BAB I

PENDAHULUAN

Proses kimia terdiri dari tahapan pengolahan, yaitu: pengolahan fisika awal

seperti permurnian/purifikasi bahan, perubahan fasa (cair ke uap, uap ke cair, padat

ke cair); pengolahan kimia seperti perubahan senyawa/zat melalui reaksi kimia;

dan pengolahan fisika lanjutan seperti pemisahan komponen melalui distilasi,

ekstraksi dan absorbsi. Senyawa yang dipisahkan dari pengolahan fisika lanjutan

dikembalikan ke pengolahan fisika awal sebagai recycle.

Dalam merancang reaktor dibutuhkan pengetahuan dan pengalaman

mengenai termodinamika, kinetika kimia, mekanika fluida, perpindahan

panas, perpindahan massa dan ekonomi teknik.

Reaktor digunakan sebagai tempat terjadinya reaksi senyawa-senyawa kimia

menghasilkan produk-produk baik produk utama maupun produk samping. Lebih

dari satu reaksi dapat terjadi didalam reaktor tergantung pada produk yang

diinginkan. Reaksi kimia berlangsung secara irreversible (satu arah) atau

Pengolahan Fisika Awal

Pengolahan Kimia

Pengolahan Fisika Lanjutan

reversible (dua arah). Reaksi dapat berlangsung secara serie atau secara parallel

atau secara serie dan parallel.

Dua pertanyaan yang harus dijawab dalam merancang reaktor:

1. Perubahan apa yang diharapkan terjadi ? (termodinamika)

2. Berapa cepat reaksi berlangsung ? (kinetika kimia, perpindahan massa)

Termodinamika

Dalam merancang reaktor, informasi yang diberikan oleh termodinamika:

a. Panas yang dibebaskan atau yang diserap selama reaksi berlangsung

b. Besar reaksi maksimum yang terjadi (konversi reaksi)

Reaksi kimia dapat disertai oleh pelepasan panas (eksotermis) atau penyerapan

panas (endotermis).

a A → r R + s S , ∆Hr {+ : endotermis, - : eksotermis } (1)

Panas reaksi pada temperatur T, ∆Hr , adalah panas yang ditransfer dari

lingkungan ke sistem yang bereaksi bila a mole A bereaksi menjadi r mole R dan s

mol S dengan sistem yang diukur pada T dan P sama sebelum dan sesudah

bereaksi.

Konstanta kesetimbangan, K dapat dihitung dari energi bebas standar, Go dari

senyawa yang mengalami reaksi :

∆Go = r GoR + s Go

S - a GoA = - RT ln K (2)

Hasil maksimum yang diharapkan dari produk reaksi dapat diestimasi jika K

diketahui.

Kinetika Kimia

Kinetika kimia menentukan faktor-faktor yang mempengaruhi laju reaksi. Untuk

reaksi yang cepat, kinetika tidak dibutuhkan dan hanya termodinamika yang

diperlukan dalam perhitungan. Kinetika kimia dan desain reaktor merupakan

faktor yang penting dalam kegiatan produksi bahan-bahan kimia. Keberhasilan

pabrik kimia ditentukan oleh pemilihan sistem reaksi yang beroperasi secara aman

dan efisien. Prinsip Teknik Reaksi Kimia digunakan dalam produksi senyawa

misalnya: produksi asam sulfat dari SO3 dan H2O, produksi antifreeze dari etana,

urea dari ammonia dan CO2 dan kinetika pembentukan Nitric oxide dan kaitannya

dengan pembentukan asap.

Species Kimia

Species kimia adalah adalah senyawa atau elemen dengan identitas tertentu yang

di tentukan oleh .jenis, jumlah dan konfigurasi atom-atom species tersebut.

Contoh :

Perubahan konfigurasi menyebabkan perbedaan sifat kimia dan fisika dari

senyawa tersebut. Pada contoh diatas terjadi perubahan konfigurasi dari Cis – 2 –

butene menjadi Trans – 2 – butene sehingga sifat kimia dan fisika dari kedua

senyawa tersebut mengalami perubahan.

Reaksi kimia terjadi apabila sejumlah molekul dari satu species atau lebih

kehilangan identitasnya dan membentuk species baru dengan perubahan jumlah

atom didalam senyawa dan/atau perubahan struktur atau konfigurasi atom. Bila

reaksi kimia terjadi, total massa senyawa tidak terbentuk atau tidak hilang

(konservasi massa).

