Upload
taufiq-anwar
View
360
Download
34
Embed Size (px)
DESCRIPTION
hgkbj
Citation preview
Batch
LAPORAN TUGAS BESAR
MATA KULIAH MODEL DAN KOMPUTASI PROSES
BATCH
Oleh :
Abdullah Ardhi Firmansyah (21030113120075)
Annisa Rizky Cesaria (21030113140174)
LABORATORIUM KOMPUTASI PROSES
JURUSAN TEKNIK KIMIA FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS DIPONEGORO
SEMARANG
2015
Model dan Komputasi Proses
Batch
BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Reaktor adalah bagian yang paling penting pada suatu proses kimia. Di unit
proses inilah reaksi pembentukan produk yang kita inginkan terjadi. Pada industri kimia
reaktor dinilai sebagai jantung dari industri tersebut.Pada dasarnya reaktor dibagi menjadi
dua proses yaitu reaktor batch dan reaktor kontinyu. Reaktor batch adalah reaktor yang
berkerja dengan fungsi waktu, pada reaktor ini juga tidak ada input dan output yang
terjadi selama proses. Sedangkan reaktor kontinyu adalah reaktor yang bekerja yang
bergantung pada fungsi volume.
Bagi sarjana Teknik Kimia memahami tentang perancangan suatu unit adalah
penting. Kita dituntut untuk dapat menyusun suatu proses serta mengaplikasikannya ke
dalam industri, dan perancangan suatu reaktor harus dipikirkan secara matang oleh
sarjana teknik kimia, karena unit inilah yang menghasikan produk yang akan
menghasilkan profit bagi industri. Perancangan ini tentunya memerlukan pendekatan
analitis seperti neraca panas, neraca massa dan lain – lain. Pendekatan analitis diperlukan
untuk mengetahui fenomena dalam reaktor itu sendiri, pendekatan analitis ini juga akan
membantu kita dalam menentukan desain reaktor.
Pada saat ini sudah banyak tools yang dapat membantu kita dalam membuat
sebuah perancangan unit dan melihat bagaimanakah fenomena yang terjadi di dalam unit.
Seperti contohnya adalah Scilab, Scilab adalah suatu software komputer yang dapat
membantu kita dalam menyelesaikan berbagai masalah proses, dalam hal ini perancangan
reaktor juga masuk di dalamnya. Penyelesaian perancangan menggunakan Scilab
tentunya harus dimulai dengan pendekatan analitis yang kita input sebagai perintah dan
logika dalam Scilab.Tugas besar ini akan membahas penyelesian perancangan reaktor
batch adiabatis dengan software Scilab.
Model dan Komputasi Proses
Batch
I.2 Rumusan Masalah
Scilab adalah suatu software yang dapat membantu kita dalam penyelesian
modelling dan simulasi. Software ini akan menterjemahkan perintah dan logika yang kita
masukan sehingga akan membuat sebuah modelling dan simulasi yag kita inginkan.
Suatu modelling dan simulasi mengunakan Scilab haruslah mengetahui terlebih dahulu
dasar perhitungan dan logika (pendekatan analitis). Maka dari itu perlunya pemahaman
tentang konsep reaktor itu sendiri. Dalam pemodelan reaktor, kita dapat mengetahui
volume reaktor, konversi reaktan menjadi produk, dan hubungan antara waktu dan
konversi. Oleh karena itu dalam perancangan reaktor batch adiabatis ini digunakan
program scilab untuk memudahkan penyelesaian.
I.3 Tujuan
1. Medesain reaktor batch adibatis untuk reaksi pembentukan butena
2. Mengetahui bagaimana cara modelling dan simulasi menggunakan bantuan Software
Scilab
3. Mengetahui perhitungan neraca massa dan panas pada reaktor
4. Mengetahui hubungan konversi dengan waktu dalam reaktor batch adibatis
I.4 Manfaat
1. Mahasiswa dapat mempelajari bagaimana cara memodelkan dan mesimulasikan
suatu proses dengan bantuan Scilab
2. Hasil dari tugas ini diharapkan dapat membantu dalam mengetahui fenomena yang
terjadi pada reaktor batch adiabtis
3. Hasil dari tugas ini diharapkan dapat menjadi acuan perancangan reaktor
menggunakan metode scilab
Model dan Komputasi Proses
Batch
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1. Dasar Teori
2.1.1. Jenis Reaktor
Dalam teknik kimia, reaktor adalah suatu jantung dari suatu proses kimia.
