BAB I PENDAHULUAN. 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Reaktor tangki berpengaduk merupakan reaktor yang paling sering dijumpai dalam industri kimia. Pada industri berskala besar, reaktor alir tangki berpengaduk lebih sering diaplikasikan karena kemampuan operasinya yang dapat diatur kapasitasnya. Unjuk kerja reaktor alir berpengaduk perlu dipelajari untuk mengetahui karakteristik aliran fluida, reaksi yang terjadi secara optimasi pengoperasian reaktor. Pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk meliputi tiga tahap yaitu pengisian reaktor tinggi overflow, kondisi kontinyu dan kontinyu steady state. Evaluasi variabel-variabel operasi sangat mudah dilakukan pada kondisi steady state. Pemodelan matematik diperlukan untuk mempermudah analisa permasalahan yang timbul dalam pengoperasian reaktor alir tangki berpengaduk. Model matematika yang diusulkan diuji keakuratannya dengan membandingkan dengan data-data percobaan. Model matematika yang diusulkan diselesaikan dengan cara analisis jika persamaan itu mudah diselesaikan. Namun untuk reaksi yang kompleks akan diperoleh model matematika yang kompleks juga. Penyelesaian numerik sangat dianjurkan untuk memperoleh nilai k, tetapan transfer massa, dan orde reaksi yang merupakan adjustable parameter. 1.2 Tujuan Percobaan 1. Menentukan harga orde reaksi penyabunan etil asetat dengan NaOH. 2. Menghitung harga konstanta reaksi (k) penyabunan etil asetat dengan NaOH. 3. Mengetahui pengaruh variabel terhadap konstanta reaksi (k) penyabunan etil asetat dengan NaOH. 1

2 4. Membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model matematis reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu. 1.3 Manfaat Percobaan 1. Mahasiswa dapat menentukan harga orde reaksi penyabunan etil asetat dengan NaOH. 2. Mahasiswa dapat menghitung harga konstanta reaksi (k) penyabunan etil asetat dengan NaOH. 3. Mahasiswa mampu mengetahui pengaruh variabel pengadukan terhadap konstanta reaksi (k) penyabunan etil asetat dengan NaOH.. 4. Mahasiswa mampu membandingkan hasil percobaan dengan perhitungan model matematis reaksi penyabunan pada reaktor ideal aliran kontinyu. 2

3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1. REAKTOR BATCH Neraca bahan pada reaktor secara simultan input Reaktor output reaktan bereaksi akumulasi GambarII. 1 Bagan Neraca Massa Suatu Sistem input = 0 output = 0 Reaktan yang bereaksi = (-ra) Input = output + reaktan yang bereaksi + akumulasi 0 = 0 + v (-ra) + 0 = Vi (-ra) + 0 = Vi (-ra) d (NA) d[nao (1 XA)] NAo dxa (1) (2) (3) = NAo Vi ( ra) dxa (4) t = NAo XA dxa 0 Vi ( ra) (5) Pada volume konstan CA = CAo (1-XA) dca = -CAo.dXA (6) Pers. (6) masuk ke pers. (5) diperoleh 3

4 t = CAo XA dna 0 ra = - CA dca CAo ra (7) 2.2. REAKTOR IDEAL ALIRAN KONTINYU / REAKTOR ALIR TANGKI BERPENGADUK (CSTR) Tahapan yang terjadi pada reactor CSTR ini terbagi dalam 3 tahap proses, yaitu : a. Tahap Pertama Tahap pertama dimulai saat t = 0 sampai terjadi overflow Dari hukum kekekalan massa Akumulasi = input-output ρ dv = ρ Fo 0 (8) dv = Fo., pada t = 0 V = 0 karena density laju alir dianggap konstan maka volumenya hanya merupakan fungsi dari waktu. V = Fo. T (9) Sedangkan dari neraca komponen : Akumulasi = input output laju konsumsi karena reaksi d (V. C) = Fo. Co 0 V (-ra) (10) Dalam hal ini : V = volume bahan dalam reaktor (l) C = kondentrasi molar reaktan dalam reaktor (mol/l) Fo = laju alir reaktan masuk (l/ menit) Co = konsentrasi molar reaktan dalam feed (mol/l) t = waktu reaksi (menit) -ra = kecepatan reaksi (mol/menit) 4