Klasifikasi Reaksi

Berdasarkan Jumlah dan jenis fasa reaksi dapat diklasifikasi kedalam reaksi

homogen dan reaksi heterogen:

a. Reaksi Homogen, jika berlangsung dalam 1 fasa (padat, cair, gas)

b. Reaksi Heterogen, jika reaksi terjadi pada lebih dari satu fasa (padat dan

cair, cair dan gas).

Tabel 1. Klasifikasi Reaksi Kimia

Sistem Nonkatalitik Katalitik

Homogen Reaksi Fasa Gas Reaksi fasa cair

Reaksi enzimatik dan

Reaksi mikrobial

Heterogen Pembakaran batubara,,

pembakaran biji mineral,,

absorpsi gas-liquid dengan

reaksi, reduksi biji besi

menjadi besi dan baja

Sintesa ammonia, oksidasii

ammonia, menghasilkan

asam nitrat, cracking crude

oil, oksidasi SO2 menjadi SO3

Variabel yang mempengaruhi kecepatan reaksi pada sistem homogen :

temperatur, tekanan dan komposisi, sedangkan pada sistem heterogen :

temperatur, tekanan, komposisi, perpindahan panas dan perpindahan massa.

Contoh:

Pada pembakaran briket batubara, difusi O2 melalui film gas yang mengelilingi

partikel dan melalui lapisan abu pada permukaan partikel memainkan peranan

penting dalam membatasi laju reaksi. Disamping itu laju perpindahan panas dapat

menjadi suatu faktor yang berpengaruh, misalnya pada reaksi eksotermik yang

berlangsung pada permukaan interior porous catalyst pellet. Jika panas yang

dihasilkan reaksi tidak dihilangkan secara cepat menyebabkan laju reaksi yang

tidak merata. Semakin cepat laju reaksi, seperti nyala pembakaran (burning

flame), heat dan mass transfer menjadi pengendali reaksi.

Laju kehilangan (rate of disappearance) misalnya: species A adalah jumlah

molekul A yang kehilangan identitas kimianya per satuan volume melalui

pemecahan dan pembentukan ikatan kimia selama reaksi. Kehilangan identitas

species melalui tiga cara, yaitu:

1. Dekomposisi : Molekul terurai menjadi molekul yang lebih kecil, atom,

atau bagian atom.

Contoh :

2. Kombinasi : Molekul besar terbentuk dari molekul yang lebih kecil

Contoh : Pembentukan Cumene dari Benzene dan Propylen.

3. Isomerisasi : Pembentukan senyawa dengan rumus molekul sama tetapi

rumus bangun yang berbeda (terjadi perubahan

konfigurasi senyawa).

Contoh:

Suatu molekul atau sejumlah molekul dari species kimia telah bereaksi jika

molekul kehilangan identitas kimianya.

Laju reaksi dapat dinyatakan sebagai laju reaksi kehilangan (disapperance)

reaktan atau laju reaksi pembentukan (formation) produk. Misalnya: pada reaksi

pembentukan DDT (dichlorodiphenyltrichloroethane) dari chlorobenzene dan

chloral.

2C6H5CI + CCI3CHO → (C6H4CI)2CHCCI3 + H2O

chlorobenzene chloral DDT

Pada sistem homogen, jika chloral sebagai A, maka -rA adalah jumlah mol

chloral yang bereaksi/hilang per satuan waktu per satuan volume (mol/dm3.s)

dan jika DDT sebagai C, maka rC adalah jumlah mol DDT yang terbentuk per

satuan waktu per satuan volume.

Laju reaksi untuk sistem heterogen, r’ A

-r’ A= Jumlah mole A bereaksi per satuan waktu per satuan massa

katalis ( mol/s. g catalyst)

Laju reaksi merupakan fungsi konsentrasi species, temperatur, tekanan atau

tipe katalis tetapi laju reaksi tidak tergantung pada jenis sistem yang

digunakan (aliran batch atau kontinyu).

Laju reaksi, -rA tergantung pada temperatur dan konsentrasi dan persamaan

laju reaksi merupakan persamaan aljabar.

