Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB oleh Kusmiyati, S.T., M.T., Ph.D. Hak Cipta 2014 pada penulis GRAHA ILMU Ruko Jambusari 7A Yogyakarta 55283 Telp: 0274-889398; 0274-882262; Fax: 0274-889057 E-mail: info@grahailmu.co.id Hak Cipta dilindungi undang-undang. Dilarang memperbanyak atau memindahkan sebagian atau seluruh isi buku ini dalam bentuk apa pun, secara elektronis maupun mekanis, termasuk memfotokopi, merekam, atau dengan teknik perekaman lainnya, tanpa izin tertulis dari penerbit. ISBN: 978-602-262-266-6 Cetakan ke I, tahun 2014
KATA PENGANTAR egala puji hanya untuk Allah SWT karena atas berkat rahmat dan karunia-nyalah sehingga penulis dapat Smenyelesaikan buku dengan judul Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB. Namun kiranya sebagai manusia biasa yang tak luput dari kesalahan, kami menyadari bahwa masih banyak kekurangan dalam buku ini sehingga kritik dan saran membangun dari semua pihak sangat kami harapkan.tak lupa kami mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dan berpartisipasi atas terselesaikannya buku ini. Buku ini berisi tentang permasalahan mendasar dalam teknik kimia yaitu kinetika reaksi dan reaktor. Kinetika reaksi tersendiri merupakan hal tak terpisahkan dalam perancangan reaktor. Dalam kinetika reaksi dipelajari tentang bagaimana memperoleh nilai konstata laju reaksi dan pengaruhnya terhadap suhu. Penentuan orde reaksi dan akhirnya diperoleh persamaan laju reaksinya. Selain itu, ada pula penjelasan singkat tentang katalis terutama katalis padat. Inti dari buku ini adalah pembaca dapat memahami langkah dan persamaan yang digunakan dalam perancangan reaktor kimia yaitu Reaktor Batch, Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR), Plug-Flow Reactor (PFR), dan Fixed-Bed Reactor (FBR) pada berbagai kondisi operasi. Buku ini menekankan pada contoh soal dan penyelesaiannya untuk berbagai persoalan dalam teknik kimia terutama reaktor. Juga aplikasi program open source Scilab untuk menyelesaikan persoalan-persoalan reaktor kimia. Program ini dapat didownload di https://www.scilab.org secara gratis sehingga tidak memberatkan bagi pembaca. Dengan langkah-langkah atau algoritma penyelesaian beserta program Scilab-nya penulis berharap dapat memberikan kemudahan dalam memahami dan menerapkan ilmu teknik kimia dalam perancangan sebuah reaktor. Untuk melengkapi buku ini, reaksi dan reaktor khusus seperti reaksi enzimatis dan bioreaktor (fermentor) dibahas di dalamnya. Reaksi enzimatis sendiri dapat dikatakan reaksi katalitis dengan enzim sebagai katalisnya. Reaksi ini dipengaruhi banyak faktor antara lain suhu, ph dan inhibitor. Begitu
vi Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB pentingnya reaksi ini terutama dalam dunia farmasi, makanan dan minuman seperti antibiotik, sirup jagung, aneka makanan dan minuman terfermentasi. Untuk itulah penulis sedikit membahas tentang bab ini. Pada akhirnya penulis berharap buku ini mampu memberikan manfaat bagi penulis khususnya dan pembaca pada umumnya. Surakarta, 02 Oktober 2014 Penyusun
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR v DAFTAR ISI viii PENDAHULUAN xiii BAB 1.KINETIKA REAKSI KIMIA 1 1.1. LAJU REAKSI 1 1.1.1. Definisi 1 1.1.2. Persamaan Laju Reaksi 2 1.1.3. Konstata Laju Reaksi dan Orde Reaksi 2 1.1.4. Laju Reaksi untuk Reaksi Reversible 6 1.1.5. Beberapa Contoh Persamaan Laju Reaksi 8 1.2. LAJU REAKSI SEBAGAI FUNGSI KONVERSI 9 1.2.1. Stoikiometri 9 1.2.2. Stoikiometri Sistem Batch 10 1.2.2.1. Sistem Batch Volume Konstan 11 1.2.2.2. Sistem Batch Volume Berubah 12 1.2.3. Stoikiometri Sistem Kontinyu 12 1.2.3.1. Sistem Kontinyu dengan Variabel Laju Alir 14 1.3. KESIMPULAN DAN RINGKASAN 19 1.4. SOAL LATIHAN 23 BAB 2. REAKSI KIMIA DAN KATALIS 25 2.1. DEFINISI 25
