BAB II

REAKTOR GANDA

2.1. Tujuan Percobaan

- Membuat neraca massa

- Menghitung konversi reaksi

2.2. Tinjauan Pustaka

Pada umumnya pengertian Reaktor adalah suatu tempat terjadinya suatu reaksi

kimia dimana konstruksinya tergantung dari variabel yang dibutuhkan untuk proses

kimia tersebut, seperti koefisien perpindahan panas, tekanan, suhu, volume, konsentrasi,

dll.[8]

Ada tiga tipe pendekatan utama yang digunakan dalam pengoperasian reaktor:

- Reaktor batch

Pengertian 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 tangki berpengaduk  (RATB)

RATB dikenal juga sebagai. Di RATB, satu atau lebih reaktan masuk ke dalam suatu

bejana berpengaduk dan bersamaan dengan itu sejumlah yang sama (produk)

dikeluarkan dari reaktor. Pengaduk dirancang sehingga campuran teraduk dengan

sempurna dan diharapkan reaksi berlangsung secara optimal. Waktu tinggal dapat

diketahui dengan membagi volum reaktor dengan kecepatan volumetrik cairan yang

masuk reaktor. Dengan perhitungan kinetika kimia,konversi suatu reaktor dapat

diketahui.

- Reaktor alir pipa (RAP)

RAP dikenal juga sebagai RAS (Reaktor aliran Sumbat). Dalam RAP, satu atau lebih

reaktan dipompa ke dalam suatu pipa. Biasanya reaksi yang menggunakan RAP

adalah reaksi fase gas. Reaksi kimia berlangsung sepanjang pipa sehingga semakin

panjang pipa konversi akan semakin tinggi. Namun tidak semudah ini menaikkan

konversi, dalam RAP konversi terjadi secara gradien, pada awalnya kecepatan reaksi

berlangsung secara cepat namun setelah panjang pipa tertentu jumlah reaktan akan

berkurang dan kecepatan reaksi berlangsung lebih lambat dan akan makin lambat

23

24

seiring panjangnya pipa. Artinya, untuk mencapai konversi 100% panjang pipa yang

dibutuhkan adalah tak terhingga.

- Reaktor Semi-Batch

Reaktor jenis berlangsung secara batch dan kontinyu secara bersamaan. 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).

- Reaktor mixed flow

Satu atau lebih reaktan masuk ke dalam suatu bejana berpengaduk dan bersamaan

dengan itu sejumlah yang sama (produk) dikeluarkan dari reaktor. Pengaduk

dirancang sehingga campuran teraduk dengan sempurna dan diharapkan reaksi

berlangsung secara optimal. Waktu tinggal dapat diketahui dengan membagi volume

reaktor dengan kecepatan volumetrik cairan yang masuk reaktor. Dengan

perhitungan kinetika reaksi, konversi reaksi dapat diketahui.[9]

Persamaan untuk reaktor mixed flow :

Input = output + hilang karena reaksi + akumulasi (0)

Input A,

Output A,

Kehilangan A karena reaksi,

Jika disubstitusikan ke neraca massa :

Sehingga :

Keterangan :

τ = Waktu tinggal (s)

25

V = Volume (L)

v0 = laju reaksi

CA = konsentrasi (mol/L)

FA = rate feed (mol/menit)

rA = rate reaksi (mol/m3.s)

XA = konversi

Di mana XA dan rA diukur pada kondisi aliran keluar reaktor, di mana

kondisinya sama dengan kondisi di dalam reactor.[2]

Lebih jauh lagi, reaktor dengan katalisator (padatan) membutuhkan pendekatan

yang terpisah dari ketiga model tersebut dikarenakan banyaknya asumsi sehingga

menyebabkan tiga model perhitungan di atas tidak lagi akurat.

Beberapa ubahan yang memengaruhi rancangan reaktor:

- Waktu tinggal

Waktu tinggal merupakan waktu yang diperlukan bahan baku untuk bereaksi di

dalam reaktor pada kondisi tertentu. Waktu tinggal berbanding terbalik dengan laju

reaksi, dimana semakin kecil waktu tinggal maka laju alir reaksi akan semakin besar.

Hal ini sesuai dengan persamaan :

- Volume (V)

Volume berbanding terbalik dengan laju reaksi dimana semakin kecil volume maka

laju alir reaksi akan semakin besar. Hal ini sesuai dengan persamaan :

- Temperatur (T)

Reaksi Tunggal 

1. Endotermis : Semakin tinggi suhu maka konversi akan semakin besardan

kecepatan reaksi juga semakin tinggi, sehingga sebaiknya reaktordioperasikan

26

pada suhu setinggi-tingginya dengan memperhatikanfaktor keamanan, batas

material construction dan umur katalis.

