LAPORAN TUGAS BESAR MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES

Transkripsi

1 LAPORAN TUGAS BESAR MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES Perancangan dan Simulasi Reaktor CSTR Non Adiabatis Untuk Reaksi Dehidrogenasi Isopropanol Menjadi Aseton Menggunakan Program Scilab Disusun oleh : 1. Annizah Rahmatya Gerhana NIM Bastian Widodo NIM JURUSAN TEKNIK KIMIAFAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2015

2 HALAMAN PENGESAHAN LAPORANTUGAS BESAR MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES Judul :Perancangan dan Simulasi Reaktor CSTR Non Adiabatis Untuk Reaksi Dehidrogenasi Isopropanol Menjadi Aseton Menggunakan Program Scilab Nama/NIM : Annizah Rahmatya Gerhana / Nama/NIM : Bastian Widodo / Semarang, 18 Desember 2015 Telah Menyetujui Asisten Pengampu Cynthia Santoso NIM Model dan Komputasi Proses ii

3 KATA PENGANTAR Puji syukur kami panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa berkat rahmat dan hidayahnya sehingga kami dapat menyelesaikan Laporan Tugas Besar Mata Kuliah Model dan Komputasi Proses dengan judul Perancangan Dan Simulasi Reaktor CSTR Non Adiabatis Untuk Reaksi Dehidrogenasi Isopropanol Menjadi Aseton Menggunakan Program Scilab Penulis menyadari bahwa tanpa bantuan dan kerjasama dari berbagai pihak, maka laporan ini tidak akanterselesaikan. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis mengucapkan terimakasih kepada : 1. BapakDr. Ir. Setia Budi Sasongko dan Luqman Buchori, S.T., M.T. selaku dosen mata kuliah Model dan Komputasi Proses. 2. M. Barin Elyasa selaku koordinator asisten Laboratorium Komputasi Proses. 3. Cynthia Santoso selaku asisten pembimbing. 4. Segenap teman-teman yang telah memberikan dukungan baik materil maupun spiritual. Penulis berharap laporanini dapat bermanfaat dan menambah wawasan bagi segenap pembaca umumnya.penulis menyadari bahwa laporanini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu kritik dan saran dari berbagai pihak sangat diharapkan untuk menuju kesempurnaan laporanini. Semarang, November 2015 Penulis Model dan Komputasi Proses iii

4 DAFTAR ISI HALAMANJUDUL....i HALAMAN PENGESAHAN... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... iv DAFTAR TABEL... v DAFTAR GAMBAR... vi INTISARI... vii BAB IPENDAHULUAN Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Manfaat... 2 BAB II TINJAUAN PUSTAKA Dasar Teori Studi Kasus Pembuatan Aseton dari Dehidrogenasi Isopropanol... 6 BAB III METODE PENYELESAIAN Permodelan Algoritma Penyelesaian Logika Pemrograman Bahasa Pemrograman BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISA Hasil Simulasi Analisa Hasil BAB V PENUTUP Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA Model dan Komputasi Proses iv

5 DAFTAR TABEL Tabel 3. 1 Persamaan stoikiometri Model dan Komputasi Proses v

6 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Tiga jenis reaktor ideal: (a) reaktor BR, (b) reaktor PFR, (c) reaktor CSTR 6 Gambar 3. 1 Pemodelan reactor CSTR dengan jaket pendingin 11 Gambar 3. 2 Logika pemograman...16 Gambar 4. 1 Deklarasi console scilab hubungan konversi dengan volume 19 Gambar 4. 2 Deklarasi console Scilab grafik hubungan konversi dengan volume...19 Gambar 4. 3 Deklarasi console Scilab hubungan konversi dengan suhu...20 Gambar 4. 4 Deklarasi Console Scilab Grafik Hubungan Konversi dengan Suhu...20 Model dan Komputasi Proses vi