A → Produk

Definisi Laju Reaksi:

1) Berdasarkan volume fluida yang bereaksi:

2) Berdasarkan massa solid dalam sistem fluida:

3) Berdasarkan permukaan interfasa sistem dua fluida atau berdasarkan satuan

permukaan solid dalam sistem gas – solid:

4) Berdasarkan volume solid dalam sistem gas-solid:

5) Berdasarkan volume reaktor:

Volume fluida identik dengan volume reaktor untuk sistem homogen (V = Vr). Pada

sistem heterogen, semua definisi laju reaksi diatas dapat digunakan.

Laju reaksi merupakan fungsi dari keadaan sistem. Hubungan laju reaksi:

V ri = W ri’ = S ri

’’ = Vs ri’’’ = Vr ri

’’’’

Dimana:

V = volume fluida

W = masa solid

S = permukaan solid

Vs = volume solid

Vr = volume reaktor

Persamaan laju reaksi, –rA dapat dinyatakan sebagai :

a. Fungsi linear konsentrasi

-rA = k CA, atau

b. Fungsi nonlinear konsentrasi

-rA = k CA2

Contoh:

Mesin roket membakar campuran bahan bakar secara stoikhiometri (liquid H2 dan

liquid O2). Kamar bakar berbentuk silinder dengan panjang 75 cm dan diameter 60

cm. Pembakaran menghasilkan 108 kg/s gas buang. Jika pembakaran sempurna

tentukan laju reaksi H2 dan O2.

Penyelesaian:

Volume reaktor = volume reaksi (sistem homogen)

V = π/4 D2 L = 3.14/4 (0.6)2 (0.75) = 0,2121 m3.

H2 + ½ O2 → H2O

H2O yang dihasilkan = 108 kg/s (1 kmol/18 kg) = 6 kmol/s.

H2 yang dikonsumsi = 1/1 (6 kmol/s) = 6 kmol/s

O2 yang dikonsumsi = ½ (6 kmol/s) = 3 kmol/s

- rH2 = (1/0,2121 m3)(6 kmol/s) = 2,829 x 104 kmol/m3.s

- rO2 = (1/0,2121 m3)(3 kmol/s) = 1,415 x 104 kmol/m3.s

Persamaan Neraca Mol

Laju aliran j (mol/waktu) memasuki volume sistem dan terjadi reaksi kimia

didalam volume sistem.

Neraca mole species j dalam volume sistem

Laju aliran j kedalam

sist em

(mol/waktu) + Laju pembentukan j oleh reaksi kimia didalam sistem

(mol/waktu) - Laju aliran j keluar sistem (mol/waktu) = Laju Akumulasi j

didalam sistem. Secara matematis dinyatakan dengan persamaan:

Fj0 + Gj - Fj = dNj/dt

dimana :

Fj0 = Laju aliran j kedalam sistem (mol/waktu)

Fj = Laju aliran j keluar sistem (mol/waktu)

Gj = Laju pembentukan j oleh reaksi kimia didalam sistem

(mol/waktu)

Nj = Jumlah mol species j didalam sistem pada waktu t.

Jika variable sistem (temperatur, aktivitas katalis, konsentrasi species

kimia) sama berdasarkan ruang seluruh volume sistem, laju pembentukan

species j, Gj :

Gj = rj V

(mol/waktu) = (mol/waktu.volume). volume

rj = laju pembentukan species j

V = volume reaksi

Jika laju pembentukan species j bervariasi dengan posisi dalam volume sistem,

Gj1 = rj1 V1,

Gj2 = rj2 V2, dst.

Total laju pembentukan untuk M subvolume :

Limit

M → ∞ dan V → 0

rj merupakan fungsi tidak langsung posisi, karena konsentrasi dan temperatur

mempunyai nilai yang berbeda pada lokasi reaktor yang berbeda. Persamaan

umum neraca mol dinyatakan sebagai:

Fj0 - Fj + Gj = dNj/dt

Fj0 - Fj + = dNj/dt

Reaktor Batch

Pada reactor batch tidak terdapat aliran masuk reaktan dan aliran keluar

produk sehingga Fj0 = Fj = 0. Persamaan neraca mol

menjadi:

dNj/dt =

Jika campuran reaksi diaduk secara sempurna, rj tidak bervariasi didalam

volume reaktor.

dNj/dt =

Reaktor Batch untuk reaksi fasa gas.