2. Eksotermis : Pada reaksi Irreversible maka sebaiknya reaktordioperasikan pada

suhu setinggi-tingginya, sehingga kecepatan reaksiakan besar sihingga volume

reaktor akan kecil. Pada reaksi Reversibelsebaiknya suhu reaktor dioperasikan

pada suhu rendah supayadiperoleh konversi maksimum yang tinggi. Tetapi suhu

rendah akan mengakibatkan kecepatan reaksi menjadi kecil sehingga

volumereaktor akan menjadi besar. Maka diperlukan kondisi operasi yang

optimum.[10]

- Tekanan (P)

Single reactiona.

1. Penurunan jumlah mol : Bila selama reaksi terjadi penurunan jumlah mol maka

Tekanan reaktor harus besar. Sehingga reaksi akan bergeser kearah kanan

2. Penambahan jumlah mol :Bila selama reaksi terjadi penambahan jumlah

mol maka tekanan reaksi harus kecil.

- Konsentrasi senyawa

1. Reaksi Irreversible tunggal : Pada reaksi tunggal tidak dapat balik maka

memperbesar konsentrasi salah satu reaktan akan memperbesar konversi. Maka

dipilih salah satu reaktan dibuat berlebih dan yang lain sebagai limiting reaktan

sehing gareaksi mendekati sempurna.

2. Reaksi reversible tunggal : Konversi maksimum yang dapat dicapai pada reaksi

dapat balik sangat dipengaruhi oleh kesetimbangan reaksi , atau konversi

setimbang.

Hal ini sesuai dengan persamaan :

- Koefisien perpindahan panas

Saat reaksi berlangsung sangat cepat maka panas yang dilepas di dalam pellet tidak

dapat dikeluarkan dengan cukup cepat untuk menjaga agar pellet tetap tertutup dari

temperatur liquid, sehingga terjadi efek nonisothermal. Untuk reaksi dengan[4]

menggunakan pellet diperoleh persamaan :[2]

27

Neraca Massa  adalah cabang keilmuan yang mempelajari

kesetimbangan massa dalam sebuah sistem. Dalam neraca massa, sistem adalah sesuatu

yang diamati atau dikaji. Neraca massa adalah konsekuensi logis dari.  Hukum

Kekekalan Massa yang menyebutkan bahwa di alam ini jumlah total massa adalah kekal

tidak dapat di musnahkan ataupun diciptakan. Contoh dari pemanfaatan neraca massa

adalah untuk merancang reaktor kimia, menganalisa berbagai alternatif proses produksi

bahan kimia, dan untuk memodelkan pendispersian polusi.

Massa yang masuk ke dalam suatu sistem harus keluar meninggalkan sistem

tersebut atau terakumulasi di dalam sistem. Konsekuensi logis hukum kekekalan massa

ini memberikan persamaan dasar neraca massa :

[massa masuk] = [massa keluar] + [akumulasi massa]

dengan [massa masuk] merupakan massa yang masuk ke dalam sistem, [massa keluar]

merupakan massa yang keluar dari sistem, dan [akumulasi massa] merupakan akumulasi

massa dalam sistem. Akumulasi massa dapat bernilai negatif atau positif. Pada

umumnya, neraca massa dibangun dengan memperhitungkan total massa yang melalui

suatu sistem. Pada perhitungan teknik kimia, neraca massa juga dibangun dengan

memperhitungkan total massa komponen-komponen senyawa kimia yang melalui

sistem (contoh: air) atau total massa suatu elemen (contoh: karbon). Bila dalam sistem

yang dilalui terjadi reaksi kimia, maka ke dalam persamaan neraca massa ditambahkan

variabel [produksi] sehingga persamaan neraca massa menjadi:

[massa masuk] + [produksi] = [massa keluar] + [akumulasi massa][11]

28

2.3. Variabel Percobaan

A. Variabel tetap

- Volume NaOH = 1500 mL

- Volume H2SO4 =800 mL

- Perbandingan volume masukan H2SO4 = 50 : 50

B. Variabel berubah

- Konsentrasi H2SO4 = 0,4 N dan 0,5 N

- Waktu tinggal = 5; 10; 15 menit

- Bukaan globe valve = 45o dan 60 o

2.4. Alat dan Bahan

A. Alat – alat yang digunakan:

- Batang pengaduk

- Beakerglass

- Buret

- Busur

- Corong kaca

- Erlenmeyer

- Gelas arloji

- Gelas ukur

- Karet penghisap

- Neraca analitik

- Pipet tetes

- Pipet volume

- Seperangkat reaktor

- Stopwatch

- Termometer

2.5. Prosedur Percobaan

A. Kalibrasi laju alir volumetrik air pendingin

- Mengisi tangki air penampung dengan air pendingin

- Membuka globe valve air pendingin pada reaktor I dan reaktor II dengan

bukaan valve bukaan valve 50o dan menghitung waktu untuk 250 mL air yang

keluar.

