MAKALAH ALAT INDUSTRI KIMIA DAN ALAT UKUR REAKTOR KIMIA Disusun oleh: Andri Heri K 1314017 Deddy Wahyu Priyatmono 1414904 Defrizal Rizki Pradana 1414909 Ferry Setiawan 1314048 Nungki Merinda Sari 1514030 Prima Anggraini 1514904 JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI NASIONAL MALANG 2016
KATA PENGANTAR Segala Puji syukur kepada Allah SWT, atas rahmat dan hidayah-nya, sehingga kami masih diberi kesehatan dan kesempatan untuk menyusun Makalah Alat Industri Kimia dan Alat Ukur (Reaktor Kimia). Makalah ini dibuat untuk memahami materi tersebut, sehingga kita dapat mengaplikasikan pengetahuan tersebut dalam kehidupan sehari-hari. Pada kesempatan yang berbahagia ini kami menyampaikan terima kasih kepada Dwi Ana Anggorowati, ST, MT. selaku Dosen Pembimbing mata kuliah Alat Industri Kimia dan Alat Ukur, dan semua pihak yang telah meluangkan waktunya serta turut berperan dalam menyelesaikan makalah ini. Semoga jasa yang demikian besar ini, mendapat balasan yang seimbang dari Allah yang Maha Esa. Makalah yang kami buat ini masih banyak kesalahan dan kekurangan karena kami masih dalam tahap pembelajaran, maka dari itu kami mengharapkan kritik dan saran bagi pembaca demi kesempurnaan dalam penyusunan makalah ini. Semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua. Aamiin. Malang, April 2016 Penulis
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Industri dapat diartikan sebagai suatu kegiatan yang menghasilkan produk dari proses pengolahan bahan dengan menggunakan suatu teknologi sehingga dapat menghasilkan suatu produk yang bernilai ekonomis dan dapat dimanfaatkan lebih lanjut. Proses pengolahan bahan untuk memperoleh produk dapat berlangsung secara fisik dan kimia. Untuk menunjang kegiatan industri dibutuhkan suatu bagian produksi yang bertugas menjalankan proses suatu pabrik. Reaktor adalah suatu alat proses tempat dimana terjadinya suatu reaksi berlangsung baik itu reaksi kimia atau nuklir bukan secara fisika. Dengan terjadinya reaksi kimia inilah suatu bahan berubah ke bentuk bahan lainnya. Perubahan yang ada terjadi secara spontan yaitu terjadi dengan sendirinya atau bisa juga membutuhkan energi seperti panas. Perubahan yang dimaksud adalah perubahan kimia. Reaktor kimia adalah jenis reaktor yang umum digunakan dalam industri. Rancangan reaktor kimia merupakan tahap terpenting dari seluruh rancangan dalam proses. Setiap zat (material) mempunyai karakteristik yang berbeda beda. Untuk mereaksikan suatu zat (material) yang perlu diperhatikan adalah fase dari zat tersebut (padat, cair, atau gas), kondisi operasi dari zat itu pada suhu dan tekanan tertentu dimana zat tersebut akan bereaksi, sifat reaksi endoterm dan eksoterm, serta kecepatan reaksinya. Kondisi kondisi inilah yang diperlukan untuk memilih tipe reaktor yang tepat sehingga proses dan produk yang dihasilkan bernilai ekonomis. 1.2 Tujuan - Dapat mengetahui pengertian reaktor - Dapat mengetahui pengertian reaktor kimia - Dapat mengetahui pemilihan jenis reaktor dan tujuannya - Dapat mengetahui jenis dan klasifikasi reaktor - Dapat mengetahui jenis reaksi dan katalis pada reaktor