7 INTISARI Dalam teknik kimia, reaktor kimia adalah suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat dipelajari di teknik kimia. 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. 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. Berdasarkan uraian diatas, akan dilakukan perancangan dan simulasi reaktor tangki alir berpengaduk atau juga sering disebut CSTR pada kondisi non adiabatis untuk reaksi dehidrogenasi isopropanol menjadi aseton yang reaksinya bersifat endotermis dan irreversible. Perancangan dan simulasi disebut dilakukan menggunakan program Scilab Jenis reactor ideal ada tiga diantaranya Batch Reactor, Plug Flow Reaktor dan Continous Stirred Reactor. Klasifikasi jenis reaksi dibagi menjadi reaksi irreversible dan reversible, reaksi endothermis dan eksothermis, reaksi monomolekuler dan bimolekuler, reaksi adiabatic dan non adiabatic. Berdasar reaksi sampingnya dibagi menjadi reaksi seri dan reaksi parallel. Reaksi yang digunakan adalah reaksi dehidrogenasi isopropanol menjadi acetone. Diperoleh H = kj/mol sehingga reaksi merupakan reaksi endotermis. Nilai K atau konversi keseimbangan lebih dari 1 maka reaksi irreversible. Simulasi dilakukan dengan memperhitungkan neraca massa dari reactor CSTR, stoikiometri, dan neraca energy CSTR. Algoritma yang telah diperoleh dikonversi menjadi bahasa pemograman di Scilab dengan menambah variable yang diinginkan adalah konversi dengan range Variabel yang dicari adalah hubungan konversi terhadap volume reactor CSTR dan suhu dari reactor tersebut. Hasil simulasi menunjukan bahwa untuk konversi yang lebih tinggi maka diperlukan volume dan suhu yang lebih besar pada kondisi operasi dari reactor tersebut. Sebagai saran, diperlukan simulasi dengan reactor jenis yang lain sehingga dapat diperoleh hasil jenis reactor yang efisien dan optimal untuk digunakan dalam produksi acetone dari isopropanol dengan proses dehidrogenasi. Model dan Komputasi Proses vii

8 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Dalam teknik kimia, reaktor kimia adalah suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia. Rancangan dari reaktor ini tergantung dari banyak variabel yang dapat 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. Teknik Kimia adalah suatu cabang ilmu teknik/rekayasa yang mempelajari pemrosesan barang mentah menjadi barang yang berguna secara ekonomis, dengan langkah-langkah yang melibatkan peristiwa kimia, biologis dan /atau fisis sehingga mengalami perubahan tingkat wujud, kandungan energi, atau komposisi (HMTK AKPRIND, 2015). 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 (Teknik Kimia UI, 2011). Saat ini kebutuhan dunia akan Industri terus meningkat sehingga peran sarjana Teknik Kimia dalam perancangan pabrik sangat dibutuhkan untuk pembangunan berkelanjutan (sustainable development). Pabrik yang dirancang dapat berupa pabrik kimia, bioproses, makanan, dan masih banyak lainnya namun lebih fokus ke arah proses, baik meningkatkan kapasitas produksi maupun memperbaiki proses yang ada (FTI ITB, 2015). Salah satu perancangan yang dilakukan ialah perancangan reaktor. 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 Model dan Komputasi Proses 1

9 waktutinggal 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 Berdasarkan uraian diatas, akan dilakukan perancangan dan simulasi reaktor tangki alir berpengaduk atau juga sering disebut CSTR pada kondisi non adiabatis untuk reaksi dehidrogenasi isopropanol menjadi aseton yang reaksinya bersifat endotermis dan irreversible. Perancangan dan simulasi disebut dilakukan menggunakan program Scilab Tujuan 1. Dapat mengoperasikan software Scilab dengan benar 2. Dapat mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi terhadap volume 3. Dapat mensimulasikan dan menentukan profil hubungan suhu terhadap konversi 1.4 Manfaat 1. Mampu mengoperasikan software Scilab dengan benar 2. Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan konversi terhadap volume 3. Mampu mensimulasikan dan menentukan profil hubungan suhu terhadap konversi. Model dan Komputasi Proses 2