Reaktor kimia merupakan suatu bejana tempat berlangsungnya reaksi kimia.Secara
umum terdapat 2 jenis reaktor yaitu reaktor tangki dan reaktor pipa.Kedua-duanya
dapat digunakan sebagai reaktor batch atau reaktor kontinu.Biasanya, reaktor
beroperasi dalam keadaan steady state, tetapi kadang juga dioperasikan di dalam
suatu kondisi unsteady. Ada tiga model dasar utama dari reaktor kimia :
a. Batch reactor model ( Batch)
Batch reactor adalah tempat terjadinya suatu reaksi kimia tunggal, yaitu
reaksi yang berlangsung dengan hanya satu persamaan laju reaksi yang
berpasangan dengan persamaan kesetimbangan dan stoikiometri. Reaktor jenis
ini biasanya sangat cocok digunakan untuk produksi berkapasitas kecil misalnya
dalam proses pelarutan padatan, pencampuran produk, reaksi kimia, batch
distillation, kristalisasi, ekstraksi caircair, polimerisasi, farmasi dan fermentasi.
Terdapat beberapa ketetapan menggunakan reaktor tipe batch sebagai berikut :
Model dan Komputasi Proses
Batch
Selama reaksi berlangsung tidak terjadi perubahan temperatur
Pengadukan dilakukan dengan sempurna, konsentrasi di semua titik
dalam reaktor adalah sama atau homogen pada waktu yang sama
Reaktor ideal
Batch reactor bisa tersusun oleh sebuah tangki dengan pengaduk serta
sistem pendingin atau pemanas yang menyatu dengan reaktor.Tangki ini
memiliki ukuran yang bervariasi mulai dari < 1 L sampai > 15.000L tergantung
kebutuhan.Batch reactor biasanya terbuat dari baja, stainless steel atau baja
berlapis kaca.
Keuntungan penggunaan reaktor batch adalah sebagai berikut :
Ongkos atau harga instrumentasi rendah.
Penggunaannya fleksibel, artinya dapat dihentikan secara mudah dan
cepat kapan saja diinginkan.
Penggunaan yang multifungsi.
Reaktor ini dapat digunakan untuk reaksi yang menggunakan campuran
kuat dan beracun.
Mudah dibersihkan.
Dapat menangani reaksi dalam fase gas, cair dan cair-padat.
Kerugian dari penggunaan reaktor batch adalah sebagai berikut :
Kadang-kadang waktu shut downnya besar, yaitu waktu untuk
mengosongkan, membersihkan dan
mengisi kembali.
Pengendalian kualitas dari produk jelek atau susah.
Skala produksi yang kecil
b. Continous stirred-tank reactor model ( CSTR)
Continous stirred-tank reactor adalah proses umpan dan produk mengalir
secara terus-menerus.
Model dan Komputasi Proses
Batch
Keuntungan penggunaan reaktor CSTR adalah sebagai berikut :
Bahan yg diolah lebih sedikit shg resiko kerusakan bahan lebih kecil
Kondisi operasi lebih seragam
Produk seragam
Biaya operasi & investasi rendah
Pengendalian kondisi operasi yang mudah
Kerugian penggunaan reaktor CSTR adalah sebagai berikut :
Untuk volume yang sama konversi lebih rendah daripada PFR
Tidak baik untuk fase gas karena rentan bocor
Tidak effisien untuk reaksi fase gas dan reaksi yang bertekanan tinggi.