BAB II TINJAUAN PUSTAKA 1.1 Reaktor Reaktor adalah suatu alat proses tempat di mana terjadinya suatu reaksi berlangsung, baik itu reaksi kimia, nuklir, dan biologis, dan bukan secara fisika. Reaktor dibagi menjadi 2 yaitu sebagai berikut: - Reaktor kimia : tidak ada perubahan massa selama reaksi dan hanya berubah dari satu bahan ke bahan lain. - Reaktor nuklir : terdapat perubahan massa yang berubah menjadi energi yang besar. Reaktor Kimia adalah segala tempat terjadinya reaksi kimia, baik dalam ukuran kecil seperti tabung reaksi sampai ukuran yang besar seperti reaktor skala industri. Tidak seperti skala kecil dalam tabung reaksi, reaktor ukuran komersil industri perlu perhitungan yang teliti karena menyangkut jumlah massa dan energi yang besar. 1.2 Pemilihan Jenis Reaktor Reaktor kimia memiliki berbagai macam jenis dan bentuk yang dapat diklasifikasikan berdasarkan beberapa faktor, jenisjenis reaktor ini akan di bahas lebih lanjut pada bab berikutnya. Untuk itulah alasan pemilihan jenis reaktor yang tepat tujuan pemilihannya serta parameter yang mempengaruhi rancangan nya untuk proses kimia tertentu perlu diketahui. 1. Faktor dalam memilih jenis reaktor Pemilihan jenis reaktor yang akan digunakan dipengaruhi oleh beberapa faktor, antara lain: a. Fase zat pereaksi dan hasil reaksi b. Tipe reaksi dan persamaan kecepatan reaksi, serta ada tidaknya reaksi samping c. Kapasitas produksi d. Harga alat (reaktor) dan biaya instalasinya e. Kemampuan reaktor untuk menyediakan luas permukaan yang cukup untuk perpindahan panas
2. Tujuan dalam memilih jenis reaktor Tujuan utama dalam memilih jenis reaktor adalah alasan ekonomis, keselamatan, dan kesehatan kerja, serta pengaruhnya terhadap lingkungan. Berikut ini merupakan faktor-faktor yang menjadi pertimbangan dalam memilih jenis reaktor tertentu: a. Mendapat keuntungan yang besar, konversi, dan efisiensi terbesar b. Biaya produksi rendah c. Modal kecil atau volume reaktor minimum d. Operasinya sederhana dan mudah e. Keselamatan kerja terjamin f. Polusi terhadap sekelilingnya (lingkungan) dijaga sekecil - kecilnya 3. Parameter yang mempengaruhi rancangan reaktor Dalam merancang suatu reaktor perlu diperhatikan parameter-parameter tertentu agar reaktor yang dibangun dapat memenuhi unjuk kerja yang diharapkan. Parameter nya antara lain: a. Waktu tinggal b. Volum (V) c. Temperatur (T) d. Tekanan (P) e. Konsentrasi senyawa f. Koefisien perpindahan panas Pada dasarnya dalam merancang reaktor perlu diperhatikan faktor neraca massa dan energinya. Secara garis besar umumnya reaktor dianggap ideal atau beroperasi dalam keadaan steady state, dengan kata lain besarnya massa yang masuk akan sama dengan massa yg keluar ditambah akumulasi. Sementara untuk menunjang energi yang diperlukan agar terjadinya reaksi kimia tertentu dalam reaktor, biasanya dilakukan penambahan atau pengambilan panas dari reaktor dengan menggunakan tipe heat exchanger tertentu, antara lain:
Gambar 1. External Heat Exchanger Gambar 2. Cooling By Vapour Phase 1.3 Klasifikasi Reaktor Secara umum terdapat dua jenis utama reaktor kimia yang dibedakan berdasarkan bentuknya, antara lain: - Reaktor tangki atau bejana - Reaktor pipa Kedua jenis reaktor dapat dioperasikan secara kontinyu maupun batch. Biasanya, reaktor beroperasi dalam keadaan stabil namun terkadang bisa juga beroperasi secara transien (berubah ubah/tidak stabil). Keadaan reaktor yang transien adalah ketika reaktor pertama kali dioperasikan, misalnya: setelah perbaikan atau pembelian baru, di mana komponen produk masih berubah terhadap waktu.