viii Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB 2.2. KLASIFIKASI REAKSI KIMIA 26 2.3. KATALIS 29 2.3.1. Reaksi Katalitik Homogen 29 2.3.2. Reaksi Katalitik Heterogen 32 2.4. REAKTOR 36 2.4.1. Reaktor Batch 36 2.4.1.1. Neraca Massa Reaktor Batch 37 2.4.1.2. Laju Produksi Reaktor Batch 37 2.4.1.3. Neraca Energi Reaktor Batch 38 2.4.1.3.1. Reaktor Batch Kondisi Isotermal 38 2.4.1.3.2. Reaktor Batch Kondisi Non-Isotermal 38 2.4.1.3.2.1. Non-Isotermal Adiabatis 38 2.4.1.3.2.2. Non-Isotermal Non-Adiabatis 39 2.4.2. Continuous Stirred Tank Reaktor (CSTR) 39 2.4.2.1. Neraca Massa CSTR 39 2.4.2.2. Neraca Energi CSTR 41 2.4.2.2.1. Kondisi Isotermal 42 2.4.2.2.2. Kondisi Non-Isotermal 42 2.4.2.2.2.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis 42 2.4.2.2.2.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis 42 2.4.3. Plug-Flow Reactor (PFR) 43 2.4.3.1. Neraca Massa PFR 43 2.4.3.2. Pressure-Drop Dalam PFR 45 2.4.3.3. Neraca Energi PFR 46 2.4.3.3.1. Kondisi Isotermal 46 2.4.3.3.2. Kondisi Non-Isotermal 46 2.4.3.3.2.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis 47 2.4.3.3.2.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis 47 2.4.4. Packed-Bed Reactor (PBR) 48 2.4.4.1. Neraca Massa PBR 48 2.4.4.2. Pressure-Drop Dalam PBR 48 2.4.4.3. Neraca Energi PBR 50 2.4.4.3.1. Kondisi Isotermal 50 2.4.4.3.2. Kondisi Non-Isotermal 51
Daftar Isi ix 2.4.4.3.2.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis 51 2.4.4.3.2.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis 51 2.5. KESIMPULAN DAN RINGKASAN 52 2.6. SOAL LATIHAN 57 BAB 3. REAKTOR BATCH 3.1. KARAKTERISTIK 59 59 3.1.1. Kondisi Umum 59 3.1.2. Sistem Batch dan Sistem Kontinyu 59 3.2. PERSAMAAN PERANCANGAN REAKTOR 61 3.3. REAKTOR BATCH ISOTERMAL 62 3.4. REAKTOR BATCH NON-ISOTERMAL 65 3.4.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis 65 3.4.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis 68 3.5. OPTIMASI KINERJA REAKTOR BATCH 71 3.6. REAKTOR SEMIBATCH 72 3.7. KESIMPULAN DAN RINGKASAN 76 3.8. SOAL LATIHAN 78 BAB 4. CONTINUOUS STIRRED TANK REACTOR (CSTR) 81 4.1. KARAKTERISTIK 81 4.1.1. Kondisi Umum 81 4.1.2. Kelebihan Dan Kekurangan 81 4.2. PERSAMAAN PERANCANGAN REAKTOR 82 4.3. REAKTOR CSTR ISOTERMAL 83 4.4. REAKTOR CSTR NON-ISOTERMAL 88 4.4.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis 88 4.4.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis 91 4.5. UNSTEDY-STATE CSTR (STAR-UP) 93 4.6. REAKSI MULTIPLE DALAM CSTR 94 4.6.1. Kondisi Isotermal 94 4.6.2. Kondisi Non-Isotermal 98 4.7. KESIMPULAN DAN RINGKASAN 101 4.8. SOAL LATIHAN 103 BAB 5. PLUG-FLOW REACTOR (PFR) 107 5.1. KARAKTERISTIK 107
x Kinetika Reaksi Kimia dan Reaktor; Teori dan Soal Penyelesaian dengan SCILAB 5.2. PERSAMAAN PERANCANGAN REAKTOR 108 5.3. REAKTOR PFR ISOTERMAL 110 5.3.1. Isotermal Isobarik (ΔP=0) 110 5.3.2. Isotermal Non-Isobarik (ΔP 0) 112 5.4. REAKTOR PFR NON-ISOTERMAL 116 5.4.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis 116 5.4.2. Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis 121 5.4.2.1. Suhu Pemanas atau Pendingin Konstan 121 5.4.2.2. Suhu Pemanas atau Pendingin Bervariasi 124 5.5. MIKROREAKTOR DAN REAKTOR MEMBRAN 128 5.5.1. Mikroreaktor 128 5.5.2. Reaktor Membran 133 5.6. MULTIPLE REAKSI DALAM PFR 139 5.6.1. Kondisi Isotermal 139 5.6.2. Kondisi Non-Isotermal 148 5.7. KESIMPULAN DAN RINGKASAN 152 5.8. SOAL LATIHAN 152 BAB 6. PACKED-BED REACTOR (PBR) 155 6.1. KARAKTERISTIK 155 6.2. PERSAMAAN PERANCANGAN REAKTOR 155 6.3. REAKTOR PBR ISOTERMAL 158 6.3.1. Isotermal Isobarik (ΔP=0) 158 6.3.2. Isotermal Non-Isobarik (ΔP 0) 160 6.4. REAKTOR PFR NON-ISOTERMAL 167 6.4.1. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis Isobarik (ΔP=0) 167 6.4.2. Kondisi Non-Isotermal Adiabatis Non-Isobarik (ΔP 0) 171 6.4.3. PBR Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis Isobarik (ΔP=0) 175 6.4.4. PBR Kondisi Non-Isotermal Non-Adiabatis Non-Isobarik (ΔP 0) 182 6.5. KESIMPULAN DAN RINGKASAN 186 6.6. SOAL LATIHAN 186 BAB 7. BIOREAKSI DAN BIOREAKTOR 191 7.1. REAKSI ENZIMATIS 191 7.2. BIOREAKTOR (FERMENTOR) 197