c. Plug flow reactor model ( PFR)
Plug flow reactor adalah reaktor alir pipa, dimana umpan masuk pada
masukan pipa,terjadi reaksi sepanjang pipa lalu keluar. Konversi semakin lama
semakin tinggi di sepanjang pipa.Umumnya digunakanFase gas dengan tekanan
dan suhu tinggi. Contoh petrokimia dan pertamina
Keuntungan penggunaan reaktor PFR adalah sebagai berikut :
Konversi yang cukup tinggi
Waktu yang relatif lebih singkat
Kerugian penggunaan reaktor PFR adalah sebagai berikut :
Perawatan yang mahal
Memerlukan waktu utk kondisi steady state
2.1.2. Kondisi Operasi Reaktor
a. Reaktor Adiabatis
Reaktor yang disebut beroperasi secara adiabatik, jika tidak ada
perpindahan panas antara reaktor dengan sekelilingnya. Ditinjau dari segi
operasionalnya, reaktor adiabatik yang paling sederhana, cukup dengan
menyekat reaktor, sehingga tidak ada panas yang hilang ke sekelilingnya.Jika
Model dan Komputasi Proses
Batch
reaksinya eksotermis, maka panas yang terjadi karena reaksi dapat dipakai
untuk menaikkan suhu campuran di reactor(Davis & Davis, 2003).
b. Reaktor non-adiabatis
Reaktor yang disebut beroperasi secara non adiabatis, jika terjadi
perpindahan panas antara reaktor dan sekelilingnya. Reaktor ini sering juga
disebut reaktor isothermal dikarenakan perpindahan panas yang ada digunakan
untuk menjaga suhu operasi di dalam reaktor. Reaktor jenis ini mudah dikenali
dengan pemasangan heater dan cooler pada reaktor.(Davis & Davis, 2003)
2.1.3. Sifat Reaksi
Dalam reaksi kimia, ada reaksi yang membutuhkan energi panas dan juga ada
reaksi yang melepas energi panas. Secara umum ada dua yaitu :
a. Eksotermis
Reaksi eksoterm adalah reaksi yang menyebabkan adanya transfer kalor
dari sistem ke lingkungan.Reaksi eksoterm selalu ditandai dengan adanya
kenaikan suhu sistem saat reaksi berlangsung.Perubahan entalpi dihitung
denganΔH = energi untuk memutus ikatan energi untuk membuat produk
reaksi(Nanda, 2014)
Dengan demikian, perubahan entalpi bertanda negatif (ΔH < 0).Hal ini
dikarenakan energi yangdilepaskan lebih besar daripada energi yang digunakan
untuk reaksi.
Contoh reaksi eksoterm yang lain adalah:
Reaksi pembakaran
Reaksi netralisasi asam dan basa
Reaksi korosi seperti oksidasi logam
Reaksi polimerisasi
Respirasi
Dekomposisi tumbuhan menjadi kompos
Model dan Komputasi Proses
Batch
b. Endotermis
Reaksi endoterm adalah reaksi yang menyebabkan adanya transfer kalor
dari lingkungan ke sistem.Reaksi endoterm ditandai dengan adanya penurunan
suhu sistem.Dengan demikian kalordipindahkan dari lingkungan ke dalam
sistem reaksi.Reaksi endoterm mempunyai entalpi bernilaipositif (ΔH > 0).
Energi yang dilepaskan lebih kecil daripada energi yang digunakan saat
reaksi(Nanda, 2014)
Contoh reaksi endoterm yang lain adalah:
Fotosintesis
Cracking alkana
Reaksi dekomposisi termal
Es batu meleleh
2.1.4. Jenis Reaktan
a. Reaksi Unimolekuler
Reaksi unimolekuler adalah suatu reaksi yang reaktannya hanya melibatkan
satu molekul zat. Reaksi ini biasa terjadi pada dekomposisi suatu zat.