10 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Dasar Teori Jenis Reaktor Ada berbagai jenis reaktor, hal yang paling mendasar dalam penggolongan reactor adalah kondisi operasi dari reaksi yang diinginkan untuk dioperasikan. Reaktor yang sering digunakan bias dibag imenjadi 3 jenis reactor utama diantaranya 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 dimana komposisi berubah bergantung waktu, akan tetapi komposisi saat berada dalam reactor tetap konstan(levensiel, 1999). 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 inidisebut 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 didalamnya (Levensiel, 1999). Continous Stirred Tank Reactor (CSTR) Mixed reaktor, backmixed reactor atau CSTR sesuai dengannamanya, dalam reactor ini terdapat pengadukan yang mencampur dan membuat campurannya homogen. Oleh karena itu produk yang keluar dari reactor ini memiliki komposisi yang sama dengan fluida yang berada dalam reaktor. Model dan Komputasi Proses 3

11 Gambar 2.1 Tiga jenis reaktor ideal: (a) reaktor BR, (b) reaktor PFR, (c) reaktor CSTR Reversibel - Irreversibel Konstanta keseimbangan merupakan indicator dari arah suatu reaksi.ada 2 jenis arah reaksi yaitu irreversible dan reversible. Reaksi irreversible adalah reaksi 1 arah dimana reaksi bergerak dari reaktan kearah produk sedangkan reaksi reversible adalah reaksi 2 arah dimana reaksi dapat bergerak dari reaktan kearah produk. Dalam reaksi reversible biasanya dipengaruhi oleh suhu, tekanan, dan komposisi dari senyawa yang terlibat dalam reaksi (Smith, et al., 2001). Dalam simulasi ini digunakan reaksi irreversible yaitu (CH 3 ) 2 CHOH (CH 3 ) 2 CO + H 2 Reaksi tersebut dikatakan irreversible karena memiliki harga konstanta keseimbangan yang sangat besaryaitu 3.1x Eksotermis - Endotermis Dalam sebuah reaksi ada yang disebut dengan reaksi endotermis atau reaksi 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 darinilai ΔH-nya atau entalpinya. Jika positif maka reaksi endotermis, jika negative maka reaksi eksotermis. Dalam reaksi yang disimulasikan merupakan reaksi endotermis dimana proses reaksi membutuhkan panas atau dapat menyerap panas dari lingkungan dengan nilai ΔH =+66.6 KJ/mol Model dan Komputasi Proses 4

12 2.1.4 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 dimana terdapat perpindahan panas dari reaksi kelingkungan sekitar, sedangkan non adiabatic adalah reaksi dimana tidak ada perpindahan panas dari reaksi ke lingkungan (Smith, et al., 2001). Dalam simulasi kali ini dimaksudkan untuk merancang reaktor yang non adiabatic Monomolekuler Bimolekuler Berdasarkan jumlah reaktannya, reaksi dibagi menjadi 2 yaitu reaksi monomolekuler dan reaksi bimolekuler. Reaksi monomolekuler adalah reaksi dengan 1 jenis reaktan saja sedangkan reaksi bimolekuler adalah reaksi dengan jumlah jenis reaktan 2 sesuai dengan namanya. Dalam simulasi kali ini digunakan reaksi monomolecular yaitu isopropanol (CH 3 ) 2 CHOH) Seri Parallel Dalam sebuah reaksi hampir tidak mungkin ditemukan bahwa reaksi akan bergerak kearah 1 produk saja namun akan terdapat reaksi samping atau produk samping dari sebuah reaksi. Produk samping yang terbentuk dapat terjadi melalui reaksi parallel atau reaksi seri. Reaksi parallel adalah reaksi dimana 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 (Fogler, 2004). Reaksi seri digambarkan sebagai berikut A B C Dalam simulasi kali ini digunakan jenis reaksi parallel dimana reaktan isopropanol bergerak kedua reaksi yang berbeda. Model dan Komputasi Proses 5