B. Bahan - bahan yang digunakan:

- Aquadest (H2O)

- Asam oksalat (H2C2O4. 2H2O)

- Asam sulfat (H2SO4)

- Indikator phenolphtalein (C20H14O4)

- natriumhidroksida (NaOH)

29

B. Persiapan bahan

- Membuat larutan asamoksalat 0,2 N sebanyak 250 mL

- Membuat larutan NaOH 0,2 N sebanyak 1500 mL

- Menstandardisasi larutan NaOH dengan menggunakan larutan asamoksalat.

- Membuat larutan asamsulfat 0,4 N dan 0,5 N sebanyak 800 mL.

C. Percobaan

- Mengatur bukaan valve pada 45° pada kelarutan tangki NaOH, H2SO4, reactor

1 dan 2

- Memasukkan larutan NaOH sebanyak 1500 mL ke dalam tangki NaOH dan

biarkan mengalir secara kontinyu kedalam reaktor 1

- Menyalakan motor pengaduk pada reaktor 1

- Memasukkan larutan asamsulfat sebanyak 400 mL ke dalam tangki penampung

dan mengalirkan larutan secara kontinyu dan menyalakan stopwatch

- Setiap 0, 5, 10, dan 15 menit, mencatat temperatur pada reaktor, temperatur

pada air pendingin masuk dan keluar, dan mengambil hasil reaksi pada

keluaran reaktor 1 lalu melakukan titrasi dengan 10 mL asam oksalat sebanyak

3 kali

- Mengambil hasil reaksi keluaran reaktor 2 setelah 15 menit reaksi dan

melakukan titrasi dengan 10 mL asam oksalat

- Mengulangi langkah-langkah tersebut sesuai dengan run yang diminta.

2.6. Data Pengamatan

Tabel 2.1. Data kalibrasi laju alir volumetrik air pendingin

Bukaan Valve Volume (mL) Waktu (s) Laju Alir (mL/s)

45° 250

5,91

31,6745,90

5,87

60° 250

7,91

31,6747.90

7,87

30

Tabel 2.2. Data hasil pengamatan standarisasi NaOH 0,2 N dengan Asam oksalat

0,2 N

No.Volume

Asamoksalat (mL)

Volume Titrasi (mL)

I 10 11,5

II 10 11,3

III 10 11,4

Rata – rata 11,4

Tabel 2.3. Data hasil pengamatan suhu reaktor untuk bukaan valve 45o

Konsentrasi H2SO4 (N)

Waktu (menit)

T air masuk (°C)

T air keluar (°C)

0,4

0 26 295 26 2910 26 2815 26 29

0,5

0 26 285 26 2910 26 2815 26 28

Tabel 2.4. Hasil pengamatan standarisasi NaOH awal dan produk bukaan 45°

VariabelStandarisasi

awal

Standarisasi Produk (mL)Reaktor I Reaktor II

5 menit 10 menit 15 menit 15 menit0,4 N H2SO4

( 50 : 50)14,2 21,1 27,3 29,7 33,516,1 22,4 32,3 28,5 35,2

0,5 N H2SO4

( 50 : 50)15,7 24,7 33,5 36,9 41,915,9 25,9 35,5 36,9 41

Tabel 2.5. Hasil pengamatan standarisasi NaOH awal dan produk bukaan 60°

VariabelStandarisasi

awal

Standarisasi Produk (mL)Reaktor I Reaktor II

5 menit 10 menit 15 menit 15 menit0,4 N H2SO4

( 50 : 50)13,5 23 30 29,3 33,215,2 25,3 28,1 28,2 32

0,5 N H2SO4

( 50 : 50)12 26,9 33,5 38 39,3

15,7 27 33,9 39,7 40

31

Tabel 2.6. Hasil perhitungan neraca massa reaktor I dengan konsentrasi H2SO4 0,4 N

untuk bukaan valve 45° dengan waktu 5-15 menit

Untuk waktu (t) =5 menit

Komponen Massa masuk (gram) Massa keluar (gram)H2SO4 15,68 10,5268NaOH 10,5263 6,323Na2SO4 - 7,4629

H2O 2274,4225 2276,3140Total 2300.6289 2300.6268

Untuk waktu (t) = 10menit

Komponen Massa masuk Massa keluarH2SO4 10.5263 6.5949NaOH 15.68 10.8601Na2SO4 0 6.9801

H2O 2274.4225 2276.1916Total 2300.6 2300.6

Untuk waktu (t) = 15 menit

Komponen Massa masuk Massa keluarH2SO4 10.5263 5.3566NaOH 15.6800 9.3420Na2SO4 0.0000 9.1788