Pada umumnya bahan yang direaksikan dalam reaktor kimia adalah cairan dan gas, namun kadang-kadang ada juga padatan yang diikutkan dalam reaksi, misalnya: katalisator, reagent inert. Tentu saja perlakuan terhadap bahan yang akan direaksikan akan berbeda-beda bergantung pada mekanisme reaksinya. Untuk memudahkan dalam mempelajari jenis-jenis reaktor kimia, maka jenis reaktor kimia dapat diklasifikasikan ke dalam beberapa klasifikasi, misalnya : berdasarkan bentuk, keadaan proses, keadaan operasi, penggunaan, dan fasa. Gambar 3. Klasifikasi Reaktor A. Klasifikasi reaktor berdasarkan bentuk Reaktor dapat dibedakan yang paling sederhana adalah berdasarkan bentuknya. Terdapat dua bentuk utama dari reaktor, antara lain: 1. Reaktor Tangki Dikatakan reaktor tangki ideal bila pengadukannya sempurna, sehingga komposisi dan suhu didalam reaktor setiap saat selalu uniform. Dapat dipakai untuk proses batch, semi batch, dan proses alir. 2. Reaktor pipa Biasanya digunakan tanpa pengaduk sehingga disebut Reaktor Alir Pipa. Dikatakan ideal bila zat pereaksi yang berupa gas atau cairan, mengalir didalam pipa dengan arah sejajar sumbu pipa.
B. Klasifikasi reaktor berdasarkan keadaan operasi Reaktor dapat dibedakan berdasarkan keadaan operasinya, hal ini dapat dilakukan karena reaksi kimia biasanya disertai dengan penyerapan atau pelepasan energi berupa panas (endotermik, dan eksotermik), sehingga dapat teramati melalui perubahan suhu dari komponen-komponen yang terlibat dalam reaksi. Klasifikasnya antara lain: 1. Reaktor isotermal Dikatakan isotermal jika umpan yang masuk, campuran dalam reaktor, aliran yang keluar dari reaktor selalu seragam dan bersuhu sama. 2. Reaktor adiabatis Dikatakan adiabatis jika tidak ada perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya. Jika reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat dipakai untuk menaikkan suhu campuran di reaktor. ( K naik dan ra besar sehingga waktu reaksi menjadi lebih pendek). 3. Reaktor non adiabatis C. Klasifikasi reaktor berdasarkan keadaan proses Keadaan proses dalam industri terdapat tiga jenis, yakni: batch, semi batch, dan kontinyu. Berdasarkan tiga jenis proses ini juga dapat digunakan dalam membedakan jenis reaktor yang digunakan, antara lain: 1. Reaktor Batch Reaktor jenis ini biasanya sangat cocok digunakan untuk produksi berkapasitas kecil misalnya dalam proses pelarutan padatan, pencampuran produk, Batch distillation, kristalisasi, ekstraksi cair-cair, farmasi dan fermentasi. Reaktor jenis ini memiliki ciri tidak terdapat aliran inlet atau outlet selama operasi, memiliki pengaduk untuk mencampur reaktan, dan dalam prosesnya harus berutan (tidak dapat dilakukan bersamaan) antara mengisi bahan baku, operasi, pengeluaran produk, cleaning, dan conditioning untuk mengolah bahan baku berikutnya. Gambar 4. Reaktor Batch