13 2.2. Studi Kasus Pembuatan Aseton dari Dehidrogenasi Isopropanol Reaksi Pembuatan Aseton (CH 3 COCH 3 ) dengan Isopropil Alkohol ((CH 3 ) 2 COCH3). Reaksi monomolekuler merupakan reaksi berlangsung dengan molekul reaktan yang sama. Sebagai contoh adalah reaksi polimerisasi kondensasi, dekomposisi, dan dehidrogenasi (cracking). Reaksi paralel merupakan reaksi dimana suatu reaktan akan menghasilkan produk yang berbeda, sehingga ada selektivitas reaktan untuk menghasilkan produk yang satu terhadap yang lain. Salah satu pembuatan aseton adalah dengan reaksi dehidrogenasi isopropyl alkohol : (CH 3 ) 2 CHOH (g) CH 3 COCH 3(g) + H 2(g) Reaksi dekomposisi ini juga menimbulkan reaksi samping sebagai berikut: (CH 3 ) 2 CHOH (g) CH 3 CH=CH 2(g) + H 2 O (g) (Yuliani, 2014) Tinjauan Termodinamika Tinjauan secara termodinamika ditujukan untuk mengetahui sifat reaksi (endotermis/eksotermis) dan arah reaksi (reversible / irreversible). Reaksi utama: (CH 3 ) 2 CHOH (g) CH 3 COCH 3(g) + H 2(g) H reaksi = H produk- H reaktan = ( H o f 298 CH 3 COCH 3(g ) ( H o f 298 (CH 3 ) 2 CHOH (g) ) =( ) kj/mol = 54,89 kj/mol Dengan demikian reaksi yang berlangsung adalah reaksi endotermis yang menghasilkan panas. Reaksi Samping : CH 3 ) 2 CHOH (g) CH 3 CH=CH 2(g) + H 2 O (g) ΔH f (CH 3 ) 2 CHOH (g) = kj/mol ΔH f H 2 O (g) = -241,8 kj/mol ΔH f C 3 H 6 (g) = kj/mol ΔH f =ΔH f H 2 + ΔH f CH 3 COCH 3 - ΔH f (CH 3 ) 2 CHOH = ( ) kj/mole = 50,51 kj/mol G o = G o produk - G o reaktan Model dan Komputasi Proses 6

14 = -153, ,5 = 20,35 kj/mol G o ln K = -RT ln K = - G o / RT = -20,35 kj/kmol / (8,314 kj/kmol K x 298 K) = -8,21 x 10-3 = 0,00821 K = 0,991 reversible Karena harga kosntanta kesetimbangan lebih besar dari 1, maka reaksi berlangsung secara searah (irreversible). Data Termodinamika lainnya adalah : -Panas Spesifik : Cp A = 140,67 J mol K Cp B = 798,144 J mol K Cp C = 28,83 J mol K Cp D = 64,78 J mol K Cp E = 33,52 J mol K -Perhitungan nilai Cp & H T R = 298 K H RX1 T R = J/mol H RX2 T R = J/mol Cp 1 = Cp B + Cp C Cp A Cp 1 = 798, ,83 140,67 = 686,304 Cp 2 = Cp D + Cp E Cp A Cp 2 = 64, ,52 140,67 = 42,37 C p = Cp 1 + Cp 2 Cp = 686,304 42,37 = 643,934 n i=1 θ i Cp i = 2Cp A Model dan Komputasi Proses 7 J mol K J mol K J mol K