5 Reaksi yang terjadi : A + B C + D - ra = k CA CB, karena CA = CB maka - ra = k CA 2 = k C 2 (11) Pers. (11) pers.(10) d (V. C) = Fo. Co V.k.C2 V dc + C dv = Fo. Co V.k.C2 (12) Pers. (9) pers. (12) Fo.t. dc + C.Fo = Fo.Co F.t.k.C2 (13) dc = Co - C - t t k.c2 (14) Dengan menggunakan boundary condition pada t=0, C = Co dan substitusi U = exp [k C ] maka pers.14 menjadi : t 2 d2 U + t du - k.u. Co. t = 0 (15) 2 Pers. (15) diubah menjadi fungsi Bessel dengan substitusi z = t 0,5, menjadi : z 2. d2 V 2 + z dv - 4.k.Co.z2.u = 0 (16) Pers. (16) merupakan modifikasi pers.bessel yang mempunyai bentuk umum sebagai berikut: x 2. d2 y 2 + x (a + 2bxr ) dy dx + [c + dx2s b(1-a-r) x.r + b 2.x 2.r].y = 0...(17) Dari pers.(5) didapatkan : a = 1 5

6 r = 0 p = 1 s (1 a)2 2 c = 0 b = 0 s = 0 p = 0 c = 0 d = -4.k.Co d s = imajiner Sehingga penyelesaian pers. (16) adalah : U = C1. zp. ( 4. k. Co. z) + Cz. zp.( 4. k. Co. z) (18) Pada t = 0, z = 0 zp = ~ Sehingga Cz = 0 U = C1. Zp ( 4. k. Co. z) Karena p = 0 dan d s = imaginer Maka = U = C1. I0 ( 4. k. Co. z) du = d dz C1. I0 ( 4. k. Co. z) (19) Dari Sherwood halaman 178 pers. (5.83) didapatkan du = C1. ( 4. k. Co. z) I0 ( 4. k. Co. z) (20) Dari substitusi semula, diperoleh : du = 2.k. Cz. C1. I0 ( 4. k. Co. z) (21) Maka pers. (14) dan (15) diperoleh : C1. ( 4. k. Co. z) I0 ( 4. k. Co. z) =k. C. C1. I0 ( 4. k. Co. z) C = ( 4.k.Co.z) I 0 ( 4.k.Co.z) k.c 2.C.I 0 ( 4.k.Co.z) C = C 0. T 1 (2 k.co.t) k.t.t 0 (2 k.co.t) (22) 6

7 b. Tahap Kedua Pada tahap ini proses berjalan kontinyu, namun belum tercapai kondisi steady state. Dapat dinyatakan dengan : C = f(t) dan V= konstan dv = 0 Dari neraca massa komponen diperoleh : d (V. C) = F.Co F.C k.v.c2 (23) V dc - C dv = F.Co F.C - k.v.c2 (24) Apabila T = t Ť waktu, menit Ť = V F konstanta waktu Pers. (24) menjadi dc = Co - C k. C 2 (25) Ť Ť Pada keadaan steady state C = Co Penyelesaian partikular pers. (25) adalah C Cs, dimana Cs adalah konsentrasi pada keadaan steady. Substitusikan C = Cs + 1 s Pers. (25) berubah menjadi pers.differential orde 1 yang mana dapat diselesaikan dengan metode factor integrasi C Co = 1 B.sxp (AT) K A (26) C1 adalah konsentrasi awal tiap tahap kedua yaitu pada saat t = Ť yang diperoleh dengan pengukuran konsentrasi contoh. c. Tahap Ketiga 7