Contoh reaksi unimolekuler yang sederhana adalah pemecahan molekul
radioaktif uranium menjadi thorium dan helium :
92U238 90Th234 + 2He4 (Fogler, 2004)
b. Reaksi Bimolekuler
Reaksi Bimolekuler adalah suatu reaksi yang melibatkan 2 molekul reaktan
atau bisa dibilang produk terjadi dikarenakan reaksi antara 2 molekul
reaktan. Contoh sederhana dari rekasi ini adalah reaksi netralisasi antara
NaOH dan HCl :
NaOH + HCl NaCl + H2O
c. Reaksi Termolekular
Model dan Komputasi Proses
Batch
Reksi termolekular adalah suatu reaksi yang melibatkan 3 molekul reaktan
untuk menghasilkan suatu produk. Reaksi ini memang tidak terlalu dikenal
seperti bimolekular dan unimolekular. Contoh dari reaksi ini adalah sebagai
berikut :
NaOH + CH, Br CH3OH + NaBr (Fogler, 2004)
2.1.5. Jenis Reaksi
Reaksi yang terjadi di dalam suatu reaktor jarang sekali hanya terdiri satu buah
reaksi (reaksi tunggal/ single reaction) tetapi kebanyakan yang terjadi adalah reaksi
ganda (multiple reaction) yang akan dihasilkan produk yang diinginkan dan produk
yang tidak diinginkan. Reaksi ganda terdiri dari reaksi paralel dan reaksi seri
a. Reaksi Paralel
Reaksi paralel atau reaksi samping (competitive reaction) yaitu dari reaktan
yang sama dihasilkan produk yang berbeda melalui jalur reaksi yang berbeda
pula.(Levenspiel, 1999)
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
b. Reaksi Seri
Reaksi seri atau reaksi konsekutif yaitu dari reaktan terbentuk produk antara
yang aktif kemudian lebih lanjut berubah menjadi produk lain yang
stabil(Levenspiel, 1999)
Model dan Komputasi Proses
Batch
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
2.1.6. Arah Reaksi
Dalam reaksi kimia, terdapat dua jenis reaksi yaitu reaksi bolak-balik
(reversible) dan reaksi searah (irreversible).Reaksi reversible adalah suatu reaksi
yang yangberlangsung dalam dua arah.Zat hasil reaksi dapat bereaksi kembali
membentuk zat pereaksi.Sedangkan reaksiirreversible adalah suatu reaksi yang
berlangsung dalam satu arah.Zat hasil reaksi tidakdapat bereaksi membentuk
pereaksi. Penentuan apakah reaksi berjalan reversible atau irreversible dapat
ditentukan dengan cara menghitung harga tetapan kesetimbangan (K). Nilai K
ditentukan dengan cara (Kristianingrum,2010) :
1. Perhitungan konsentrasi pada kondisi setimbang.
2. Perhitungan dari data termodinamika G dan K.
Hubungan G dan K dituliskan sebagai berikut :
∆G = -RT ln K.
Apabila nilai K relatif kecil, maka reaksi berjalan reversible, namun
apabila nilai K terlalu besar, maka reaksi berjalan irreversible.
2.2. Studi Kasus
2.2.1 Tinjauan Termodinamika
Untuk menentukan sifat reaksi berjalan eksotermis atau endotermis tentunya perlu
dibuat sebuah tinjauan yang menyatakan hal tersebut. Disinilah tinjauan thermodinamika
Model dan Komputasi Proses
Batch
diperlukan untuk menentukan sifat dari reaksi yang nantinya juga akan mempengaruhi
desain reaktor seperti contoh jika reaksinya eksotermis berarti membutuhkan cooling jaket
atau jika pada endotermis itu berarti membutuhkan heater. Pada reaksi dehidrasi n-butanol
yang bereaksi sesuai (Gunawan, Dewi, & Geronica, 2004):
Reaksi utama = C4H9OH C4H8 + H2O
Reaksi Samping = 2C4H9OH C4H9-O-C4H9 + H2O
Maka tinjaun termodinamikanya adalah sebagai berikut
ΔHf.298 C4H9OH = -67,81 kcal/mol (Green & Perry, 2007)
ΔHf.298 C4H8 = -2,405 kcal/mol (Green & Perry, 2007)
ΔHf.298 H2O = -68,3174 kcal/mol (Green & Perry, 2007)
ΔHf.298 C4H9-O-C4H9 = -79,8279 (Green & Perry, 2007)
ΔHreaksi utama = ΔHfproduk - ΔHfreaktan
= (-2,405-68,3174)-(-67,81)
= -2,9124 kcal/mol
ΔHreaksi samping = ΔHfproduk - ΔHfreaktan
= (-79,8279-68,3174)-(-2x67,81)
= -12,5224 kcal/mol
∆G298 C4H9OH = -38,88 kcal/mol (Green & Perry, 2007)
∆G298 C4H8 = 14,574 kcal/mol (Green & Perry, 2007)
∆G298 H2O = -56,6899 kcal/mol (Green & Perry, 2007)
ΔGreaksi utama = ΔGproduk - ΔGreaktan
= (14,574+(-56,6899))-(-38,88)
= -3,2359 kcal/mol
Dari persamaan van Hoff :
ΔG298 = -RT ln K
Model dan Komputasi Proses
Batch
K = −∆ G
RT
K = −(−12522
Jmol
)
8,314J
mol K(298 K)
K = 5,054
Dari hasil perhitungan diatas diketahui bahwa kedua reaksi berlangsung secara
eksotermis yang bertarti kedua reaksi tersebut mengeluarkan panas pada reaksinya. Serta
didapatkan nilai K>1 maka dapat disimpulkan bahwa reaksi merupakan reaksi irreversible.