15 n i=1 θ i Cp i = 2 140,67 = 281,34 J mol K θ = 0 (monomolekuler) Tinjauan Kinetika Tinjauan secara kinetika dimaksudkan untuk mengetahui pengaruh perubahan suhu terhadap kecepatan reaksi. Secara kinetika, reaksi pembentukan asam asetat merupakan reaksi orde dua dengan persamaan kecepatan reaksi sebagai berikut : Reaksi utama: (CH 3 ) 2 CHOH (g) CH 3 COCH 3(g) + H 2(g) Reaksi samping (CH 3 ) 2 CHOH (g) CH 3 CH=CH 2(g) + H 2 O (g) Laju reaksi: -r A = k 1.C A + k 2.C A dimana : C A = konsentrasi etilen k 1 = konstanta kecepatan reaksi utama k 2 = konstanta kecepatan reaksi samping 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 Dari persamaan Arhenius, diketahui bahwa dengan bertambahnya suhu reaksi maka akan memperbesar harga konstanta kecepata reaksi (k), yang berarti mempercepat kecepatan reaksinya Kondisi Operasi Reaksi pembentukan aseton dengan proses degidrogenasi senyawa isopropanol dengan kondisi operasi: Suhu operasi: 350 o C atau 623 K (Yuliani, 2014). Reaksinya monomolekuler, parallel, bersifat endotermis dan irreversible. Model dan Komputasi Proses 8

16 Reaktor beroperasi dengan kondisi nonadiabatis dan isotermal (adanya perpindahan kalor). Dengan adanya kondisi operasi ini maka didapatkan: Nilai konstanta kecepatan reaksi utama berdasarkan refferensi irda (2015) dengan kondisi Isotermal: dimana : k k1 = 3, m3 gas m 3 bulk s l k1 = 5,85 mol s = konstanta kecepatan reaksi Nilai konstanta kecepatan reaksi samping berdasarkan refferensi Yaws (1999) dengan kondisi Isotermal : dimana : k kmol k2 = 929,36 m 3 jam l k2 = 0,25 mol s = konstanta kecepatan reaksi Perhitungan parameter yang dibutuhkan Dalam perhitungan variabel volume serta suhu reaktor CSTR, dibutuhkan beberapa parameter yang digunakan untuk menghitung variabel yang telah ditentukan. Antara lain : F Ao = 5 mol/det F A = F Ao 1 X A F A = 5 1 0,95 = 0,25 v 0 = 15 liter/det J R = 8,314 molk d = 1 J U = 110 m 2 s K (carbonsteel) D = 1,5 m a = 4 = 2,67 m 1 1,5 Model dan Komputasi Proses 9

17 Ua = 293,7 J m 3 s K = 0,2937 C Ao = F Ao v o = 5 15 = 0,33 J lt s K Model dan Komputasi Proses 10

18 BAB III METODE PENYELESAIAN 3.1 Permodelan Simulasi dan perancangan reaktor yang akan dibuat adalah CSTR (Continuous Stirred Tank Reactor), non-adiabatis dari reaksi yang bersifat irreversible, endotermis, monomolecular dan reaksi paralel. Suhu reaktor dijaga dengan cara menambahkan pemanas. F AO T a1 T X T X T a2 Gambar 3. 1 Pemodelan reactor CSTR dengan jaket pemanas Reaksi1: (CH 3 ) 2 CHOH (g) CH 3 COCH 3(g) + H 2(g) A B+ C Reaksi2: k1 k2 (CH 3 ) 2 CHOH (g) CH 3 CH=CH 2(g) + H 2 O (g) A D + E Model dan Komputasi Proses 11

19 3.2 Algoritma Penyelesaian Neraca massa CSTR : Kecepatan aliran A masuk sistem + Kecepatan perubahan A dalam sistem kecepatan aliran A keluar sistem = [Akumulasi A dalam sistem] F A + F Ao + ( r A v) = 0 F A F Ao = r A V F Ao (1 X A ) + F Ao = r A V F Ao X A = r A V Lajureaksi : V = F AX A r A a. r A = k 1. C A + k 2. C A Persamaan diubahmenjadi : dc A dt = k 1. C A k 2. C A b. r B = k 1. C A + k 2. C A Persamaandiubahmenjadi dc B dt = k 1. C A + k 2. C A c. r C = k 1. C A Persamaandiubahmenjadi dc C dt = k 1. C A d. r D = k 2. C A Persamaandiubahmenjadi dc D dt = k 2. C A Model dan Komputasi Proses 12

