. Zat hasil reaksi dapat bereaksi kembali membentuk reaktan. Misalnya reaksi pembentukan ammonia dari gas hydrogen dan gas nitrogen.

(Susila,2009)

B. Reaksi irreversible

Reaksi irreversible adalah suatu reaksi yang berlangsung dalam satu arah. Zat hasil reaksi tidak dapat bereaksi kembali membentuk reaktan. Misalnya reaksi pembentukan garam klorida dari asam klorida dan natrium hijdroksida.

(Susila,2009)

2.1.5 Molekularitas Reaksi

Molekularitas pada reaksi kimia didefenisikan sebagai jumlah molekul pereaksi

yang ikut serta pada reaksi sederhana yang sesuai pada tahap dasar. Umumnya reaksi

dasar memiliki satu atau dua molekularitas, meskipun beberapa reaksi meliputi tiga

molekul yang bertumbukan secara serentak mempuyai tiga molekularitas, dan pada hal

yang sangat jarang terdapat empat molekularitas.

Reaksi bimolekular adalah satu reaksi dimana dua molekul pereaksi yang sama

atau tidak bergabung menghasilkan satu atau sejumlah molekul produk. Mereka adalah

reaksi-reaksi asosiasi (kebalikan reaksi dekomposisi).

A+B → AB

2 A → A2

Atau reaksi pertukaran

A+B →C+D

2 A →C+ D

Reaksi unimolekuler hanya terdiri dari satu molekul yang terbentuk dari

transformasi atau diasosiasi satu atau beberapa molekul lain. Beberapa reaksi

membutuhkan energi dari cahaya atau panas. Sebuah contoh dari reaksi unimolekuler

adalah isomerisasi cis-trans, dimana sebuah senyawa bentuk cis akan berubah menjadi

bentuk trans.

Pada reaksi unimolekuler, molekul reaktan tunggal terisomerisasi atau

terdekomposisi untuk menghasilkan satu atau lebih produk. Dalam teori laju reaksi,

keadaan transisi atau komplek teraktivasi memiliki konfigurasi yang sama terhadap

reaktan sehingga prosesnya dapat direpresentasikan dengan:

A A+ produk

Pada tahun 1922 Lindemann memperlihatkan bahwa reaksi unimolekuler benar

memperoleh energi aktivasinya melalui tumbukan bimolekuler, tetapi ini bisa memicu

kinetika orde satu kecuali pada tekanan rendah.

Teori Lindemann mengasumsikan bahwa molekul reaktan teraktivasi oleh

tumbukan satu sama lain, yaitu dengan tumbukan bimokuler. Lindemann menyatakan

bahwa ada selang waktu (time lag) antara aktivasi dan reaksi dari molekul-molekul

berenergi untuk menghasilkan produk. Sebagai konsekuensinya, kebanyakan molekul

berenergi bertabrakan dengan molekul reaktan normal sebelum mereka dapat bereaksi,

hilangnya kelebihan energi dan terdeaktivasi. Jika laju deaktivasi lebih besar dibanding

dekomposisi unimolekuler, maka molekul berenergi dapat menghasilkan produk,

dimana molekul berenergi berada dalam kesetimbangan dengan molekul normal.

Kesetimbangan dihasilkan dalam keadaan stasioner atau konsentrasi steady-state dari

molekul-molekul berenergi, yaitu konsentrasinya tetap dan tidak berubah dengan

berjalannya waktu. Pada tekanan tinggi kondisi ini dapat terpenuhi dan konsentrasi

steady-state dari molekul berenergi proporsional terhadap konsentrasi molekul normal.

Laju reaksi, diberikan oleh laju konversi molekul berenergi menjadi produk,

proporsional terhadap konsentrasi molekul berenergi dan konsekuensinya juga terhadap

konsentrasi molekul normal. Oleh karena itu pada tekanan tinggi, reaksi adalah orde

satu.

Mekanisme reaksi dapat direpresentasikan dengan proses berikut :

Aktivasik1

A + A A* + A

Deaktivasi

A* + A A + A

Dekomposisi unimolekuler

A* Produk

Dimana A dan A* mewakili masing-masing molekul normal dan molekul berenergi

(Levenspiel, 1999).