2. Reaktor Semi Batch Reaktor semi-batch umumnya berbentuk tangki berpengaduk, cara operasinya adalah dengan jalan memasukan sebagian zat pereaksi ke dalam reaktor, sedangkan zat pereaksi yang lain atau sisanya dimasukan secara kontinyu ke dalam reaktor. Ada material yang masuk selama operasi ytanpa dipindahkan. Reaktan yang masuk bisa dihentikan, dan produk bisa dipindahkan selama operasi waktu tertentu. Tidak beroperasi secara steady state. Contoh paling sederhana misalnya tangki fermentor, ragi dimasukkan sekali ke dalam tangki (secara batch) namun CO2 yang dihasilkannya dikeluarkan secara kontinyu. Contoh lainnya adalah klorinasi, suatu reaksi cair-gas, gas digelembungkan secara kontinyu dari dasar tangki agar bereaksi dengan cairan di tangki yang diam (batch). 3. Reaktor Kontinyu Reaktor kontinyu Reaktor kontinyu mempunyai aliran masukan dan keluaran (inlet/outlet) yang terdiri dari campuran homogen/heterogen. Reaksi kontinyu di operasikan pada kondisi steady, dimana arus aliran masuk sama dengan arus aliran keluar. Reaktor kontinyu dibagi menjadi dua jenis utama, yaitu : a. Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) atau Continous Striired Tank Reactor (CSTR) Biasanya berupa tangki berpengaduk dengan asumsi pengadukan sempurna, konsentrasi tiap komponen dalam reaktor seragam sebesar konsentrasi aliran yang keluar dari reaktor. Model ini biasanya digunakan pada reaksi homogen di mana semua bahan baku dan katalisnya berfasa cair, atau reaksi antara cair dan gas dengan katalis cair. Reaktor CSTR dapat disusun secara seri maupun pararel. Pemasangan secara seri akan meningkatkan kemampuan konversi reaktor CSTR, semakin banyak jumlah yang dipasang seri maka konversinya akan semakin mendekati reaktor PFR denganh volume yang sama. Sementara pemasangan secara paralel umumnya bertujuan untuk meningkatkan kapasitas produsi dengan konversi yang sama. CSTR umum digunakan pada industri proses, terutama dengan reaksi homogen fasa cair, dimana diperlukan pengadukan yang konstan. CSTR juga banyak digunakan
pada proses biologi di industri dan dikenal dengan sebutan Fermentor. Contohnya pada industri antibiotik, dan waste water treatment. Fermentor Mendegradasi atau menghancurkan molekul berukuran besar menjadi berukuran lebih kecil dengan hasil samping pada umumnya adalah alkohol. Gambar 5. Reaktor CSTR seri Gambar 6. Reaktor CSTR pararel Prinsip Kerja Reaktor CSTR Satu atau lebih reagen fluida dimasukkan pada tangki sebuah reaktor yang dilengkapi dengan kipas atau impeller. Impeller mengaduk cairan untuk memastikan cairan tersebut tercampur rata. Reaktor Alir Tangki Berpengaduk (RATB) ini dipanaskan baik menggunakan sistim tertutup di dalam tangki atau jaket yang mengelilingi tangki. Pada tangki pencampur yang digunakan pada reaktor kimia, dua fluida atau lebih direaksikan
bersama untuk menghasilkan suatu fluida yang berbeda dari fluida sebelumnya. Reaksi ini terjadi pada temperatur tertentu yang harus dipertahankan tetap besarnya atau konstans agar dapat dihasilkan temperatur dan jenis fluida keluaran yang diinginkan. b. Reaktor Alir Pipa (RAP) atau Plug Flow Reaktor (PFR) Merupakan suatu reaktor berbentuk pipa yang beroperasi secara kontinyu. Dalam PFR selama operasi berlangsung bahan baku dimasukkan terus menerus dan produk reaksi akan dikeluarkan secara terus menerus sehingga tidak terjadi pencampuran ke arah aksial dan semua molekul mempunyai waktu tinggal di dalam reaktor sama besar. Seluruh reaktan masuk melalui bagian inlet reaktor, semua perhitungan dalam merancang PFR harus dengan asusmsi bahwa tidak terjadi back mixing, downstream, dan upstream. PFR memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibanding CSTR pada volume yang sama. PFR yang dipasang seri maka konversinya akan sama