20 Stoikiometri : Jika Spesies A(Isopropanol) dianggap sebagai pereaktan pembatas, maka stoikiometri untuk setiap spesies pada fase gas: Tabel 3. 1 Persamaan stoikiometri Umpan Perubahan dalam Arus Keluar Reaktor Spesies Masuk Reaktor Reaktor (mol/waktu) (mol/waktu) (mol/waktu) A F A0 - F A0 X F A = F A0 (1-X) B F B0 =θ B F A0 C F C0 =θ C F A0 D F D0 =θ D F A0 E F E0 =θ E F A0 b a F A0X F B = F A0 (θ B + b a X) c a F A0X F C = F A0 (θ C + c a X) d a F A0X F D = F A0 (θ D + d a X) e a F A0X F E = F A0 (θ D + e a X) C A = F A = F Ao (1 X A ) v v (1) v = vo 1 + ε. X A. P 0 P. T T 0 (2) (Fase Gas) Karena perubahan tekanan dianggap kecildansuhu reactor dengan keluar sama, maka v = vo 1 + ε. X A (3) C B0 = C C0 = C D0 = C E0 = 0 (4) Jika: y A0 = 0,99 (Kemurnian Reaktan Isopropyl 99%) ε = y A0 δ = 0,99.1 ε = 0,99 δ = = 1 Persamaan(3) disubstitusikankepersamaan (1), menjadi C A = F Ao 1 X A vo 1+ε.X A = C Ao 1 X A 1+ε.X A Persamaan (4) disubtitusikan ke persamaan (5) masing-masing spesies menjadi : (5) C A = C A0 (1 X A ) (1 + 0,99X A ) Model dan Komputasi Proses 13

21 C B = C A0 C B CA 1 2 X A 1 + 0,99X A C C = C A0 C D = C A0 C C C A X A 1 + 0,99X I CD C A X A 1 + 0,99X A C E = C A0 C E C A X A 1 + 0,99X A Kombinasi r A = k1c A + k2c A (1 X A ) r A = k1. C A0 (1 + εx A ) + k2c (1 X A ) A0 (1 + εx A ) F Ao X A V = (1 X k1. C A ) A0 + k2c (1+0,99X A ) A0 5. X A V = (1 X 5,85. C A ) A0 + 0,25C (1+0,99X A ) A0 (1 X A ) (1+0,99X A ) (1 X A ) (1+0,99X A ) Neraca EnergiCSTR: Untuk reaksi ganda dengan nilai Cp berbeda tiap spesies: Jika : Q - W S -F A0 T T0 Q = UA (T a T) karena non-adiabatis θ i Ws = 0 karenakerjapengadukkecil Maka : UA(Ta-T)-F A0 Cp i dt + H RX (T R) + C p (T T R ) [r A V] = 0 n i=1 θ i Cp i T T 0 + H RX (T R) + C p (T T R ) r A V = 0 Model dan Komputasi Proses 14

22 Reaksi berjumlah 2 dan paralel : UA Ta T F A0 n θ i i=1 Dimana: r 1A = k 1.C A r 2A = k 2.C A Cp i T T 0 + Vr 1A H RX1A T R + Vr 2A H RX2 T R + Vr A C p (T T R ) = 0 Model dan Komputasi Proses 15

23 3.3 Logika Pemrograman CSTR Mencari Parameter yang diperlukan dari Studi Pustaka/Literatur Reaksi fase gas, paralel, Monomolekular A B+C A D+E Neraca Massa = V = F A0X A r A Kecepatanreaksi = r A = k 1. C A + k 2. C A Stokiometri = C A = C A0 1 X A 1+X A Kombinasi= F Ao X A V = (1 X k1. C A ) A0 + k2c (1+0,99X A ) A0 (1 X A ) (1+0,99X A ) Didapat nilai V pada X tertentu Didapat grafik hubungan V terhadap X pada range tertentu X ditentukan T dihitung T = UA Ta + Vr n 1A H RX1A T R + Vr 2A H RX2A T R Vr A C p (T R ) + F A0 1 θi Cpi To n UA Vr A Cp + F A0 θicpi 1 T didapat dari X tertentu Didapat Hubungan T vs X pada range Gambar 3. 2 Logika pemograman Model dan Komputasi Proses 16