2.2.2 Tinjauan Kinetika
Pengaruh temperatur terhadap kinetika reaksi dapat ditentukan dengan persamaan
Arhenius :
k = Ae-Ea/RT (pers 32 hal 21 Levenspiel).
Harga A, E, dan R tetap. Harga k dipengaruhi oleh temperatur reaksi.Jika harga T
besar maka k besar. Adapun persamaan kecepatan reaksi untuk dehidrasi n-butanol adalah:
rA = k1 CA
rA = k2 CA
k = 7,99x10-6 e-21,5/RT (Gunawan & Susanto,2008)
Pengaruh tekanan terhadap kinetika reaksi, pada tekanan rendah, reaksi cenderung
bergeser ke kanan mengingat jumlah mol gas diruas kanan lebih besar dibanding ruas
kiri.Diharapkan terbentuk produk lebih banyak.Sebaliknya pada tekanan besar reaksi
cenderung bergeser ke kiri, akibatnya produk yang terbentuk tidak sebanyak reaksi pada
tekanan rendah.Oleh sebab itu dipilih tekanan operasi rendah.
2.2.3 Permasalahan yang Akan Diselesaikan
Model dan Komputasi Proses
Batch
Pembuatan Butene dilakukan dengan reaksi dehidrasi n-butanol menjadi butene dan
air pada suhu 289 0K menggunakan Batch Reactor dengan kondisi adiabatis. Data yang
digunakan untuk perancangan yaitu :
ΔHf.298 C4H9OH = -67,81 kcal/mol
ΔHf.298 C4H8 = -2,405 kcal/mol
ΔHf.298 H2O = -68,3174 kcal/mol
∆G298 C4H9OH = -38,88 kcal/mol
∆G298 C4H8 = 14,574 kcal/mol
∆G298 H2O = -56,6899 kcal/mol
Cp C4H8` = 0,0876 KJ/mol K
Cp C4H9OH = 0,17686 KJ/mol K
Cp H2O = 4,180 KJ/kg K
Fao = 1000 l/s
Volume reaktor = 10000 l
Selektivitas terhadap reaksi samping 20%
a. Hitunglah neraca panas dan massa
b. Bagaimanakah profil konversi butanol terhadap waktu jika reaktor bekerja 1 jam?
Model dan Komputasi Proses
Batch
Daftar Pustaka
Davis, M., & Davis, r. (2003). Fundamental Chemical Reaction Engineering. New York: McGraw-Hill Book.
Fogler, S. (2004). Element Of Chemical Reaction Engineering. New Delhi: Prentice-Hall of India.
Green, D., & Perry, R. (2007). Perry's Chemical Engineers Handbook. New York: McGraw-Hill Book.
Gunawan, M. L., & Susanto, H. (2008). Dehidrasi N-Butanol Menjadi Senyawa Butene pada Katalis Molekular Sieve 13 x dalam Kolom Unggun Tetap. Jurnal Teknik Kimia Indonesia, 643-648.
Gunawan, M. L., Dewi, A. S., & Geronica, F. (2004). Uji Katalis Zeolit-Y Komersial Hasil Regenerasi Terhadap Reaksi Dehidrasi N-Butanol.
Levenspiel, O. (1999). Chemical Reaction Engineering. New York: John Wiley and Sons.
Nanda, B. (2014, November 26). Termokimia. Retrieved from Ilmu Kimia: http://www.ilmukimia.org/2014/08/reaksi-eksoterm-dan-endoterm.html
Model dan Komputasi Proses