dengan PFR tunggal yang panjangnya sama dengan jumlah dari panjang tiap reaktor PFR penyusun, sementara untuk yang dipasang paralel tujuan nya sama dengan CSTR, yakni meningkatkan kapasitas produksi dengan konversi yang sama. PFR memiliki aplikasi yang luas, baik dalam sistem fasa gas, maupun fasa cair. Umumnya digunakan pada sintesis amoniak dari unsur-unsur penyususnnya, dan oksidasi sulfur dioksida menjadi sulful trioksida. Seperti pada reaktor CSTR, reaktor PFR juga dapat disusun secara seri maupun paralel seperti yang terlihat pada gambar berikut: Gambar 7. Reaktor PFR
Gambar 8. PFR seri Gambar 9. PFR pararel 1.4 Jenis Reaksi Dan Reaktor dengan Katalis A. Jenis Reaksi Pada Reaktor Seperti yang telah diketahui, reaktor merupakan tempat terjadinya reaksi kimia. Jenis reaksi kimia dalam reaktor secara garis besar dibagi ke dalam beberapa jenis, antara lain: - Kombinasi langsung atau reaksi sintesis A + B AB - Dekomposisi/penguraian atau reaksi analisis AB A + B - Reaksi substitusi tunggal A + BC AC + B - Reaksi substitusi ganda/metatesis AB + CD CB B. Reaktor dengan Katalis Terkadang dengan tujuan untuk meningkatkan kinerja reaktor dengan cara mempercepat tercapainya konversi reaksi tertentu dipergunakanlah katalis. Katalis merupan suatu zat yang digunakan untuk mempercepat reaksi tetapi terlepas, bahkan dapat dikatakan tidak ikut bereaksi. Berikut merupakan contoh beberapa jenis reaktor yang menggunakan katalis, antara lain:
1. Shell and Tube Reactor Seperti reaktor pipa tetapi berupa beberapa pipa yang disusun dalam sebuah shell, reaksi berjalan di dalam pipa pipa dan pemanas/pendingin di shell. Alat ini digunakan apabila dibutuhkan sistem transfer panas dalam reaktor. Gambar 11. Shell and Tube Reactor 2. Fixed Bed Catalytic Reactor Merupakan reaktor berbentuk pipa besar yang didalamnya berisi katalisator padat. Bisanya digunakan untuk reaksi fasa gas dengan katalisator padat. Apabila diperlukan proses transfer panas yang cukup besar biasanya berbentuk fixed bed multitube, dimana reaktan bereaksi di dalam tubetube yang berisi katalisator dan pemanas/pendingin mengalir di luar tube. Fixed Bed Reactor katalitik dapat didefinisikan sebagai suatu tube silindrikal yang dapat diisi dengan partikel-partikel katalis. Selama operasi, gas atau liquid atau keduanya akan melewati tube dan partikel-partikel katalis, sehingga akan terjadi reaksi. Fixed bed reactor adalah reaktor yang dalam prosesnya mempunyai prinsip kerja pengontakan langsung antara pereaktan dengan partikel-partikel katalis. Fixed bed reactor biasanya digunakan untuk umpan (pereaktan) yang mempunyai viskositas kecil. Kelebihan Fixed Bed Reactor - Dapat digunakan untuk mereaksikan dua macam gas sekaligus - Kapasitas produksi cukup tinggi
- Pemakaian tidak terbatas pada kondisi reaksi tertentu (eksoterm atau endoterm) sehingga pemakaian lebih fleksibel - Aliran fluida mendekati plug flow, sehingga dapat diperoleh hasil konversi yang tinggi - Pressure drop rendah - Oleh karena adanya hold-up yang tinggi, maka menghasilkan pencampuran radial yang lebih baik dan tidak ditemukan pembentukan saluran (channeling). Gambar 12. Fixed Bed Catalitic Reactor Bentuk Reaktor Fixed Bed Bentuk reactor Fixed Bed dapat dibagi menjadi : a. Reaktor dengan satu lapis tumpukan katalisator (Single Bed) Sebagai