24 3.4 Bahasa Pemrograman a. Menentukan hubungan konversi terhadap volume reactor pada rentang konversi 0,5-0,95 dengan range 0,05 : clc clear FAo=5; k1=5.85; k2=0.25; K1= ; XA=[0.5;0.55;0.6;0.65;0.7;0.75;0.8;0.85;0.9;0.95]; vo=15; E=0.99; CAo=FAo/vo; CA=(CAo.*(1-XA))./(1+(E.*XA)); ra=(k1*ca)+(k2*ca); V=(FAo.*XA)./(ra); disp('tabel Hubungan Konversi dengan Volume') disp(' XA V(lt) CA') disp([xavca]) clf plot2d(xa,v,[2,5,-1]) xtitle('hubungan Konversi terhadap Volume(liter)','Konversi','Volume') b. Menentukan hubungan konversi terhadap volume reactor pada rentang konversi 0,5-0,95 dengan range 0,05 clc clear function y = CSTR (T) UA=0.2937; FAo=5; Ta=700; Tr=298; To=623; sigmatetacp=281.34; deltacp= ; deltah1=54890; deltah2=54490; k1=5.85; k2=0.25; K1= ; vo=15; E=0.99; CAo=FAo/vo; CA=(CAo.*(1-XA))./(1+(E.*XA)); ra=(-k1*ca)+(-k2*ca); V=(FAo.*XA).*((ra)^-1); r1=k1.*ca; r2=k2.*ca; y=(ua.*(ta-t))-(fao.*sigmatetacp.*(t-to))+(v.*r1.*deltah1.*tr)+(v.*r2.*deltah2.*tr) endfunction XA=[0.5;0.55;0.6;0.65;0.7;0.75;0.8;0.85;0.9;0.95]; Ttebak=[1000;298;300;312;213;273;300;312;312;300]; Treaktor=fsolve(Ttebak,CSTR) disp(' XA T(K)') disp([xa Treaktor]) Model dan Komputasi Proses 17

25 clf plot2d(xa,treaktor,[2,5,-1]) xtitle('hubungan Konversi terhadap Suhu','Konversi','Suhu(K)') Model dan Komputasi Proses 18

26 BAB IV HASIL SIMULASI DAN ANALISA 3.1 Hasil Simulasi Hubungan Konversi dengan Volume(lt) Gambar 4. 1 Deklarasi console scilab hubungan konversi dengan volume Gambar 4. 2Deklarasi console Scilab grafik hubungan konversi dengan volume Model dan Komputasi Proses 19

27 3.1.2 Hubungan Konversi dengan Suhu (K) Gambar 4. 3 Deklarasi console Scilab hubungan konversi dengan suhu Gambar 4. 4 Deklarasi Console Scilab Grafik Hubungan Konversi dengan Suhu Model dan Komputasi Proses 20

28 3.2 Analisa Hasil Hubungan Konversi (Xa) terhadap Volume Reaktor Berdasarkan persamaan Volume Reaktor dan kecepatan reaksi monomolekulerparallel fase gas : V = F AX A r A r A = k1c A + k2c A (1 X A ) r A = k1. C A0 (1 + εx A ) + k2c (1 X A ) A0 (1 + εx A ) Dilakukan perhitungan Volume reaktor pada rentang 0,5-0,95 dengan range 0,05 menggunakan prinsip deklarasi Scilab AAP (Akar-Akar Persamaan), Sehingga didapatkan hubungan Xa dengan V pada rentang tersebut sesuai dengan tabel : Hubungan yang didapatkan ialah semakin besar nilai konversi, maka volume reaktor menjadi naik. Volume pada konversi paling tinggi yaitu 0,95 adalah 90,66 lt. Setelah mendapatkan hubungan Xa dengan V pada rentang tertentu, dengan memplotkan pada grafik didapatkan Grafik Hubungan Volume dengan suhu : Model dan Komputasi Proses 21