2.1.6 Jenis reaksi

a. Reaksi seri

Reaksi seri atau reaksi konsekutif yaitu dari reaktan terbentuk produk antara yang aktif kemudian lebih lanjut berubah menjadi produk lain yang stabil.

Contoh :

A R S

Reaksi seri yang terkenal pada skala industri adalah reaksi antara etilen-oksid dan ammonia berurutan terbentuk mono-etanol-amin, kemudian reaksi berlanjut terbentuk di-etanol-amin dan produk akhir adalah tri-etanol-amin.

C2H4O + NH3 HOCH2CH2NH2

(HOCH2CH2NH)2NH (HOCH2CH2)3N

Reaksi ganda yang melibatkan reaksi seri dan reaksi paralel :

Contoh :

k2k1

E Ok1

E O

k-1

k2

A + B C + D

A + C E

Reaksi yang melibatkan reaksi paralel dan reaksi seri yang terjadi pada skala industri adalah pembentukan butadiena dari etanol :

C2H5OH C2H4 + H2O

C2H5OH CH3CHO + H2

C2H4 + CH3CHO C4H6 + H2O

(Levenspiel,1999)

b. Reaksi paralel

Reaksi paralel atau reaksi samping (competitive reaction) yaitu dari reaktan yang sama dihasilkan produk yang berbeda melalui jalur reaksi yang berbeda pula.

Contoh :

A R R

atau A

A S S

Contoh reaksi paralel yang cukup terkenal pada skala industri adalah reaksi oksidasi terhadap etilen akan dihasilkan produk yang diinginkan adalah etilen oksid sementara selama terjadi reaksi oksidasi sebagian etilen terbakar sempurna dan dihasilkan produk yang tidak diinginkan adalah uap air dan karbon dioksida.

C2H4 + ½ O2 C2H4O

k1

k2

k1

k2 k2

k1

C2H4 + 3 O2 2CO2 + 2 H2O

(Levenspiel,1999)

2.2 Studi kasus

Proses oksidasi benzena merupakan cara paling lama yang digunakan untuk

memproduksi maleic anhydride. Karena reaksi yang berjalan sangat eksotermis maka

menggunakan katalis padat vanadium oxide yang diletakkan dalam multitube dengan

pendingin dari suatau larutan yang disirkulasi melalui shell side dari reaktor.

Reaksi:

C6H6 + 4,5 O2C4H2O3 + 2 CO2 + 2 H2O

Reaksi samping:

C6H6 + 7,5 O2 6 CO2 + 3 H2O

Recovery gas maleic anhydride yang terbentuk dicairkan dengan mengunakan

kondensasi parsial, sedangkan gas yang belum terkondensasi dialirkan ke scrubber

untuk dicuci sebagai maleic anhydride dan proses selanjutnya dilakukan proses

pemurnian. Dalam proses recovery timbul satu permasalahan dimana terjadi isomerisasi

maleic anhydride yang pada akhirnya akan menghasilkan fumaric acid. Isomerisasi ini

dapat dihindari dengan menggunakan waktu tinggal yang lebih pendek (Kirk & Othmer,

1978).

2.2.1 Kondisi Operasi

Dalam pembentukan maleic anhydride dengan reaksi oksidasi merupakan reaksi

eksotermis.Panas eksotemis reaksi yaitu 390-430oC. Reaksi benzena menjadi maleic

anhydride mencapai yeild maksimum pada konversi 85% (Krick & Othmer, 1978).

2.2.2 Tinjauan Termodinamika

Reaksi utama yang terjadi yaitu:

C6H6 + 4,5 O2C4H2O3 + 2 CO2 + 2 H2O

Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan eksotermis atau endotermis maka

perlu perhitungan dengan menggunakan panas pembentukan standar (∆H0f) pada 1 atm

dan 298 K dari reaktan dan produk. ∆H0r298= ∆H0

fproduk - ∆H0freaktan.