Constant – Volume Constant – Pressure

(Variable Pressure) (Variable Volume)

Reactor Reactor

Contoh:

Perbedaan Laju Reaksi pada Reaktor Batch Volume Konstan dan Tekanan

Konstan.

(CH3)2O → CH4 + H2 + CO

Dimetil Eter

A → M + H + C

Neraca Mol pada Reaktor Batch:

dNA/dt = rA V

1/V (dNA/dt) = rA

Constant – Volume Batch Reactor

1/V (dNA/dt) = d(NA/V)/dt = dCA/dt = rA

Constant – Pressure Batch Reactor

1/V (dNA/dt) = 1/V d(CAV)/dt = dCA/dt + CA/V (dV/dt) = rA

dCA/dt + CA (d In V/dt) = rA

Continuous Flow Reactor

1) Continuous Stirred Tank Reactor (CTSR)

Reaktor CSTR disebut juga Backmix reactor. Reaktor ini

dioperasikan pada kondisi ajeg (steady state) dan dilengkapi dengan

alat pengaduk, sehingga tidak ada variasi konsentrasi, temperatur,

atau laju reaksi didalam reaktor. Konsentrasi dan temperatur didalam

reaktor sama dengan yang keluar dari reaktor.

Continuous Stirred Tank Reaktor

Neraca mol:

Fj0 - Fj + = dNj/dt

Pada steady state:

dNj/dt = 0

= rj V

Fj0 - Fj + rj V = 0

Volume reaktor dihitung dengan persamaan:

V = (Fj0 - Fj) / - rj

Fj = Cj . v

dimana :

Cj = Konsentrasi (mol/volume)

Fj = Molar flowrate (mol/waktu)

v = Volumetric Flowrate (volume/waktu)

2) Tubular Reactor

Reaktor jenis ini berbentuk pipa silinder dan dioperasikan pada kondisi

steady state. Aliran dalam reaktor sangat turbulent sehingga flow field

dimodelkan sebagai plug flow yaitu variasi konsentrasi pada pada

arah radial diabaikan. Reaktor ini dikenal sebagai Plug – Flow

Reactor (PFR). Reaktan berkurang sepanjang tubular reactor sehingga

konsentrasi bervariasi secara kontinyu dalam arah axial, sehingga

laju reaksi bervariasi pada arah axial kecuali untuk reaksi order nol.

Neraca mol sistem secara keseluruhan dinyatakan dengan:

Fj0 - Fj + = dNj/dt

Untuk menurunkan persamaan laju reaksi, reaktor tubular dibagi

menjadi beberapa bagian kecil (irisan) dengan panjang Δy.

Pada subvolume V, rj diasumsi sama sehingga :

= rj V

Pada steady – state:

dNj/dt = 0

Persamaan neraca mol untuk irisian V:

Fj (y) - Fj (y+y) + rj V = 0

V = A y

[Fj(y) - Fj(y+y)] / y = - A rj

Limit - [Fj(y+y) - Fj(y) ] / y = - A rj

y → 0

dFj/dy = A rj

dV = A dy

dFj/dV = rj

Untuk Reaktor dengan luas penampang yang berbeda

Gj =

Fj (v) – Fj (v + v) + rj v = 0

Reaktor Industri

(1) Reaktor Batch

Kegunaan untuk:

(a) operasi skala kecil

(b) pengujian proses baru

(c) proses yang sulit dilakukan secara kontinyu

Keuntungan : konversi tinggi

Kerugian :

(a) biaya labor/pekerja tinggi per satuan produksi

(b) produksi skala besar sulit dilakukan

(2) Reaktor Semi batch

Kegunaan :

(a) Sama dengan reaktor batch

(b) Reaksi dua fasa (gas/liquid) dimana gas digelembungkan kedalam

liquid

Keuntungan :

(a) Pengendalian temperatur dilakukan dengan mudah dengan

menggunakan heater atau cooler

(b) Kemampuan untuk meminimalkan reaksi samping yang tidak

dikehendaki dengan menjaga konsentrasi rendah dari salah satu

reaktan

Kerugian :

Sama dengan reaktor batch

Continuous Stirred Tank Reactor (CSTR)

CSTR dapat digunakan secara tunggal atau seri yang dilengkapi dengan agitasi

yang tinggi. Umumnya reaktor ini digunakan untuk fasa liquid homogen.