8 Pada tahap ini proses berjalan dalam keadaan steady state dan akumulasi = 0 Dari neraca komponen, diperoleh : F Co = F.C + Vr (27) F Co = F.C + V.k.Cs 2 Co = Cs + V 2 k. Cs (29) F (28) k. Ť. Cs 2 + Cs Co = 0 (30) Apabila k diketahui maka Cs dapat diprediksikan. Sebaliknya apabila Cs diukur maka nilai k dapat dihitung. Pers. (30) merupakan persamaan aljabar biasa dan dapat diselesaikan dengan mudah TINJAUAN THERMODINAMIKA Reaksi = CH3COOC2H5 + NaOH CH3COONa + C2H5OH Untuk menetukan sifat reaksi apakah berjalan eksotermis / endotermis maka perlu membuktikan dengan menggunakan panas permbentukan standart ( Hf) pada 1 atm dan 298 K dari reaktan dan produk H298 = Hreaktan - Hproduk Diketahui data sebagai berikut : H CH3COOC2H5 H NaOH H CH3COONa H C2H5OH = J/mol = J/mol = J/mol = -235 J/mol Sehingga H reaksi = ( H CH3COONa + H C2H5OH) ( H CH3COOC2H5 + H NaOH ) = ( ) ( ) = J/mol 8

9 Karena H bernilai negative maka reaksi yang berlangsung adalah reaksi eksotermis yang menghasilkan panas. Reaksi = CH3COOC2H5 + NaOH CH3COONa + C2H5OH Untuk menentukan sifat reaksi apakah berjalan searah atau bolak balik dapat diketahui dari nilai konstanta keseimbangan reaksi. Pada suhu kamar diperoleh data : G CH3COOC2H5 G NaOH G CH3COONa G C2H5OH = J/mol = J/mol = J/mol = J/mol Sehingga, G reaksi = G produk - G reaktan = [ G CH3COONa + G C2H5OH] [ G CH3COOC2H5 + G NaOH] = [ ] J/mol [ ] = J/mol d dt ( G/RT) = H RT 2 G = RT ln K K pada standar 298 K = e ( G/RT) Dari data di atas diperoleh nilai konstanta keseimbangan pada temperature 298 K adalah 4,179 x Pada temperature operasi, harga K dihitung dengan persamaan: ln( K k ) = - H R (1 T 1 T 1 ) T = 27 o C (suhu ruang) = 300 K 9

10 ln( 4, k ) = ,987 ( k = x ) Karena harga konstanta keseimbangan kecil, maka reaksi berlangsung searah (irreversible) TINJAUAN KINETIKA Ditinjau dari kinetika reaksi, kecepatan reaksi saponifikasi etil asetat dengan NaOH akan makin besar dengan kenaikan suhu, adanya pengadukan dan perbedaan konsentrasi. Hal ini dapat dijelaskan oleh persamaan Arrhenius yaitu Dengan : k A T EA R = konstanta laju reaksi = faktor frekuensi tumbukan = suhu = Energi aktivasi = konstanta gas ideal = 1,98 cal/gm-mol. o K = 1,98 Btu/lb-mol. o R =82,06 cm 3.atm/gm-mol. o K Berdasarkan persamaan Arrhenius dapat dilihat bahwa konstanta laju reaksi dipengaruhi oleh nilai faktor frekuensi tumbukan, suhu,dan energi aktivasi SIFAT FISIS DAN KIMIA REAGEN 1) NaOH Sifat fisis : - Berat Molekul = 40 gr/mol - Titik didih = 134 C - Titik lebur = 318, 4 C - Berat jenis = 2, 130 gr/mol 10