Diketahui data-data pada suhu kamar:

∆H0fC6H6 = 82,93 kJ/molK

∆H0fC4H2O3 = -398,30 kJ/mol

∆H0fH2O = -241,80 kJ/mol

∆H0fCO2 = -17,24 kJ/molK

∆H0fO2 = 0 kJ/ molK

Jika ∆H = (-) maka reaksi bersifat eksotermis, sedang kanjika ∆H = (+) maka

reaksi bersifat endotermis.

Untuk reaksi ini:

∆H0r298 = ∆H0

fproduk - ∆H0freaktan

= (∆H0fC4H2O3 + 2 x ∆H0

fH2O+ 2 x ∆H0fCO2)– (∆H0

fC6H6+ ∆H0fO2)

= (-398,30+ 2 x -241,80 + 2 x -17,24 ) –(82,93+ 0)

= -999,31 kJ/kmol

Dengan demikian reaksi yang berlangsung adalah reaksi eksotermis atau melepas

panas.

2.2.3 Tinjauan Kinetika

Ditinjau dari energy bebas Gibbs (∆G0f) pada suhu 298 K:

∆G0r298 = ∆G0

fproduk - ∆G0freaktan

Diketahui data-data pada suhu kamar:

∆G0fC6H6 = 129,66 kJ/mol

∆G0fH2O = -228,45 kJ/mol

∆G0fC4H2O3 = -355,60 kJ/mol

∆G0fCO2 = -394,4kJ/mol

∆G0fO2 = 0 kJ/ mol

Jika ∆G = (-) maka reaksi berlangsung, sedangkan jika ∆G = (+) maka

reaksi tidak terjadi.

∆G0r = ∆G0

f produk - ∆G0f reaktan

= (∆G0fC4H2O3 + 2x ∆G0

fCO2+ 2 x ∆G0fH2O)-( ∆G0

fC6H6 –∆G0fO2)

= (-355,60 + 2 x -394,4 + 2 x -228,45) – (129,66– 0)

∆G0r = -1730,96 kJ/mol

Ln K = - ∆G0r /(RT)

= 1730,96/ (0,00831 x 298)

K = 6,549

Harga konstanta keteimbangan besar, berarti reaksi yang berlangsung irreversible

(searah). Dengan demikian, reaksi oksidasi benzene adalah reaksi eksotermis dan

irreversible.

C6H6 + 4,5 O2C4H2O3 + 2 CO2 + 2 H2O

Persamaankecepatanreaksi:

-rT = k.CT0,5

Denganhargakonstantaberikut:

k = 1,436 x 103.e(-5051/T)

-rT = kecepatanreaksiperuraianToluena, kmol/m3.jam

CT = konsentrasiToluena, kmol/m3

k = konstantakecepatanreaksi, m6/(kmol.jam)

Dalam tugas ini akan dirancang adiabatic mixed flow reactor untuk produksi

paraxylene data-data awal sebagai berikut :

A. Mean Specific Heat (cp mean), T= 298 K-9973 K

Specific heat benzene : 111994,3 J/kmol.K

Specific heat Maleic Anhydride : 151250,3 J/kmol.K

Specific heat oxygen : 22066,17 J/kmol.K

Specific heat water vapor : 25290,70 J/kmol.K

Specific heat CO2 : 66325,32 J/kmol.K

(Bruce E Poling; George H. Thompson; Daniel G. Friend; Richard L Rowley; W.

Vincent Wilding, 2008)

B. Menentukan konsentrasi awal

Jenis reaktor yang dipakai adalah reaktor CSTR, dimana ada aliran masuk dan

keluar. Fase reaktan yang bereaksi adalah fase gas.

Fao

Fa

Ca

Cb

Ca0

GAS IDEAL KEC. ALIR BERVARIASI

Reaktor CSTR

Fase reaksi gas

C A 0=F AO

vO

FA=FAO(1-XA)

v=v o(1+εX A)PPO

T O

TV=

FAO X A

−r A

C A=C AO(1−X A)

(1+εX A)P0

PTT 0

FLOW

C A=F A

v