Keuntungan : Pengendalian suhu mudah dilakukan

Kerugian :

Konversi reaktan per volume reaktor kecil sehingga dibutuhkan reaktor yang

berukuran sangat besar untuk memperoleh konversi yang tinggi.

Tubular Reactor (PFR)

Kegunaan : Fasa gas homogen

Keuntungan :

(a) Pemeliharaan mudah

(b) Konversi sangat tinggi

Kerugian :

(a) Pengendalian suhu dalam reaktor sulit dilakukan dan hot spot (pemanasan

lokal) dapat terjadi jika reaksi eksotermik (mengeluarkan panas)

Fixed Bed (Packed – Bed) Reactor

Solid catalyst particle ditempatkan didalam tube. Jenis reaktor ini digunakan

untuk sistem reaksi heterogen untuk reaksi katalisa gas.

Keuntungan :

Konversi sangat tinggi per berat katalis dalam reaktor katalitik.

Kerugian :

(a) Pengendalian temperatur sulit dilakukan

(b) Katalis sukar diganti

(c) Terjadi channealing aliran gas sehingga terdapat bagian bed yang tidak

efektif.

Fluidized – Bed Reactor

Banyak digunakan dalam produksi gasoline dalam unit catalytic cracking.

Keuntungan :

(a) Distribusi temperatur merata dalam reaktor bed, sehingga hot spot dapat

dihindari

(b) Pengendalian temperatur baik

(c) Sejumlah besar umpan dan padatan dapat diolah didalam reaktor

Kerugian :

Biaya peralatan reaktor dan unit regenerasi katalis mahal.

Catalytic Cracking Unit

Selama reaksi, terjadi penutupan katalis oleh coke sehingga regenerasi katalis

perlu di lakukan menggunakan regeneration process dua tingkat.

Contoh :

Reaksi Order Satu :

A → B

Berlangsung dalam reaktor tubular dengan volumetric flow rate constant.

Turunkan persamaan untuk menentukan volume reaktor. Berapa volume

yang dibutuhkan untuk mereduksi konsentrasi yang keluar menjadi 10 %

konsentrasi masuk jika volumetric flow rate = 10 dm3/min (Liter/min) dan Laju

reaksi spesifik, k = 0.23/min.

Penyelesaian :

(a)

(b)

(c)

Dengan mensubstitusi Persamaan (b) kedalam persamaan (c):

(d)

(e)

Problem :

1. Jelaskan asumsi yang digunakan dalam penurunan persamaan desain untuk

(a) Reaktor Batch

(b) CSTR

(c) Reaktor Plug – Flow

2. Reaksi order satu A → B berlangsung dalam reaktor CSTR dengan

volumetric flow rate konstan. Tentukan volume reaktor untuk mereduksi

konsentrasi yang keluar 10 % konsentrasi masuk.

Volumetric flow rate = 10 dm3/min dan k = 0.23/menit.

3. Tulis Persamaan desain Reaktor Backmix tanpa pengadukan sempurna

sehingga laju reaksi bervariasi dalam volume reactor.

4. Jelaskan uraian proses pembuatan asam sulfat dan lengkapi dengan flow

sheet. Jenis reaktor (converter) apa yang digunakan dalam proses tersebut.

5. Berapa kondisi operasi (temperatur dan tekanan) dari catalytic cracking

reactor yang digunakan dalam pengilangan minyak bumi (petroleum refinery).

6. Jelaskan jenis reaktor yang digunakan untuk catalytic reforming hidrokarbon.

7. Jelaskan uraian proses pembuatan ammonia dan urea dengan flow sheet.

Jenis reaktor (converter) apa yang digunakan dalam proses tersebut

8. Sistem pembangkit kapasitas 1000 MW listerik menggunakan fluidized bed

combustor. Sistem ini diberikan umpan 240 ton batubara/jam (90 % C, 10 %

H2). 50 % umpan dibakar didalam suatu battery fluidized bed. Battery memiliki

10 fluidized bed combustor dengan ukuran masing-masing combustor:

panjang = 20 m dan lebar = 1 m. Tentukan laju reaksi didalam bed

berdasarkan oksigen yang digunakan.