29 3.2.2 Hubungan Konversi (Xa) terhadap Suhu Reaktor Berdasarkan persamaan Suhu Reaktor pada RATB (Reaktor Alir Tangki Berpengaduk) reaksi parallel : T = UA Ta + Vr n 1A H RX1A T R + Vr 2A H RX2A T R Vr A C p (T R ) + F A0 1 θi Cpi To n UA Vr A Cp + F A0 θicpi kukan perhitungan Suhu reaktor pada rentang 0,5-0,95 dengan range 0,05 menggunakan prinsip deklarasi Scilab AAP (Akar-Akar Persamaan), didapatkan hubungan Xa dengan T pada rentang tersebut sesuai dengan tabel : 1 Sehingga Dapat disimpulkan bahwa semakin tinggi konversi, maka suhu dalam reaktor semakin rendah karena sifat reaksi yang endotermis. Suhu pada Konversi paling tinggi yaitu 0,95 adalah 3,34 K. Setelah mendapatkan hubungan Xa dengan T pada rentang tertentu, dengan memplotkan pada grafik didapatkan Grafik Hubungan Volume dengan suhu : Model dan Komputasi Proses 22

30 Model dan Komputasi Proses 23

31 BAB V PENUTUP 3.1 Kesimpulan Pada perancangan dan simulasi reaktor cstr non adiabatis untuk reaksi dehidrogenasi isopropanol menjadi aseton menggunakan program scilab diperoleh : 1. Volume Reaktor pada konversi 0,95 adalah 90,66 liter 2. Hubungan konversi terhadap volume reaktor adalah, semakin besar konversi maka semakin besar pula volume reaktor. 3. Suhu Reaktor Isotermal pada konversi 0,95 adalah 3,34 K. 4. Hubungan konversi terhadap Suhu Reaktor adalah, semakin besar konversi, maka suhu reaktor menjadi turun karena sifat reaksinya ialah endotermis 3.2 Saran Perlu dilakukan perancangan dan simulasi reaktor dengan jenis reaktor lain pada kondisi operasi sama agar dapat mengetahui jenis reaktor yang paling tepat dan efisien pada reaksi dehidrogenasi isopropanol menjadi aseton Model dan Komputasi Proses 24

32 DAFTAR PUSTAKA Agustina, Irda.2015.Pembuatan Aseton dari Isopropil Alkohol.Palembang: Politeknik Negeri Sriwijaya. Fogler. H Scout, 2004, Element of Chemical Reaction Engineering 3rded, India : Prentice-Hall of India Himpunan Mahasiswa Teknik Kimia AKPRIND Teknik Kimia AKPRIND. diakses pada tanggal 26 November 2015 pukul WIB Levenspiel, Octave Chemical Reaction Engineering 3 st Edition. Newyork :John Wiley & Sons, Inc. Program Sarjana Teknik Kimia Institut Teknologi Bandung Fakultas Teknologi Industri Institut Teknologi Bandung. diakses pada tanggal 26 November pukul WIB Program Sarjana Teknik Kimia Universitas Indonesia.2011.Teknik Kimia Universitas Indonesia. diakses pada tanggal 26 November 2015 pukul WIB Sasongko, Budi Setia Metode Numerik dengan Scilab.Yogyakarta : ANDI Yogyakarta Smith. J M et all Introduction to Chemical Engineering Thermodynamic 6th edition, Mc. Graw Hill BookKogakusha Ltd, Tokyo Yaws Makalah Industri Kimia Aseton. Medan : Universitas Sumatera Utara Model dan Komputasi Proses 25