H2O 2274.4225 2276.7489Total 2300.6 2300.6

Tabel 2.7. Hasil perhitungan neraca massa reaktor I dengan konsentrasi H2SO40,5 N untuk bukaan valve 45° dengan waktu 5-15 menit

Untuk waktu (t) = 5 menit

Komponen Massa masuk Massa keluarH2SO4 10.5263 7.7801NaOH 15.68 12.3131Na2SO4 0 4.8758

H2O 2274.4225 2275.6583Total 2300.6 2300.6

Untuk waktu (t) = 10 menit

Komponen Massa masuk Massa keluarH2SO4 10.5263 4.0702NaOH 15.68 4.9900Na2SO4 0 7.2266

H2O 2274.4225 2276.2541Total 2300.6 2292.5

32

Untuk waktu (t) = 15 menit

Komponen Massa masuk Massa keluarH2SO4 10.5263 5.9837NaOH 15.68 10.1108Na2SO4 0 8.0653

H2O 2274.423 2276.4667Total 2300.6 2300.6

Tabel 2.8. Hasil perhitungan neraca massa reaktor II dengan konsentrasi

H2SO4 0,4 N untuk bukaan valve 45°

Komponen Massa masuk Massa keluarH2SO4 20,5355 20,0602NaOH 4,4344 4,0480Na2SO4 7,4408 8,1295

H2O 3065,0460 3065,2206Total 3097,4568 3097,4584

Tabel 2.9. Hasil perhitungan neraca massa reaktor II dengan konsentrasi H2SO4

0,5 N untuk bukaan valve 60°

Komponen Massa masuk Massa keluarH2SO4 10.5263 4.8908NaOH 15.68 5.9961Na2SO4 0 8.6836

H2O 2274.423 2276.6234Total 2300.6 2296.2

33

2.7. Grafik

Grafik 2.9.1.Hubungan konversi asam sulfat 0,4 N dan waktu reaksi pada bukaan

45o dan bukaan 60o di reaktor II

Grafik 2.9.2. Hubungan konversi asam sulfat 0,5 N dan waktu reaksi pada

bukaan 45o dan bukaan 60o di reactor II

34

2.8. Pembahasan

1. Secara teori jumlah input dan output pada neraca massa akan selalu dalam

keadaan setimbang, sesuai dengan rumus

Input = output + hilang karena reaksi + akumulasi (0)

Pada hasil percobaan yang telah dilakukan, dapat dilihat pada hasil perhitungan

neraca massa pada tabel 2.8.3. sampai 2.8.6. Hasil yang diperoleh dalam

percobaan sesuai dengan teori. Dengan hasil perhitungan sebagai berikut :

Untuk bukaan valve 45°

a) Pada konsentrasi H2SO4 0,4 N untuk waktu reaksi mulai dari 5-15 menit

diperoleh massa input sama dengan massa output yaitu 2300.6 gram pada

reaktor I, dan 3097,4584 pada reaktor II.

b) Pada konsentrasi H2SO4 0,5 N untuk waktu reaksi mulai dari 5-15 menit

diperoleh massa input sama dengan massa output yaitu 2300.6 gram pada

reaktor I, dan3097,4584 gram pada reaktor II .

2. Secara teori semakin besar konsentrasi reaktan maka nilai konversi reaksi yang

dihasilkan akan semakin besar.Dengan hasil perhitungan sebagai berikut:

Pada bukaan valve 45°

a) Untuk konsentrasi H2SO4 0,4 N pada reaktor I diperoleh:

- waktu 5 menit konversi sebesar 19,63218%

- waktu 10 menit konversi sebesar 37,34767%

- waktu 15 menit konversi sebesar 32,86502%

sedangkan pada reaktor II didapatkan konversi reaksi sebesar 40,42119 %

b) Untuk konsentrasi H2SO4 0,5 N pada reaktor I diperoleh:

- waktu 5 menit konversi sebesar 26,089%

- waktu 10 menit konversi sebesar 38,667%

- waktu 15 menit konversi sebesar 43,154%

sedangkan pada reaktor II didapatkan konversi reaksi sebesar 46,462%

3. Secara teori hubungan antara konsentrasi H2SO4 dengan konversi adalah semakin

besarkonsentrasi asamsulfat (H2SO4), maka konversi semakin besar. Hal ini

ditunjukkan pada persamaan :

35

Dimana :

CAo = Konsentrasi zat yang masuk (mol bahan yang masuk/volume feed)

CA = Konsentrasi zat

XA= Konversi reaksi

2.9. Kesimpulan

Dari hasil percobaan dapat disimpulkan bahwa :1. Massa yang masuk dalam reaktor sama dengan massa yang keluar dari dalam

reaktor.2. Semakin besar konsentrasi reaktan yang bereaksi, maka konversi yang

dihasilkan juga semakin besar.