penyangga katalisator dipakai butir-butir alumunia (bersifat inert terhadap zat pereaksi) dan pada dasar reactor disusun dari butir yang besar makin keatas makin kecil, tetapi pada bagian atas katalisator disusun dari butir kecil makin keatas makin besar. b. Multi bed Katalisator diisi lebih dari satu tumpuk katalisator, fixed bed dengan katalisator lebih dari satu tumpuk banyak dipakai dalam proses adiabatic. Jika reaksi yang terjadi sangat eksotermis pada konversi yang masih kecil suhu gas sudah naik sampai lebih
tinggi dari suhu maksimum yang diperbolehkan untuk katalisator, maka gas harus di dinginkan terlebih dahulu kedalam alat penukar panas diluar reactor untuk di dinginkan dan selanjutnya dialirkan kembali ke reaktor melalui tumpukan katalisator kedua, jika konversi gas yang keluar dari tumpukan kedua belum mencapai yang direncanakan, tetapi suhu gas sudah lebih tinggi dari yang diperbolehkan maka dilakukan pendinginan lagi dengan mengalirkan gas kealat penukar panas kedua kemudian di kembalikan ke reactor yang masuk melalui tumpukan katalisator ketiga dan seterusnya sampai diperoleh konversi yang diinginkan. Jika reaksi bersifat endotermis maka penukar panas diluar reactor dapat digunakan untuk pemanas gas reaksi. 3. Fluidized Bed Reactor Fluidized Bed Reactor adalah adalah jenis reaktor kimia yang dapat digunakan untuk mereaksikan bahan dalam keadaan banyak fasa. Reaktor jenis ini menggunakan fluida (cairan atau gas) yang dialirkan melalui katalis padatan (biasanya berbentuk butiran-butiran kecil) dengan kecepatan yang cukup sehingga katalis akan terolak sedemikian rupa dan akhirnya katalis tersebut dapat dianalogikan sebagai fluida juga. Proses ini, dinamakan fluidasi. Fluidized Bed Reaktor dapat digunakan untuk pencampuran dan pemisahan antar fasa. Biasanya digunakan untuk reaksi fasa gas katalisator padat dengan umur katalisator yang sangat pendek sehingga harus cepat diregenerasi, atau padatan dalam reaktor adalah reaktan yang bereaksi menjadi produk. Gambar 13.a. Fludized Bed Reactor
Gambar 13.b. Schematic Of Fluidized Bed Reactor 4. Trickle Bed Reactor Reactor trickle bed adalah reaktor dengan packing katalis dimana fasa cair dan gas mengalir searah ke bawah yang mengalami interaksi pada katalis padatan. Reaktor ini digunakan untuk memanaskan feed (umpan) menjadi vapour. Gambar 14. Trickle Bed Reactor
5. Slurry Reactor Reaktor ini menggunakan liquid sebagai reaktant dan solid sebagai katalis. Biasanya terdiri dari liquid stirred tank, pada beberapa keadaan, gas sebagai reaktan juga diembunkan melalui reaktan. Keberadaan katalis sebagai slurry membuat penambahan dan pengambilan katalis dalam proses menjadi mudah. Gambar 14. Slurry Reactor
DAFTAR PUSTAKA Wanda.2012.Alat Alat Industri Kimia.namikazewand.blogspot.co.id/2012/03/alat alat industri - kimia.html?m=1 (diakses tanggal 11 April 2016) Leo.2008.Reaktor.http://reaktormm.blogspot.co.id/2008/12/reaktor adalah suatu proses tempat.html?m=1 (diakses tanggak 11 April 2016) Budiman Arif.2015.Makalah Alat Industri Kimia Reaktor.Fakultas Teknik, Universitas Bandung Raya:Bandung. Setyowati Suparni R.2008.Kimia Industri SMK Jilid 2.Direktorat Pembinaan Sekolah Menengah Kejuruan, Direktorat Jenderal Manajemen Pendidikan Dasar dan Menengah, Departemen Pendidikan Nasional:Jakarta.