11 - Kelarutan dalam 100 bagian air dingin 10 C = 42 - Kelarutan dalam 100 bagian air panas 100 C = 32 Sifat kimia : - Dengan Pb(NO3)2 membentuk endapan Pb(OH)2 yang larut dalam reagen excess, merupakan basa kuat, mudah larut dalam air. 2) Etil Asetat Sifat fisis : Berat jenis = 1, 356 gr/mol Titik didih = 85 C Berat molekul = 88 gr/mol Titik lebur = -111 C Sifat kimia: Bereaksi dengan Hg + membentuk endapan Hg2Cl2 putih yang tidak larut dalam air panas dan asam encer tetapi larut dalam ammonia encer dan KCN tiosulfat, beraksi dengan Pb 2+ membentuk PbCl2 putih, mudah menguap apabila dipanaskan. 3). HCl Sifat Fisika : 1. Massa atom : 36,45 2. Massa jenis : 3,21 gr/cm3. 3. Titik leleh : -1010C 4. Energi ionisasi : 1250 kj/mol 5. Kalor jenis : 0,115 kal/gr0c 6. Pada suhu kamar, HCl berbentuk gas yang tak berwarna 7. Berbau tajam. Sifat Kimia : 1.HCl akan berasap tebal di udara lembab. 2. Gasnya berwarna kuning kehijauan dan berbau merangsang. 3.Dapat larut dalam alkali hidroksida, kloroform, dan eter. 4.Merupakan oksidator kuat. 5.Berafinitas besar sekali terhadap unsur-unsur lainnya, sehingga dapat 6. Racun bagi pernapasan. 11

12 2.6. MENENTUKAN ORDE REAKSI Trial orde reaksi pada reaktor batch 1. Diberikan data waktu (t) dan Ca, Cao adalah Ca pada t=0 2. Membuat data -ln(ca/cao) dan 1/Ca 3. Pertama menebak orde reaksi pertama dengan membuat grafik - ln(ca/cao) vs t, hasil grafik harus lurus 4. A. Jika hasil grafik tidak lurus, maka menebak orde reaksi kedua dari grafik antara 1/Ca vs t, hasil grafik harus lurus. (Apabila Cao = Cbo) B. Jika hasil grafik tidak lurus, maka menebak orde reaksi kedua dari grafik antara ln Cb/Ca vs t, hasil grafik harus lurus. (Apabila Cao = Cbo) 5. Membentuk persamaan y = a + bx, a = intercept dan b = slope dari grafik log t vs ln Cao Gambar II.1. Grafik Trial Reaksi Orde 1 Gambar II.2 Grafik Trial Reaksi Orde 2 (Ca = Cb) Gambar II.3 Grafik Trial Orde 2 (Ca = Cb) Gambar II.4 Grafik Trial Orde n (Levenspiel. O., 1999) 12

13 2.7. MENGHITUNG HARGA KONSTANTA REAKSI PENYABUNAN (k) ETIL ASETAT DENGAN NaOH Reaksi : NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH Orde reaksi 2 A + B C + D Persamaan kecepatan reaksi: ra = dca dca = k. Ca2 dca = k. Ca2 Ca dca = k. Ca2 Cao = k. Ca. Cb dimana Ca=Cb 0 [ 1 Ca Ca ] = k. t Cao 1 Ca 1 = k. t Cao 1 1 = k. t + Ca Cao y = mx + c t Harga k didapat dari least square. Dimana harga k merupakan nilai dari m. Orde reaksi 1 ra = dca Ca = k. Ca dca = k. Ca Ca0 ln[ca] Ca = k. t Ca0 (ln Ca ln Ca0) = k. t 0 t (Levenspiel. O., 1970) 13

14 ln Ca = k. t Ca0 y = mx 14

15 BAB III METODE PERCOBAAN 3.1. Rancangan Percobaan Membuat perhitungan reagen Merangkai alat reaktor, secara proses batch dan kontinyu Melakukan percobaan batch, dengan memasukkan reagen ke reaktor sampai ketinggian 8 cm memasukkan reagen ke reaktor sampai ketinggian 8 cm. pompa masing reaktan ke dalam CSTR, dengan menjaga konstan laju alir Melakukan percobaan secara kontinyu Mengambil sampel 5 ml tiap 1,5 menit kemudian ditambahkan indikator MO 3 teteske sampel titrasi dengan HCL sampai merah orange Mengambil sampel 5 ml tiap 1,5 menit kemudian ditambahkan indikator MO 3 tetes ke sampel titrasi dengan HCL sampai merah orange Titrasi masing masing pada proses batch dan kontinyu diberhentikan sampai volume titran yang digunakan 3 kali konstan 15

16 3.2 Bahan dan Alat yang digunakan III.1.1 Bahan Yang Digunakan 1. NaOH 2. Etil asetat 3. HCl 4. Indikator MO 3 tetes 5. Aquadest III.1.2 Alat Yang Digunakan 1. Pipet 2. Thermometer 3. Magnetic stirer 4. Reaktor Batch 5. Gelas Ukur 6. Buret 7. Statif dan Klem 8. Erlenmeyer 9. Rangkaian alat reaktor aliran kontinyu 3.3 Gambar Rangkaian Alat Percobaan a. Proses Batch Gambar III.1 Gambar Alat Utama Proses Batch Keterangan : 1. Reaktor Batch 2. Stirer 3. Statif 16

17 b. Proses kontinyu Gambar III.2. Gambar Alat Utama Proses Kontinyu Keterangan : 1. Reaktor Kontinyu 2. Stirrer 3. Statif 4. Tangki Reaktor 3.4 VARIABEL PERCOBAAN Variabel Berubah Pengadukan : 1. Tanpa pengadukan 2. pengadukan sedang 3. pengadukan cepat Variabel Tetap - Konsentrasi NaOH 0.1 N 2 liter - Etil Asetat 0.1 N 2 liter - HCl 0.05 N 500 ml - Ketinggian reactor 8 cm - Pengambilan tiap 1.5 menit 17

18 - Perbandingan reaktan volume 1:1 - Suhu ruang 3.5. RESPON UJI HASIL Konsentrasi NaOH sisa yang dapat diamati dengan konsentrasi titran HCl sampai TAT PROSEDUR PERCOBAAN Percobaan Batch 1. Siapkan reagen yang dibutuhkan: etil asetat 0.1 N, HCl 0.05 N, dan NaOH 0.1 N. 2. Masukkan etil asetat 0.1 N dan NaOH 0.1 N dengan volume masing masing 1 liter 3. Ambil sampel 5 ml tiap 1.5 menit, kemudian tambahkan indikator MO 3 tetes ke dalam sampel dan titrasi dengan HCl sampai warna merah orange. Titrasi dihentikan sampai volume titran yang digunakan 3 kali konstan. 4. Dengan perhitungan dapat diperoleh nilai Ca (konsentrasi NaOH sisa). 5. Lakukan langkah 1 sampai 4 dengan variable yang berbeda. Percobaan Kontinyu 1. Siapkan reagen yang dibutuhkan: etil asetat 0.1 N, HCl 0.05 N, dan NaOH 0.1 N. 2. Masukkan etil asetat dan NaOH ke dalam tangki umpan masing-masing. 3. Pompa masing-masing reaktan ke dalam CSTR yang kosong dan menjaga konstan laju alirnya serta mereaksikannya. 4. Ambil sampel 5 ml tiap 1.5 menit, kemudian tambahkan indikator MO 3 tetes ke dalam sampel dan titrasi dengan HCl sampai warna merah orange. Titrasi dihentikan sampai volume titran yang digunakan 3 kali konstan. 5. Dengan perhitungan dapat diperoleh nilai Ca (konsentrasi NaOH sisa). 6. Lakukan langkah 1 sampai 5 dengan variabel yang berbeda. 18

19 DAFTAR PUSTAKA Levenspiel. O., Chemical reaction Engineering 3 rd ed, Mc. Graw Hill Book Kogakusha Ltd, Tokyo. 19